水轮机组接力器活塞杆密封形式改进

匡美珍，张 凯，田恒双

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌443000）

0 概述

水轮机组接力器是水轮发电机组中将液压能转换为机械能以实现导水机构转动的传动机构，用于推动控制环来带动导水机构以调节进入转轮的水流大小和方向，以满足系统对机组出力的要求。而接力器活塞杆密封作为接力器的关键零部件，其密封性能的好坏直接影响机组的安全稳定运行。随着机组运行时间增加，接力器活塞杆密封日益磨损老化，密封性能变差，引起油外泄，轻则造成现场环境污染，重则导致液压系统油位低，进而机组停机，严重影响机组的运行安全，因此需要定期对接力器活塞杆密封进行更换。

对于水轮机组的接力器，其活塞杆一般采用整体式密封结构，而更换活塞杆整体式密封结构需要拆卸大量的零部件，因大型水轮机组接力器各部件尺寸较大、比较笨重，拆装过程中需使用起吊设备、大型工装，投入较多人力物力，且各部件配合精度高，还需要人员具有精湛的检修技艺，检修的风险较难控制。因此，改进活塞杆的密封形式成为迫切需求。以某电站机组接力器活塞杆密封形式改进为例，讲述新型密封的结构及应用。

1 接力器活塞杆密封结构及更换现状

1.1 接力器活塞杆密封形式及结构

某大型水电站3F 机组接力器采用双直缸式接力器，在2 号接力器后端盖处设有自动锁定装置，在机组全关时投入。接力器活塞直径960 mm，活塞杆直径350 mm，活塞杆密封采用丁晴橡胶整体式YX唇形密封圈，安装在接力器缸盖的开式沟槽内，槽外设计有压盖以调节密封的压紧力，压盖处安装有一圈防尘圈，如图1 所示。

图1 3F 接力器活塞杆整体式密封

1.2 活塞杆密封更换存在的问题

3F 机组接力器活塞杆重达2 845 kg，通过杆头及杆头销与上下连板连接，杆头内加工有M300 mm ×6 mm 内螺纹与活塞杆连接，杆头重达1 300 kg 且形状不规则，接力器活塞杆连接如图2 所示。

根据接力器活塞杆连接形式及结构特点，活塞杆密封更换的流程如图3 所示。

在拆装过程中，因施工空间受限及施工条件、工艺等原因，正常情况下，更换1 台接力器的前端盖密封需要2 个工作日，如果涉及到前后端盖均需更换密封的情况下，则需要的时间更长。在上述过程中，其中拆装接力器杆头是关键点，因杆头形状不规则且笨重，在拆装过程中，杆头与活塞杆极易产生偏心，稍有不当就会造成杆头与活塞杆螺纹的损伤，甚至可能发生杆头与活塞杆粘扣事故。2013 年，在更换同类型机组接力器活塞杆密封时，出现部分杆头内螺纹及推拉杆螺纹破损严重，螺纹内部有大小不同程度的金属丝和夹渣现象，杆头不能正常回装。2014 年，其他同类型机组又出现杆头卡涩严重，难以旋进，检查时发现杆头与接力器推拉杆已完全卡死，最后只能返厂重新加工杆头，杆头加工历时4 个月，严重影响机组的运行。

图2 接力器活塞杆连接图

图3 接力器活塞杆拆卸流程图

2 密封改进试验

2.1 新型密封结构设计

为了简化密封更换流程，新的密封采用剖分式结构，如果只是简单的将原有整体式密封直接切口必然影响密封效果。根据活塞杆密封使用的工况条件及检修需求，新型密封采用剖分式V 形组合密封结构，综合考虑液压系统压力大小及原有密封沟槽的结构尺寸及密封效果等因素，V 形组合密封采用1 个支撑环、2 个V 形密封圈、1 个压环的结构形式，压环的凹形角和V 形密封圈的凹形角相同，采用90°标准夹角，剖分面为光滑断面，其规格尺寸为350 mm×390 mm×30 mm。

图4 剖分式V 形组合密封示意图

2.2 密封机理

V 形密封圈是一种唇形密封圈，密封唇有较好的活动性和适应性，可以承受较大的径向力及频繁的压力波动，在自由状态下，V 形密封圈的唇部内径小于活塞杆的外径，装配后V 形密封圈与活塞杆是过盈配合，使得V 形密封圈与活塞杆接触面有一定的预紧力，在零压差的情况下，V 形密封圈依靠预紧力对活塞杆与接力器缸盖之间的间隙进行密封。当液压系统带压时，在压力油的作用下，V 形密封圈的凹槽受油压作用，增大了V 形密封圈与密封面的压紧力，压力越大，压紧力越大，密封能力越强，因此V形密封圈有“自封作用”。

在V 形组合密封结构中，V 形密封圈起主要密封作用，支承环主要用来支承V 形密封圈，使密封圈放置稳定，压环的作用是给V 形密封圈一个初始压缩量，使其与被密封面充分接触，并可对V 形密封圈的压缩量进行调节。

剖分式V 形组合密封的密封机理是依靠V 形圈的唇口的弹性形变起到密封作用，其剖分面在安装过程中各错开90°安装，依靠剖分面直接接触实现密封，同时有压环及支撑环的箍紧力，可以实现可靠密封，有效阻挡剖分口处产生地泄漏。

2.3 新型密封材料选择

液压系统的工况及运行条件：介质为液压油；压力小于10 MPa；液压油温度小于50 ℃；运动速度最大5 m/s。综合以上几点，新型密封结构材质选用进口聚醚聚氨酯，聚醚聚氨酯为专利钢化工艺生产的高效复合物，其机械性能非常好，具有长久的形状记忆性、耐高压性能及耐磨性，它比丁晴橡胶的摩擦系数降低8 倍，可以更好地保护活塞杆减少磨损。

2.4 试验情况

从密封压盖拆卸到剖分式密封安装完成总共耗时4 h，只需要原有检修时间的1/4。密封更换之后，液压系统进行注油及升压试验，当液压系统升压至3.0 MPa 时，对接力器前后活塞杆密封压盖进行检查，未发现油渍；现地操作导叶2 个全行程，未见渗油现象；随后液压系统升压至6.3 MPa，未见渗油现象。在之后的机组二次联调时，多次进行了开、关导叶动作，均未出现渗油现象。

3 改进效果

更换剖分式密封已经历时1 年，定期检查接力器活塞杆压盖均未发现漏油现象。使用剖分式V形组合密封具有以下优点：

（1）检修成本小。改成剖分式密封之后，大大简化了检修流程，更换一处端盖密封只需要2～3 个人半天即可完成。

（2）检修风险降低。改进之后不需要拆卸连板及杆头等大而重的部件，因此减少了起吊重物及损坏活塞杆杆头的风险。

（3）密封性能强。将之前的一圈整体式密封更换为2 圈剖分式聚醚聚氨酯V 形组合密封，同时配合支撑环及压环，可以在活塞杆及缸盖之间形成良好的密封。

4 结语

剖分式密封结构在接力器活塞杆中的应用，使得更换密封只需要拆卸密封压盖，整个密封更换过程简单、无技术障碍，而剖分式密封效果可以满足大形水轮机组对密封圈的使用要求。此项改进减少了设备拆卸次数，保证了密封长周期运行，解决了大型水轮机组接力器活塞杆密封圈更换难、耗时长的问题，在一定程度上提高了大型水轮机组的检修技能。剖分式密封结构在3 F 机组接力器中的应用可以为后续的接力器活塞杆密封形式改进提供成功的经验。