柳樹(shù)坪電站導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能的改進(jìn)處理

謝 斐，李 權(quán)，姚文俊，任 超

(湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

柳樹(shù)坪水電站是清江水布埡電站的保安自備電站,其中水輪機(jī)由哈爾濱電機(jī)股份有限公司制造。水輪機(jī)的型號(hào)為HLA791A-LJ-146，為立軸混流式懸吊型機(jī)組，單機(jī)額定功率20.62 MW，最大工作水頭203 m，設(shè)計(jì)工作水頭170 m，最小工作水頭147 m，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速600 r/min。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要包括：底環(huán)、頂蓋、活動(dòng)導(dǎo)葉、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)、導(dǎo)葉止推裝置等。底環(huán)、頂蓋為整體結(jié)構(gòu)，活動(dòng)導(dǎo)葉共20片，導(dǎo)葉端、立面密封均為剛性?？刂骗h(huán)為整體焊接結(jié)構(gòu)，其全關(guān)至全開(kāi)的旋轉(zhuǎn)角度為12.6°?；顒?dòng)導(dǎo)葉及底環(huán)、頂蓋的抗磨環(huán)用耐腐蝕、抗磨損的不銹鋼材料制造，導(dǎo)葉軸套用FZ-6自潤(rùn)滑軸套。

1 存在的主要問(wèn)題

從2009年開(kāi)始，柳樹(shù)坪電站機(jī)組逐漸暴露出剪斷銷頻繁被剪斷，表1為統(tǒng)計(jì)的2009年至2015年柳樹(shù)坪電站剪斷銷剪斷數(shù)據(jù)。

柳樹(shù)坪電站機(jī)組在多次檢修中檢查發(fā)現(xiàn)活動(dòng)導(dǎo)葉與頂蓋摩擦，檢修中打磨拋光恢復(fù)了頂蓋抗磨面，下一次檢修檢查發(fā)現(xiàn)又會(huì)出現(xiàn)活動(dòng)導(dǎo)葉與頂蓋摩擦的情況?；顒?dòng)導(dǎo)葉與頂蓋摩擦情況如圖1。

表1 柳樹(shù)坪電站剪斷銷剪斷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 活動(dòng)導(dǎo)葉與頂蓋摩擦情況

2 原因分析

柳樹(shù)坪電廠導(dǎo)葉的端面、立面密封均為剛性密封，且端面設(shè)計(jì)總間隙為0.10～0.20 mm，實(shí)際間隙為0.30 mm。2015年和2016年的檢修和專項(xiàng)檢查處理，從接力器和控制環(huán)的水平，接力器的動(dòng)作行程，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的端面間隙調(diào)整固定方式和止推裝置以及剪斷銷剪切力矩試驗(yàn)等方面進(jìn)行檢查處理，導(dǎo)致剪斷銷頻繁剪斷的主要原因是因機(jī)組多年運(yùn)行底環(huán)導(dǎo)葉下軸端密封老化、磨損等原因失效使得活動(dòng)導(dǎo)葉受到了上浮力，導(dǎo)葉止推裝置不能有效阻止活動(dòng)導(dǎo)葉上浮，活動(dòng)導(dǎo)葉有微量上竄與頂蓋剮蹭?；顒?dòng)導(dǎo)葉與頂蓋剮蹭會(huì)增大活動(dòng)導(dǎo)葉動(dòng)作的阻力，當(dāng)阻力增大到臨界值后，剪斷銷就會(huì)被剪斷。因僅更換剪斷銷無(wú)法從根本上解決問(wèn)題，剪斷銷出現(xiàn)頻繁被剪斷。

柳樹(shù)坪電站為中高水頭(額定水頭170 m)，導(dǎo)葉自重輕(57 kg)，如果在導(dǎo)葉下軸頸密封失效，導(dǎo)葉下軸端受到的作用力F=PS=1.7×106×3.14×(9×102)2=43 237.8 N，而導(dǎo)葉重力為G1=mg=57×10=570 N，(其中P為額定水頭壓力，S為導(dǎo)葉下軸端面面積)，拐臂重力為G2=mg=17×10=170 N，F(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)葉和拐臂自重。如果止推間隙過(guò)大，水壓力必然克服導(dǎo)葉和拐臂以及其他附件自動(dòng)而上浮至導(dǎo)葉上端面與頂蓋抗磨板，在活動(dòng)導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)發(fā)生剮蹭。

3 改進(jìn)處理

2015年和2016年在柳樹(shù)坪電站機(jī)組檢修中已經(jīng)對(duì)導(dǎo)葉頂絲和導(dǎo)葉止推裝置等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，剪斷銷被剪斷和導(dǎo)葉與頂蓋摩擦的情況得到一定程度的改善。但是根本原因和防范措施仍不到位，剪斷銷被剪斷和導(dǎo)葉與頂蓋摩擦的情況還會(huì)發(fā)生。

