高水頭混流式水輪機蠕動原因分析與治理

陳俊中，王淑強，張志勇，李勇

(五凌電力三板溪水電廠，貴州錦屏556700)

高水頭混流式水輪機蠕動原因分析與治理

Cause analysis and treatment of high head Francis turbine creep

陳俊中，王淑強，張志勇，李勇

(五凌電力三板溪水電廠，貴州錦屏556700)

介紹了三板溪水電廠4號機組蠕動情況，通過剖析混流式導水機構的結構，分析和測量找出導葉漏水量大致機組蠕動的原因，制定了一系列措施，有效減少了導葉漏水量，徹底解決了高水頭機組停機蠕動問題。

混流式；水輪機；蠕動；偏心銷

三板溪電廠位于貴州省黔東南州的清水江上游，裝機4×250 MW于2006年底全部投產發電。機組水輪機型號為HLA855－LJ－505，機組額定功率256.5 MW，額定轉速166.67 r/min，額定流量217.81 m3/s，最大水頭156.5 m，額定水頭128 m，最小水頭97 m，吸出高度－5.92 m。機組單臺24個導葉均布，分布圓為Φ5 644 mm，導葉最大可能開口為416.8 mm，材質為不銹鋼ZG06Cr13Ni5Mo馬氏體鑄件，導葉上、中、下軸套采用自潤滑軸套DEVA－BM，立面密封為剛性金屬線接觸密封，導葉端部密封為帶橡膠墊的銅合金條密封，分別固定在頂蓋與底環上。該廠機組投產后在高水位狀態下多次發生機組停機超時或停機后蠕動，甚至發生蠕動投入風閘后無法退出風閘，一旦退出，機組再次發生蠕動，其中4號機組尤為嚴重，嚴重威脅機組安全運行。

1 機組蠕動原因分析

機組產生蠕動主要原因為導葉漏水量大，按文獻〔1〕中規定圓柱式導葉漏水量不應大于水輪機額定流量的0.3%，而實際測量計算的導葉漏水量約0.75 m3/s，為額定流量的0.344%〔2〕。其主要原因為導葉偏心銷與偏心銷扳手間隙偏大、接力器壓緊行程變小導致導葉立面間隙擴大，且機組導葉立面間隙普遍超過設計標準，從而導致導葉漏水量超標引起機組蠕動。

下面從導葉結構著手，分析其引起機組蠕動的原因。

1.1 導葉結構分析

如圖1所示，開關導葉時操作力矩通過控制環轉動帶動Φ75圓柱銷、連接板、偏心銷、導葉連板、剪斷銷、Φ70分瓣鍵和導葉摩擦裝置軸襯帶動導葉轉動。其中連接板、圓柱銷、偏心銷、導葉連板組成導葉拐臂。為了保證控制環作用于每個導葉拐臂上的力量一致，根據偏心理論，采用偏心銷調節控制環銷孔和導葉拐臂銷孔間的距離偏差。單個偏心銷的偏心值為6 mm，偏心銷安裝后用偏心銷扳手固定以防止其發生轉動。拐臂和導葉臂之間裝有摩擦套和剪斷銷，用夾緊螺栓來調整摩擦力，當導葉阻力過大時，使剪斷銷剪斷保護導葉，導葉臂下方有限位塊限制導葉的最大開度，導葉臂設有自潤滑止推軸承。導葉立面為相鄰導葉間的機加工面緊密接觸型密封。為增加導葉端面封水性能，頂蓋、底環在導葉關閉位置端面接觸處設有分段壓板式的可壓移的銅條密封，銅條下面設有中硬橡膠彈性塊。根據設計導葉立面間隙不大于0.05 mm，范圍不超過導葉高度 (1 180 mm)的1/5，上端面間隙為 0.31～0.67 mm，下端面間隙為 0.21～0.45 mm。

圖1 導葉結構圖

1.2 導葉漏水原因分析

1.2.1 導葉立面間隙不合格

由于導葉立面密封采用剛性金屬線接觸密封，即相鄰導葉大小頭線接觸密封，主要是因存在設計、安裝、運行磨損、氣蝕等，導致導葉大小頭金屬接觸面局部配合值超標〔3〕。利用4號機檢修期間對機組導葉相關性能數據進行了測量，其中有17個導葉立面間隙超過設計標準，即70%導葉立面間隙不合格，部分導葉立面間隙局部間隙達0.25 mm，長600 mm嚴重超標。

根據機組檢修無水狀態下測量結果計算，根據文獻〔1〕，導葉泄漏流量不應超過額定流量0.3%，電廠額定流量為 218.7 m3/s，即標準為0.656 1 m3/s。

