廣州蓄能水電廠A廠機組水輪機導(dǎo)葉軸套換型改造

摘要：針對廣州蓄能水電廠A廠機組近年出現(xiàn)的導(dǎo)葉卡澀、無法開啟等缺陷，通過論證和分析，并結(jié)合A廠機組導(dǎo)葉軸頸實際情況，對活動導(dǎo)葉軸套進行換型改造，以延長其使用壽命，并提高其運行的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)葉;無法開啟;軸頸;換型改造;可靠運行

0 ? ?引言

廣州蓄能水電廠（以下簡稱“廣蓄”）分為A廠和B廠，分別安裝4臺單機為300 MW容量的可逆式水泵水輪發(fā)電機組。其中廣蓄A(yù)廠水泵水輪機設(shè)備由法國Neyrpic公司制造，每臺機組有20個導(dǎo)葉，導(dǎo)葉采用三支點支承方式，兩個位于頂蓋上，一個位于底環(huán)上。廣蓄A(yù)廠機組使用的導(dǎo)葉軸套為纖維增強樹脂復(fù)合材料，在整體更換后的前5～6年均運行正常，但此后A廠各機組開始陸續(xù)出現(xiàn)軸套內(nèi)徑縮小或者軸套內(nèi)表面鼓包及脫層現(xiàn)象，進而使導(dǎo)葉無法開啟、開啟或關(guān)閉時間較長，容易導(dǎo)致機組啟動失敗，嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行。

1 ? ?導(dǎo)葉軸套材料及結(jié)構(gòu)

廣蓄A(yù)廠機組活動導(dǎo)葉設(shè)置上、中、下三個軸套，上、中軸套通過套筒分別布置在頂蓋的上下兩端，下軸套布置在底環(huán)上。

1.1 ? ?導(dǎo)葉軸套材料

廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉軸套的材料為纖維增強樹脂復(fù)合材料，由獨特的復(fù)合成分以及固體潤滑顆粒組成，本身具備自潤滑功能。

1.2 ? ?導(dǎo)葉軸套結(jié)構(gòu)

導(dǎo)葉的上、中、下軸套均通過液氮冷卻安裝至導(dǎo)葉套筒內(nèi)，上、中軸套位于一個套筒的上下兩端，下軸套單獨一個套筒。軸套外徑和套筒內(nèi)徑過盈配合，其中上、中軸套基準內(nèi)徑為270 mm，下軸套基準內(nèi)徑為260 mm。

為了保證軸套有良好的運行環(huán)境，在軸套及套筒上均開有密封溝槽，防止在運行過程中有泥沙等進入軸套與軸頸的配合面內(nèi)。

2 ? ?導(dǎo)葉無法開啟原因分析

從對廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉無法正常開啟缺陷處理的結(jié)果來看，導(dǎo)葉無法開啟的主要原因為導(dǎo)葉軸套內(nèi)徑變小，導(dǎo)致軸套與軸頸的配合間隙減小，增大了導(dǎo)葉開啟的阻力。具體從以下幾個方面進一步闡述：

2.1 ? ?材料特性導(dǎo)致內(nèi)徑變小

廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉軸套使用的是纖維增強樹脂復(fù)合材料，各纖維層之間通過粘接固定。在機組開機和停機過程中，導(dǎo)葉的開啟和關(guān)閉使導(dǎo)葉軸套反復(fù)受力，纖維層材料之間拉扯發(fā)生松散，長期下來，導(dǎo)致軸套的內(nèi)徑緩慢變小。在A廠各機組導(dǎo)葉軸套檢查期間，通過測量導(dǎo)葉軸套與軸頸的配合間隙值進一步論證了該情況，詳細對比如表1和圖1所示。

2.2 ? ?運行環(huán)境導(dǎo)致內(nèi)徑變小

廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉軸套密封采用丁腈橡膠材料，且中軸套密封的結(jié)構(gòu)為O型密封圈。長期運行軸套本身的偏磨及密封破損等原因?qū)е旅芊庑Ч陆?，壓力水進入到導(dǎo)葉軸套內(nèi)，使導(dǎo)葉軸套長期處于一個被壓力水浸泡的環(huán)境中，進一步導(dǎo)致導(dǎo)葉軸套內(nèi)徑吸水膨脹、局部鼓包等情況。在機組檢修期間，發(fā)現(xiàn)尤其是導(dǎo)葉上軸套和下軸套，出現(xiàn)了較多的鼓包、變形及嚴重脫層的現(xiàn)象。

3 ? ?換型改造方案

根據(jù)對導(dǎo)葉無法開啟缺陷的實際檢查結(jié)果和原因分析，結(jié)合廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉軸頸的實際數(shù)據(jù)，對導(dǎo)葉軸套進行換型改造，主要是論證選擇合適的軸套材料并結(jié)合實際的安裝環(huán)境本地化設(shè)計加工尺寸等，同時配套對導(dǎo)葉軸套密封也實施換型改造。

