高油壓全自動(dòng)槳葉調(diào)節(jié)裝置可靠性及其適用范圍

文/劉 凱 鄭吉斯 王 勤

傳統(tǒng)的水輪機(jī)槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在著燒瓦和漏油兩方面問(wèn)題。燒瓦現(xiàn)象主要發(fā)生在受油器部分浮動(dòng)瓦部位。由于浮動(dòng)瓦本身結(jié)構(gòu)問(wèn)題，其經(jīng)常發(fā)生磨損，導(dǎo)致受油器漏油和甩油；當(dāng)問(wèn)題比較嚴(yán)重時(shí)則發(fā)生燒瓦、抱死、油管斷裂等現(xiàn)象，對(duì)生產(chǎn)安全造成極大隱患。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于采用內(nèi)外層油管結(jié)構(gòu)，在輸油過(guò)程中容易出現(xiàn)竄油和漏油現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力油從輪轂內(nèi)泄漏進(jìn)周邊水體中，造成電站經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)對(duì)周?chē)w生態(tài)也產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。例如湖南省某水電站總裝機(jī)容量為50MW，其一年的漏油量可達(dá)80多t；另外河北省某電站，其1號(hào)機(jī)組裝機(jī)容量為3.2MW，在2004 年改造前漏油量高達(dá)185L/d。

學(xué)界和工業(yè)界因此進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐去解決這兩方面問(wèn)題。目前主流的解決辦法主要集中在兩個(gè)方面，一是對(duì)受油器結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，一是對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行輪轂無(wú)油化改造。例如章嘉慶等就論述了帶推力軸承受油器及旋轉(zhuǎn)器（旋轉(zhuǎn)接頭）受油器的特點(diǎn)，最后闡明旋轉(zhuǎn)器為受油器發(fā)展的新方向。然而一般旋轉(zhuǎn)器受油器采用間隙密封，極小的配合間隙才能保證其密封性能，因此，高溫抱死和卡死導(dǎo)致油管斷裂的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。所以如何徹底解決抱死和卡死仍然是需要解決的難題。另外，國(guó)外大量研究實(shí)踐瞄準(zhǔn)了輪轂無(wú)油化并取得了豐碩成果。然而輪轂無(wú)油化主要途徑集中在提高操作油壓和采用自潤(rùn)滑軸套兩方面，接力器的位置并沒(méi)有進(jìn)行改變。因此一旦密封出現(xiàn)問(wèn)題，輪轂內(nèi)的接力器仍然會(huì)向周?chē)w排出大量油而難以控制。所以如何吸收外國(guó)輪轂無(wú)油化先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)一步改變接力器的位置是徹底解決漏油問(wèn)題的一個(gè)方向。

為了解決以上缺陷，深圳市恩萊吉能源科技有限公司開(kāi)發(fā)了EHB系列高油壓全自動(dòng)槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)，徹底解決受油器的穩(wěn)定性和安全性以及輪轂漏油的問(wèn)題。本文旨在對(duì)EHB系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及可靠性和適用性進(jìn)行解析和探討，為該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提出一些建議。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

EHB系列高油壓全自動(dòng)槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖一所示，主要包含受油器、接力器、操作桿、角度-位移傳感器、機(jī)械電氣保護(hù)裝置以及一些輔助設(shè)備如液壓裝置、電控系統(tǒng)、操作架等。接力器固定在主軸上；活塞固定在操作桿上，并與機(jī)組主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)；活塞經(jīng)過(guò)液壓油操作通過(guò)操作桿帶動(dòng)槳葉葉片轉(zhuǎn)動(dòng)；油路集成塊固定在外殼上，不隨主軸旋轉(zhuǎn)；受油器油管路采用彈性高壓軟管將壓力油送至旋轉(zhuǎn)接力器中，在運(yùn)行過(guò)程中避免震動(dòng)、位移。受油器上裝有非接觸的槳葉位移傳感器，實(shí)現(xiàn)槳葉角度位置的閉環(huán)調(diào)節(jié)。電磁閥組設(shè)有操作閥、液壓閥、節(jié)流閥、安全閥和電控裝置（可單獨(dú)設(shè)計(jì)，也可置于高油壓調(diào)速器控制柜中）。