假定壩前水位為470 m，尾水水位為320 m，水輪機內流體為理想流體，通過伯努利方程可得:

式中 ΔP是導葉關閉后上游側與下游側壓力差，ρ是流體密度取 1 000，v是導葉泄漏流體理想流速。

計算得v＝54.22 m/s，導葉高度為1.18 m，計算泄漏流量為0.029 4 m3/s＜0.656 1 m3/s。

由此可知在無水狀態下測量的導葉立面間隙不足以導致導葉泄漏流量超標，因此不是致使機組蠕動主要原因。

1.2.2 偏心銷與偏心銷扳手間隙過大

因偏心銷與偏心銷扳手磨損及制造誤差等原因，造成偏心銷與偏心銷扳手間隙變大〔4〕。偏心銷與偏心銷扳手受力分析如圖2所示，當導葉關閉時控制環帶動上下連板沿AB方向運動，在AB方向上產生由B向A的力 (FBA)，從而在偏心銷處形成偏心力矩 (M＝FBA｜AC｜)，在偏心力矩的作用下，當偏心銷與偏心銷固定扳手間隙過大時，偏心銷可能發生偏斜、旋轉，也就改變了停機時｜CD｜的距離大小，間接改變了連板有效長度，使導葉立面間隙超過規定范圍值，從而增加了導葉漏水量。實際檢修測得導葉偏心銷與偏心銷扳手間隙高達1.55 mm，遠超過設計圖紙要求偏心銷與偏心扳手間隙0～0.2 mm。

圖2 偏心扳手結構圖

1)偏心銷發生偏轉

偏心銷偏轉角度 α＝arcsin(1.55/27.5) ＝3.231 1°，偏心銷偏心軸同樣旋轉角度α，偏心銷中心至導葉臂的作用長度AD變為AD1，對導葉臂的影響僅 0.01 mm，立面間隙影響為 0.01 mm。(詳見圖3)，泄漏流量為Q＝vS＝24×54.22×1.18× 0.01×10－3＝0.013 m3/s＜0.656 1 m3/s。因此，偏心銷偏轉不會造成機組蠕動。

圖3 偏心銷發生偏轉示意圖

2)偏心銷發生偏移

導葉在關閉狀態下，由于水頭作用在導葉的力量傳遞至導葉臂，繼而傳遞至偏心銷，所以偏心銷與上下連板及偏心銷扳手配合間隙將直接影響導葉立面間隙的變化量。由于偏心銷與上下連板設計公差配合為H7/h6，公差帶為0.19～0.49 mm，實際測量偏心銷與導葉連板配合間隙因為偏心銷轉動磨損，導致部分偏心銷連板與導葉連板配合間隙達0.6 mm，由于偏心銷與偏心銷扳手間隙達 1.55 mm，所以偏心銷連板與導葉連板配合間隙直接反饋為導葉臂可移動量。因導葉臂與導葉角度為54.22°，實際導葉立面間隙變化量＝0.6×sin54.22°＝0.49 mm，同樣假定壩前水位為470 m，尾水水位為320 m，泄漏流量為 Q＝vS＝24×54.22×1.18× 0.49×10－3＝0.752 4 m3/s＞0.656 1 m3/s。

1.2.3 接力器壓緊行程不合格

接力器在機組運行期間因振動、導葉接力器水平偏差、控制環底部滑塊磨損等原因導致接力器活塞桿轉動，接力器壓緊行程變小，從而致使導葉立面間隙進一步增大〔5〕。實際檢修測量接力器壓緊行程機械鎖錠側由5.1 mm變為3.7 mm，液壓鎖錠側由5.2 mm變為4.7 mm，不滿足設計要求。接力器行程為550 mm，接力器壓緊行程設計值為5± 0.5 mm，由于其與導葉動作規律接近線性，導葉全開全關旋轉角度33.5°，通過計算接力器每毫米動作導葉旋轉角度為33.5°/110＝0.301 8°，導葉旋轉中心至密封接觸面半徑R為359.7 mm，實際立面間隙變化量最大約為0.57 mm，最大導葉泄漏量為0.875 m3/s＞0.656 1 m3/s。

分析可知，導葉漏水量偏大主要原因為偏心銷與偏心銷扳手配合間隙過大致偏心銷偏移及接力器壓緊行程偏小等造成導葉立面間隙偏大，且存在導葉立面間隙不合格，致使導葉漏水量增大。

