軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機受油器密封改進探索

伍 槺，梁鵬翔

(國能大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

受油器是水輪機的重要部件，其主要作用是將調(diào)速系統(tǒng)的壓力油自固定油管引入到轉(zhuǎn)動著的操作油管內(nèi)，并將其傳送至槳葉接力器，及時、有效地調(diào)整槳葉開度，從而使機組始終處在協(xié)聯(lián)工況下運行。

銅街子水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)大渡河流域下游，電站總裝機容量4×150 MW，水輪機為ZZD460-LH-850型軸流轉(zhuǎn)槳式機組。所采用是結(jié)構(gòu)最簡單的三部浮動瓦結(jié)構(gòu)受油器，受油器操作油管與裝在發(fā)電機軸和水輪機軸內(nèi)的上、下操作油管連為一體，形成了通油的3條油路。操作油管外管與主軸之間的油路,向上與受油器回油腔相通,再通過回油管與油壓裝置的集油箱相通；向下與轉(zhuǎn)輪體內(nèi)腔相通,以減小轉(zhuǎn)輪體內(nèi)只為潤滑槳葉機構(gòu)用的油的壓力，同時使得轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部保持一定的壓力。內(nèi)外操作油管之間所形成的兩條油路分別與受油器的開啟腔和關(guān)閉腔相通,用以向轉(zhuǎn)輪體內(nèi)接力器供油。機組運轉(zhuǎn)時，上浮動瓦下平面經(jīng)常受關(guān)閉腔油壓的作用(上平面通回油),浮動頂在上壓板上。當關(guān)閉腔來油時,中浮動瓦上平面受到的油壓大，下平面受的油壓小，將中浮動瓦頂靠在受油器體平面上；當開啟腔來壓力油時，下平面受的油壓大，將中浮動瓦頂靠在上部壓板上。當開啟腔來油時，有部分油將從下浮動瓦與受油器操作油管的間隙中流入回油腔，此時下浮動瓦上平面經(jīng)常受到開啟腔油壓的作用，被壓靠在下托板上。上、中、下浮動瓦分別安裝在受油器體中，運行時隨著操作油管的轉(zhuǎn)動進行移動[1]。通過在操作油管處設(shè)置浮動瓦密封件防止受油器出現(xiàn)漏油和噴油的現(xiàn)象。

2019-01-28日，銅街子14F機組在運行中發(fā)現(xiàn)受油器外罩處有油跡現(xiàn)象(如圖1所示)，進一步檢查發(fā)現(xiàn)14F機組受油器上端蓋靠-Y方向(如圖2所示)在調(diào)整負荷時有一股操作油冒出。

圖1 受油器外罩油跡圖

圖2 冒油情況圖

同年2月4日銅站14F機組受油器在進行了處理后，2月25日運行中發(fā)現(xiàn)上端密封蓋處有溫度，經(jīng)過運行人員用測溫儀測量，最高溫度為75℃，經(jīng)過2 d觀察，發(fā)現(xiàn)溫度逐漸降低至正常溫度45℃以下。檢查發(fā)現(xiàn)上端蓋處有一處密封條壓條被擠出約10 mm。

同年3月1日，銅街子14F機組在運行中發(fā)現(xiàn)受油器外罩觀察孔下方處有油跡現(xiàn)象，進一步檢查發(fā)現(xiàn)14F機組受油器上端蓋靠-Y靠-X方向調(diào)整負荷時有一股操作油冒出。發(fā)現(xiàn)是受油器上端蓋密封壓條損壞后，操作油從密封壓條斷裂處形成油流噴出。

目前機組改造后相繼投入AGC運行，運行過程中機組調(diào)節(jié)頻繁，受油器漏油量大大增加，壓油泵啟動頻繁，油溫升高、受油器頻繁噴油，致使機組振動擺度明顯增加。已經(jīng)影響到水電機組壓油裝置的安全穩(wěn)定運行，如何在現(xiàn)有的受油器基礎(chǔ)上對受油器進行改進，減少漏油量已經(jīng)成為了銅街子水電站的當務(wù)之急。

1 原因分析

1.1 受油器原有密封分析

銅街子水電站受油器結(jié)構(gòu)含有旋轉(zhuǎn)部件和固定部件，其中固定部件包括浮動瓦和支架。浮動瓦采用銅環(huán)迷宮結(jié)構(gòu)，在受油器中有著對操作油管的運行起密封作用，防止高壓油向外泄露和對運行中操作油管的開/關(guān)腔壓力油進行隔離密封，防止兩腔高壓油互竄的兩個重要功能。浮動瓦的密封原理是操作油管和浮動瓦之間存在配合間隙，當機組運行的時候，操作油管高速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)部的高壓油通過間隙向外部滲漏，當和外部的空氣壓力正好達到平衡時，形成了具有一定承載能力的油膜，由于油膜充滿了整個浮動環(huán)和操作油管間隙，所以阻止高壓油外漏，從而起到了密封的作用。

