水輪機轉(zhuǎn)輪漏油分析及改造

劉小云

(五凌電力有限公司湖南五凌電力工程有限公司,湖南 長沙 410004)

1 機組概況

五凌電力有限公司洪江水力發(fā)電廠(以下簡稱洪江電廠)位于沅水流域的中上游河段,是沅水干流開發(fā)規(guī)劃中的重要梯級工程,共裝有 6臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組,單機容量為 45MW,總裝機容量270MW。水輪機型號為 HK-RT,由日本日立公司設(shè)計,其中,#1和#2機組由日立公司制造,#3～#6機組由哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司制造。設(shè)計水頭,20.0m;最大水頭,27.3m;最小水頭,8.4m;加權(quán)平均水頭,22.86m;額定轉(zhuǎn)速,136.4 r/min;飛逸轉(zhuǎn)速,370 r/min(協(xié)聯(lián)工況),314 r/min(非協(xié)聯(lián)工況);設(shè)計流量,252.24m3/s。

2 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)

洪江電廠水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為 ?5460mm,由輪轂、5片槳葉、槳葉操作機構(gòu)和 2段泄水錐等部件組成。輪轂采用鑄鋼整鑄,用 12根螺栓和 6根偏心定位銷連接到主軸法蘭上。槳葉端部活動范圍內(nèi)的輪轂表面加工成球形,以保證槳葉與輪轂間的間隙均勻,減少漏水量。槳葉為帶樞軸整體鑄件,靠近轉(zhuǎn)輪室的外緣處葉片背面設(shè)有防氣蝕的“?！毙稳惯?這種裙邊對減輕間隙氣蝕、改善外緣處流態(tài)、保證機組穩(wěn)定運行有顯著效果。槳葉采用卡環(huán)、方鍵與轉(zhuǎn)臂相連的方式安裝于輪轂,槳葉密封為“D”形結(jié)構(gòu),可在不拆卸槳葉的情況下更換密封。

槳葉操作機構(gòu)采用接力器動缸式的轉(zhuǎn)臂直連桿機構(gòu),接力器缸蓋兼作操作架帶動 5片槳葉的轉(zhuǎn)臂連桿機構(gòu)運動。接力器直徑為 ?1230mm,行程為248.4mm,轉(zhuǎn)臂長 471.8mm?；钊徒恿ζ鞲组g采用 2道鑄鐵密封環(huán)密封,每道密封環(huán)對應(yīng)一種壓力方向。

輪轂內(nèi)充滿了來自輪轂高位油箱的透平油,油壓保持恒定壓力 0.23MPa,以防止水滲漏入輪轂。輪轂中的徑向軸承都采用鑄錫青銅軸套,由內(nèi)部的透平油來潤滑。

3 漏油情況

2006年6月12日,洪江電廠#1機組調(diào)速器回油箱發(fā)油位過低報警信號,之后回油箱油位持續(xù)下降。2006年6月#1機組調(diào)速器回油箱下降記錄見表1。

表1 洪江電廠 #1機組調(diào)速器回油箱下降記錄

4 漏油原因分析

4.1 調(diào)速系統(tǒng)外圍漏油分析及檢查

經(jīng)過分析,可能引起調(diào)速器回油箱油位異常下降的部位有:

(1)回油箱進、排油管路系統(tǒng)存在漏點,控制油閥及逆止閥關(guān)不嚴;

(2)調(diào)速器回油箱油冷卻器存在內(nèi)漏;

(3)受油器進、排油管路系統(tǒng)存在漏點;

(4)漏油箱進、排油管路系統(tǒng)存在漏點;

(5)輪轂高位油箱進、排油管路系統(tǒng)存在漏點;

(6)導(dǎo)葉接力器管路存在漏點;

(7)槳葉接力器管路存在漏點。

2006年7月21—24日,利用#1機組的一次調(diào)頻機會,對調(diào)速系統(tǒng)外圍進行了全面認真的排查,排除了調(diào)速系統(tǒng)外圍漏油的可能性,判斷產(chǎn)生漏油的部分在轉(zhuǎn)輪體上。