2015年柳樹(shù)坪電站機(jī)組檢修中對(duì)導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)處理。此次改進(jìn)處理內(nèi)容為：取消原來(lái)的導(dǎo)葉頂絲結(jié)構(gòu)，采用在拐臂端蓋和導(dǎo)葉軸間添加銅墊片調(diào)整導(dǎo)葉端面間隙并保證導(dǎo)葉與拐臂之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖2為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖。

圖2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖

2016年柳樹(shù)坪電站機(jī)組檢修中對(duì)導(dǎo)葉止推裝置進(jìn)行改進(jìn)處理。此次改進(jìn)處理內(nèi)容為：增大導(dǎo)葉止推壓板與拐臂止推槽的接觸面積，導(dǎo)葉止推壓板緊固螺栓由M12增大至M16。此次優(yōu)化改進(jìn)處理后，導(dǎo)葉止推裝置限制活動(dòng)導(dǎo)葉上竄效果得到提升，延長(zhǎng)了活動(dòng)導(dǎo)葉從調(diào)整好端面至活動(dòng)導(dǎo)葉上竄與頂蓋摩擦的時(shí)間。如圖3為改進(jìn)處理后的導(dǎo)葉止推裝置，圖4為止推裝置圖紙。

圖3 改進(jìn)處理后的導(dǎo)葉止推裝置

圖4 改進(jìn)處理后的導(dǎo)葉止推裝置圖紙

4 擴(kuò)修檢查和處理方案

1)方案一：檢查底環(huán)的導(dǎo)葉軸孔內(nèi)泄壓孔情況。根據(jù)柳樹(shù)坪電站機(jī)組設(shè)計(jì)圖紙顯示，底環(huán)的導(dǎo)葉軸孔內(nèi)各有一個(gè)直徑10 mm的泄壓孔。底環(huán)導(dǎo)葉軸內(nèi)的泄壓孔通暢可減輕活動(dòng)導(dǎo)葉上浮，但據(jù)目前的運(yùn)行狀態(tài)此泄壓孔工作是不正常的。由于不能確定設(shè)計(jì)圖紙中的底環(huán)泄壓孔是否存在，所以需在機(jī)組A修時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)。若機(jī)組已有底環(huán)泄壓孔，則作為檢修項(xiàng)目疏通即可。若機(jī)組沒(méi)有底環(huán)泄壓孔，依據(jù)圖紙鉆孔，同時(shí)開(kāi)通泄壓槽。圖紙顯示座環(huán)有開(kāi)兩根Φ20的導(dǎo)葉軸徑排水管，但是否存在也需要現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。如果沒(méi)有建議根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況開(kāi)設(shè)泄壓槽孔。如圖5為底環(huán)導(dǎo)葉軸孔內(nèi)泄壓孔。

圖5 底環(huán)導(dǎo)葉軸孔內(nèi)泄壓孔

2)方案二：增大活動(dòng)導(dǎo)葉端面總間隙至0.45 mm。根據(jù)檢修實(shí)測(cè)機(jī)組現(xiàn)端面總間隙為0.30 mm，計(jì)劃增大活動(dòng)導(dǎo)葉端面總間隙至0.45 mm。即將底環(huán)抗磨工作面車去0.15 mm。

根據(jù)哈爾濱電機(jī)廠提供《柳樹(shù)坪電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行維護(hù)說(shuō)明書(shū)》中對(duì)導(dǎo)葉漏水量的要求為：新投入時(shí)不超過(guò)0.04 m3/s，運(yùn)行8 000 h后不超過(guò)0.05 m3/s。因?yàn)閷?dǎo)葉端面密封為剛性密封，所以增大導(dǎo)葉端面間隙有必要計(jì)算導(dǎo)葉漏水量。

導(dǎo)葉漏水量近似計(jì)算公式

Q=μA(2ρg(P1-P2)/ρ)1/2=μA(2g(H1-H2))1/2

式中：μ為管道流量系數(shù)，因僅過(guò)導(dǎo)葉端面，沿程損失和摩擦損失可以忽略不計(jì)，近似取值為1；A為過(guò)水面積，計(jì)算為1.311×10-3m2其中端面總間隙計(jì)算值為0.45 mm；g為重力加速度；P1為導(dǎo)葉靠蝸殼側(cè)壓力；P2為導(dǎo)葉靠轉(zhuǎn)輪側(cè)壓力，取0.1 MPa；H1為工作水頭；H2為轉(zhuǎn)輪側(cè)水頭。