3.1 ? ?導(dǎo)葉軸套換型改造選型分析

3.1.1 ? ?軸套與軸頸潤滑膜的穩(wěn)定性能

根據(jù)目前國內(nèi)蓄能水電廠使用的導(dǎo)葉軸套情況，將導(dǎo)葉軸套分為自潤滑材料軸套和鑲嵌固體潤滑劑的軸套兩大類。從設(shè)計上，以上軸套均能滿足導(dǎo)葉軸頸運行期間形成穩(wěn)定潤滑膜的要求，但從實際運行經(jīng)驗上來說，鑲嵌固體潤滑劑的軸套存在潤滑劑材料脫落而導(dǎo)致潤滑性能降低的風(fēng)險，而自潤滑材料軸套存在軸套本體松脫或破裂而導(dǎo)致與導(dǎo)葉軸頸間摩擦增大的可能，潤滑性能也會大大降低。所以，以上軸套的穩(wěn)定潤滑性能均需要有良好的運行環(huán)境支撐。鑲嵌固體潤滑劑的軸套潤滑劑脫落的主要原因為導(dǎo)葉軸套密封破損，軟化的自潤滑材料經(jīng)高壓水沖刷流出。目前A廠CP及CG工況只作為啟動過程轉(zhuǎn)換工況使用，運行時間很短，所以軸套的運行環(huán)境溫度基本長期處于穩(wěn)定范圍內(nèi)，沒有較大的溫度波動，而改造后的導(dǎo)葉軸套密封也大大降低了壓力水進入導(dǎo)葉軸套的可能性，所以從目前A廠的導(dǎo)葉軸套運行環(huán)境來看，鑲嵌固體潤滑劑的軸套能夠滿足長期穩(wěn)定潤滑膜的性能要求。

3.1.2 ? ?保護導(dǎo)葉軸頸

導(dǎo)葉軸頸的修復(fù)工藝復(fù)雜，不只需要補焊磨圓處理，還要考慮對導(dǎo)葉同心度的影響，可能造成導(dǎo)葉回裝后不同心。因此，導(dǎo)葉軸套的選用必須盡量保證不損害導(dǎo)葉軸頸。廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉的硬度約為260HB，所以選擇導(dǎo)葉軸套基材的硬度不高于260HB即可滿足該項要求。

3.1.3 ? ?軸套磨損量

軸套的磨損量會直接影響到導(dǎo)葉軸頸與軸套之間的間隙，如果磨損嚴重導(dǎo)致間隙過大或偏心，則可能引起機組關(guān)機時導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴、漏水過大、頂蓋漏水等現(xiàn)象。因此，在長期運行中，軸套磨損量不能過大而導(dǎo)致導(dǎo)葉軸頸與軸套之間的間隙超出允許范圍。

3.2 ? ?最終方案

通過以上論證分析，廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉軸套換型改造最終確定使用銅基鑲嵌自潤滑材料軸套，基礎(chǔ)材質(zhì)屬于強力黃銅系，拉伸強度為755 N/mm2，耐壓縮力為345 N/mm2，最大拉伸率為12%，硬度為210HB;固體潤滑劑為PTFE系（不含鉛），使用的溫度范圍為-40～+80 ℃。

廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉軸頸運行至今已有20余年，其磨損量相對稍大，為了更好地加強軸套與軸頸的配合，在具體實施過程中，對軸套的加工和設(shè)計均進行了本地化改造，具體如下：

（1）要求供貨的軸套為銅基鑲嵌自潤滑材料毛坯軸套。毛坯軸套的內(nèi)徑留有一定的加工余量（在軸頸直徑設(shè)計尺寸值基礎(chǔ)上減小1 mm），即上軸套和中軸套的內(nèi)徑均為269 mm，下軸套內(nèi)徑為259 mm。軸套改造實施期間根據(jù)機組導(dǎo)葉軸頸實測平均值再對軸套內(nèi)徑按照0.110～0.272 mm的配合間隙進行車削加工。

（2）中軸套和下軸套內(nèi)側(cè)倒角充分考慮導(dǎo)葉軸頸處加工退刀槽圓弧過渡倒角（R1+R9）的配合要求，倒角結(jié)構(gòu)和尺寸采用9×9 mm（45°），以保證軸套能夠正常安裝到位。

4 ? ?改造效果

廣蓄A(yù)廠從2016開始，陸續(xù)開展各臺機組的導(dǎo)葉軸套換型工作。軸套換型改造后投入運行至今，未再出現(xiàn)導(dǎo)葉卡澀、開啟時間較長的設(shè)備缺陷，同時配套開展的導(dǎo)葉軸套密封也沒有明顯的漏水現(xiàn)象，有效消除了廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉開啟阻力大導(dǎo)致啟動失敗的缺陷，設(shè)備故障率大大降低，減少了機組臨時退備的時間，提高了機組的運行可靠率，保證了電廠的安全生產(chǎn)，并提高了經(jīng)濟效益。

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收稿日期：2020-01-15

作者簡介：楊同盟（1987—），男，河南周口人，工程師，研究方向：熱能與動力工程（水動方向）。