這種密封的優(yōu)點是：因為這種密封屬于非接觸式密封，所以在機組按理想狀態(tài)運行時操作油管和浮動瓦之間的摩擦量非常小，使得機組可以獲得更高的效率。但是因為要通過油膜進行密封，根據(jù)設(shè)計要求，該電站浮動瓦和操作油管的配合間隙必須在0.15～0.25 mm之間，對浮動瓦和操作油管的加工精度要求很高，并且這種密封對操作油管的擺度要求很高，浮動瓦在機組實際運行中，十分容易因機組運行狀態(tài)的改變而發(fā)生磨損，使得操作油管和浮動瓦配合間隙變大，導致受油器甩油、竄油、壓油泵啟動頻繁的狀況出現(xiàn)。

1.2 受油器密封第一次改進情況

1.2.1 第一次改進后的受油器密封原理

因為原來銅街子機組受油器僅靠浮動瓦對操作油進行密封，漏油量普遍偏大，后經(jīng)研究實踐，檢修公司在受油器上加裝了多道齒型密封(專利技術(shù))，該齒型密封由具有特定幾何形狀的主密封唇、具有阻隔油膜、防塵作用的副密封唇和具有提供彈力、靜密封作用的O形圈構(gòu)成。主、副密封唇的材質(zhì)是填充一定比例添加劑(碳纖、二硫化鉬等)的增強聚四氟乙烯，具有極高的耐磨性、耐高溫和耐腐蝕性[1]。

在受油器浮動瓦壓環(huán)內(nèi)側(cè)加工一矩形環(huán)槽，嵌入齒形密封。此時O形圈具有一定的預壓縮量，壓縮率一般在0.11～0.18之間，因此在彈力的作用下，在徑向?qū)χ髅芊獯绞┘右粋€作用力，使主密封唇緊緊貼合在操作油管上。隨著壓力的增高，主密封唇受到的徑向力越大，密封唇和軸的貼合越緊密，密封性能也越強，見圖3。

圖3 上浮動瓦齒形密封結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 受油器頻繁噴油原因分析

14F機組于2017-01-23日完成了C修，該機組本次檢修測量了浮動瓦的磨損情況和配合間隙，數(shù)據(jù)合格，浮動瓦沒有更換；更換了浮動瓦密封；調(diào)整了受油器的水平；機組開機試驗中，受油器漏油情況正常。

14F機組上操作油管與密封間隙本身裕量較大，且在運行磨損中逐漸增加，輪葉動作時上操作油管轉(zhuǎn)動過程中并伴隨上下移動，造成密封被旋轉(zhuǎn)擠壓變形，當密封圈被擠壓變形一小段后，在輪葉動作上腔帶壓時形成一個噴嘴效應(yīng)，使一股油噴出(噴油情況如圖4，受油器裝配圖如圖5所示)。

圖4 密封損壞情況圖

圖5 受油器裝配圖

現(xiàn)14F操作油管在全開位置時，受油器上端兩組密封有一組已完全滑出軸外(見圖6)，當操作油管上下動作時，很容易將密封帶出密封槽。

圖6 受油器上端蓋密封圖

2 受油器密封裝置設(shè)計(第二次密封結(jié)構(gòu)改進)

2.1 結(jié)構(gòu)

受油器密封裝置結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 受油器密封裝置結(jié)構(gòu)圖

當機組調(diào)整負荷時，受油器上腔帶壓，自流進油孔與外部的壓力油供油設(shè)備連通，壓力油通過自流進油孔進入密封件外側(cè)，密封件在壓力條件下其抵緊部被頂出開口并與主軸接觸密封，確保壓力油不會從端蓋間隙中噴出。機組負荷調(diào)整完成后，上腔密封壓力逐漸降低，密封件外側(cè)的密封腔逐漸失壓，密封件與主軸逐漸脫開，以保證密封件不與軸進行干摩擦導致密封件溫度升高。

2.2 新型密封裝置的設(shè)計思路

因為第一次受油器密封改進的密封一直與操作油管保持一定間隙，不能自適應(yīng)調(diào)節(jié)，所以在機組運行過程中，操作油管一直與密封件產(chǎn)生磨損，最后導致密封件失效。在第一次改進的密封的基礎(chǔ)上，改變密封件結(jié)構(gòu)，使得密封可以根據(jù)加油量自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

