淺析貫流式電站機(jī)組泡頭進(jìn)人孔的設(shè)計(jì)不足及改造方案

劉禎楠 劉瑞楠

摘 要：西北某低水頭水電站，水輪機(jī)在額定水頭額定出力下運(yùn)行良好，但是由于設(shè)計(jì)問(wèn)題，機(jī)組定子、轉(zhuǎn)子檢修不方便。經(jīng)分析認(rèn)為，可以改造機(jī)組燈炮頭進(jìn)人孔設(shè)計(jì)以達(dá)到方便檢修的目的。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；貫流式；進(jìn)人孔

1 電廠概況

西北某水電站是黃河龍-青河段沿梯級(jí)水電站。電站總裝機(jī)容量74MW（4×18.5MW），為日調(diào)節(jié)水電站，其主要任務(wù)是發(fā)電。電站為三等中型工程，整個(gè)樞紐工程由左岸副壩、電站廠房、沖沙閘、右岸副壩等建筑物組成。

2 原因分析

水電站4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行并網(wǎng)發(fā)電之后，由于加工制造等原因，檢修發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子時(shí)只有泡體中設(shè)有一個(gè)風(fēng)洞進(jìn)人孔。由于風(fēng)洞進(jìn)人孔的開(kāi)口位置不理想，在泡體中面朝上游組合軸承的九點(diǎn)鐘方向，距離轉(zhuǎn)子約1.3m的地方。導(dǎo)致檢修人員在前往定轉(zhuǎn)子室打開(kāi)進(jìn)人孔門(mén)欲進(jìn)入風(fēng)洞時(shí)，必須躬身腳踏定轉(zhuǎn)子消防管的固定角鋼，再用身體橫跨1.3m的空間，用手抓住轉(zhuǎn)子筋板孔隙才能固定身體。此時(shí)檢修人員只有兩個(gè)斜向空間的支撐點(diǎn)：一處為消防管的固定角鋼，一處為轉(zhuǎn)子筋板孔隙。此時(shí)檢修人員距離轉(zhuǎn)子底部的垂直距離約為3.899m，十分危險(xiǎn)。影響了檢修人員的工作環(huán)境，增加了其危險(xiǎn)系數(shù)。因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)洞時(shí)檢修人員必須腳踏定轉(zhuǎn)子消防管的固定角鋼的“L”形頂角部分，長(zhǎng)此以往將會(huì)嚴(yán)重影響角鋼對(duì)于定轉(zhuǎn)子消防管的固定效果及使用壽命，而且檢修人員在踏著角鋼頂角部分作業(yè)時(shí)亦容易打滑，若此時(shí)手中抓不穩(wěn)即會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的人身安全事故，因?yàn)槟_下是定子齒壓板及定位筋等棱角形狀設(shè)備，所以一旦發(fā)生滑落事故，則后果不堪設(shè)想。這對(duì)于檢修人員亦是一種心理負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步考慮：若人員不發(fā)生安全事故，每次檢修人員進(jìn)入風(fēng)洞時(shí)都踩踏固定消防管道的角鋼，此角鋼為45號(hào)回火索氏體（即優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)剛），厚度為3mm，寬度為50mm，其許應(yīng)力為353MPa。假設(shè)檢修人員踩在角鋼上時(shí)，角鋼的受力為80%的垂直重力加上20%的斜向扭力矩。設(shè)定檢修人員體重為75kg，角鋼長(zhǎng)出管型座40cm且固定牢靠。則角鋼的最大承受復(fù)合力矩的屈服極限為σ=（353MPa/n）×S×80%×15%=28.24MPa/cm2，而檢修人員施加給角鋼的垂直方向的力量為m×g×80%=588N而彎曲（拉伸）扭轉(zhuǎn)的組合強(qiáng)度為？滓=■+■

