水輪機(jī)導(dǎo)葉端面間隙值設(shè)置及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

應(yīng)金仁

(東芝水電設(shè)備(杭州)有限公司,杭州 310000)

0 前 言

合理地設(shè)置導(dǎo)葉端面間隙值和設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)，對水輪機(jī)運(yùn)行非常重要。眾所周知，機(jī)組的效率、運(yùn)行穩(wěn)定性和檢修維護(hù)周期是檢驗(yàn)水輪機(jī)性能的重要方面。通過對導(dǎo)葉端面間隙值及密封結(jié)構(gòu)方式優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以避免因?qū)~端面間隙值出現(xiàn)異常，防止端面間隙值加大，上、下導(dǎo)葉端面間隙值不對稱、導(dǎo)葉密封失效，水輪機(jī)效率下降，機(jī)組開、關(guān)等穩(wěn)定性降低等現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而滿足水輪機(jī)大修周期要求。本文根據(jù)已運(yùn)行電站成功的優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對水輪機(jī)導(dǎo)葉端面間隙值與密封結(jié)構(gòu)方式應(yīng)用，提出若干意見供探討。

1 導(dǎo)葉端面間隙值設(shè)置

導(dǎo)葉端面間隙值設(shè)置，結(jié)合水電站的實(shí)際情況綜合確定，主要按以下3個(gè)方面進(jìn)行確定：導(dǎo)葉作為水輪機(jī)通流部件的要求，導(dǎo)葉本體制造公差及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)尺寸鏈公差，水輪機(jī)安裝技術(shù)要求。

1.1 GB和IEC標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定

對于導(dǎo)葉端面間隙值，GB/T 10969-2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》和IEC60193-1999《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》作了詳細(xì)規(guī)定：真機(jī)間隙應(yīng)小于模型的放大值，導(dǎo)葉端面間隙單個(gè)值與平均值的允許偏差不大于±50%，導(dǎo)葉漏水量不大于額定流量的3%。以上作為保證水輪機(jī)性能的要求，結(jié)合規(guī)定的水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量要求，在確定導(dǎo)葉端面間隙值時(shí)必須保證，可以理解為最低要求。

1.2 導(dǎo)葉及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配尺寸鏈公差

導(dǎo)葉與頂蓋、底環(huán)之間總間隙由設(shè)計(jì)及加工制造決定。可細(xì)化為導(dǎo)葉兩端面的平行度，頂蓋與底環(huán)的導(dǎo)葉同軸度，頂蓋、底環(huán)、座環(huán)安裝平面不平行度誤差，測量誤差等因素，立式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配尺寸鏈見圖1。即頂蓋、底環(huán)定位面間的距離A，導(dǎo)葉本體高度B，底環(huán)高度C，頂蓋過流面到定位面間的距離D，確定導(dǎo)葉端面總間隙δ=A-B-C-D。在通常情況下，水頭較低，導(dǎo)葉高度較高，總間隙值越大；反之亦然。按照一般車床達(dá)到的IT07加工精度，導(dǎo)葉本體公差按IT08(B0)比較合適，其他因素在IT10(B0)和IT11(B0)之間，總間隙通常在IT08(B0)+ IT10(B0)與IT08(B0)+ IT11(B0)之間。

圖1 立式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配尺寸鏈圖

1.3 若干水輪機(jī)導(dǎo)葉端面間隙

對若干已成功運(yùn)行電站立式水輪機(jī)導(dǎo)葉端面間隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)葉端面間隙統(tǒng)計(jì)見圖2，結(jié)果表明導(dǎo)葉端面間隙均在以上范圍內(nèi)。若干電站的導(dǎo)葉高度及導(dǎo)葉端面間隙見表1。

表1 若干電站導(dǎo)葉高度及導(dǎo)葉端面間隙表

圖2 導(dǎo)葉端面間隙統(tǒng)計(jì)圖

1.4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安裝技術(shù)要求

GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》中對基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)、頂蓋、底環(huán)的安裝允許偏差作了規(guī)定，具體見表2。常規(guī)電站端面間隙值應(yīng)滿足最大安裝公差。

表2 基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)安裝允許偏差表

以某電站為列，轉(zhuǎn)輪直徑為2.64 mm，底環(huán)安裝面直徑為2.96 m，安裝徑向平面度允許偏差為2.96×0.05=0.148 mm，周向平面度允許偏差為0.30 mm。底環(huán)上平面水平安裝允許誤差為0.35 mm，因同軸度1.0 mm引起的導(dǎo)葉傾斜度對端面間隙的影響幾乎可以不計(jì)，因此最大綜合值為0.68 mm。該電站設(shè)置的端面總間隙為0.70 mm，滿足安裝要求。

1.5 小型機(jī)組導(dǎo)葉端面間隙值

對于小型機(jī)組，導(dǎo)葉端面間隙值可按中小型質(zhì)量分等標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 按中小型質(zhì)量分等標(biāo)準(zhǔn)表

2 不同導(dǎo)葉端面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于立式水輪機(jī)端面密封結(jié)構(gòu)，比較應(yīng)用廣泛的有彈性壓板式金屬密封，偏心導(dǎo)葉端面金屬密封，壓板式聚氨酯密封等。

