水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉卡阻拒動(dòng)的分析與處理

高 健，劉曉娟

(四川松林河流域開發(fā)有限公司，四川 石棉 625400)

1 概 述

某水電廠共裝設(shè)3臺(tái)43 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)為HLD307C—LJ—205，機(jī)組額定流量26.4 m3/s，額定水頭185 m，3臺(tái)機(jī)組調(diào)速器型號(hào)均為MGC4004PS—D80/40。水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉上軸套為尼龍1010材質(zhì)，中軸套及下軸套均為聚甲醛鋼背復(fù)合軸套。2013年，水電廠1～3號(hào)機(jī)組全部開展A級(jí)檢修。在穩(wěn)定運(yùn)行半年后，3臺(tái)機(jī)組均在不同負(fù)荷區(qū)間內(nèi)(28 ～43 MW)出現(xiàn)了負(fù)荷調(diào)整不流暢、調(diào)速器有功調(diào)整功能退出、調(diào)速器“導(dǎo)葉側(cè)大故障”報(bào)警等現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)過流部件檢查發(fā)現(xiàn)，頂蓋、底環(huán)及活動(dòng)導(dǎo)葉端面相互間刮擦明顯，氣蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，并伴有逐年惡化的趨勢(shì)。在檢修后期，水電廠對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉尼龍1010材質(zhì)上軸套進(jìn)行技改，完成了故障處理。

2 故障發(fā)生情況

2013年，水電廠相繼對(duì)3臺(tái)機(jī)組開展了檢修，并更換了活動(dòng)導(dǎo)葉上、中、下軸套。2014年，2號(hào)機(jī)組在加負(fù)荷過程中，監(jiān)控上位機(jī)報(bào)“2號(hào)機(jī)組調(diào)速器故障”“2號(hào)機(jī)組調(diào)速器A套、B套故障”“2號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉側(cè)大故障動(dòng)作”報(bào)警，調(diào)速器控制方式由“自動(dòng)”切至“機(jī)手動(dòng)”，導(dǎo)致上位機(jī)無法增加負(fù)荷；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)1號(hào)和3號(hào)機(jī)組也存在此類現(xiàn)象。

2015年，3臺(tái)機(jī)組調(diào)速器活動(dòng)導(dǎo)葉卡阻拒動(dòng)情況加劇。3臺(tái)機(jī)組在不同負(fù)荷區(qū)間(28～43 MW)內(nèi)，均出現(xiàn)了負(fù)荷調(diào)整不流暢現(xiàn)象，需要現(xiàn)地手動(dòng)將調(diào)速器系統(tǒng)油壓打壓至接近額定壓力4 MPa，才可小范圍操作負(fù)荷調(diào)整；后期1號(hào)機(jī)組即使手動(dòng)加壓，也無法調(diào)整機(jī)組至滿負(fù)荷運(yùn)行。

3 故障檢查及處理情況

針對(duì)3臺(tái)機(jī)組調(diào)速器活動(dòng)導(dǎo)葉卡阻拒動(dòng)的情況，電廠從多個(gè)方面進(jìn)行了檢查和處置。

(1)檢查調(diào)速器電氣回路正常，“導(dǎo)葉側(cè)大故障”出現(xiàn)的原因是由于調(diào)速器下達(dá)指令后，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)葉開度沒有相應(yīng)反饋而發(fā)出報(bào)警并終止流程的一種保護(hù)程序。分析判斷活動(dòng)導(dǎo)葉卡阻與調(diào)速器電氣控制無關(guān)。

(2)對(duì)調(diào)速器主配壓閥進(jìn)行解體檢修，接力器油壓進(jìn)行監(jiān)視，未發(fā)現(xiàn)串油現(xiàn)象。同時(shí)，檢查了控制環(huán)、拐臂、連板等機(jī)械連接位置，未發(fā)現(xiàn)明顯摩擦痕跡；排除了油壓系統(tǒng)壓力不足的情況。

(3)檢查調(diào)速器在無水狀態(tài)下的開、關(guān)動(dòng)作試驗(yàn)。機(jī)組停機(jī)后，關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水口蝶閥，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在無壓情況下，調(diào)速器現(xiàn)地進(jìn)行活動(dòng)導(dǎo)葉開、關(guān)試驗(yàn)，活動(dòng)導(dǎo)葉均能從全關(guān)到全開位置，未出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象；但活動(dòng)導(dǎo)葉端面與頂蓋和底環(huán)抗磨板之間有明顯的刮擦痕跡。初步判斷活動(dòng)導(dǎo)葉卡阻拒動(dòng)與活動(dòng)導(dǎo)葉的上浮和傾斜有關(guān)。

(4)針對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉傾斜和上浮的情況，水電廠針對(duì)性地采取了相應(yīng)處置措施，包括：調(diào)整活動(dòng)導(dǎo)葉軸線與套筒和底環(huán)軸孔同心，疏通座環(huán)活動(dòng)導(dǎo)葉下端軸排水管道，調(diào)整活動(dòng)導(dǎo)葉止推環(huán)間隙，對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉、頂蓋和底環(huán)氣蝕面進(jìn)行修復(fù)等。確保了活動(dòng)導(dǎo)葉上浮不與頂蓋抗磨板直接接觸；同時(shí)也保證活動(dòng)導(dǎo)葉無傾斜，不發(fā)生偏磨。通過以上檢修，成功解決了活動(dòng)導(dǎo)葉上浮問題，活動(dòng)導(dǎo)葉與底環(huán)和頂蓋之間未出現(xiàn)相互刮擦現(xiàn)象，氣蝕得到明顯改善。但機(jī)組運(yùn)行半年時(shí)間后，仍然出現(xiàn)負(fù)荷調(diào)整不流暢，調(diào)速器“導(dǎo)葉側(cè)故障”報(bào)警等問題。

