轴流转桨式水轮机桨叶接力器修复及结构改进

吴红光，刘小云

（1.五凌电力有限公司挂治水电厂，贵州 锦屏 556700；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

1 引言

轴流转桨式水轮机具有导叶、桨叶双重调节的功能，协联工况下的运行稳定性高、高效区域广，广泛应用于中低水头电站，在全球水能资源的利用中发挥着重要作用。类似于导叶开度调节机构，在轴流转桨式水轮机中，桨叶接力器是将液压能转化为桨叶传动机构所需机械能的元件，其工作性能的优劣直接关系着桨叶开度调节的可靠性，对水轮机能否实现协联运行影响重大。与一般工程机械的液压接力器相比，水轮机桨叶接力器具有尺寸大、负荷重的特点，同时，由于机组出力调节速率及自身稳定性的需要，对其运行参数和可靠性的要求也高得多。当前，水轮机桨叶接力器基本都采用直缸活塞式结构，活塞密封通常是该结构中最薄弱的部件，其密封性能问题也成为影响接力器运行可靠性的普遍问题。

2 主要问题情况

某电站安装有3台额定出力为50 MW的立轴转桨式水轮发电机组，其3号机运行中出现桨叶抽动的情况，经长期整治，问题未得到彻底解决，主要措施及相关事项如下：

（1）定期清洗/更换调速器比例伺服阀，并检查其控制电源，避免阀芯动作不流畅；

（2）清洗检查主配压阀，确认阀芯、衬套无异常磨损，配合尺寸正常，防止窜油；

（3）每次检修后开展调速器机电联调检查，确认桨叶在任一开度位置能够稳定；

（4）2017年，检查发现受油器瓦间隙超设计，更换瓦后，桨叶抽动现象明显好转，但未完全消除，且随着运行时间延长，抽动情况有恶化趋势；

（5）2018年，进行了调速器改造，采用无需中间位移反馈的插装阀结构，避免了中间回路的自激振荡，但仍存在桨叶抽动情况；

（6）2019年，出现了受油器大量漏油的问题，油液从集油盆溢出进入发电机转子，解体检查受油器，发现密封破裂，临时更换了密封件；

（7）2020年，对受油器进行了全面修复处理，短时提高了液压系统的稳定性，其后经长期运行观察，发现轮毂油管的漏油量呈逐步增大的趋势。

通过对上述情况进行全面分析，电站初步判断水轮机桨叶抽动的根源所在，是由于接力器存在窜油或异常漏油的情况，并于2021年实施了3号机组扩大性大修。大修中，电站重点对桨叶接力器进行了全面解体检查，检查发现：接力器活塞缸严重拉伤，轴套及活塞异常磨损，活塞杆与转轮体连接的15颗螺栓中断裂1颗，剩余螺栓预紧力不足（5颗螺栓可徒手拆除），螺栓把合面的密封圈也已破裂。

3 问题的原因分析

该电站水轮机桨叶接力器额定工作油压6.3 MPa，采用独立液压缸—缸动式设计，其结构如图1，活塞杆用螺栓与转轮体把合，活塞内缘固定于活塞杆上，活塞外缘与活塞缸之间采用3道铸铁活塞环的密封结构，活塞缸兼具操作架的功能，通过耳柄螺栓直接与连杆机构相连，在压力油的驱动下，上下移动控制桨叶的开度。

图1 桨叶接力器结构

基于3号机桨叶接力器解体检查发现的问题，结合长期的桨叶抽动情况，综合分析判断，接力器活塞密封不可靠是诸多问题的根源。活塞密封不可靠导致接力器窜油，虽然在此前的每次检修调试时，桨叶开度都能够稳定，但在机组运行中，由于流道水力矩的作用，桨叶开度还是难以保持，出现抽动的情况；长期的桨叶抽动引发一连串的不利后果，不但加剧了活塞、活塞缸及其轴套的磨损、拉伤，也使得处于预紧状态的螺栓，由于材料应力松弛的加速，拉应力逐步降低，甚至进一步发展为疲劳断裂。