2 減少導葉漏水治理措施

2.1 導葉立面間隙調整

導葉在全關狀態下，油壓保持下進行測量立面間隙，根據導葉高度分成5個段落，測量結果應做記錄，將間隙值用記號筆寫在導葉大鼻端上，當24塊導葉存在有接觸點 (用0.05 mm塞尺測量導葉立面間隙值應全部為0)，即認為圓度合格。在24塊導葉下部與低環外圓上用劃針或鋼鋸片進行劃線，劃線的目的是便于處理導葉立面間隙時開啟或關閉導葉與劃線對齊。當導葉圓度不合格，若其中一導葉尾部與另一導葉頭部之間存有間隙，用偏心銷進行調整圓度，直到導葉立面間隙合格為止。導葉立面間隙處理及計算方法示例 (圖4)如下:

圖4 導葉上下端部及立面間隙測點 (mm)

磨削點計算方法如下:

測量點5磨削量為0 mm

測量點4磨削量為0.50－0.30＝0.20 mm

測量點3磨削量為0.50－0.15＝0.35 mm

測量點2磨削量為0.50－0＝0.50 mm

測量點1磨削量為0.50－0.10＝0.40 mm

導葉立面間隙測量完成后，將導葉開啟50%～100%，關閉調速器壓力油后，用拋光砂輪機、銼刀、角磨機等工具修磨導葉立面直到合格為止。

2.2 偏心銷與偏心銷扳手改造

通過對偏心銷結構分析可知偏心銷傳遞導葉動作所需扭矩，同時自身需承受較大扭矩，偏心銷扳手作為偏心銷唯一定位裝置，需承受較大的摩擦力，若其配合間隙愈大、接觸面愈小則愈加速偏心銷與偏心銷扳手接觸面磨損。通過上文測量數據發現原偏心銷與偏心銷扳手配合間隙過大，且原偏心銷與偏心銷扳手固定部位為六邊形接觸面較小，為減小偏心銷力矩傳遞中對接力器壓緊行程的影響，重新設計制造偏心銷與偏心銷扳手。將偏心銷與偏心銷扳手接觸部為由六邊形改為八邊形以增大接觸部位，同時將偏心銷與偏心銷扳手配合間隙控制在0.2 mm以內。

2.3 接力器止動改造及壓緊行程調整

待導葉立面、端面間隙已處理調整合格，拐臂與調速環連接板裝復后，適當增加接力器壓緊行程，測量調整機械、液壓兩側導葉接力器壓緊行程由設計值5±0.5 mm至5.5～6.0 mm。同時為防止接力器活塞桿旋轉造成接力器壓緊行程變化，對接力器進行止動改造，在導葉接力器活塞桿鎖緊螺母與推拉桿接頭、接力器活塞桿鎖緊螺母水平上與活塞桿卡扳手處用厚度10 mm鋼板焊接了止動塊。

3 結論

導葉漏水偏大問題出現后，電廠初期僅通過處理導葉立面間隙、增大接力器壓緊行程等表象因素，導致檢修成效較低。后改變思路通過導水機構系統分析，對導葉立面間隙擴大、接力器壓緊行程變化原因進行追根溯源，將導葉柺臂、接力器解體分析，方才發現導葉偏心銷與偏心銷扳手配合間隙大致偏心銷偏移、接力器活塞桿轉動等隱蔽問題。通過導葉偏心銷改造、接力器活塞桿止動改造、導葉立面間隙調整等方法，對導葉漏水大問題進行治標治本后，經國網湖南省電力公司電力科學研究院水動所采用容積法原理測量導葉漏水量顯示，4號機組導葉漏水量由0.75 m3/s減小至0.589 3 m3/s，已小于標準值，機組停機后未發生蠕動，導葉止漏效果較為明顯，目前該項措施已在全廠推廣應用，已基本消除導葉漏水量大致使機組蠕動所帶來的安全隱患。

〔1〕中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 15468—2006水輪機基本技術條件〔S〕.北京:中國標準出版社，2006.

〔2〕莫劍，田海平，付亮，等.水輪機導葉漏水量的測評方法研究〔J〕.湖南電力，2010，30(4):11-13.

〔3〕宋明軒.水輪機停機狀態導葉漏水的探討〔J〕.東北電力技術，2000(10):22-23.

〔4〕楊優軍.洪家渡發電廠3號機導葉漏水分析及處理〔J〕.貴州水力發電，2006，25(5):65-67.

〔5〕李志鴻.混流式水輪機導葉機構漏水分析與對策〔J〕.科技與創新，2014(6):50-51.

TM312

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1008-0198(2015)06-0074-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.06.021

陳俊中 (1982)，男，工程師，從事水電檢修維護管理。

2015-01-21 改回日期:2015-07-31