水輪機轉輪漏油分析及改造

劉小云

(五凌電力有限公司湖南五凌電力工程有限公司,湖南 長沙 410004)

1 機組概況

五凌電力有限公司洪江水力發電廠(以下簡稱洪江電廠)位于沅水流域的中上游河段,是沅水干流開發規劃中的重要梯級工程,共裝有 6臺燈泡貫流式水輪發電機組,單機容量為 45MW,總裝機容量270MW。水輪機型號為 HK-RT,由日本日立公司設計,其中,#1和#2機組由日立公司制造,#3～#6機組由哈爾濱電機廠有限責任公司制造。設計水頭,20.0m;最大水頭,27.3m;最小水頭,8.4m;加權平均水頭,22.86m;額定轉速,136.4 r/min;飛逸轉速,370 r/min(協聯工況),314 r/min(非協聯工況);設計流量,252.24m3/s。

2 轉輪結構

洪江電廠水輪機轉輪直徑為 ?5460mm,由輪轂、5片槳葉、槳葉操作機構和 2段泄水錐等部件組成。輪轂采用鑄鋼整鑄,用 12根螺栓和 6根偏心定位銷連接到主軸法蘭上。槳葉端部活動范圍內的輪轂表面加工成球形,以保證槳葉與輪轂間的間隙均勻,減少漏水量。槳葉為帶樞軸整體鑄件,靠近轉輪室的外緣處葉片背面設有防氣蝕的“Γ”形裙邊,這種裙邊對減輕間隙氣蝕、改善外緣處流態、保證機組穩定運行有顯著效果。槳葉采用卡環、方鍵與轉臂相連的方式安裝于輪轂,槳葉密封為“D”形結構,可在不拆卸槳葉的情況下更換密封。

槳葉操作機構采用接力器動缸式的轉臂直連桿機構,接力器缸蓋兼作操作架帶動 5片槳葉的轉臂連桿機構運動。接力器直徑為 ?1230mm,行程為248.4mm,轉臂長 471.8mm。活塞和接力器缸間采用 2道鑄鐵密封環密封,每道密封環對應一種壓力方向。

輪轂內充滿了來自輪轂高位油箱的透平油,油壓保持恒定壓力 0.23MPa,以防止水滲漏入輪轂。輪轂中的徑向軸承都采用鑄錫青銅軸套,由內部的透平油來潤滑。

3 漏油情況

2006年6月12日,洪江電廠#1機組調速器回油箱發油位過低報警信號,之后回油箱油位持續下降。2006年6月#1機組調速器回油箱下降記錄見表1。

表1 洪江電廠 #1機組調速器回油箱下降記錄

4 漏油原因分析

4.1 調速系統外圍漏油分析及檢查

經過分析,可能引起調速器回油箱油位異常下降的部位有:

(1)回油箱進、排油管路系統存在漏點,控制油閥及逆止閥關不嚴;

(2)調速器回油箱油冷卻器存在內漏;

(3)受油器進、排油管路系統存在漏點;

(4)漏油箱進、排油管路系統存在漏點;

(5)輪轂高位油箱進、排油管路系統存在漏點;

(6)導葉接力器管路存在漏點;

(7)槳葉接力器管路存在漏點。

2006年7月21—24日,利用#1機組的一次調頻機會,對調速系統外圍進行了全面認真的排查,排除了調速系統外圍漏油的可能性,判斷產生漏油的部分在轉輪體上。

4.2 轉輪體漏油原因分析

經過分析,轉輪體密封點主要有:

(1)泄水錐底部封蓋及Ⅰ段、Ⅰ段和Ⅱ段連接處密封面;

(2)轉輪體與泄水錐Ⅱ段連接處密封面;

(3)5片槳葉“D”形密封處;

(4)轉輪體排油孔及堵頭;

(5)轉輪體缸蓋與主軸法蘭連接密封處;

(6)轉輪體有關加工孔及試驗孔堵頭;

(7)轉輪體本身有氣孔、砂眼、裂紋等缺陷。

2006年7月,洪江電廠、日立公司、湖南五凌電力工程有限公司及湖南電力試驗研究院有關人員在流道消壓后,共同進入檢查,除發現泄水錐Ⅰ段有 1個小砂眼(經探傷確認不會引起少油)外,泄水錐、轉輪體缸蓋、主軸法蘭、堵頭孔及轉輪體外表面等處均無漏油跡象,這些部位均予以排除。

取下槳葉壓板,更換“D”形密封后,暫時沒有出現漏油現象,經過一段時間,#1機組調速器回油箱又出現了油位下降跡象。改變機組運行方式,在投入 AGC、不投 AGC帶滿負荷、不投 AGC帶 18MW 3種工況下運行,均沒有出現好轉,初步判定可能是轉輪槳葉密封處漏油。

進一步檢查轉輪體槳葉部分,在轉輪上游側主軸密封支架上焊接 1塊#16槽鋼,底部槳葉上游側排水環上焊接一鐵板支點;使用 2個 32 kN千斤頂,1個在上面頂葉片根部,1個在下面頂槳葉的邊;在槳葉下游側槳葉根部及槳葉的邊分別裝 2塊百分表對槳葉位移量進行測量監視,槳葉開度為 15%。測量結果:#1槳葉根部向下游側的位移量為 0.38mm,#2槳葉根部向下游側的位移量為 0.10mm;分別用 1個 50 kN千斤頂及 1個 32kN千斤頂將槳葉向軸心方向頂,#1槳葉的位移量為0.01mm,#2槳葉的位移量為 0.05mm。于是決定對轉輪進行解體檢查。

