惠州蓄能水電廠導(dǎo)葉止推軸承換型研究

王 琪，陳晶晶，楊季松

（1.惠州蓄能水電廠，廣東 惠州516100；2.惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 惠州516057）

0 引言

惠州蓄能水電廠（以下簡(jiǎn)稱惠蓄）位于廣東省博羅縣羅陽(yáng)鎮(zhèn)，是一座周調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。電站分A廠、B廠建設(shè)，A廠、B廠工程分別安裝4臺(tái)機(jī)組，機(jī)組型式為立軸、單級(jí)、混流、可逆式、懸式機(jī)組，推力軸承在上機(jī)架上，有3個(gè)導(dǎo)軸承，單機(jī)容量(發(fā)電工況)300 MW，額定設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為500 r/min。

1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及作用

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪機(jī)流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通常由導(dǎo)葉、導(dǎo)葉軸承、拐臂、連桿、接力器及支撐部分（頂蓋、底環(huán)等）組成，是水輪機(jī)流量的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用是：形成和改變進(jìn)入水輪機(jī)的水流環(huán)量，滿足進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前的水流環(huán)量的要求；根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷的變化，調(diào)節(jié)水輪機(jī)的流量，以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組出力的要求；正常和事故停機(jī)用來(lái)截?cái)嗨鳌?/p>

2 導(dǎo)葉止推裝置

2.1 止推軸承概況

惠蓄導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由20個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉及相應(yīng)部件組成。導(dǎo)葉上軸套和止推軸承位于頂蓋上環(huán)面，導(dǎo)葉止推軸承位于導(dǎo)葉上軸套上方即在頂蓋上。導(dǎo)葉止推軸承的作用是限制導(dǎo)葉的上下運(yùn)動(dòng)而保護(hù)上下抗磨板，主要承受拐臂和導(dǎo)葉的重力、導(dǎo)葉所受的軸向水作用力以及動(dòng)作時(shí)的摩擦力等。每個(gè)導(dǎo)葉止推軸承上下各有兩片一樣的自潤(rùn)滑止推墊片，左右對(duì)稱分布。每個(gè)止推墊上開(kāi)有5個(gè)錐孔，分別用錐頭螺釘緊固在上軸套和推力板上。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下頁(yè)圖2。

2.2 工作環(huán)境

導(dǎo)葉自潤(rùn)滑止推墊在空氣中工作，無(wú)水，可能粘附透平油；工作溫度為常溫，一般在5～50℃之間；止推軸承限制導(dǎo)葉垂直方向竄動(dòng)的范圍在0.10～0.15 mm，導(dǎo)葉止推軸承水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍為0～27°，動(dòng)作頻率1 d不超過(guò)50次；導(dǎo)葉開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)間約為15 s，最快相對(duì)速度為0.006 2 m/s。

圖2 導(dǎo)葉止推軸承

3 運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題

惠蓄導(dǎo)水機(jī)構(gòu)止推墊自運(yùn)行以來(lái)，先后大量出現(xiàn)止推墊斷裂、緊固螺釘松動(dòng)和斷裂等現(xiàn)象，經(jīng)常需要更換止推墊，大大增加了機(jī)組檢修維護(hù)工作量，同時(shí)也給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)威脅。在歷次檢修中發(fā)現(xiàn)存在的缺陷和主要問(wèn)題有：

（1）在機(jī)組檢修中都發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉下端面間隙減少和導(dǎo)葉下沉現(xiàn)象，可知自潤(rùn)滑止推墊耐磨性能不甚理想。如2010年6月3號(hào)機(jī)組檢修時(shí)，10個(gè)導(dǎo)葉下沉導(dǎo)致下端面間隙減少而上提了導(dǎo)葉，距該機(jī)組上一次檢修僅為6個(gè)月。

（2）自潤(rùn)滑止推墊多次斷裂和脫落，如圖3所示。

圖3 止推墊斷裂

（3）緊固螺絲出現(xiàn)松動(dòng)和斷裂。如圖4所示。

這些問(wèn)題可能會(huì)破壞導(dǎo)葉間隙、引起導(dǎo)葉不垂直、導(dǎo)葉與上下抗磨板刮擦、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)磨擦和破壞等嚴(yán)重后果。

圖4 止推墊及其螺釘斷裂

4 原因分析

惠蓄8臺(tái)機(jī)組均存在導(dǎo)葉止推墊斷裂的問(wèn)題，厚度為5 mm的ORKOT-TXMM自潤(rùn)滑止推墊，不管是上部自潤(rùn)滑止推墊、還是下部自潤(rùn)滑止推墊，在機(jī)組檢修中都發(fā)現(xiàn)不同程度的斷裂，有的斷成3～4塊。止推墊緊固螺栓也存在著剪切斷裂的問(wèn)題。且止推墊在機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)摩出黑色粉末。即止推墊的磨損率可能偏大，導(dǎo)致導(dǎo)葉止推間隙偏大和導(dǎo)葉端面間隙的頻繁檢修調(diào)整。

