烏魯瓦提水電廠2#機組控制環(huán)上抬問題分析與處理

陳剛 羊紹軍

（烏魯瓦提水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 和田 848000）

一、概 述

烏魯瓦提水電廠（以下簡稱烏電）位于新疆和田河支流喀拉喀什河上游，裝有四臺混流式機組，水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為1620mm，裝機容量為4×15MW。其中1、2#機組于2000年12月完成安裝投入運行，3、4#機組于2001年4月完成安裝投入運行。

烏電機組控制環(huán)如圖1所示，其布置在頂蓋上方，采用內(nèi)置式，用鋼板焊接而成，大耳孔與推拉桿鉸聯(lián)，小耳孔通過左右耳柄和旋套與導(dǎo)葉臂連接，控制導(dǎo)葉的開啟和關(guān)閉，在控制環(huán)的底部和下端面設(shè)有抗模塊，控制環(huán)的抗磨塊材料由尼龍制成。

圖1 控制環(huán)示意圖

二、存在的問題

自2003年起1、2#水輪機控制環(huán)在運行中經(jīng)常出現(xiàn)上抬，經(jīng)測量，在控制環(huán)大耳孔垂直端即圖1中上部，2#機組控制環(huán)最大上抬高度達到5mm，1#機組控制環(huán)最大上抬高度達到4mm，同時頻繁出現(xiàn)雙聯(lián)臂拉脫、剪斷銷剪斷等情況。從2004年12月6日～2009年11月16日,1～4#機組雙聯(lián)臂拉脫、剪斷銷剪斷統(tǒng)計情況見表1。從表中可以看出，1、2#機組出現(xiàn)故障的次數(shù)較多，特別是2#機組，在統(tǒng)計區(qū)間其出現(xiàn)故障的次數(shù)是3#機組的11.5倍，是4#機組的4.6倍。每當(dāng)機組發(fā)生雙聯(lián)臂拉脫、剪斷銷剪斷故障時，機組的振動、擺度都會明顯增大，同時水導(dǎo)軸承也會出現(xiàn)嚴(yán)重甩油現(xiàn)象。而每次處理缺陷，都只能停機處理，這不但嚴(yán)重影響了機組的的安全穩(wěn)定運行，同時還大大增加了維護人員的工作量。

表1 1至4#機組雙聯(lián)臂拉脫、剪斷銷剪斷統(tǒng)計表

三、原因分析

從表1可以看出，1、2#機組雙聯(lián)臂、剪斷銷在統(tǒng)計區(qū)間頻繁發(fā)生故障，已經(jīng)成為機組一個重要的設(shè)備缺陷。同時根據(jù)1～4#機組雙聯(lián)臂、剪斷銷發(fā)生故障的次數(shù)及控制環(huán)在運行中出現(xiàn)的最大上抬高度兩組數(shù)據(jù)看，機組雙聯(lián)臂、剪斷銷發(fā)生故障的次數(shù)與控制環(huán)最大上抬高度存在著高度正相關(guān)關(guān)系。因此可以認為1、2#機組雙聯(lián)臂、剪斷銷頻繁發(fā)生故障的根源是控制環(huán)上抬問題。

為了解決機組控制環(huán)上抬問題，從而解決機組頻繁發(fā)生的雙聯(lián)臂拉脫、剪斷銷剪斷故障。烏電多次聯(lián)系設(shè)備生產(chǎn)廠家及設(shè)計院，并組織廠內(nèi)外相關(guān)技術(shù)人員多次召開了專題技術(shù)討論會，經(jīng)分析認為控制環(huán)上抬主要是由于其受力不平衡及控制環(huán)和支持環(huán)配合間隙增大造成的，其根源主要包括以下三個方面及其他綜合因素：