彈性壓板式金屬密封是在抗磨板的導(dǎo)葉關(guān)閉位置上設(shè)置帶彈性墊的黃銅密封，可使機(jī)組停機(jī)時(shí)導(dǎo)葉漏水量最小。端面密封主要由減震墊、密封環(huán)、壓板及固定螺栓組成的。彈性壓板式金屬密封見圖3。

圖3 彈性壓板式金屬密封圖

對于帶翼大端面偏心活動導(dǎo)葉，采用導(dǎo)葉端面金屬密封，可提高水輪機(jī)的效率，同時(shí)可有效降低停機(jī)漏水，避免間隙空蝕。設(shè)置端面導(dǎo)葉軸承防砂密封，可有效地防止泥砂進(jìn)入導(dǎo)葉軸承，具有自補(bǔ)償性能，該密封結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 偏心導(dǎo)葉端面金屬密封圖

對軸流式水輪機(jī)，由于過流量大，導(dǎo)葉端面接觸面積大，采用聚氨酯密封條、不銹鋼密封壓板、緊固螺釘組成的密封形式。聚氨酯超耐磨且有一定彈性，避免金屬端面密封之間大面積接觸的磨損，密封性能良好，具體見圖5。對于軸流式機(jī)組，立面間隙比端面間隙更重要。

圖5 壓板式聚氨酯端面密封圖

3 現(xiàn)場安裝注意事項(xiàng)

現(xiàn)場安裝過程中，需注意一些安裝事項(xiàng)，以達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)值。止推軸承應(yīng)安裝到位，并進(jìn)行與導(dǎo)葉臂之間的間隙測量，間隙值為0.1 mm，防止活動導(dǎo)葉上浮產(chǎn)生上、下端面間隙不一致的情況。

活動導(dǎo)葉通過端蓋提升螺栓調(diào)整上、下端面間隙，通過在控制環(huán)抗磨板上旋轉(zhuǎn)，并通過端蓋和導(dǎo)葉之間的緊固螺栓連接進(jìn)行的。端蓋與導(dǎo)葉之間間隙、控制環(huán)與抗磨板之間間隙需在提升導(dǎo)葉安裝過程中消除，防止在動作時(shí)導(dǎo)葉下沉，使底部間隙變小。

導(dǎo)葉端面間隙采用塞尺和百分表測量，以塞尺為準(zhǔn)，結(jié)合百分表監(jiān)測，用專用工具提升導(dǎo)葉到頂部，用塞尺測量底部間隙，符合端面設(shè)計(jì)間隙要求。調(diào)整好端面間隙值不但能夠容易打開、關(guān)閉導(dǎo)葉，減少漏水量，而且可以延長端面密封的使用壽命。

4 設(shè)計(jì)過程中的建議

4.1 應(yīng)考慮影響端面間隙值的幾個(gè)因素

在設(shè)計(jì)過程，應(yīng)充分考慮影響導(dǎo)葉端面間隙值的因素，主要有溫度、沖水后頂蓋的上抬量、導(dǎo)葉高度、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)尺寸鏈公差、現(xiàn)場安裝允許公差，水質(zhì)，端蓋與導(dǎo)葉無間隙措施以及控制環(huán)與抗磨環(huán)無間隙措施等。

因溫度不同受熱脹冷縮的影響，導(dǎo)葉總間隙在夏天比冬天小。在廠內(nèi)預(yù)裝過程中，應(yīng)考慮溫度變化的影響。設(shè)計(jì)上考慮在沖水后頂蓋將上抬0.15～0.4 mm左右，廠內(nèi)預(yù)裝時(shí)應(yīng)滿足下端面間隙比上端面間隙小，流道充水后基本滿足上、下端面間隙相同。導(dǎo)葉高度工廠內(nèi)加工公差。安裝時(shí)保證端蓋與導(dǎo)葉間、控制環(huán)與抗磨環(huán)間無間隙，防止導(dǎo)葉下沉等。

4.2 選擇合理的端面密封結(jié)構(gòu)

從電站水頭和水質(zhì)含沙量等重要因素，考慮匹配性，建議端面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和導(dǎo)葉端面間隙值設(shè)置如下。對高水頭電站，考慮泥沙磨損影響，適當(dāng)減少端面間隙值。導(dǎo)葉端面密封方式及相關(guān)內(nèi)容見表4。

表4 導(dǎo)葉端面密封方式及相關(guān)內(nèi)容表

5 結(jié) 語

目前很多電站的技術(shù)合同中規(guī)定導(dǎo)葉端面間隙值有應(yīng)滿足水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件和IEC60041標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定真機(jī)端面間隙值應(yīng)小于按照模型放大的端面間隙值。因此生產(chǎn)廠家也是按合同要求進(jìn)行嚴(yán)格控制的。但生產(chǎn)廠家往往不會局限于某一標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合自己的優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)制定相關(guān)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)?？偟膩碚f，在工廠現(xiàn)有數(shù)控加工條件下，盡可能地減少導(dǎo)葉端面間隙值應(yīng)是一種發(fā)展趨勢。根據(jù)許多電站不同條件，目前已成功采用了合適的端面密封結(jié)構(gòu)及導(dǎo)葉端面間隙值。本文結(jié)合電站優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出立式水輪機(jī)導(dǎo)葉端面間隙值設(shè)置和端面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干意見供探討。