4 接力器活塞密封的改进

该电站桨叶接力器磨损、拉伤等问题亟须处理，同时为了保证设备的长期可靠运行，避免再次出现类似的情况，还有必要对现有的活塞密封结构型式进行改进。回顾水轮机接力器活塞密封的发展历程，基于对多种典型密封结构特点的研究，寻求适合电站实际运行情况的改进方案。

4.1 典型活塞密封结构介绍

在转桨式水轮机技术发展的过程中，接力器活塞密封的结构型式也不断演变，主要有油膜密封、活塞环密封、O形密封、组合密封等典型结构。

最早的转桨式水轮机接力器，其活塞密封是靠活塞外径和缸体内径配合间隙构成的非接触式油膜实现密封，严密性较差。对该类密封泄漏量的研究指出，假设泄漏流体为层流时，泄漏量与配合间隙的三次方成正比、与活塞的厚度成反比，要减小泄漏量，通常要加厚活塞或减小配合间隙，这些措施受到各种实际条件的限制：活塞加厚，不但浪费材料，更影响总体结构的布置；间隙设计过小，零部件加工及安装均无法保证，且容易引起活塞卡塞和结构磨损等问题。随着经济社会的发展，能源、环保问题日益严峻，水轮机桨叶接力器的油膜密封型式已被淘汰。

活塞环密封是一种较为传统的密封结构，早期作为蒸汽机、内燃机等气缸活塞的密封元件得到广泛应用，转桨式水轮机的发展中也普遍引用该类密封结构，一般采用铸铁材料。但与蒸汽机、内燃机相比，水轮机的工况相差甚远，特别是随着转桨式水轮机单机容量的增大，相关制造及运行问题也很普遍。活塞环尺寸大，毛坯铸造难度高，为了控制漏油，其加工精度还不能降低，而活塞环本身刚性较差，加工质量更难以保证。在工作性能方面，活塞环与缸壁之间需要很大的贴紧力保证密封，而铸铁环硬度较高，磨损问题不容忽视，很容易将接力器缸体刮伤，影响密封效果。

O形密封最早作为静密封被广泛使用，其后又作为一种自封型挤压密封，拓展为动密封元件，适用于往复运动的场合，有些水轮机接力器采用该类密封结构。O形密封的橡胶材料，弹性大、压缩性能好、密封可靠，硬度低、不会刮伤其他部件，但O形密封作为动密封使用时，需要严格保证液压油的洁净度，否则，随着部件的相对运动，机械颗粒物很容易挤入橡胶体，将密封划伤。转桨式水轮机桨叶操作机构的磨损问题几乎难以避免，产生的金属颗粒物对橡胶密封的可靠性威胁较大，而密封一旦失效，只有在转轮解体后才能修复，故障处理的条件相当苛刻。

组合密封由摩擦环和弹性圈组成，其成分均为有机高分子材料，在接力器动作时摩擦环外侧与缸体相对滑动摩擦，其内侧设有压缩性能较好的弹性圈，使摩擦环与缸体之间形成预压力，通过适度贴合达到密封效果。摩擦环必须具有良好的耐磨性能，但由于材料技术的限制，传统摩擦环热稳定性不甚理想，在接力器频繁动作的情况下，材料容易发生热塑疲劳，导致密封性能下降、使用寿命缩短；冷态下弹性也较差，给摩擦环的安装带来一定的困难，通常需要加热软化，并通过专用工具引入密封槽，并且由于拆卸后无法再次使用，其安装必须一步到位，不允许返工。

4.2 密封改进及其关键工艺控制

通过分析上述典型的活塞密封结构，电站决定将桨叶接力器活塞密封改为组合密封型式，但密封材料方面还需进一步优化，主要出于两个方面的考虑：①该电站作为电网的重要AGC调频电站，调频压力大时，单天负荷调节指令多达千条，由于桨叶频繁动作，亟须提高摩擦环的耐磨性及热稳定性；②由于水轮机结构设计的原因，接力器组装试验前不能安装桨叶传动机构，试验后还需拆除才能进行转轮的整体组装，摩擦环应允许重复使用。