1.主、付接力器動作不同步

烏電4臺機組均設(shè)有主、付兩個接力器，接力器為直缸式，其原理如圖2。

圖2 接力器原理圖

圖3 理想狀態(tài)下接力器對

從圖2可以看出，由于接力器前腔活塞上連有導(dǎo)桿，導(dǎo)致接力器前后腔受力面積不一樣，經(jīng)計算，接力器活塞兩端受壓面積差約為20%，這就使得無論是在開機還是在關(guān)機過程中，主、付接力器的推、拉力不一樣，從而就會出現(xiàn)主、付接力器動作不同步的現(xiàn)象，這就會使控制環(huán)由設(shè)計時的在力偶矩作用下運動，變?yōu)樵趩瘟刈饔孟逻\動，從而使控制環(huán)運動產(chǎn)生不穩(wěn)定性。如果再在其他因素的多重作用下，必然會導(dǎo)致控制環(huán)出現(xiàn)上抬現(xiàn)象。為了驗證這個問題，將控制環(huán)推拉桿與接力器導(dǎo)桿解體，在接力器空載的狀態(tài)下，操作調(diào)速器，發(fā)現(xiàn)無論是在開還是在關(guān)的情況下，總是出現(xiàn)一個接力器先動作到位，另一個才動作的不同步現(xiàn)象。

2.主、付接力器與控制環(huán)大耳孔的中心不在同一水平面

接力器對控制環(huán)的受力示意圖如圖3和圖4：

圖4 非理想狀態(tài)下接力器對

圖3為理想狀態(tài)下（主、付接力器與控制環(huán)的中心完全在同一水平面上）的受力示意圖，F(xiàn)1、F2分別為付、主接力器對控制環(huán)的推拉力，此時接力器會對控制環(huán)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)力矩M1，其大小為(F1.sinα+F2.sinβ)R，其中R為控制環(huán)大耳孔中心到控制環(huán)中心的距離，α、β分別為F1、F2與控制環(huán)兩大耳孔水平中心線的夾角。在M1的作用下，控制環(huán)就會做水平逆時針旋轉(zhuǎn)運動。

圖4為非理想狀態(tài)下的受力示意圖，在該狀態(tài)下，假設(shè)付接力器安裝中心水平比控制環(huán)大耳孔安裝中心水平低，此時付接力器對控制環(huán)的拉力F3就會與理想狀態(tài)下的F1形成一個夾角，而F3可分解為與F1同向的水平分力F4和垂直方向分力F5,控制環(huán)在F2、F4、F5的作用力下，會產(chǎn)生一個水平方向上的逆時針轉(zhuǎn)動力矩M2和垂直方向上的逆時針轉(zhuǎn)動力矩M3,其中 M2=（F2.sinα+F4.sinβ）R，α、β 分 別為F2、F4與控制環(huán)兩大耳孔水平中心線的夾角，M3=F5.R,在M2和M3兩個轉(zhuǎn)動力矩的作用下，控制環(huán)會沿著水平方向上的逆時針轉(zhuǎn)動和垂直方向上的逆時針轉(zhuǎn)動的復(fù)合旋轉(zhuǎn)運動，這就必然會出現(xiàn)控制環(huán)出現(xiàn)上抬的現(xiàn)象。

寫到這里，我望向屋外。月光下，對面直立的楊木，全都染上了一層薄薄的銀色柔光。這忘我的月色，漫天照物，不就是自我最好的選擇？

在2009年11月份對2#機組進行機組大修期間，對主、付接力器及控制環(huán)安裝水平進行了實地測量，其測量數(shù)據(jù)見表2。

從表2中可以看出，控制環(huán)兩端基本處于同一水平，而主、付兩個接力器的中心安裝水平及其與控制環(huán)大耳孔中心的安裝水平相差較大，已經(jīng)大大超出了安裝規(guī)范中水平差≤2mm的標(biāo)準(zhǔn)，這與上述分析是一致的。

