大型抽水蓄能導(dǎo)葉止推裝置關(guān)鍵技術(shù)分析

李德芳，何少潤，陳泓宇，雷 慧，李 展，李 碩，季懷杰

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640；2.深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東省深圳市518115；3.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)抽水蓄能建設(shè)管理局，廣東省清遠(yuǎn)市 511853）

0 引言

仙游抽水蓄能電站（以下簡稱仙蓄）、深圳抽水蓄能電站（以下簡稱深蓄）和海南瓊中抽水蓄能電站（以下簡稱海蓄）的水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉止推裝置均是參照法國ALSTOM設(shè)計(jì)制造的惠州抽水蓄能電站（以下簡稱惠蓄）結(jié)構(gòu)模式，如圖1所示。

惠蓄和仙蓄的導(dǎo)葉止推裝置運(yùn)行中曾先后出現(xiàn)止推墊斷裂損壞事件，以下詳述。

圖1 惠蓄電站導(dǎo)葉止推裝置Fig.1 Guide Vane thrusting Device of Huizhou PSPP

1 導(dǎo)葉止推裝置故障情況

圖2 惠蓄止推環(huán)Fig.2 Thrust ring of Huizhou PSPP

（1）惠蓄導(dǎo)葉止推裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其關(guān)鍵部件是裝配在壓環(huán)和導(dǎo)葉上套筒上的上、下自潤滑止推襯墊，每個(gè)導(dǎo)葉的止推襯墊分成四瓣組成一個(gè)整圓，如圖2所示。最初是3號機(jī)10號導(dǎo)葉自潤滑止推墊發(fā)生斷裂（見圖3），當(dāng)時(shí)廠家方面認(rèn)為是由于上套筒上的螺孔歪斜，造成5顆M8沉頭螺釘擠壓止推墊而使之?dāng)嗔褮p，但進(jìn)行更換處理后其他機(jī)組也發(fā)生了類似情況，可以判定螺孔歪斜、螺釘擠壓止推墊并非造成其毀斷的主要因素。

圖3 惠蓄止推墊斷裂情況Fig.3 Broken thrust plate of Huizhou PSPP

（2）仙蓄導(dǎo)葉止推裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示，運(yùn)行中同樣出現(xiàn)止推墊斷裂損壞，甚至引起部分導(dǎo)葉下落擦傷抗磨板的事件。

2 惠蓄和仙蓄止推墊結(jié)構(gòu)分析和材質(zhì)（ORKOTTXM-M）的分析

（1）惠蓄和仙蓄止推墊截面寬度30mm中開孔19mm，即5mm厚扇形墊的內(nèi)外緣單邊最窄處僅有5.5mm寬，每瓣這些均為應(yīng)力集中的薄弱部位可能會在可逆式機(jī)組工況轉(zhuǎn)換承受超乎尋常應(yīng)力時(shí)而毀斷損壞。

（2）惠蓄和仙蓄止推墊材質(zhì)（ORKOT-TXM-M）與其他使用材料的比較

目前用于導(dǎo)葉止推墊材質(zhì)主要是ORKOTTXM-M、DEVA-BM342、FZ-6和 GGB CBM312三種材料，而ORKOT-TXM-M為非金屬材料較其他三種金屬自潤滑材料，強(qiáng)度較低、容易拉斷。

圖4 仙蓄導(dǎo)葉止推裝置Fig.4 Guide Vane thrusting Device of Xianyou PSPP

表1 止推墊材質(zhì)技術(shù)特性比較表Tab.1 Comparison of technical characteristics of thrust plate material

從表1可以看出，這種材質(zhì)相對于與層面平行的抗壓強(qiáng)度較低，拉伸強(qiáng)度低（拉伸彈性模量小）。水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉的止推墊在承受壓應(yīng)力的同時(shí)，各種不同工況及其轉(zhuǎn)換也會對其產(chǎn)生拉伸、剪切及與層面平行的擠壓等多種應(yīng)力。因此，ORKOT-TXM-M材質(zhì)用于惠蓄和仙蓄導(dǎo)葉止推墊的設(shè)計(jì)、制造是值得商榷的。

3 惠蓄和仙蓄技術(shù)改造

（1）惠蓄在導(dǎo)葉止推環(huán)規(guī)格尺寸已不可能更改的情況下，采用德國進(jìn)口優(yōu)質(zhì)DEVA-BM的雙金屬自潤滑材料替換原來的ORKOT-TXM-M，其技術(shù)性能參見表1。投入運(yùn)行多年以來，除發(fā)生個(gè)別螺釘松動的情況外尚未發(fā)現(xiàn)有異常情況。