經(jīng)分析，導(dǎo)致止推墊和緊固螺釘發(fā)生斷裂的因素有：

（1）導(dǎo)葉止推墊磨損的根本原因是材料的抗拉強(qiáng)度低、抗磨損能力差。

（2）止推墊斷裂的起因在于螺釘產(chǎn)生了松動(dòng)，其中某一部位在摩擦力的作用下受到擠壓變形，最終導(dǎo)致斷裂。

（3）螺釘松動(dòng)和斷裂的原因在于其止推墊受到抗磨環(huán)反復(fù)剪切力的作用而產(chǎn)生疲勞破壞，要避免這種疲勞破壞就要讓螺釘有比較牢固的支撐而本身不承受太大的應(yīng)力。

（4）螺釘在導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)和機(jī)組的往復(fù)振動(dòng)中產(chǎn)生了松動(dòng)，導(dǎo)致止推墊松動(dòng)，與止推壓板配合不良，其中某一部位在摩擦力的作用下受到擠壓變形，最終導(dǎo)致斷裂。

（5）止推墊的孔徑以及和止推壓板的孔存在偏差，導(dǎo)致安裝應(yīng)力的存在。

5 換型改造

從以上分析中可以看出出現(xiàn)止推墊斷裂和磨損問(wèn)題主要有2個(gè)原因：（1）止推墊本身材料性能差；（2）螺栓的固定方式不合理。為此要從以下2個(gè)方面進(jìn)行改造。

5.1 材料性能

通過(guò)對(duì)行業(yè)內(nèi)止推墊材料的了解。目前，較為通用的有如下幾種：Oiles銅基鑲嵌式自潤(rùn)滑止推墊、賽思德?tīng)朞rkot止推墊、銅質(zhì)止推墊、迪瓦止推墊。Oiles銅基鑲嵌式自潤(rùn)滑止推墊和銅質(zhì)止推墊雖然在止推墊抗拉強(qiáng)度方面較賽思德?tīng)朞rkot止推墊強(qiáng)。但依然存在磨損量偏大的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析比較，迪瓦止推墊抗拉強(qiáng)度是ORKOT自潤(rùn)滑止推墊的10倍左右，其硬度是ORKOT自潤(rùn)滑止推墊的1.8倍，性能參數(shù)對(duì)比表1所示。

表1 止推墊性能能參數(shù)對(duì)比

迪瓦止推墊有如下性能特點(diǎn)：①自潤(rùn)滑材料，免維護(hù)運(yùn)行；②低摩擦系數(shù)，抗打滑爬行；③高安全系數(shù)，可有效保護(hù)相配合的材料；④可在-190～+280℃溫度范圍內(nèi)工作，可在腐蝕環(huán)境和粉塵環(huán)境下工作，不吸水，可最大限度的保證尺寸的精度。

5.2 固定方式

通過(guò)對(duì)導(dǎo)葉止推墊及沉頭銷釘斷裂破壞原因的分析，為增強(qiáng)止推墊沉孔與螺栓接觸面的受力，將45°錐形孔改為平面沉孔，固定螺栓相應(yīng)地由沉頭平杯螺栓改用平頭直角高強(qiáng)度碳鋼螺栓，螺栓接合面厚度為0.8 mm。改造前后的固定方式如圖5所示。

并在平頭螺栓上涂抹螺紋鎖定膠，保證螺栓安裝緊固，將螺栓所受剪切力傳至推力板，使緊固螺栓受力狀態(tài)得到優(yōu)化，將避免其在導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到反復(fù)作用，從而避免了止推墊平頭螺栓的頻繁損壞。

6 改造效果

通過(guò)這2個(gè)方面的改造，導(dǎo)葉止推結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，新型止推墊與原止推墊尺寸、形式相同，僅在材料、固定螺栓和沉孔等細(xì)節(jié)做出改動(dòng)，以增強(qiáng)螺栓抗剪切能力，改動(dòng)范圍小。2014年5月惠蓄5號(hào)機(jī)組率先實(shí)施改造，其后陸續(xù)在其他機(jī)組實(shí)施。截止至今，各機(jī)組在導(dǎo)葉止推墊換型后運(yùn)行已3年有余，經(jīng)檢查，新型止推墊運(yùn)行狀態(tài)良好，表面較為光滑，未發(fā)生斷裂、異常刮傷等情況，磨損量小于0.05 mm，導(dǎo)葉上下端面間隙基本未發(fā)生變化。

圖5 改造前后固定方式對(duì)比

7 結(jié)束語(yǔ)

惠蓄采用高性能的自潤(rùn)滑止推墊后，再未發(fā)生異常磨損及斷裂，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)工作正常。這說(shuō)明對(duì)止推墊磨損及斷裂的分析及材料和固定方式的改造思路是正確的，消除了設(shè)備隱患，使檢修中減小了導(dǎo)葉拐臂拆卸、導(dǎo)葉止推墊更換、導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整、導(dǎo)葉止推間隙調(diào)整等大量工作，大大減少了水輪機(jī)檢修工作量和止推墊備件的更換，節(jié)省了大量人工成本和備件成本，保證了機(jī)組安全可靠運(yùn)行。