>圖一 EHB系列高油壓全自動(dòng)槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

>圖二 EHB系統(tǒng)原理圖

>圖三 EHB受油器及接力器部分示意圖

葉片角度調(diào)節(jié)原理如圖二所示：同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，與主軸連接的接力器、活塞、操作桿及操作架隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)接收到葉片調(diào)節(jié)指令時(shí)，基于位移傳感器反饋，調(diào)節(jié)器打開(kāi)比例閥，使操作油由固定彈性高壓軟管經(jīng)受油器進(jìn)入接力器，在操作油的高壓作用下活塞桿產(chǎn)生巨大的作用力并產(chǎn)生軸向線位移，通過(guò)機(jī)械傳遞，操作桿、操作架、槳葉轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)產(chǎn)生位移變化，從而操作帶動(dòng)槳葉葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，葉片角位移與指令相吻合時(shí)停止調(diào)節(jié)，投入機(jī)械或液壓鎖定，將葉片固定。此時(shí)葉片精準(zhǔn)定位在指定角度上。

二、可靠性分析

相較于傳統(tǒng)調(diào)槳機(jī)構(gòu)，EHB的改進(jìn)主要集中在緊湊相連的受油器與接力器部分。其結(jié)構(gòu)如圖三所示，包含前置受油器、后置受油器、接力器、操作桿和傳感器。該技術(shù)采用了兩個(gè)受油器，其中前置受油器采用間隙密封結(jié)構(gòu)。間隙密封特點(diǎn)是發(fā)熱小、線速度承受范圍大、運(yùn)行壽命長(zhǎng)，真正能滿足電站長(zhǎng)期運(yùn)行的是間隙密封結(jié)構(gòu)。EHB在一般正常運(yùn)行情況下是通過(guò)前置受油器旋轉(zhuǎn)供油，此時(shí)前置受油器與后置受油器不轉(zhuǎn)動(dòng)，而接力器轉(zhuǎn)動(dòng)。不同于傳統(tǒng)受油器的是該結(jié)構(gòu)不含浮動(dòng)瓦，減少了磨損和發(fā)熱風(fēng)險(xiǎn)。但是該密封結(jié)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)行仍無(wú)法徹底解決如前文所述磨損、卡阻、抱死等問(wèn)題。因此在前置受油器的后方還設(shè)置有一個(gè)后置受油器。不同于前置受油器，該受油器采用的是填料密封結(jié)構(gòu)。填料密封一般來(lái)說(shuō)不能長(zhǎng)期承受水輪機(jī)高轉(zhuǎn)速和高線速度，但其優(yōu)點(diǎn)是基本不會(huì)卡死，因此該密封結(jié)構(gòu)作為備用受油器能夠確保整個(gè)受油器系統(tǒng)不會(huì)卡死。也就是說(shuō)當(dāng)前置受油器間隙密封一旦出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，后置受油器開(kāi)始工作，這時(shí)前置受油器與接力器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而后置接力器不轉(zhuǎn)。據(jù)深圳市恩萊吉公司提供的數(shù)據(jù)，后置受油器在1000h運(yùn)行時(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，給予機(jī)組足夠的停機(jī)和檢修彈性時(shí)間，保證生產(chǎn)安全平穩(wěn)過(guò)渡。

EHB另一個(gè)顯著改變則是接力器緊挨著受油器置于主軸電機(jī)端上方，接力器至槳葉部分僅采用機(jī)械傳動(dòng)。相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該技術(shù)在水輪機(jī)主軸和輪轂中都不存在油，也就不存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。即便接力器由于密封老化原因產(chǎn)生泄漏，由于泄漏點(diǎn)離流道較遠(yuǎn)，不會(huì)有污染河流風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，該結(jié)構(gòu)極大簡(jiǎn)化了維修周期。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)接力器一旦出現(xiàn)問(wèn)題，需將轉(zhuǎn)輪體和主軸全部拆卸進(jìn)行檢修，而EHB只需要從主軸電機(jī)端拆卸連接段法蘭即可進(jìn)行維修，減少了維修周期和成本。

該結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性面臨的最大挑戰(zhàn)是操作桿受力問(wèn)題。操作桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在克服推拉力的同時(shí)還得承受水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的自身慣性扭力，因此需要進(jìn)行科學(xué)的受力分析以設(shè)置合適的支撐環(huán)及選用合適的材料來(lái)滿足運(yùn)行要求。與采用諾莫圖分析水利發(fā)電機(jī)主軸臨界轉(zhuǎn)速時(shí)采用二支點(diǎn)或三支點(diǎn)不同，該操作軸通常需要設(shè)置多個(gè)支撐環(huán)以克服旋轉(zhuǎn)時(shí)徑向擺度，因此通常EHB在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)針對(duì)機(jī)組參數(shù)利用特有模型進(jìn)行有限元算法力學(xué)分析。

