燈泡貫流式機(jī)組導(dǎo)葉外環(huán)磨損原因分析及處理

唐 建

（四川華電寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元628000）

1 概述

紫蘭壩電站位于四川省廣元市白龍江下游，紫蘭壩電站整體結(jié)構(gòu)為燈泡貫流式機(jī)組，裝機(jī)容量34 MW×3。水輪機(jī)型號(hào)為 GZ（836）-WP-535，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)4片，最大水頭19.9 m，額定水頭15.4 m，最小水頭8.1 m。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由活動(dòng)導(dǎo)葉、內(nèi)外導(dǎo)水環(huán)、拐臂、彈簧式安全連桿、硬直連桿、控制環(huán)、接力器組成。其中控制環(huán)直接安裝在導(dǎo)葉外環(huán)上見圖1，控制環(huán)與導(dǎo)葉外環(huán)滑動(dòng)面采用軸瓦結(jié)構(gòu)，控制環(huán)抗磨板由軸向抗磨板及徑向抗磨板組成。接力器采用直缸搖擺式接力器，接力器直徑為350 mm，接力器行程1 159 mm，在接力器的關(guān)閉段設(shè)有慢關(guān)閉裝置。接力器前缸蓋耳柄與控制環(huán)用柱銷連接，接力器后缸蓋鉸聯(lián)板與接力器底座通過柱銷連接。

圖1 導(dǎo)葉外環(huán)裝配圖

2 導(dǎo)葉外環(huán)磨損嚴(yán)重

2019年4月20日紫蘭壩1號(hào)機(jī)組檢修，用塞尺檢查發(fā)現(xiàn)控制環(huán)在全關(guān)狀態(tài)下，軸向抗磨塊總間隙在0.40～1 mm之間（設(shè)計(jì)圖紙要求雙面間隙為0.13～0.27 mm見圖2），軸向抗磨塊與導(dǎo)葉外環(huán)間隙異常。對(duì)控制環(huán)進(jìn)行解體進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)以下問題：

圖2 控制環(huán)裝配尺寸

（1）檢查發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉外環(huán)底面有輕微毛刺、高點(diǎn)，下游側(cè)側(cè)面磨損嚴(yán)重有溝槽狀劃痕，局部劃痕深度達(dá)1 mm。用25～700 mm外徑千分尺對(duì)稱分8個(gè)點(diǎn)測(cè)量導(dǎo)葉外環(huán)磨損量，另外在控制環(huán)全開位置加測(cè)一點(diǎn)。磨損量如圖3。

（2）左岸下游側(cè)軸向抗磨板磨損嚴(yán)重，控制環(huán)分瓣組合面處徑向抗磨板磨損較嚴(yán)重，控制環(huán)本體無(wú)劃痕。

3 磨損可能原因分析

3.1 導(dǎo)葉外環(huán)垂直度不合格

圖3 導(dǎo)葉外環(huán)磨損及分布情況

圖4

導(dǎo)葉外環(huán)垂直度不合格，導(dǎo)致控制環(huán)與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外環(huán)之間形成錯(cuò)位癟勁兒，加劇導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外環(huán)磨損。

3.2 左右岸接力器與控制環(huán)不同心

2019年5月7日在1號(hào)機(jī)組1號(hào)、2號(hào)接力器拆卸檢修過程中，現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組左岸導(dǎo)葉接力器底座安裝存在問題（1號(hào)機(jī)組接力器底座未進(jìn)行過檢修，系機(jī)組安裝時(shí)出現(xiàn)的問題）。造成了左右岸接力器與控制環(huán)不在同一中心上，接力器連接控制環(huán)后，控制環(huán)動(dòng)作時(shí)與導(dǎo)水外環(huán)接觸面間隙異常。

3.3 直缸搖擺式接力器后缸蓋底座竄動(dòng)