？子=■=■根據(jù)第三強(qiáng)度理論條件■？燮[？滓]而？滓max=■+■？燮[？滓]（其中g(shù)取9.8，安全系數(shù)n取國(guó)家給定值1.5）由運(yùn)算結(jié)果來(lái)看，角鋼對(duì)于承受檢修人員的重力和扭矩的復(fù)合力而言是達(dá)到屈服極限的邊緣的，再加上我們考慮到人員的沖力、兩端鉸支細(xì)長(zhǎng)壓桿的臨界力Pc=？仔2EI/L2計(jì)算出其臨界應(yīng)力？滓c=■≈30.714MPa（d近似取20mm，E=210GPa）及日常機(jī)組復(fù)合震動(dòng)對(duì)于鋼才造成的因素之后，計(jì)算值告訴我們：在這種受力情況下，角鋼的壽命和強(qiáng)度、撓度、屈服極限和抗壓縮（拉伸）系數(shù)均很難有效保證（在未給消防供水管道施加受力的情況）。隨著以后我們河口電站機(jī)組實(shí)現(xiàn)完備化后，若消防管內(nèi)通水則檢修人員此舉是重大事故隱患。會(huì)導(dǎo)致角鋼固定不穩(wěn)、消防供水管路圓形不規(guī)整、其環(huán)形管路不在同一圓平面內(nèi)、消防管路受扭力矩影響而產(chǎn)生裂痕甚至斷開(kāi)等一系列問(wèn)題。如消防水滲漏等故障，如在機(jī)組運(yùn)行時(shí)則會(huì)成為重大事故的誘因。

3 處理方案

在以確保檢修人員人身安全、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)事故隱患、檢修人員方便檢修的大原則下，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、分析研究作出以下處理方案：在泡頭內(nèi)面朝下游側(cè)（+x，-y）30°-90°方向（每臺(tái)機(jī)組情況不一樣，以方便檢修為準(zhǔn)）的兩個(gè)風(fēng)機(jī)之間再增設(shè)一個(gè)進(jìn)人孔，其寬度約為400mm，高度約為800mm。位置、樣式如下圖所示，增設(shè)的進(jìn)人孔在泡頭擋風(fēng)板上，取其擋風(fēng)板所用之材料，四周用6個(gè)M6×20的螺栓把合在擋風(fēng)板上，外側(cè)加裝高60mm寬150mm的拆卸把手，可以焊接在新進(jìn)人孔孔門(mén)上。四周用厚度為10mm的羊毛氈密封，孔門(mén)內(nèi)側(cè)在加裝兩道30的角鋼做十字形立筋，用以提高孔門(mén)的平行強(qiáng)度和穩(wěn)定系數(shù)。因?yàn)轱L(fēng)洞內(nèi)高溫環(huán)境居多，橡膠在此環(huán)境中易老化，故而不選用平板橡膠密封。由于考慮到擋風(fēng)板的震動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)而想到羊毛氈對(duì)于震動(dòng)的消除效果很好，用螺栓把緊時(shí)羊毛氈的壓縮量為1.5mm，亦能起到很好的阻風(fēng)效果。所以最終選定了羊毛氈來(lái)做新增進(jìn)人孔的密封材料。除此之外，在泡體內(nèi)原先的進(jìn)人孔內(nèi)管型座上還應(yīng)安裝下行把手，這樣以來(lái)也方便了從泡體進(jìn)人孔進(jìn)人風(fēng)洞的檢修人員。因?yàn)樵诙ㄞD(zhuǎn)子室內(nèi)管型座上安裝金屬把手雖然不會(huì)對(duì)定轉(zhuǎn)子的發(fā)電產(chǎn)生很大的影響，可是其對(duì)整個(gè)定轉(zhuǎn)子室內(nèi)的平衡電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致整個(gè)工作區(qū)域磁場(chǎng)失衡，為日后的機(jī)組正常運(yùn)行留下隱患。為此我建議把下行把手的材料選定為不銹鋼，尺寸為150mm×400mm的“Π”形，其安裝可以直接焊接在管型座上，也可以在兩短邊用墊腳與4個(gè)M10×20的螺栓把合在管型座上。從安全角度考慮，為防止下行把手因管型座的震動(dòng)而松動(dòng)、脫落，設(shè)計(jì)螺栓與墊腳之間使用止動(dòng)墊片，而墊腳與管型座內(nèi)壁之間使用厚度為5mm的羊毛氈墊。設(shè)計(jì)下行把手之間間距為30mm，設(shè)計(jì)每臺(tái)機(jī)組安裝4個(gè)即可，把手用直徑？覬30mm的不銹鋼管即可，使用防滑滾斜十字花紋做表面處理。