3.控制環(huán)抗磨塊磨損嚴(yán)重，控制環(huán)與支持環(huán)的間隙過大

如圖5所示，控制環(huán)的底部和下端面分別設(shè)有用尼龍材料制作的四個抗模塊，抗模塊的厚度為5mm,側(cè)抗模塊與支持環(huán)的設(shè)計裝配間隙為0.1mm。在2009年烏電2#機組大修解體過程中發(fā)現(xiàn)，控制環(huán)的底、側(cè)抗模塊都存在嚴(yán)重的磨損。四個側(cè)抗模塊中的接力器側(cè)及其對側(cè)的兩個抗模塊磨損較為嚴(yán)重，磨損量大約為3.5mm左右，其運行中的間隙大大超出了設(shè)計間隙；四個底抗模塊也存在不同程度的磨損，最小的磨損在1.5mm左右，最大的約為3mm。底、側(cè)抗模塊的磨損，一方面會使控制環(huán)的水平出現(xiàn)變化，從而導(dǎo)致控制環(huán)兩大耳孔中心高程不在同一水平面；另一方面由于控制環(huán)和支持環(huán)間歇的增大，會導(dǎo)致支持環(huán)對控制環(huán)的約束作用受到較大影響，而這些均會導(dǎo)致控制環(huán)出現(xiàn)上抬現(xiàn)象。

四、處理措施

根據(jù)上述分析，在2009年對2#機組大修中，有針對性地采取了以下措施：

1.實現(xiàn)主、付接力器同步

如圖6所示，在接力器前腔的油管路上加裝單向節(jié)流閥。該單向閥的特點是：當(dāng)單向閥管路中通有壓力油時，單向閥為全開啟狀態(tài)，壓力油回路不受任何影響；當(dāng)單向閥管路中通有回油時，單向閥通過調(diào)節(jié)可控制過油量大小。

表2 主、付接力器及控制環(huán)安裝水平相對高差

圖5 控制環(huán)抗模塊安裝圖

假設(shè)壓力油壓強為P,接力器活塞前腔面積為S1,后腔面積為S2,主接力器推拉力為F1,付接力器推拉力為F2。則：

關(guān)機時，壓力油通過單向閥進入主接力器的前腔，同時直接進入付接力器的后腔，回油直接從主接力器的后腔和通過單向閥從付接力器的前腔回油。在此過程中，主接力器不受任何影響，而付接力器中的回油則會由于單向閥的節(jié)流作用，付接力器前腔中的回油會產(chǎn)生一定的背壓F3。此時有：

F2=P.S2-F3

F2-F1=P.(S2-S1)-F3

從式中可看出，通過調(diào)節(jié)付接力器單向閥可以改變F3的大小,當(dāng)F3的大小與P.(S2-S1)相等時，F(xiàn)2-F1=0,即表示主接力器的拉力F1與付接力器的推力F2相等，從而實現(xiàn)接力器的同步。

圖6 單向閥安裝圖

同理，開機時，通過調(diào)節(jié)主接力器單向閥，可實現(xiàn)接力器同步。

在調(diào)節(jié)單向閥時，應(yīng)充分考慮節(jié)流后導(dǎo)葉的關(guān)機時間能否保證調(diào)速器的調(diào)保計算。

2.加裝、更換抗模塊

側(cè)、底抗磨塊更換成抗磨性能更加優(yōu)良的青銅抗磨塊，并嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙的要求控制側(cè)抗磨塊的安裝精度。

在控制環(huán)的上端加裝側(cè)抗磨塊，這樣，在控制環(huán)上、下端面?zhèn)瓤鼓K的作用下，能夠更加有效地對控制環(huán)運動軌跡進行約束，從而有效防止控制環(huán)的上抬。

3.調(diào)節(jié)接力器的安裝水平

在安裝接力器時，以控制環(huán)的水平為基準(zhǔn)，通過加裝銅墊的方式，調(diào)整好接力器水平。

五、處理效果

在2009年對2#機組進行大修時，烏電按照上述處理措施對控制環(huán)及接力器進行了處理。無論是在整機安裝完畢后的試驗過程中，還是后面的實際運行中，均未發(fā)現(xiàn)控制環(huán)有上抬現(xiàn)象。同時在近幾個月的運行中，也再未出現(xiàn)雙聯(lián)臂拉脫、剪斷銷剪斷等情況。有效地解決了烏電2#機組長期存在的設(shè)備缺陷，實現(xiàn)了機組的安全穩(wěn)定運行。