軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)受油器密封改進(jìn)探索

伍 槺，梁鵬翔

(國(guó)能大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂(lè)山 614900)

受油器是水輪機(jī)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(dòng)著的操作油管內(nèi)，并將其傳送至槳葉接力器，及時(shí)、有效地調(diào)整槳葉開(kāi)度，從而使機(jī)組始終處在協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行。

銅街子水電站位于四川省樂(lè)山市沙灣區(qū)大渡河流域下游，電站總裝機(jī)容量4×150 MW，水輪機(jī)為ZZD460-LH-850型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組。所采用是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的三部浮動(dòng)瓦結(jié)構(gòu)受油器，受油器操作油管與裝在發(fā)電機(jī)軸和水輪機(jī)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(guò)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(rùn)滑槳葉機(jī)構(gòu)用的油的壓力，同時(shí)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(kāi)啟腔和關(guān)閉腔相通,用以向轉(zhuǎn)輪體內(nèi)接力器供油。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，上浮動(dòng)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(dòng)頂在上壓板上。當(dāng)關(guān)閉腔來(lái)油時(shí),中浮動(dòng)瓦上平面受到的油壓大，下平面受的油壓小，將中浮動(dòng)瓦頂靠在受油器體平面上；當(dāng)開(kāi)啟腔來(lái)壓力油時(shí)，下平面受的油壓大，將中浮動(dòng)瓦頂靠在上部壓板上。當(dāng)開(kāi)啟腔來(lái)油時(shí)，有部分油將從下浮動(dòng)瓦與受油器操作油管的間隙中流入回油腔，此時(shí)下浮動(dòng)瓦上平面經(jīng)常受到開(kāi)啟腔油壓的作用，被壓靠在下托板上。上、中、下浮動(dòng)瓦分別安裝在受油器體中，運(yùn)行時(shí)隨著操作油管的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)[1]。通過(guò)在操作油管處設(shè)置浮動(dòng)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(jī)組在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)受油器外罩處有油跡現(xiàn)象(如圖1所示)，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)14F機(jī)組受油器上端蓋靠-Y方向(如圖2所示)在調(diào)整負(fù)荷時(shí)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(jī)組受油器在進(jìn)行了處理后，2月25日運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)上端密封蓋處有溫度，經(jīng)過(guò)運(yùn)行人員用測(cè)溫儀測(cè)量，最高溫度為75℃，經(jīng)過(guò)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(jī)組在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)受油器外罩觀察孔下方處有油跡現(xiàn)象，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)14F機(jī)組受油器上端蓋靠-Y靠-X方向調(diào)整負(fù)荷時(shí)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(jī)組改造后相繼投入AGC運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組調(diào)節(jié)頻繁，受油器漏油量大大增加，壓油泵啟動(dòng)頻繁，油溫升高、受油器頻繁噴油，致使機(jī)組振動(dòng)擺度明顯增加。已經(jīng)影響到水電機(jī)組壓油裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如何在現(xiàn)有的受油器基礎(chǔ)上對(duì)受油器進(jìn)行改進(jìn)，減少漏油量已經(jīng)成為了銅街子水電站的當(dāng)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(dòng)瓦和支架。浮動(dòng)瓦采用銅環(huán)迷宮結(jié)構(gòu)，在受油器中有著對(duì)操作油管的運(yùn)行起密封作用，防止高壓油向外泄露和對(duì)運(yùn)行中操作油管的開(kāi)/關(guān)腔壓力油進(jìn)行隔離密封，防止兩腔高壓油互竄的兩個(gè)重要功能。浮動(dòng)瓦的密封原理是操作油管和浮動(dòng)瓦之間存在配合間隙，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行的時(shí)候，操作油管高速旋轉(zhuǎn)，內(nèi)部的高壓油通過(guò)間隙向外部滲漏，當(dāng)和外部的空氣壓力正好達(dá)到平衡時(shí)，形成了具有一定承載能力的油膜，由于油膜充滿(mǎn)了整個(gè)浮動(dòng)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(diǎn)是：因?yàn)檫@種密封屬于非接觸式密封，所以在機(jī)組按理想狀態(tài)運(yùn)行時(shí)操作油管和浮動(dòng)瓦之間的摩擦量非常小，使得機(jī)組可以獲得更高的效率。但是因?yàn)橐ㄟ^(guò)油膜進(jìn)行密封，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該電站浮動(dòng)瓦和操作油管的配合間隙必須在0.15～0.25 mm之間，對(duì)浮動(dòng)瓦和操作油管的加工精度要求很高，并且這種密封對(duì)操作油管的擺度要求很高，浮動(dòng)瓦在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，十分容易因機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的改變而發(fā)生磨損，使得操作油管和浮動(dòng)瓦配合間隙變大，導(dǎo)致受油器甩油、竄油、壓油泵啟動(dòng)頻繁的狀況出現(xiàn)。

1.2 受油器密封第一次改進(jìn)情況

1.2.1 第一次改進(jìn)后的受油器密封原理

因?yàn)樵瓉?lái)銅街子機(jī)組受油器僅靠浮動(dòng)瓦對(duì)操作油進(jìn)行密封，漏油量普遍偏大，后經(jīng)研究實(shí)踐，檢修公司在受油器上加裝了多道齒型密封(專(zhuān)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(qiáng)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(dòng)瓦壓環(huán)內(nèi)側(cè)加工一矩形環(huán)槽，嵌入齒形密封。此時(shí)O形圈具有一定的預(yù)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€(gè)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(qiáng)，見(jiàn)圖3。