4 所需投入

這樣改進(jìn)所需要的投入分為以下三類(lèi)：第一，材料。第二，安裝。用割槍割泡頭進(jìn)人孔時(shí)，為防止鐵屑飛濺至定轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)，則用石棉布將工作現(xiàn)場(chǎng)欲保護(hù)裝置全部包裹保護(hù)，安裝下行扶手是也是如此操作，施工完畢后仔細(xì)清掃、檢查。下行把手間距為300mm。第三，維護(hù)及使用注意事項(xiàng)。因新增進(jìn)人孔與下行把手的工作環(huán)境有較高的溫度和復(fù)合震動(dòng)等因素，所以建議做好備品備件工作，如矩形環(huán)羊毛氈墊備用件、螺栓、止動(dòng)墊片備用件等。此外還需每6個(gè)月檢查維護(hù)一次，如毛氈的損耗、螺栓的松動(dòng)等，以及時(shí)消除隱患。此定期維護(hù)工作完全可以與風(fēng)洞檢查定期維護(hù)工作合并。最后，因新增設(shè)一個(gè)泡頭風(fēng)洞進(jìn)人孔，則檢修人員進(jìn)風(fēng)洞管理制度更需嚴(yán)格實(shí)施，做好記錄工作以消除事故隱患。此外改裝完畢之后需要對(duì)定轉(zhuǎn)子室內(nèi)的消防管路、鏈接處、法蘭面、噴頭等薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行徹底檢查和維護(hù)，以避免日后留下消防管路漏水的事故隱患。

5 改裝后帶來(lái)的效益

如此增設(shè)進(jìn)人孔、安裝下行把手以來(lái)，即給檢修人員帶來(lái)了極大的便利，又消除了許多安全隱患。首先，進(jìn)入風(fēng)洞的檢修人員再無(wú)人身安全隱患，因?yàn)樵诠苄妥霞友b了下行把手，所以即使檢修人員從泡體進(jìn)人孔進(jìn)入風(fēng)洞時(shí)，檢修人員也有了地方下腳，有了穩(wěn)定支撐點(diǎn)。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)這也不會(huì)影響到定轉(zhuǎn)子室內(nèi)的平衡磁場(chǎng)。當(dāng)檢修人員檢修風(fēng)機(jī)時(shí)可以直接從泡頭進(jìn)人孔進(jìn)入。此時(shí)風(fēng)洞門(mén)距離轉(zhuǎn)子約有400-600mm的距離，十分方便檢修人員的進(jìn)出、檢查風(fēng)機(jī)、加熱器等設(shè)備。其次，檢修人員從泡體進(jìn)人孔進(jìn)入風(fēng)洞時(shí)，因不必再腳踩定轉(zhuǎn)子消防水管的固定角鋼了，這樣即大大降低了檢修人員的人身安全，又有效的避免了定轉(zhuǎn)子消防水管的損耗，從而為機(jī)組的正常運(yùn)行消除了事故隱患。最后，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，若要取出風(fēng)機(jī)本體，則可以直接從泡頭進(jìn)人孔進(jìn)入風(fēng)洞檢修、取下風(fēng)機(jī)，不必再像之前那樣從泡頭繞到泡體再進(jìn)入風(fēng)洞爬到相應(yīng)的風(fēng)機(jī)孔位置檢修，這樣做不僅在無(wú)形中消耗了大量的人力，而且與身在泡頭內(nèi)的接應(yīng)檢修人員的溝通也十分不便?？芍^耗時(shí)耗力無(wú)效率，若從泡頭進(jìn)人孔進(jìn)入并檢修風(fēng)機(jī)，則一舉完美地解決了此問(wèn)題，必要時(shí)風(fēng)機(jī)本體也便于取出，檢修等。

作者簡(jiǎn)介：劉禎楠（1987-），男，陜西渭南，本科，現(xiàn)從事電站水輪機(jī)運(yùn)行工作。