在設(shè)計(jì)操作軸幾何參數(shù)以及支撐環(huán)位置時(shí)會(huì)采用MSC公司的Patran、Nastran軟件進(jìn)行整個(gè)軸系模態(tài)分析；同時(shí)利用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)軟件SAMCEF Rotor 進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。該電站額定轉(zhuǎn)速和飛逸轉(zhuǎn)速分別為214.3r/min和444r/min。其材料特性：設(shè)材料為各向同性E=2.058×105MPa；波桑比為0.3；比重為7.85×10-6kg/mm3；參考溫度為21.85℃。該模型的結(jié)果如表1所示，支架與卡環(huán)的受力大于材料許用應(yīng)力，軸與壓緊套滿足使用要求。軸、卡環(huán)與壓緊套則應(yīng)采用材料性能高的材料35CrMo，安全系數(shù)可達(dá)到490/228.3=2.1463。其一階臨界轉(zhuǎn)速為飛逸轉(zhuǎn)速的1.49倍；一般來(lái)說(shuō)參考GB/T 7894-2009 《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》中9.11，操作桿第一階臨界轉(zhuǎn)速若不小于最大飛逸轉(zhuǎn)速的125%則認(rèn)為該設(shè)計(jì)可靠。

表1 對(duì)于操作軸系的有限元分析結(jié)果

三、適用性分析

對(duì)于小型軸流式機(jī)組，一般轉(zhuǎn)輪直徑2m以下由于輪轂大小的限制，接力器無(wú)法布置下去。另外其主軸的直徑較小，傳統(tǒng)的內(nèi)外層油管結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此多采用定槳。該結(jié)構(gòu)接力器在輪轂以外且主軸內(nèi)不需要內(nèi)外層操作油管，僅存在操作桿，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此可用于一些小型定槳式機(jī)組改造，從而使其可適應(yīng)的水頭范圍加大，增加出力。但由于輪轂內(nèi)仍需布置操作架，拐臂等機(jī)構(gòu)，對(duì)輪轂大小仍有一定要求?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，一般該技術(shù)適合應(yīng)用在轉(zhuǎn)輪直徑1m以上機(jī)組。

在一些大型軸流、貫流機(jī)組或者軸伸貫機(jī)組中，由于主軸長(zhǎng)度和接力器所受推拉力加大，需要?jiǎng)偠雀?、直徑更大、長(zhǎng)度更長(zhǎng)的操作桿才能滿足要求。以黑龍江五大連池山口電站為例，其單機(jī)容量15MW，最大推/拉力為250t，操作桿長(zhǎng)10m，接力器（16MPa）缸徑450mm，操作桿直徑為200mm，為主軸內(nèi)孔能允許的最大直徑。通過(guò)有限元分析，其第一臨界轉(zhuǎn)速為149rpm，與其飛逸轉(zhuǎn)速的125%相比，余量較低。另一方面，#45 鋼屈服強(qiáng)度為355MPa，若安全系數(shù)取3，活塞桿/操作桿的許用應(yīng)力為118MPa，與活塞桿所受操作力80MPa接近。由此可見(jiàn)，在單機(jī)15MW機(jī)組中，該結(jié)構(gòu)機(jī)械性能已經(jīng)接近于臨界值。對(duì)于更大的機(jī)組，其更大的操作力將使操作桿所受應(yīng)力增大，其操作桿長(zhǎng)度的增加會(huì)使臨界轉(zhuǎn)速顯著降低，因此設(shè)計(jì)和使用起來(lái)存在一定困難。一般來(lái)講該結(jié)構(gòu)僅對(duì)于20MW以下機(jī)組有較高的適用性。因此對(duì)于大型的機(jī)組，操作桿的機(jī)械性能是否滿足機(jī)組性能要求是關(guān)鍵問(wèn)題，如何克服操作桿的穩(wěn)定性問(wèn)題應(yīng)該是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

四、結(jié)語(yǔ)

EHB系統(tǒng)通過(guò)并行的雙受油器系統(tǒng)及外置式接力器解決了長(zhǎng)久以來(lái)困擾槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)燒瓦和漏油問(wèn)題。同時(shí)受油器填料密封和間隙密封的配合使用及臨界轉(zhuǎn)速分析模型保證了整個(gè)系統(tǒng)可靠性。該技術(shù)簡(jiǎn)化了槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其運(yùn)行更加穩(wěn)定，維護(hù)和檢修更加簡(jiǎn)單。但目前該技術(shù)僅適用于中小型軸流或貫流式轉(zhuǎn)槳機(jī)組，目前已應(yīng)用的軸流機(jī)最大容量為15MW，而貫流機(jī)可達(dá)20MW。如何使該技術(shù)適用于大型軸流或貫流機(jī)以及軸伸貫機(jī)組，是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。