高水頭混流式水輪機(jī)蠕動(dòng)原因分析與治理

陳俊中，王淑強(qiáng)，張志勇，李勇

(五凌電力三板溪水電廠，貴州錦屏556700)

高水頭混流式水輪機(jī)蠕動(dòng)原因分析與治理

Cause analysis and treatment of high head Francis turbine creep

陳俊中，王淑強(qiáng)，張志勇，李勇

(五凌電力三板溪水電廠，貴州錦屏556700)

介紹了三板溪水電廠4號(hào)機(jī)組蠕動(dòng)情況，通過剖析混流式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，分析和測量找出導(dǎo)葉漏水量大致機(jī)組蠕動(dòng)的原因，制定了一系列措施，有效減少了導(dǎo)葉漏水量，徹底解決了高水頭機(jī)組停機(jī)蠕動(dòng)問題。

混流式；水輪機(jī)；蠕動(dòng)；偏心銷

三板溪電廠位于貴州省黔東南州的清水江上游，裝機(jī)4×250 MW于2006年底全部投產(chǎn)發(fā)電。機(jī)組水輪機(jī)型號(hào)為HLA855－LJ－505，機(jī)組額定功率256.5 MW，額定轉(zhuǎn)速166.67 r/min，額定流量217.81 m3/s，最大水頭156.5 m，額定水頭128 m，最小水頭97 m，吸出高度－5.92 m。機(jī)組單臺(tái)24個(gè)導(dǎo)葉均布，分布圓為Φ5 644 mm，導(dǎo)葉最大可能開口為416.8 mm，材質(zhì)為不銹鋼ZG06Cr13Ni5Mo馬氏體鑄件，導(dǎo)葉上、中、下軸套采用自潤滑軸套DEVA－BM，立面密封為剛性金屬線接觸密封，導(dǎo)葉端部密封為帶橡膠墊的銅合金條密封，分別固定在頂蓋與底環(huán)上。該廠機(jī)組投產(chǎn)后在高水位狀態(tài)下多次發(fā)生機(jī)組停機(jī)超時(shí)或停機(jī)后蠕動(dòng)，甚至發(fā)生蠕動(dòng)投入風(fēng)閘后無法退出風(fēng)閘，一旦退出，機(jī)組再次發(fā)生蠕動(dòng)，其中4號(hào)機(jī)組尤為嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行。

1 機(jī)組蠕動(dòng)原因分析

機(jī)組產(chǎn)生蠕動(dòng)主要原因?yàn)閷?dǎo)葉漏水量大，按文獻(xiàn)〔1〕中規(guī)定圓柱式導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于水輪機(jī)額定流量的0.3%，而實(shí)際測量計(jì)算的導(dǎo)葉漏水量約0.75 m3/s，為額定流量的0.344%〔2〕。其主要原因?yàn)閷?dǎo)葉偏心銷與偏心銷扳手間隙偏大、接力器壓緊行程變小導(dǎo)致導(dǎo)葉立面間隙擴(kuò)大，且機(jī)組導(dǎo)葉立面間隙普遍超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致導(dǎo)葉漏水量超標(biāo)引起機(jī)組蠕動(dòng)。

下面從導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)著手，分析其引起機(jī)組蠕動(dòng)的原因。

1.1 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，開關(guān)導(dǎo)葉時(shí)操作力矩通過控制環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)Φ75圓柱銷、連接板、偏心銷、導(dǎo)葉連板、剪斷銷、Φ70分瓣鍵和導(dǎo)葉摩擦裝置軸襯帶動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)。其中連接板、圓柱銷、偏心銷、導(dǎo)葉連板組成導(dǎo)葉拐臂。為了保證控制環(huán)作用于每個(gè)導(dǎo)葉拐臂上的力量一致，根據(jù)偏心理論，采用偏心銷調(diào)節(jié)控制環(huán)銷孔和導(dǎo)葉拐臂銷孔間的距離偏差。單個(gè)偏心銷的偏心值為6 mm，偏心銷安裝后用偏心銷扳手固定以防止其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。拐臂和導(dǎo)葉臂之間裝有摩擦套和剪斷銷，用夾緊螺栓來調(diào)整摩擦力，當(dāng)導(dǎo)葉阻力過大時(shí)，使剪斷銷剪斷保護(hù)導(dǎo)葉，導(dǎo)葉臂下方有限位塊限制導(dǎo)葉的最大開度，導(dǎo)葉臂設(shè)有自潤滑止推軸承。導(dǎo)葉立面為相鄰導(dǎo)葉間的機(jī)加工面緊密接觸型密封。為增加導(dǎo)葉端面封水性能，頂蓋、底環(huán)在導(dǎo)葉關(guān)閉位置端面接觸處設(shè)有分段壓板式的可壓移的銅條密封，銅條下面設(shè)有中硬橡膠彈性塊。根據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)葉立面間隙不大于0.05 mm，范圍不超過導(dǎo)葉高度 (1 180 mm)的1/5，上端面間隙為 0.31～0.67 mm，下端面間隙為 0.21～0.45 mm。