1號(hào)機(jī)組兩側(cè)接力器均采用直缸搖擺式接力器，接力器后缸蓋鉸接板通過球心軸承套、圓柱銷與底座相連接。接力器動(dòng)作時(shí)接力器活塞桿不產(chǎn)生擺動(dòng)，接力器缸體隨球心軸承運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生擺動(dòng)。1號(hào)機(jī)組兩側(cè)接力器安裝時(shí)接力器后缸蓋鉸接板與底座兩側(cè)間隙基本相等。檢修時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)兩側(cè)接力器后端蓋鉸接板與底座上下游側(cè)間隙異常（見圖5、表1）：接力器底座與接力器后端蓋鉸接板之間出現(xiàn)上游側(cè)間隙G1偏大，下游側(cè)間隙G2偏小的情況，接力器動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生向上游側(cè)竄動(dòng)的情況。兩側(cè)接力器同時(shí)上竄產(chǎn)生的力矩作用在控制環(huán)上加劇與導(dǎo)水外環(huán)發(fā)生的磨損。

圖5

表1 接力器后缸蓋鉸接板與底座間隙

3.4 導(dǎo)葉外環(huán)與控制環(huán)之間軸向配合摩擦力過大

導(dǎo)葉外環(huán)φ5 904 mm，抗磨塊數(shù)量為16對(duì)。接力器采用直缸搖擺式接力器，接力器直徑D為350 mm，接力器行程1 159 mm，操作接力器壓力油壓力P為6.3 MPa，兩接力器直線距離L為7 190 mm（見圖6）。單側(cè)接力器的壓力等于垂直作用于流體或固體界面單位面積上的力。所以通過 以 下 公 式0.35×0.35÷4=6.06×105N。 力 矩 大 小M=F×L=4.36×106N·m，抗磨塊與導(dǎo)葉外環(huán)之間的摩擦力力矩Mf=8×f×5.904。當(dāng)接力器的主動(dòng)力矩等于抗磨塊摩擦力矩時(shí)，此時(shí)的抗磨塊與導(dǎo)葉外環(huán)之間的摩擦力f最大，fmax=9.23×104N?？鼓K尺寸為長(zhǎng)140 mm×寬45 mm，抗磨塊強(qiáng)度&s=fmax÷s=14.65 N/mm2。

圖6 接力器簡(jiǎn)易示意圖

4 處理方法

結(jié)合磨損可能產(chǎn)生的原因，在1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)檢修過程中，采取了下列措施：

（1）針對(duì)導(dǎo)葉外環(huán)垂直度不合格這一可能原因，我們?cè)趯?dǎo)水機(jī)構(gòu)外環(huán)（精加工面）對(duì)稱地選取了4點(diǎn)，對(duì)測(cè)量點(diǎn)表面高點(diǎn)毛刺進(jìn)行處理，用酒精白布將測(cè)量點(diǎn)清掃干凈，避免污物影響測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)性。框式水平儀測(cè)量過程中手握持副測(cè)面內(nèi)側(cè)，使水平儀平穩(wěn)、垂直地（調(diào)整氣泡位于中間位置）貼在工件的垂直平面上，然后從縱向水準(zhǔn)讀出氣泡移動(dòng)的格數(shù)，在相同的位置調(diào)轉(zhuǎn)水平儀進(jìn)行測(cè)量讀數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)為0.043 mm/m、方向+X偏-Y，導(dǎo)葉外環(huán)垂直度滿足安裝要求（0.05 mm/m）。測(cè)量數(shù)據(jù)見圖7。通過圖3、圖4可知3點(diǎn)位于控制環(huán)全關(guān)位置，控制環(huán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)22.262°達(dá)到導(dǎo)葉全開位置。導(dǎo)葉外環(huán)磨損集中于接力器開關(guān)行程內(nèi)，且磨損位置方向與導(dǎo)葉外環(huán)垂直度方向不一致。故排除導(dǎo)葉外環(huán)垂直度不合格引起的導(dǎo)葉外環(huán)磨損。

圖7 導(dǎo)水外環(huán)垂直度

（2）拆除左岸接力器與底座的銷釘，吊出接力器。松開底座地腳螺栓，將底座吊出。將原來(lái)底座基坑清掃干凈，底座清掃干凈。底座旋轉(zhuǎn)180°安裝，把緊地腳螺栓，測(cè)量底座水平，底座水平數(shù)據(jù)為0.035 mm/m滿足圖紙安裝要求（0.05 mm/m），底座中心與座環(huán)外法蘭面間距為1 890 mm滿足安裝要求（1 891±1.5 mm）。