經(jīng)計(jì)算當(dāng)H取最小工作水頭，即H=147 m時(shí)，Q=0.067 9 m3/s>0.05 m3/s。

經(jīng)計(jì)算當(dāng)H取設(shè)計(jì)工作水頭，即H=170 m時(shí)，Q=0.073 4 m3/s>0.05 m3/s。

經(jīng)計(jì)算當(dāng)H取最大工作水頭，即H=203 m時(shí)，Q=0.080 6 m3/s>0.05 m3/s。

同理當(dāng)漏水量取最大值0.05 m/s計(jì)算最小水頭147 m允許最大總間隙值為0.33 mm；額定水頭170 m下允許最大總間隙值為0.30 mm；最小水頭203 m允許最大總間隙值為0.279 mm。

由以上導(dǎo)葉漏水量計(jì)算可知，當(dāng)導(dǎo)葉端面間隙增大至0.45 mm時(shí)，導(dǎo)葉漏水量超過(guò)了《柳樹(shù)坪電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行維護(hù)說(shuō)明書(shū)》中對(duì)導(dǎo)葉漏水量的要求。

3)方案三：增大活動(dòng)導(dǎo)葉端面剛性總間隙至0.60 mm，并增加導(dǎo)葉上端面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本方案計(jì)劃增大活動(dòng)導(dǎo)葉端面剛性總間隙至0.60 mm，在頂蓋與活動(dòng)導(dǎo)葉上端面間增加端面密封結(jié)構(gòu)，活動(dòng)導(dǎo)葉上、下端面間隙均分，并把活動(dòng)導(dǎo)葉上、下端面邊沿導(dǎo)圓角。端面密封槽深15 mm，槽寬65 mm。端面密封條厚15.6 mm,端面密封條上端寬25 mm，下端寬35 mm，并且上端邊沿導(dǎo)斜角。端面密封條壓板上端寬30 mm，厚7 mm。端面密封條壓板下端寬25 mm。如圖6為端面密封設(shè)計(jì)示意圖。

圖6 端面密封設(shè)計(jì)示意圖

本方案增大了導(dǎo)葉端面剛性總間隙，但是導(dǎo)葉全關(guān)時(shí)上端面無(wú)間隙，下端面間隙與方案實(shí)施前的端面總間隙一致，所以本方案實(shí)施后導(dǎo)葉漏水量不會(huì)增大。

本方案增加了端面密封結(jié)構(gòu)后，會(huì)增大導(dǎo)葉動(dòng)作阻力，有導(dǎo)致剪斷銷被剪斷的可能性。并且由于要增加端面密封結(jié)構(gòu)，需要破壞一層導(dǎo)葉中軸頸密封圈，可能導(dǎo)致導(dǎo)葉套筒漏水量增大。

5 現(xiàn)場(chǎng)處理

2017年柳樹(shù)坪電站機(jī)組A修中因底環(huán)無(wú)法拆卸，通過(guò)打壓灌水試驗(yàn)確認(rèn)底環(huán)有導(dǎo)葉軸孔泄壓孔并且底環(huán)有環(huán)形排水槽聯(lián)通各導(dǎo)葉下軸孔，座環(huán)沒(méi)有開(kāi)兩根Φ20的導(dǎo)葉軸徑排水管。為從根本上防止導(dǎo)葉下軸頸密封失效而產(chǎn)生上浮，根據(jù)檢查機(jī)組底環(huán)實(shí)際情況，覺(jué)得在底環(huán)內(nèi)側(cè)水平鉆Φ8泄壓孔，位置如圖7標(biāo)注所示。

圖7 底環(huán)導(dǎo)葉軸孔內(nèi)泄壓孔

6 改進(jìn)效果

柳樹(shù)坪水電站導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能改進(jìn)處理完成后至今，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)工作正常且再無(wú)剪斷銷剪斷現(xiàn)象，底蓋和底環(huán)無(wú)剮蹭現(xiàn)象。至此根本性地解決了困擾柳樹(shù)坪水電站多年的活動(dòng)導(dǎo)葉剪斷銷頻繁剪斷的頑疾。

7 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)柳樹(shù)坪水電站活動(dòng)導(dǎo)葉剪斷銷頻繁剪斷的問(wèn)題,通過(guò)深入分析確認(rèn)了造成問(wèn)題的根本原因，并有針對(duì)性地制定了改進(jìn)措施，解決了柳樹(shù)坪水電站剪斷銷頻繁剪斷的問(wèn)題。柳樹(shù)坪水電站導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能的改進(jìn)處理消除了機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中存在的缺陷，節(jié)約了成本，保證了機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)，提高了機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。