圖1 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)圖

1.2 導(dǎo)葉漏水原因分析

1.2.1 導(dǎo)葉立面間隙不合格

由于導(dǎo)葉立面密封采用剛性金屬線接觸密封，即相鄰導(dǎo)葉大小頭線接觸密封，主要是因存在設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行磨損、氣蝕等，導(dǎo)致導(dǎo)葉大小頭金屬接觸面局部配合值超標(biāo)〔3〕。利用4號(hào)機(jī)檢修期間對機(jī)組導(dǎo)葉相關(guān)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，其中有17個(gè)導(dǎo)葉立面間隙超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即70%導(dǎo)葉立面間隙不合格，部分導(dǎo)葉立面間隙局部間隙達(dá)0.25 mm，長600 mm嚴(yán)重超標(biāo)。

根據(jù)機(jī)組檢修無水狀態(tài)下測量結(jié)果計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)〔1〕，導(dǎo)葉泄漏流量不應(yīng)超過額定流量0.3%，電廠額定流量為 218.7 m3/s，即標(biāo)準(zhǔn)為0.656 1 m3/s。

假定壩前水位為470 m，尾水水位為320 m，水輪機(jī)內(nèi)流體為理想流體，通過伯努利方程可得:

式中 ΔP是導(dǎo)葉關(guān)閉后上游側(cè)與下游側(cè)壓力差，ρ是流體密度取 1 000，v是導(dǎo)葉泄漏流體理想流速。

計(jì)算得v＝54.22 m/s，導(dǎo)葉高度為1.18 m，計(jì)算泄漏流量為0.029 4 m3/s＜0.656 1 m3/s。

由此可知在無水狀態(tài)下測量的導(dǎo)葉立面間隙不足以導(dǎo)致導(dǎo)葉泄漏流量超標(biāo)，因此不是致使機(jī)組蠕動(dòng)主要原因。

1.2.2 偏心銷與偏心銷扳手間隙過大

因偏心銷與偏心銷扳手磨損及制造誤差等原因，造成偏心銷與偏心銷扳手間隙變大〔4〕。偏心銷與偏心銷扳手受力分析如圖2所示，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)控制環(huán)帶動(dòng)上下連板沿AB方向運(yùn)動(dòng)，在AB方向上產(chǎn)生由B向A的力 (FBA)，從而在偏心銷處形成偏心力矩 (M＝FBA｜AC｜)，在偏心力矩的作用下，當(dāng)偏心銷與偏心銷固定扳手間隙過大時(shí)，偏心銷可能發(fā)生偏斜、旋轉(zhuǎn)，也就改變了停機(jī)時(shí)｜CD｜的距離大小，間接改變了連板有效長度，使導(dǎo)葉立面間隙超過規(guī)定范圍值，從而增加了導(dǎo)葉漏水量。實(shí)際檢修測得導(dǎo)葉偏心銷與偏心銷扳手間隙高達(dá)1.55 mm，遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)圖紙要求偏心銷與偏心扳手間隙0～0.2 mm。

圖2 偏心扳手結(jié)構(gòu)圖

1)偏心銷發(fā)生偏轉(zhuǎn)

偏心銷偏轉(zhuǎn)角度 α＝arcsin(1.55/27.5) ＝3.231 1°，偏心銷偏心軸同樣旋轉(zhuǎn)角度α，偏心銷中心至導(dǎo)葉臂的作用長度AD變?yōu)锳D1，對導(dǎo)葉臂的影響僅 0.01 mm，立面間隙影響為 0.01 mm。(詳見圖3)，泄漏流量為Q＝vS＝24×54.22×1.18× 0.01×10－3＝0.013 m3/s＜0.656 1 m3/s。因此，偏心銷偏轉(zhuǎn)不會(huì)造成機(jī)組蠕動(dòng)。