经广泛调研并结合电站实际，最终确定具体的改进方案：避开原密封槽位置设两道组合密封和两道导向带；导向带采用低阻、高硬、耐磨的改性聚四氟乙烯材料，填充于活塞和缸体之间，避免二者直接摩擦；组合密封的弹性圈由性能较好的丁腈橡胶制成，摩擦环则采用耐油、耐磨聚氨酯材料，具体牌号的选择还要求具有较好的弹性和硬度，保证拆装方便可重复使用，并防止运行中杂质颗粒挤入擦伤本体。

接力器修复及改进处理的关键工艺控制如下：

（1）加工缸体内壁，将拉伤部位光出后进行抛光处理，测量并记录缸体内径D；

（2）按原密封槽尺寸制作填充用的钢带（开焊接坡口），填入密封槽并进行封焊；

（3）整体加工活塞外圆，对封焊融合区进行无损检测，确认焊接良好；

（4）堆焊后再次加工活塞外圆，按与缸体配合的间隙要求，控制活塞外径d并确认外圆平整；

（5）超声检测，确认活塞堆焊层与本体融合良好，加工密封槽、导向槽；

（6）核查活塞上、下端面的平面度、平行度，并对活塞内圆进行修正。

对活塞上原密封槽的处理，之所以采用钢带填充、坡口封焊的方法，主要是为了减少堆焊工作量，同时尽量控制结构的变形及其残余应力，如果直接堆焊密封槽，不但会增加其径向收缩，还可能由于轴向热应力分布不均，导致上下平面扭曲变形。实践证明，按上述方法进行处理，活塞上下平面基本完好，内孔收缩约0.15 mm，并根据活塞杆外径对活塞内孔进行了实配加工。采用封焊密封槽的方法时，后续堆焊层质量检查的难度较高，超声检测时要注意避开钢带的填充缝隙，同时又要确保堆焊层与活塞本体完全融合。对活塞缸的处理，除了要保证其内径尺寸外，还应当严格控制内孔表面粗糙度，显然，接触面的光洁度越好，摩擦系数越低，对于改善摩擦环的工作性能、提高其使用寿命是十分必要的。

4.3 桨叶接力器安装试验及运行效果

该电站结合桨叶接力器的修复处理，还实施了活塞缸轴套改进、导向瓦修配、活塞杆连接螺栓结构优化等改造项目，由于改动的部件较多，为了确认无异常，在转轮整体组装试验之前，单独将桨叶接力器装入转轮体，进行了接力器动作试验及严密性检查：接力器在低油压下动作灵活，无爬行和卡阻等情况，保压6.3 MPa检查各部位无渗漏，保压过程中分别测量了开腔、关腔的串油量，均不超过5 mL/min,远小于原活塞环密封结构（100 mL/min以上），满足设计指标及相关规范要求。

电站3号机大修后，经长期运行观察，水轮机调节系统的性能水平有了显著提升，桨叶抽动问题完全消失，受油器各部位不再出现异常漏油，液压系统的静态油耗大大降低，长期困扰电站安全运行的一起重大设备隐患得到彻底消除。

5 结语

文章介绍了一例水轮机桨叶接力器活塞密封缺陷，诱发了轴套磨损、重要连接螺栓松弛断裂等诸多设备问题，因及时进行了修复处理，避免了一起重大的水机事故。基于对桨叶接力器活塞密封重要性的分析，文章详细论述了其结构优化选型过程及关键工艺控制措施，可作为同类设备问题处理的经验参考。桨叶接力器是转桨式水轮机转轮的核心部件，其工作性能直接影响着水轮机的运行可靠性，受实际条件的限制，其运行隐患一般难以直接排查，但也应该认识到，接力器还是水轮机及其调节装置之间的重要承接部件，其工作性能的劣化，通常也会间接表现于水轮机调节装置的性能水平降低，在类似的隐患排查中，应注意加强对设备子系统之间的关联性分析。