大型抽水蓄能導葉止推裝置關鍵技術分析

李德芳，何少潤，陳泓宇，雷 慧，李 展，李 碩，季懷杰

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510640；2.深圳蓄能發電有限公司，廣東省深圳市518115；3.中國南方電網調峰調頻發電公司清遠抽水蓄能建設管理局，廣東省清遠市 511853）

0 引言

仙游抽水蓄能電站（以下簡稱仙蓄）、深圳抽水蓄能電站（以下簡稱深蓄）和海南瓊中抽水蓄能電站（以下簡稱海蓄）的水泵水輪機導葉止推裝置均是參照法國ALSTOM設計制造的惠州抽水蓄能電站（以下簡稱惠蓄）結構模式，如圖1所示。

惠蓄和仙蓄的導葉止推裝置運行中曾先后出現止推墊斷裂損壞事件，以下詳述。

圖1 惠蓄電站導葉止推裝置Fig.1 Guide Vane thrusting Device of Huizhou PSPP

1 導葉止推裝置故障情況

圖2 惠蓄止推環Fig.2 Thrust ring of Huizhou PSPP

（1）惠蓄導葉止推裝置的結構如圖1所示，其關鍵部件是裝配在壓環和導葉上套筒上的上、下自潤滑止推襯墊，每個導葉的止推襯墊分成四瓣組成一個整圓，如圖2所示。最初是3號機10號導葉自潤滑止推墊發生斷裂（見圖3），當時廠家方面認為是由于上套筒上的螺孔歪斜，造成5顆M8沉頭螺釘擠壓止推墊而使之斷裂毀損，但進行更換處理后其他機組也發生了類似情況，可以判定螺孔歪斜、螺釘擠壓止推墊并非造成其毀斷的主要因素。

圖3 惠蓄止推墊斷裂情況Fig.3 Broken thrust plate of Huizhou PSPP

（2）仙蓄導葉止推裝置的結構如圖4所示，運行中同樣出現止推墊斷裂損壞，甚至引起部分導葉下落擦傷抗磨板的事件。

2 惠蓄和仙蓄止推墊結構分析和材質（ORKOTTXM-M）的分析

（1）惠蓄和仙蓄止推墊截面寬度30mm中開孔19mm，即5mm厚扇形墊的內外緣單邊最窄處僅有5.5mm寬，每瓣這些均為應力集中的薄弱部位可能會在可逆式機組工況轉換承受超乎尋常應力時而毀斷損壞。

（2）惠蓄和仙蓄止推墊材質（ORKOT-TXM-M）與其他使用材料的比較

目前用于導葉止推墊材質主要是ORKOTTXM-M、DEVA-BM342、FZ-6和 GGB CBM312三種材料，而ORKOT-TXM-M為非金屬材料較其他三種金屬自潤滑材料，強度較低、容易拉斷。

圖4 仙蓄導葉止推裝置Fig.4 Guide Vane thrusting Device of Xianyou PSPP

表1 止推墊材質技術特性比較表Tab.1 Comparison of technical characteristics of thrust plate material

從表1可以看出，這種材質相對于與層面平行的抗壓強度較低，拉伸強度低（拉伸彈性模量?。?。水泵水輪機導葉的止推墊在承受壓應力的同時，各種不同工況及其轉換也會對其產生拉伸、剪切及與層面平行的擠壓等多種應力。因此，ORKOT-TXM-M材質用于惠蓄和仙蓄導葉止推墊的設計、制造是值得商榷的。

3 惠蓄和仙蓄技術改造

（1）惠蓄在導葉止推環規格尺寸已不可能更改的情況下，采用德國進口優質DEVA-BM的雙金屬自潤滑材料替換原來的ORKOT-TXM-M，其技術性能參見表1。投入運行多年以來，除發生個別螺釘松動的情況外尚未發現有異常情況。