圖3 上浮動(dòng)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(jī)組于2017-01-23日完成了C修，該機(jī)組本次檢修測(cè)量了浮動(dòng)瓦的磨損情況和配合間隙，數(shù)據(jù)合格，浮動(dòng)瓦沒(méi)有更換；更換了浮動(dòng)瓦密封；調(diào)整了受油器的水平；機(jī)組開(kāi)機(jī)試驗(yàn)中，受油器漏油情況正常。

14F機(jī)組上操作油管與密封間隙本身裕量較大，且在運(yùn)行磨損中逐漸增加，輪葉動(dòng)作時(shí)上操作油管轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中并伴隨上下移動(dòng)，造成密封被旋轉(zhuǎn)擠壓變形，當(dāng)密封圈被擠壓變形一小段后，在輪葉動(dòng)作上腔帶壓時(shí)形成一個(gè)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(kāi)位置時(shí)，受油器上端兩組密封有一組已完全滑出軸外(見(jiàn)圖6)，當(dāng)操作油管上下動(dòng)作時(shí)，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(jì)(第二次密封結(jié)構(gòu)改進(jìn))

2.1 結(jié)構(gòu)

受油器密封裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 受油器密封裝置結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)機(jī)組調(diào)整負(fù)荷時(shí)，受油器上腔帶壓，自流進(jìn)油孔與外部的壓力油供油設(shè)備連通，壓力油通過(guò)自流進(jìn)油孔進(jìn)入密封件外側(cè)，密封件在壓力條件下其抵緊部被頂出開(kāi)口并與主軸接觸密封，確保壓力油不會(huì)從端蓋間隙中噴出。機(jī)組負(fù)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(kāi)，以保證密封件不與軸進(jìn)行干摩擦導(dǎo)致密封件溫度升高。

2.2 新型密封裝置的設(shè)計(jì)思路

因?yàn)榈谝淮问苡推髅芊飧倪M(jìn)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(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，操作油管一直與密封件產(chǎn)生磨損，最后導(dǎo)致密封件失效。在第一次改進(jìn)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(dòng)時(shí)，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(jì)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(dāng)密封件受壓時(shí)，壓力油進(jìn)入密封腔并與密封件接觸，因?yàn)槊芊饧牟馁|(zhì)具有彈性，所以壓力油對(duì)密封件不同部位的壓力可能有差異，可能會(huì)導(dǎo)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(jì)有與自流進(jìn)油孔對(duì)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(jìn)入密封腔的速度快，時(shí)間短，因此壓力油從自流進(jìn)油孔進(jìn)入密封腔的位置會(huì)影響密封腔內(nèi)各處的受壓情況，所以，將自流進(jìn)油孔在下端蓋上設(shè)計(jì)成圓周排列，來(lái)延緩壓力油進(jìn)入的速度和時(shí)間。

由于上端蓋與下端蓋為配合連接，若無(wú)專(zhuān)門(mén)的密封設(shè)置，在壓力作用下配合面的間隙可能會(huì)導(dǎo)致滲油，尤其是來(lái)自密封腔內(nèi)的壓力油，在調(diào)整負(fù)荷的過(guò)程中壓力油極有可能通過(guò)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(jì)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(diǎn)

通過(guò)設(shè)計(jì)環(huán)形的密封腔，并且將密封件設(shè)計(jì)成密封部和抵緊部組合的結(jié)構(gòu)，在無(wú)壓下主軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(fù)荷時(shí)，通過(guò)自流進(jìn)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(qiáng)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(fù)荷完成后密封腔內(nèi)自動(dòng)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(shí)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(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得密封件在無(wú)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(guò)高；同時(shí)，通過(guò)自流進(jìn)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(guò)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(kāi)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(shí)，密封件的抵緊部與主軸保持0.5～1 mm間隙，密封件在無(wú)壓狀態(tài)下不與主軸接觸，以此來(lái)確保密封件不會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)摩擦而導(dǎo)致的高溫現(xiàn)象。同時(shí)，密封件與主軸中間的間隙有潤(rùn)滑油能順利流通，從而很好地潤(rùn)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(guò)螺栓連接緊固[5]。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)受油器密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)探索，以及在銅街子水電站14號(hào)機(jī)組上的實(shí)踐，逐步進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，設(shè)計(jì)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(jìn)方式也僅僅是對(duì)已經(jīng)投產(chǎn)的轉(zhuǎn)槳式機(jī)組有著較好的效果，比如延長(zhǎng)機(jī)組的單次運(yùn)行時(shí)間，減少檢修次數(shù)等。對(duì)已經(jīng)投產(chǎn)且受油器從結(jié)構(gòu)上已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行根本性改進(jìn)的機(jī)組具有較大的參考意義。目前，新設(shè)計(jì)投產(chǎn)的轉(zhuǎn)槳式機(jī)組很多已經(jīng)采用在浮動(dòng)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。