圖3 偏心銷發(fā)生偏轉(zhuǎn)示意圖

2)偏心銷發(fā)生偏移

導(dǎo)葉在關(guān)閉狀態(tài)下，由于水頭作用在導(dǎo)葉的力量傳遞至導(dǎo)葉臂，繼而傳遞至偏心銷，所以偏心銷與上下連板及偏心銷扳手配合間隙將直接影響導(dǎo)葉立面間隙的變化量。由于偏心銷與上下連板設(shè)計(jì)公差配合為H7/h6，公差帶為0.19～0.49 mm，實(shí)際測量偏心銷與導(dǎo)葉連板配合間隙因?yàn)槠匿N轉(zhuǎn)動(dòng)磨損，導(dǎo)致部分偏心銷連板與導(dǎo)葉連板配合間隙達(dá)0.6 mm，由于偏心銷與偏心銷扳手間隙達(dá) 1.55 mm，所以偏心銷連板與導(dǎo)葉連板配合間隙直接反饋為導(dǎo)葉臂可移動(dòng)量。因?qū)~臂與導(dǎo)葉角度為54.22°，實(shí)際導(dǎo)葉立面間隙變化量＝0.6×sin54.22°＝0.49 mm，同樣假定壩前水位為470 m，尾水水位為320 m，泄漏流量為 Q＝vS＝24×54.22×1.18× 0.49×10－3＝0.752 4 m3/s＞0.656 1 m3/s。

1.2.3 接力器壓緊行程不合格

接力器在機(jī)組運(yùn)行期間因振動(dòng)、導(dǎo)葉接力器水平偏差、控制環(huán)底部滑塊磨損等原因?qū)е陆恿ζ骰钊麠U轉(zhuǎn)動(dòng)，接力器壓緊行程變小，從而致使導(dǎo)葉立面間隙進(jìn)一步增大〔5〕。實(shí)際檢修測量接力器壓緊行程機(jī)械鎖錠側(cè)由5.1 mm變?yōu)?.7 mm，液壓鎖錠側(cè)由5.2 mm變?yōu)?.7 mm，不滿足設(shè)計(jì)要求。接力器行程為550 mm，接力器壓緊行程設(shè)計(jì)值為5± 0.5 mm，由于其與導(dǎo)葉動(dòng)作規(guī)律接近線性，導(dǎo)葉全開全關(guān)旋轉(zhuǎn)角度33.5°，通過計(jì)算接力器每毫米動(dòng)作導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)角度為33.5°/110＝0.301 8°，導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)中心至密封接觸面半徑R為359.7 mm，實(shí)際立面間隙變化量最大約為0.57 mm，最大導(dǎo)葉泄漏量為0.875 m3/s＞0.656 1 m3/s。

分析可知，導(dǎo)葉漏水量偏大主要原因?yàn)槠匿N與偏心銷扳手配合間隙過大致偏心銷偏移及接力器壓緊行程偏小等造成導(dǎo)葉立面間隙偏大，且存在導(dǎo)葉立面間隙不合格，致使導(dǎo)葉漏水量增大。

2 減少導(dǎo)葉漏水治理措施

2.1 導(dǎo)葉立面間隙調(diào)整

導(dǎo)葉在全關(guān)狀態(tài)下，油壓保持下進(jìn)行測量立面間隙，根據(jù)導(dǎo)葉高度分成5個(gè)段落，測量結(jié)果應(yīng)做記錄，將間隙值用記號(hào)筆寫在導(dǎo)葉大鼻端上，當(dāng)24塊導(dǎo)葉存在有接觸點(diǎn) (用0.05 mm塞尺測量導(dǎo)葉立面間隙值應(yīng)全部為0)，即認(rèn)為圓度合格。在24塊導(dǎo)葉下部與低環(huán)外圓上用劃針或鋼鋸片進(jìn)行劃線，劃線的目的是便于處理導(dǎo)葉立面間隙時(shí)開啟或關(guān)閉導(dǎo)葉與劃線對齊。當(dāng)導(dǎo)葉圓度不合格，若其中一導(dǎo)葉尾部與另一導(dǎo)葉頭部之間存有間隙，用偏心銷進(jìn)行調(diào)整圓度，直到導(dǎo)葉立面間隙合格為止。導(dǎo)葉立面間隙處理及計(jì)算方法示例 (圖4)如下:

圖4 導(dǎo)葉上下端部及立面間隙測點(diǎn) (mm)