2007年1月15日—3月9日,對#1機組進行了擴大性檢修。在對轉輪解體過程中發現,#1、#3、#4、#5槳葉銅套止動螺釘均有不同程度退出,與槳葉接觸而發生磨損,轉輪內有銅粉,“D”形密封磨損。經測量檢查,槳葉銅套最大磨損量達 1.35mm(?500mm、?360mm 2銅套間距),?500mm銅套內圓直徑方向最大磨損量達 1.24mm,?360mm銅套內圓直徑方向最大磨損達 1.06mm,從銅套的磨損情況看,主要磨損部位在槳葉軸領的上、下游處。由此可見,產生漏油的原因是,在機組運行過程中因離心力的作用,槳葉、轉臂、卡環均受到向外(即徑向)的力,使得槳葉轉臂緊貼著 ?500mm銅套的“L”形邊,槳葉在強大的水推力作用下,銅套的受力面即為上、下游位置(±Y方向,如圖 1所示),而鑄錫青銅質地較軟,使得銅套磨損嚴重,“D”形密封失效。洪江電廠#1機組槳葉銅套間距記錄(舊)見表2,#1機組槳葉銅套直徑記錄(舊)見表 3。

圖1 #1機組槳葉銅套結構示意圖

表2 洪江電廠 #1機組槳葉銅套間距記錄(舊)mm

5 改造方案

5.1 槳葉軸套材質(鑄錫青銅)性能分析

錫青銅是以錫為主要合金元素的銅基合金,鑄造收縮率很小,可鑄造形狀復雜的零件,但鑄件易生成分散縮孔,使密度降低,在高壓下容易滲漏。錫青銅在大氣、海水、淡水以及蒸汽中的抗蝕性比純銅和黃銅好,但在鹽酸、硫酸和氨水中的抗蝕性較差。錫青銅中加入少量鉛,可提高耐磨性和切削加工性能;加入磷可提高彈性極限、疲勞極限及耐磨性;加入鋅可縮小結晶溫度范圍,改善鑄造性能。一般在造船、化工、機械、儀表等工業中廣泛應用,主要制造軸承、軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件,以及抗蝕、抗磁零件等。

通過對鑄錫青銅的性能分析,以及洪江電廠#1機組的運行實踐證明,槳葉軸套應選用比鑄錫青銅耐磨性更好的材料。

5.2 更換槳葉軸套選材

經洪江電廠、日立公司和哈爾濱電機廠有限責任公司有關技術人員反復分析、調研和論證,決定選用鑄鋁青銅制作新的槳葉軸套。

鋁青銅是以鋁為主要合金元素的銅基合金,鋁的質量分數一般不超過 11.5%,有時還加入適量的鐵、鎳、錳等元素,以進一步改善性能。鋁青銅可熱處理強化,強度比錫青銅高,抗高溫氧化性也較好。其最突出的特點是具有良好的耐磨性,適于制造齒輪、軸套、蝸輪等在復雜條件下工作的高強度抗磨零件,以及彈簧和其他高耐蝕性彈性元件。

表3 洪江電廠 #1機組槳葉銅套直徑記錄(舊) mm

5.3 改造后試運行

2006年3 月 9日,洪江電廠#1機組擴大性檢修完成,投入試運行。更換新軸套后,?500mm銅套與軸的最大配合總間隙為 0.26mm,最小配合總間隙為 0.14mm;?360mm銅套與軸的最大配合總間隙為 0.22mm,最小配合總間隙0.16mm。銅套更換后槳葉軸與銅套的配合間隙及各項技術指標均滿足設計規范要求,槳葉動作靈活、平穩,未發現槳葉密封漏油情況,機組運行安全、可靠。

6 結束語

#1機組槳葉軸套改造至今已運行 3年多,調速器回油箱油位一直保持穩定,處理結果與分析相吻合,改造取得了預期效果。

由于水電站的特殊性,進行擴大性檢修時間長、難度大、費用高,有時甚至被迫棄水,從而造成巨大的經濟損失。而轉輪結構復雜、金屬密封點多、接觸面大、磨損量大;同時,調速系統油質差,帶有金屬顆粒,容易破壞密封面,造成轉輪漏油或者進水,影響安全穩定運行。因此,建議在對轉槳式水輪機轉輪設計、制造時,對易損、易耗件,盡量選擇耐磨性好、摩擦因數低、承載能力較高的材料,以延長其使用壽命,保證檢修周期。同時,還應加強對轉輪進行檢修維護:一是優化機組運行方式,合理分配負荷,盡量避免水輪機槳葉在巨大軸向水推力作用下,特別是機組以“AGC”方式運行時頻繁地進行負荷調節,否則,會引起槳葉轉動頻率過高,銅套及“D”形密封磨損速度加快,使用壽命縮短;二是在每年小修時及時更換轉輪體內透平油,改善密封潤滑性能。

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