（2）仙蓄的技術(shù)改造正在進(jìn)行中，設(shè)計(jì)制造方（東方電機(jī)）決定：

1）為增加抗磨板的耐磨性，抗磨材料更換為銅基自潤滑層和碳鋼基體復(fù)合而成的FZ-6，其技術(shù)性能與DEVA-BM類同，參見表1。

2）為降低壓應(yīng)力，減少磨損，采用每個(gè)導(dǎo)葉單塊抗磨板角度56o×4塊型式，厚度增加到8+0.1mm（其中摩擦層標(biāo)準(zhǔn)厚度為1.5mm），供螺釘使用的開孔最大直徑減為17mm，相鄰孔距為64mm，見圖5。

3）抗磨板與上套筒增加4個(gè)φ10銷子（銷孔為φ10H12，銷子為GB/T 879.4鋼制標(biāo)準(zhǔn)型彈性圓柱銷10×24mm，見圖6），銷孔深26mm，銷子沉入抗磨板2mm，如圖5和圖6所示。標(biāo)準(zhǔn)型彈性圓柱銷壓入孔中仍能保持彈性，起到緩沖振動與沖擊作用、避免螺釘孔損壞。

4）固定螺釘由原來的8.8級提高為10.9級，要求安裝把合時(shí)清洗干凈、在螺孔底部和螺釘上涂抹鎖固劑，以期防止松動、脫落乃至斷裂。

（3）東方電機(jī)在設(shè)計(jì)制造深蓄水泵水輪機(jī)時(shí)汲取仙蓄的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對導(dǎo)葉止推裝置進(jìn)行了更新改造，其要點(diǎn)是：

1）止推墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示，4×90o扇形墊的截面寬度30mm，中部開孔最大值減至φ15mm，即內(nèi)外緣各有7.5mm裕量，同時(shí)墊厚增至10mm，仍采用5顆M8沉頭內(nèi)六角螺釘。

圖5 仙蓄導(dǎo)葉止推墊（改造）Fig.5 Thrust plate of Xianyou PSPP（after reformed）

圖6 仙蓄止推墊裝配（改造）Fig.6 Thrust plate of Xianyou PSPP（after reformed）

圖7 深蓄導(dǎo)葉止推墊Fig.7 Thrust plate of Shenzhen PSPP

2）由圖7可知，雖然止推墊開孔尺寸b1=7.5mm＜（10～30mm）、l1=57.6mm略小于60mm，但由于止推墊厚度增至10mm，其斷面面積裕量還是相當(dāng)大的。而b=15mm=D，則是符合推薦指導(dǎo)值的，以上均參見圖10和圖11。

3）所采用材質(zhì)為GGB CBM312，是GGB軸承技術(shù)全新上市的自潤滑金屬材料，其機(jī)械性能等同DEVA BM，見表1。

4 海蓄導(dǎo)葉止推裝置設(shè)計(jì)分析

（1）海蓄導(dǎo)葉止推裝置設(shè)計(jì)類同惠蓄，如圖8所示。

（2）每個(gè)導(dǎo)葉均布4片材質(zhì)為德國進(jìn)口DEVA BM342的止推墊，其結(jié)構(gòu)參見圖9。

圖8 海蓄導(dǎo)葉止推裝置結(jié)構(gòu)Fig.8 Thrust device structure of Qiongzhong PSPP

（3）如圖9所示止推墊是符合標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品規(guī)格尺寸的（見表2黑體字），標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品規(guī)格尺寸見圖10和圖11。

圖9 海蓄導(dǎo)葉止推墊Fig.9 Thrust plate of Qiongzhong PSPP

表2 標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品規(guī)格尺寸Tab.2 Specifications of standard product

圖10 DEVA BM標(biāo)準(zhǔn)圖Fig.10 Standard diagram of DEVA BM

圖11 DEVA BM墊板標(biāo)準(zhǔn)圖Fig.11 Standard diagram of backing plate of DEVA BM

（4）但是，止推墊開孔相關(guān)尺寸b1=5mm＜（10～30mm）、l1≈ 42.8mm＜（60～150mm）、b=15＜（1～1.5）D，即與推薦指導(dǎo)值（以上的黑體字）均有一定差距。

5 導(dǎo)葉止推裝置分析與探討

（1）抽水蓄能機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換的特殊情況下，尤其是在導(dǎo)葉小開度時(shí)，由于導(dǎo)葉自關(guān)閉力矩和轉(zhuǎn)輪出口的水壓周期性輸入導(dǎo)葉控制反饋機(jī)構(gòu)的影響，可能激發(fā)導(dǎo)葉和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的自激振動（其振動頻率接近導(dǎo)水機(jī)構(gòu)當(dāng)時(shí)條件下的扭轉(zhuǎn)振動固有頻率時(shí)就會形成強(qiáng)烈共振）。其時(shí)，導(dǎo)葉止推裝置也可能由于擠壓、剪切以及振動的應(yīng)力交織而產(chǎn)生危害性損傷。