磨削點(diǎn)計(jì)算方法如下:

測量點(diǎn)5磨削量為0 mm

測量點(diǎn)4磨削量為0.50－0.30＝0.20 mm

測量點(diǎn)3磨削量為0.50－0.15＝0.35 mm

測量點(diǎn)2磨削量為0.50－0＝0.50 mm

測量點(diǎn)1磨削量為0.50－0.10＝0.40 mm

導(dǎo)葉立面間隙測量完成后，將導(dǎo)葉開啟50%～100%，關(guān)閉調(diào)速器壓力油后，用拋光砂輪機(jī)、銼刀、角磨機(jī)等工具修磨導(dǎo)葉立面直到合格為止。

2.2 偏心銷與偏心銷扳手改造

通過對偏心銷結(jié)構(gòu)分析可知偏心銷傳遞導(dǎo)葉動(dòng)作所需扭矩，同時(shí)自身需承受較大扭矩，偏心銷扳手作為偏心銷唯一定位裝置，需承受較大的摩擦力，若其配合間隙愈大、接觸面愈小則愈加速偏心銷與偏心銷扳手接觸面磨損。通過上文測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)原偏心銷與偏心銷扳手配合間隙過大，且原偏心銷與偏心銷扳手固定部位為六邊形接觸面較小，為減小偏心銷力矩傳遞中對接力器壓緊行程的影響，重新設(shè)計(jì)制造偏心銷與偏心銷扳手。將偏心銷與偏心銷扳手接觸部為由六邊形改為八邊形以增大接觸部位，同時(shí)將偏心銷與偏心銷扳手配合間隙控制在0.2 mm以內(nèi)。

2.3 接力器止動(dòng)改造及壓緊行程調(diào)整

待導(dǎo)葉立面、端面間隙已處理調(diào)整合格，拐臂與調(diào)速環(huán)連接板裝復(fù)后，適當(dāng)增加接力器壓緊行程，測量調(diào)整機(jī)械、液壓兩側(cè)導(dǎo)葉接力器壓緊行程由設(shè)計(jì)值5±0.5 mm至5.5～6.0 mm。同時(shí)為防止接力器活塞桿旋轉(zhuǎn)造成接力器壓緊行程變化，對接力器進(jìn)行止動(dòng)改造，在導(dǎo)葉接力器活塞桿鎖緊螺母與推拉桿接頭、接力器活塞桿鎖緊螺母水平上與活塞桿卡扳手處用厚度10 mm鋼板焊接了止動(dòng)塊。

3 結(jié)論

導(dǎo)葉漏水偏大問題出現(xiàn)后，電廠初期僅通過處理導(dǎo)葉立面間隙、增大接力器壓緊行程等表象因素，導(dǎo)致檢修成效較低。后改變思路通過導(dǎo)水機(jī)構(gòu)系統(tǒng)分析，對導(dǎo)葉立面間隙擴(kuò)大、接力器壓緊行程變化原因進(jìn)行追根溯源，將導(dǎo)葉柺臂、接力器解體分析，方才發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉偏心銷與偏心銷扳手配合間隙大致偏心銷偏移、接力器活塞桿轉(zhuǎn)動(dòng)等隱蔽問題。通過導(dǎo)葉偏心銷改造、接力器活塞桿止動(dòng)改造、導(dǎo)葉立面間隙調(diào)整等方法，對導(dǎo)葉漏水大問題進(jìn)行治標(biāo)治本后，經(jīng)國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院水動(dòng)所采用容積法原理測量導(dǎo)葉漏水量顯示，4號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉漏水量由0.75 m3/s減小至0.589 3 m3/s，已小于標(biāo)準(zhǔn)值，機(jī)組停機(jī)后未發(fā)生蠕動(dòng)，導(dǎo)葉止漏效果較為明顯，目前該項(xiàng)措施已在全廠推廣應(yīng)用，已基本消除導(dǎo)葉漏水量大致使機(jī)組蠕動(dòng)所帶來的安全隱患。

〔1〕中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 15468—2006水輪機(jī)基本技術(shù)條件〔S〕.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

〔2〕莫?jiǎng)?，田海平，付亮，?水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量的測評(píng)方法研究〔J〕.湖南電力，2010，30(4):11-13.

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TM312

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1008-0198(2015)06-0074-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.021

陳俊中 (1982)，男，工程師，從事水電檢修維護(hù)管理。

2015-01-21 改回日期:2015-07-31