4.2 轉(zhuǎn)輪體漏油原因分析

經(jīng)過分析,轉(zhuǎn)輪體密封點主要有:

(1)泄水錐底部封蓋及Ⅰ段、Ⅰ段和Ⅱ段連接處密封面;

(2)轉(zhuǎn)輪體與泄水錐Ⅱ段連接處密封面;

(3)5片槳葉“D”形密封處;

(4)轉(zhuǎn)輪體排油孔及堵頭;

(5)轉(zhuǎn)輪體缸蓋與主軸法蘭連接密封處;

(6)轉(zhuǎn)輪體有關(guān)加工孔及試驗孔堵頭;

(7)轉(zhuǎn)輪體本身有氣孔、砂眼、裂紋等缺陷。

2006年7月,洪江電廠、日立公司、湖南五凌電力工程有限公司及湖南電力試驗研究院有關(guān)人員在流道消壓后,共同進入檢查,除發(fā)現(xiàn)泄水錐Ⅰ段有 1個小砂眼(經(jīng)探傷確認不會引起少油)外,泄水錐、轉(zhuǎn)輪體缸蓋、主軸法蘭、堵頭孔及轉(zhuǎn)輪體外表面等處均無漏油跡象,這些部位均予以排除。

取下槳葉壓板,更換“D”形密封后,暫時沒有出現(xiàn)漏油現(xiàn)象,經(jīng)過一段時間,#1機組調(diào)速器回油箱又出現(xiàn)了油位下降跡象。改變機組運行方式,在投入 AGC、不投 AGC帶滿負荷、不投 AGC帶 18MW 3種工況下運行,均沒有出現(xiàn)好轉(zhuǎn),初步判定可能是轉(zhuǎn)輪槳葉密封處漏油。

進一步檢查轉(zhuǎn)輪體槳葉部分,在轉(zhuǎn)輪上游側(cè)主軸密封支架上焊接 1塊#16槽鋼,底部槳葉上游側(cè)排水環(huán)上焊接一鐵板支點;使用 2個 32 kN千斤頂,1個在上面頂葉片根部,1個在下面頂槳葉的邊;在槳葉下游側(cè)槳葉根部及槳葉的邊分別裝 2塊百分表對槳葉位移量進行測量監(jiān)視,槳葉開度為 15%。測量結(jié)果:#1槳葉根部向下游側(cè)的位移量為 0.38mm,#2槳葉根部向下游側(cè)的位移量為 0.10mm;分別用 1個 50 kN千斤頂及 1個 32kN千斤頂將槳葉向軸心方向頂,#1槳葉的位移量為0.01mm,#2槳葉的位移量為 0.05mm。于是決定對轉(zhuǎn)輪進行解體檢查。

2007年1月15日—3月9日,對#1機組進行了擴大性檢修。在對轉(zhuǎn)輪解體過程中發(fā)現(xiàn),#1、#3、#4、#5槳葉銅套止動螺釘均有不同程度退出,與槳葉接觸而發(fā)生磨損,轉(zhuǎn)輪內(nèi)有銅粉,“D”形密封磨損。經(jīng)測量檢查,槳葉銅套最大磨損量達 1.35mm(?500mm、?360mm 2銅套間距),?500mm銅套內(nèi)圓直徑方向最大磨損量達 1.24mm,?360mm銅套內(nèi)圓直徑方向最大磨損達 1.06mm,從銅套的磨損情況看,主要磨損部位在槳葉軸領(lǐng)的上、下游處。由此可見,產(chǎn)生漏油的原因是,在機組運行過程中因離心力的作用,槳葉、轉(zhuǎn)臂、卡環(huán)均受到向外(即徑向)的力,使得槳葉轉(zhuǎn)臂緊貼著 ?500mm銅套的“L”形邊,槳葉在強大的水推力作用下,銅套的受力面即為上、下游位置(±Y方向,如圖 1所示),而鑄錫青銅質(zhì)地較軟,使得銅套磨損嚴重,“D”形密封失效。洪江電廠#1機組槳葉銅套間距記錄(舊)見表2,#1機組槳葉銅套直徑記錄(舊)見表 3。