（3）檢查接力器后缸蓋鉸接板球心軸承完好，內(nèi)部無(wú)毛刺劃痕。清掃球心軸承，用手能輕松撥動(dòng)球心軸承。用專用清洗劑（可賽新1755）清洗接力器底座圓柱銷，擦拭干凈后對(duì)其表面銹蝕劃痕進(jìn)行研磨處理。接力器解體檢修更換密封后單體做接力器動(dòng)作試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為額定壓力6.3 MPa，接力器在全行程范圍內(nèi)來(lái)回動(dòng)作2～3次，檢查接力器動(dòng)作平穩(wěn)靈活。動(dòng)作過程中測(cè)量記錄兩接力器的實(shí)際行程，左側(cè)接力器實(shí)際行程為1 158 mm，右側(cè)接力器實(shí)際行程為1 159 mm。兩側(cè)接力器行程差不超過2 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。做接力器嚴(yán)密性耐壓試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)油壓為工作壓力的1.5倍，保持30 min。耐壓試驗(yàn)合格后接力器缸體排油，接力器起吊回裝，在兩側(cè)接力器后缸蓋鉸接板與接力器底座G1處加一圓墊，圓墊材質(zhì)為Q235，圓墊厚度直徑復(fù)測(cè)接力器后缸蓋鉸接板與底座兩側(cè)間隙G1、G2，間隙見表2。

表2 接力器后缸蓋鉸接板與底座間隙

（4）控制環(huán)新增加14對(duì)抗磨塊數(shù)量，改善導(dǎo)葉外環(huán)運(yùn)行工況。

改善后抗磨塊受力為：

F1=PPπD2=6.3×106×3.14×0.35×0.35÷4=6.06×105N。力矩大小M1=F×L=4.36×106N·m，抗磨塊與導(dǎo)葉外環(huán)之間的摩擦力力矩Mf1=15×f×5.904。當(dāng)接力器的主動(dòng)力矩等于抗磨塊摩擦力矩時(shí)，此時(shí)的抗磨塊與導(dǎo)葉外環(huán)之間的摩擦力f1最大，fmax1=4.92×104N?？鼓K尺寸為長(zhǎng)140 mm×寬 45 mm，抗 磨 塊 強(qiáng) 度&s1=fmax÷s=7.8 N/mm2。&s1遠(yuǎn)小于&s，達(dá)到改善導(dǎo)葉外環(huán)運(yùn)行工況的目的。

（5）控制環(huán)更換徑向、軸向抗磨塊，吊裝控制環(huán)之前在徑向抗磨塊表面適量涂抹固體潤(rùn)滑劑二硫化鉬，減少摩擦阻力?？刂骗h(huán)分瓣面組裝時(shí)，調(diào)整控制環(huán)各瓣組合面把合孔不錯(cuò)牙，裝入控制環(huán)組合面φ40×100彈簧銷，其后裝入螺栓M30×140、螺母M30，并把緊。檢查組合面無(wú)間隙無(wú)錯(cuò)牙，控制環(huán)分瓣面組裝合格后，測(cè)量調(diào)整軸向抗磨板間隙，間隙滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

控制環(huán)動(dòng)作試驗(yàn)，控制環(huán)動(dòng)作靈活無(wú)發(fā)卡及擺動(dòng)現(xiàn)象。從結(jié)果看初步達(dá)到了預(yù)期效果。更重要的是為今后的檢修改進(jìn)積累了經(jīng)驗(yàn)。為了確保機(jī)組不再出現(xiàn)類似故障我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦羞€做了以下措施：

（1）定期檢查控制環(huán)與導(dǎo)葉外環(huán)間隙，對(duì)比間隙數(shù)據(jù)，分析設(shè)備磨損情況，及時(shí)開展檢修。

（2）對(duì)于稀缺需進(jìn)口的備件及時(shí)儲(chǔ)備，防止因備件不足影響設(shè)備運(yùn)行。