(5)根據(jù)復(fù)發(fā)的活動(dòng)導(dǎo)葉卡阻拒動(dòng)問題，電廠做了進(jìn)一步檢查。最終測量發(fā)現(xiàn)24個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉上軸套在運(yùn)行半年后，軸套內(nèi)徑相較于安裝前，平均收縮量超過0.8 mm。上軸套與活動(dòng)導(dǎo)葉軸徑之間產(chǎn)生了過盈配合，活動(dòng)導(dǎo)葉被軸套牢牢抱死。2018年，電廠通過對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉上軸套進(jìn)行技改，將尼龍1010材質(zhì)上軸套替換成了銅基鑲嵌自潤滑軸套，活動(dòng)導(dǎo)葉卡阻拒動(dòng)問題得到了徹底解決。

4 故障分析

4.1 活動(dòng)導(dǎo)葉軸套結(jié)構(gòu)

活動(dòng)導(dǎo)葉共有上、中、下3個(gè)軸套，其中上軸套安裝在套筒上端，主要起輔助支撐活動(dòng)導(dǎo)葉的作用，材質(zhì)為尼龍1010；中軸套和下軸套分別安裝在套筒下端和底環(huán)下軸孔內(nèi)，起抗磨和支撐活動(dòng)導(dǎo)葉的作用，材質(zhì)為聚甲醛鋼背復(fù)合材料。

4.2 活動(dòng)導(dǎo)葉卡阻原因分析

通過對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，排除了電氣控制回路異常和油壓系統(tǒng)壓力不足等原因。解決了活動(dòng)導(dǎo)葉上浮和偏心問題，同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)了活動(dòng)導(dǎo)葉卡阻拒動(dòng)的主要原因?yàn)槟猃?010軸套吸水膨脹、內(nèi)徑縮小導(dǎo)致。

4.3 尼龍1010軸套設(shè)計(jì)間隙

查《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，水輪機(jī)尼龍1010軸套設(shè)計(jì)間隙的計(jì)算方法如下：

尼龍1010軸套壓入過盈量：

△1=2×10-3D(mm)

與軸配合間隙：

△2=△1+A+C(mm)

式中，A為設(shè)計(jì)要求實(shí)際間隙值；C為內(nèi)徑收縮修正值；D為軸套外徑。

對(duì)照電廠活動(dòng)導(dǎo)葉上軸頸120 mm，軸套壁厚5 mm，A取0.28d/100，d為活動(dòng)導(dǎo)葉上軸頸；C取值0.10～0.15 mm；得出△1為0.26 mm，△2為0.70～0.75 mm。

電廠尼龍1010軸套在安裝后，實(shí)測配合平均間隙為0.67 mm，接近設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求。軸套運(yùn)行半年后，軸套與活動(dòng)導(dǎo)葉軸徑產(chǎn)生了過盈配合，實(shí)測過盈量達(dá)到0.8～1.3 mm。

5 處理方案

活動(dòng)導(dǎo)葉與軸套之間抱死現(xiàn)象的產(chǎn)生，與材料的選擇、檢修安裝工藝和運(yùn)行環(huán)境等多方面因素有關(guān)。通常可從機(jī)加工軸套內(nèi)徑和軸套材料技改更換兩個(gè)方面進(jìn)行處理，重點(diǎn)做好軸套配合間隙控制，確?；顒?dòng)導(dǎo)葉安裝同心度、杜絕間隙過小產(chǎn)生抱死現(xiàn)象；同時(shí)宜選取膨脹率低、吸水率低的可靠性材料制作套筒。

對(duì)照表1中尼龍1010材料和銅基鑲嵌自潤滑材料(FZ—2系列軸套)性能(見表1)。尼龍1010材質(zhì)在長期運(yùn)行過程中容易變形，造成導(dǎo)葉傾斜、不同心、抱軸，是增加導(dǎo)葉運(yùn)行時(shí)卡阻的主要原因，其間隙進(jìn)行調(diào)整后，仍然存在一定不確定風(fēng)險(xiǎn)；FZ系列軸套由于尺寸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，設(shè)計(jì)加工時(shí)只需要控制好配合間隙，不考慮其他因素的影響，其生產(chǎn)與加工在制造廠一次完成，不需要現(xiàn)場修配加工，具有明顯優(yōu)勢(shì)。從降低隱患風(fēng)險(xiǎn)、提高機(jī)組運(yùn)行安全和穩(wěn)定性考慮，電廠選擇了銅基鑲嵌自潤滑軸套進(jìn)行試驗(yàn)改造，取得良好效果。

表1 材質(zhì)物理及機(jī)械性機(jī)能對(duì)照表

6 結(jié) 論

尼龍1010軸套因有吸水膨脹的物理特性，在軸套安裝后，隨著時(shí)間推移，軸套將逐漸膨脹，與活動(dòng)導(dǎo)葉軸抱死，大大增加活動(dòng)導(dǎo)葉操作阻力。在充分考慮材料的物理化學(xué)特性，并兼顧耐磨性和潤滑性，結(jié)合電廠機(jī)組運(yùn)行工況條件，試驗(yàn)銅基鑲嵌自潤滑軸承作為活動(dòng)導(dǎo)葉上軸套進(jìn)行改良。經(jīng)多年運(yùn)行實(shí)踐，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，未發(fā)現(xiàn)異常，驗(yàn)證了新型銅套材料具有較強(qiáng)的適用性和可推廣性。