圖1 #1機組槳葉銅套結(jié)構(gòu)示意圖

表2 洪江電廠 #1機組槳葉銅套間距記錄(舊)mm

5 改造方案

5.1 槳葉軸套材質(zhì)(鑄錫青銅)性能分析

錫青銅是以錫為主要合金元素的銅基合金,鑄造收縮率很小,可鑄造形狀復(fù)雜的零件,但鑄件易生成分散縮孔,使密度降低,在高壓下容易滲漏。錫青銅在大氣、海水、淡水以及蒸汽中的抗蝕性比純銅和黃銅好,但在鹽酸、硫酸和氨水中的抗蝕性較差。錫青銅中加入少量鉛,可提高耐磨性和切削加工性能;加入磷可提高彈性極限、疲勞極限及耐磨性;加入鋅可縮小結(jié)晶溫度范圍,改善鑄造性能。一般在造船、化工、機械、儀表等工業(yè)中廣泛應(yīng)用,主要制造軸承、軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件,以及抗蝕、抗磁零件等。

通過對鑄錫青銅的性能分析,以及洪江電廠#1機組的運行實踐證明,槳葉軸套應(yīng)選用比鑄錫青銅耐磨性更好的材料。

5.2 更換槳葉軸套選材

經(jīng)洪江電廠、日立公司和哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司有關(guān)技術(shù)人員反復(fù)分析、調(diào)研和論證,決定選用鑄鋁青銅制作新的槳葉軸套。

鋁青銅是以鋁為主要合金元素的銅基合金,鋁的質(zhì)量分數(shù)一般不超過 11.5%,有時還加入適量的鐵、鎳、錳等元素,以進一步改善性能。鋁青銅可熱處理強化,強度比錫青銅高,抗高溫氧化性也較好。其最突出的特點是具有良好的耐磨性,適于制造齒輪、軸套、蝸輪等在復(fù)雜條件下工作的高強度抗磨零件,以及彈簧和其他高耐蝕性彈性元件。

表3 洪江電廠 #1機組槳葉銅套直徑記錄(舊) mm

5.3 改造后試運行

2006年3 月 9日,洪江電廠#1機組擴大性檢修完成,投入試運行。更換新軸套后,?500mm銅套與軸的最大配合總間隙為 0.26mm,最小配合總間隙為 0.14mm;?360mm銅套與軸的最大配合總間隙為 0.22mm,最小配合總間隙0.16mm。銅套更換后槳葉軸與銅套的配合間隙及各項技術(shù)指標均滿足設(shè)計規(guī)范要求,槳葉動作靈活、平穩(wěn),未發(fā)現(xiàn)槳葉密封漏油情況,機組運行安全、可靠。

6 結(jié)束語

#1機組槳葉軸套改造至今已運行 3年多,調(diào)速器回油箱油位一直保持穩(wěn)定,處理結(jié)果與分析相吻合,改造取得了預(yù)期效果。

由于水電站的特殊性,進行擴大性檢修時間長、難度大、費用高,有時甚至被迫棄水,從而造成巨大的經(jīng)濟損失。而轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、金屬密封點多、接觸面大、磨損量大;同時,調(diào)速系統(tǒng)油質(zhì)差,帶有金屬顆粒,容易破壞密封面,造成轉(zhuǎn)輪漏油或者進水,影響安全穩(wěn)定運行。因此,建議在對轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪設(shè)計、制造時,對易損、易耗件,盡量選擇耐磨性好、摩擦因數(shù)低、承載能力較高的材料,以延長其使用壽命,保證檢修周期。同時,還應(yīng)加強對轉(zhuǎn)輪進行檢修維護:一是優(yōu)化機組運行方式,合理分配負荷,盡量避免水輪機槳葉在巨大軸向水推力作用下,特別是機組以“AGC”方式運行時頻繁地進行負荷調(diào)節(jié),否則,會引起槳葉轉(zhuǎn)動頻率過高,銅套及“D”形密封磨損速度加快,使用壽命縮短;二是在每年小修時及時更換轉(zhuǎn)輪體內(nèi)透平油,改善密封潤滑性能。

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