密封件在受壓朝向主軸移動時，密封件被抵緊在密封腔的內(nèi)側(cè)壁上且被擠壓變形，為提高密封件被擠壓變形后的密封性，新設(shè)計的密封含有與密封槽的內(nèi)側(cè)槽壁和扣槽的內(nèi)側(cè)槽壁抵緊的凸緣[2]。

當密封件受壓時，壓力油進入密封腔并與密封件接觸，因為密封件的材質(zhì)具有彈性，所以壓力油對密封件不同部位的壓力可能有差異，可能會導致密封件各部位產(chǎn)生的形變量和疲勞度不同，因此，為平衡密封件上不同部位受到的壓力，新型密封件的密封部設(shè)計有與自流進油孔對應(yīng)的油壓槽。

密封腔是上下端蓋之間的環(huán)形腔體結(jié)構(gòu)，壓力油進入密封腔的速度快，時間短，因此壓力油從自流進油孔進入密封腔的位置會影響密封腔內(nèi)各處的受壓情況，所以，將自流進油孔在下端蓋上設(shè)計成圓周排列，來延緩壓力油進入的速度和時間。

由于上端蓋與下端蓋為配合連接，若無專門的密封設(shè)置，在壓力作用下配合面的間隙可能會導致滲油，尤其是來自密封腔內(nèi)的壓力油，在調(diào)整負荷的過程中壓力油極有可能通過密封腔內(nèi)的配合面泄漏至外部，為避免這種情況，在下端蓋上設(shè)計密封凹槽，將V形密封圈安裝在密封凹槽內(nèi)，上端蓋與下端蓋配合后將密封圈壓緊[3]。

2.3 新型密封裝置的功能特點

通過設(shè)計環(huán)形的密封腔，并且將密封件設(shè)計成密封部和抵緊部組合的結(jié)構(gòu)，在無壓下主軸轉(zhuǎn)動不與密封件接觸，避免了摩擦產(chǎn)生高溫和損壞密封件；在切換負荷時，通過自流進油孔在密封腔內(nèi)產(chǎn)生高壓，將密封件與主軸抵緊，可增強密封腔內(nèi)的密封效果，避免壓力油從上端蓋與下端蓋之間的間隙泄漏，切換負荷完成后密封腔內(nèi)自動泄壓，接觸密封件與主軸的接觸狀態(tài)。這種新式密封可以實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，既保證了密封效果，也減少了損耗。

對密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使得密封件在無壓狀態(tài)下不與主軸接觸，避免了密封件受到磨損，也避免了密封結(jié)構(gòu)處溫度過高；同時，通過自流進油的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，確保在多種工況下密封件能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的密封效果[4]。

3 安裝方式

如圖7所示，上端蓋和下端蓋的中心處均設(shè)置有供主軸1通過的軸孔，上端蓋與下端蓋之間構(gòu)成環(huán)形的密封腔，密封腔的內(nèi)側(cè)壁設(shè)有環(huán)形開口，密封腔內(nèi)設(shè)置有密封件，密封槽內(nèi)的密封部8和位于密封槽內(nèi)側(cè)槽壁上的抵緊處。

安裝時，密封件的抵緊部與主軸保持0.5～1 mm間隙，密封件在無壓狀態(tài)下不與主軸接觸，以此來確保密封件不會在運行過程中出現(xiàn)摩擦而導致的高溫現(xiàn)象。同時，密封件與主軸中間的間隙有潤滑油能順利流通，從而很好地潤滑密封件。

在上端蓋與下端蓋之間還安裝橫截面為V形的密封圈，上端蓋與下端蓋通過螺栓連接緊固[5]。

4 結(jié) 語

通過對軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機受油器密封結(jié)構(gòu)的改進探索，以及在銅街子水電站14號機組上的實踐，逐步進行改進優(yōu)化，設(shè)計研發(fā)了一種新型自調(diào)試受油器密封結(jié)構(gòu)，有效改善了受油器的漏油情況。

但此種改進方式也僅僅是對已經(jīng)投產(chǎn)的轉(zhuǎn)槳式機組有著較好的效果，比如延長機組的單次運行時間，減少檢修次數(shù)等。對已經(jīng)投產(chǎn)且受油器從結(jié)構(gòu)上已經(jīng)無法進行根本性改進的機組具有較大的參考意義。目前，新設(shè)計投產(chǎn)的轉(zhuǎn)槳式機組很多已經(jīng)采用在浮動瓦和操作油管間加裝套筒的結(jié)構(gòu)，從根本上避免了受油器漏油量的情況發(fā)生。