（2）熱固樹脂復(fù)合材料的ORKOT-TXM-M雖有摩擦系數(shù)小、承載力大的優(yōu)點(diǎn)，與層面平行的抗壓強(qiáng)度較低、拉伸強(qiáng)度低（拉伸彈性模量?。┮约凹羟袕?qiáng)度不高的弊端，當(dāng)負(fù)載超過其彈性臨界點(diǎn)時(shí)還可能出現(xiàn)永久變形。ORKOT的技術(shù)資料表明，負(fù)載施力方向垂直于材料纖維層方向時(shí)的動態(tài)最高設(shè)計(jì)負(fù)載是40N/mm2，負(fù)載施力方向與材料纖維層方向相互平行時(shí)動態(tài)最高設(shè)計(jì)負(fù)載僅20N/mm2。例如，在導(dǎo)葉止推裝置同樣采用ALSTOM模式結(jié)構(gòu)的蒲石河抽水蓄能電站，對其非金屬止推墊進(jìn)行過測試及ANSYS軟件有限單元剛度計(jì)算分析均證實(shí)在正常運(yùn)行工況下的變性量≥0.10mm。因此，止推墊可能失去內(nèi)六角螺釘?shù)木o固約束而處于游移狀態(tài)，在縱橫向振動、沖擊力作用下斷裂、破損的發(fā)生就難以避免了。

（3）面對惠蓄和仙蓄止推墊損壞的實(shí)際情況，在用戶要求下，無論是惠蓄和仙蓄的技術(shù)改造還是深蓄、海蓄的設(shè)計(jì)，都采用了縱橫向承載力更大、拉伸強(qiáng)度更大的DEVA-BM342以及同一級別的FZ-6和GGB CBM312等雙金屬自潤滑材料，無疑這是規(guī)避止推墊斷裂破損穩(wěn)妥有效的積極措施。

（4）DEVA-BM相關(guān)技術(shù)手冊對其產(chǎn)品的規(guī)格尺寸一般都提出相應(yīng)的推薦指導(dǎo)值，對于類同抽水蓄能電站導(dǎo)葉滑板式止推墊，則有如下要求（見圖11）：

1）b1=（10～30mm）；

2）l1=（60～150mm）；

3）b=（1～1.5）D。

而采用如圖10所示DEVA-BM規(guī)范產(chǎn)品的海蓄導(dǎo)葉止推墊，厚度h也只有3mm、緊固螺釘采用M8內(nèi)六角型式、開孔值為φ20mm。如前所述，由于止推墊片尺寸受整體結(jié)構(gòu)限制，所以不能完全符合按理想狀態(tài)設(shè)置的推薦指導(dǎo)值。經(jīng)咨詢，DEVA供應(yīng)商要求當(dāng)實(shí)際工況滿足于材料應(yīng)用值域的情況下，應(yīng)嚴(yán)格按照ISO10642-8.8級（M8）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝（見圖12）：

1）人工手持芯棒擊打自潤滑材料的下部表面；

2）半埋頭螺釘安裝于已預(yù)制的自潤滑板上（螺釘絲牙涂抹潤滑脂）；

3）連接完成。

只要措施得當(dāng)，目前的開孔位置不會引起抗磨板的斷裂，對于海蓄機(jī)組而言還是能夠滿足使用要求的。

（5）正是由于實(shí)際運(yùn)行中的惠蓄、仙蓄都發(fā)生了止推墊斷裂破損的故障，東方電機(jī)對深蓄水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉止推裝置所采用的如圖7所示的止推墊是能確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，值得倡導(dǎo)和推廣。

圖12 EN ISO 10642（DIN 7991）沉頭螺釘?shù)陌惭bFig.12 Installation of sunk screw of EN ISO 10642（DIN 7991）

6 結(jié)束語

抽水蓄能機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換頻繁，導(dǎo)葉止推裝置由于擠壓、剪切以及振動的應(yīng)力交織而產(chǎn)生危害性損傷，對導(dǎo)葉止推裝置有較高的要求，通過對各電站導(dǎo)葉止推裝置應(yīng)用情況進(jìn)行比較分析，說明采用縱橫向承載力更大、拉伸強(qiáng)度大的材質(zhì)和優(yōu)化止推裝置的設(shè)計(jì)，對電站設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行有較大意義。

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李德芳（1976—），男，工程碩士，主要研究方向：抽水蓄能電站機(jī)電工程建設(shè)管理。E-mail：18707556010@139.com

何少潤（1946—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：水電站機(jī)電設(shè)備管理及安裝調(diào)試。E-mail：248370406@qq.com

陳泓宇（1975—），男，高級工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理。E-mail：542120791@qq.com

雷 慧（1984—），男，碩士，主要研究方向：抽水蓄能電站機(jī)電工程建設(shè)管理。E-mail：leihui346@163.com

李 展（1990—），男，學(xué)士，主要研究方向：抽水蓄能電站機(jī)電工程建設(shè)管理。E-mail：lenzhan@126.com

李 碩（1987—），男，碩士，主要研究方向：抽水蓄能電站機(jī)電工程建設(shè)管理。E-mail：13926163857@163.com

季懷杰（1985—），男，助理工程師，主要從事水利水電機(jī)械檢修和電力基建。E-mail： simba9121@sina.com