水輪機控制環抗磨板的選型計算及應用

陳　立（重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶 武隆 408506）

水輪機控制環抗磨板的選型計算及應用

陳立
（重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶 武隆 408506）

摘要：針對控制環抗磨板過度磨損問題，對控制環抗磨板的常用材料進行分析介紹，分別從控制環立面及控制環底面兩部分對抗磨板的選型改造進行研究，形成了一套系統的水輪機控制環抗磨板選型、計算方法。通過在銀盤水電站4臺機組上的應用，解決了原抗磨板磨損選型不當導致抗磨板磨損過度、控制環中心偏移的問題，消除了機組運行的重大安全隱患，可以為同類型水輪機控制環抗磨板的設計、更新、改造提供參考。

關鍵詞：水輪機；控制環；抗磨板；選型計算；銀盤水電站

銀盤水電站安裝4臺150MW軸流轉槳式水輪發電機組，4臺機組于2011年全部投產發電。每臺機組有活動導葉28個，導葉由布置在二、三象限的2個接力器通過控制環及連接板、導葉臂來控制，接力器操作油壓6.3MPa。控制環立面及底面各設置有14塊均勻布置的聚四氟乙烯抗磨板，用于控制環的支撐定位及防磨損。

1　概述

銀盤水電站機組檢修期間，在控制環底部發現大量抗磨板碎屑，控制環中心發生偏移，并有繼續劣化的趨勢。經檢查、分析，抗磨板磨損速度超出允許值，抗磨板不滿足使用要求。若不及時有效的處理，可能會引起控制環跳動或發卡、剪斷銷剪斷，導致調速器調節性能下降或活動導葉失控，產生不可估量的后果。

目前水輪發電機組在控制環抗磨板的設計時，僅僅是根據經驗來進行選擇，沒有一套成熟、系統的抗磨板的選型方法可供參考。此文分別從控制環立面及控制環底面兩部分對抗磨板的選型改造進行研究，形成了一套系統的抗磨板選型、計算方法，并在銀盤水電站進行應用，成功解決了抗磨板過度磨損問題。

2　控制環抗磨板的常用材料

控制環立面及底面抗磨板的常用材料有：聚四氟乙烯等非金屬材料，FZ-6、FOB06、FZB05等系列金屬材料。

聚四氟乙烯是一種綜合性能非常優秀的塑料，具有優異的耐化學腐蝕和老化性能，以及優良的低溫性能，它具有極低的摩擦系數，被廣泛的應用于摩擦材料領域。但它的耐磨性能、粘附性能及力學性能較差，在一定程度上限制了其在摩擦材料領域的應用。

FZB05系列自潤滑軸承的結構，是以高強度銅合金為基體，其上均布若干通孔或盲孔，孔中填充潤滑劑，同時軸承摩擦層表面還涂有固體潤滑膜。軸承工作時，固體潤滑劑在擠壓、剪切和摩擦熱的作用下向摩擦轉移形成固體潤滑膜，實現軸承潤滑。此類軸承可以在較低的摩擦阻力下穩定工作。但由于泥沙或磨屑等雜物嵌入固體潤滑劑中，容易使其表面被覆蓋喪失自潤滑特性，一定程度上限制了其使用環境。

FZ-6型含固體潤滑劑的雙金屬自潤滑軸承（國外稱DEVA-BM）是一種以鋼板為基體，以燒結優質青銅粉為表面摩擦層，青銅粉內均勻分布固體潤滑劑的雙金屬滑動軸承。其原理是：由于球形銅粉中間層的存在，摩擦表層與基體結合面積增大，同時固體潤滑劑又非常均勻地分布在摩擦表層，在磨損時，固體潤滑劑從表面銅層中不斷釋放出來，從而提供減摩層。FZ-6型自潤滑材料與傳統的三層復合材料比較，無論在靜載、無油、耐磨、溫度、尺寸、穩定性等特性上都更為優異。與5型的材料比較，FZ-6型材料更適合小角度擺動條件下工作。同時可避免鑲嵌式材料由于泥沙或磨屑等雜物嵌入固體潤滑劑中，使表面被覆蓋喪失自潤滑特性。同時FZ-6型材料在價格上明顯低于銅基鑲嵌自潤滑材料等多種優點。

FOB06系列軸承是以低碳鋼、青銅板、不銹鋼為基體，表面燒結青銅合金層，合金層內均勻彌散分布固體潤滑劑的自潤滑軸承材料，可長期在無油潤滑條件下工作，產品性能與國外DEVA-BM相近。

控制環立面及底面抗磨板的常用材料的許用值見表1。

表1控制環立面及底面抗磨板的常用材料的許用值

3　控制環立面抗磨板的選型及計算

3.1控制環立面抗磨板的設計計算方法

機組2個導葉接力器在相鄰象限對稱布置，接力器活塞腔包括有桿腔及無桿腔，有桿腔及無桿腔存在受力差，接力器動作時始終存在作用力之差。2個接力器動作時的相等作用力通過控制傳遞至活動導葉，2個接力器動作時的作用力之差作用到控制環的立面抗磨板。控制環抗磨板結構見圖1。

圖1控制環抗磨板結構尺寸圖

其中：

其中：

3.2控制環立面抗磨板的選型

銀盤水電站原立面抗磨板材質為聚四氟乙烯，抗磨板尺寸為150mm×120mm，無法滿足實際應用的要求。根據常用材料的特性、控制環抗磨板的使用環境及抗磨板對于機組安全穩定運行的重要性，考慮選用性能優、技術經濟好的FZ-6及FOB06系列自潤滑軸承。考慮更換時的便捷性，選擇抗磨板尺寸為×120mm，利用控制環立面抗磨板的設計計算方法計算，=425mm時立面抗磨板可以達到使用要求。此時原抗磨板（聚四氟乙烯）與新型抗磨板技術指標計算結果如表2所示。

表2控制環立面抗磨板技術指標計算結果

4　控制環底面抗磨板的選型及計算

4.1控制環底面抗磨板的設計計算方法

2-分別為控制環本體重量及控制環底面抗磨板數量；

-分別為單個底面抗磨板的寬度及長度。

其中：

4.2控制環底面抗磨板的選型

銀盤水電站原底面抗磨板材質為聚四氟乙烯，抗磨板尺寸為150mm×100mm，無法滿足實際應用的要求。根據常用材料的特性、控制環抗磨板的使用環境及抗磨板對于機組安全穩定運行的重要性，考慮選用性能優、技術經濟好的FZ-6及FOB06系列自潤滑軸承。考慮更換時的便捷性，選擇抗磨板尺寸為×100mm，利用控制環立面抗磨板的設計計算方法計算，=150mm時立面抗磨板可以達到使用要求。此時原抗磨板（聚四氟乙烯）與新型抗磨板技術指標計算結果如表3所示。

5　結論

根據抗磨板選型計算結果，銀盤水電站對4臺機組控制環抗磨板進行了更換改造，改造后控制環恢復至中心位置，控制環動作靈活、抗磨板工作可靠。經過一年的運行，未發現抗磨板磨損異常。解決了原抗磨板磨損選型不當導致抗磨板磨損過度、控制環中心偏移的問題，消除了機組運行的重大安全隱患。形成了一套系統的抗磨板選型、計算方法，可以為同類型水輪機控制環抗磨板的設計、更新、改造提供參考。

表3控制環底面抗磨板技術指標計算結果

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中圖分類號：TK730.3

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0018-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.005

收稿日期：2014-12-11

作者簡介：陳立（1986-），男，助理工程師，從事水電站設備點檢定修管理工作。