（2）仙蓄的技術改造正在進行中，設計制造方（東方電機）決定：

1）為增加抗磨板的耐磨性，抗磨材料更換為銅基自潤滑層和碳鋼基體復合而成的FZ-6，其技術性能與DEVA-BM類同，參見表1。

2）為降低壓應力，減少磨損，采用每個導葉單塊抗磨板角度56o×4塊型式，厚度增加到8+0.1mm（其中摩擦層標準厚度為1.5mm），供螺釘使用的開孔最大直徑減為17mm，相鄰孔距為64mm，見圖5。

3）抗磨板與上套筒增加4個φ10銷子（銷孔為φ10H12，銷子為GB/T 879.4鋼制標準型彈性圓柱銷10×24mm，見圖6），銷孔深26mm，銷子沉入抗磨板2mm，如圖5和圖6所示。標準型彈性圓柱銷壓入孔中仍能保持彈性，起到緩沖振動與沖擊作用、避免螺釘孔損壞。

4）固定螺釘由原來的8.8級提高為10.9級，要求安裝把合時清洗干凈、在螺孔底部和螺釘上涂抹鎖固劑，以期防止松動、脫落乃至斷裂。

（3）東方電機在設計制造深蓄水泵水輪機時汲取仙蓄的經驗教訓，對導葉止推裝置進行了更新改造，其要點是：

1）止推墊結構設計如圖7所示，4×90o扇形墊的截面寬度30mm，中部開孔最大值減至φ15mm，即內外緣各有7.5mm裕量，同時墊厚增至10mm，仍采用5顆M8沉頭內六角螺釘。

圖5 仙蓄導葉止推墊（改造）Fig.5 Thrust plate of Xianyou PSPP（after reformed）

圖6 仙蓄止推墊裝配（改造）Fig.6 Thrust plate of Xianyou PSPP（after reformed）

圖7 深蓄導葉止推墊Fig.7 Thrust plate of Shenzhen PSPP

2）由圖7可知，雖然止推墊開孔尺寸b1=7.5mm＜（10～30mm）、l1=57.6mm略小于60mm，但由于止推墊厚度增至10mm，其斷面面積裕量還是相當大的。而b=15mm=D，則是符合推薦指導值的，以上均參見圖10和圖11。

3）所采用材質為GGB CBM312，是GGB軸承技術全新上市的自潤滑金屬材料，其機械性能等同DEVA BM，見表1。

4 海蓄導葉止推裝置設計分析

（1）海蓄導葉止推裝置設計類同惠蓄，如圖8所示。

（2）每個導葉均布4片材質為德國進口DEVA BM342的止推墊，其結構參見圖9。

圖8 海蓄導葉止推裝置結構Fig.8 Thrust device structure of Qiongzhong PSPP

（3）如圖9所示止推墊是符合標準產品規格尺寸的（見表2黑體字），標準產品規格尺寸見圖10和圖11。

圖9 海蓄導葉止推墊Fig.9 Thrust plate of Qiongzhong PSPP

表2 標準產品規格尺寸Tab.2 Specifications of standard product

圖10 DEVA BM標準圖Fig.10 Standard diagram of DEVA BM

圖11 DEVA BM墊板標準圖Fig.11 Standard diagram of backing plate of DEVA BM

（4）但是，止推墊開孔相關尺寸b1=5mm＜（10～30mm）、l1≈ 42.8mm＜（60～150mm）、b=15＜（1～1.5）D，即與推薦指導值（以上的黑體字）均有一定差距。

5 導葉止推裝置分析與探討

（1）抽水蓄能機組在工況轉換的特殊情況下，尤其是在導葉小開度時，由于導葉自關閉力矩和轉輪出口的水壓周期性輸入導葉控制反饋機構的影響，可能激發導葉和導水機構的自激振動（其振動頻率接近導水機構當時條件下的扭轉振動固有頻率時就會形成強烈共振）。其時，導葉止推裝置也可能由于擠壓、剪切以及振動的應力交織而產生危害性損傷。

（2）熱固樹脂復合材料的ORKOT-TXM-M雖有摩擦系數小、承載力大的優點，與層面平行的抗壓強度較低、拉伸強度低（拉伸彈性模量小）以及剪切強度不高的弊端，當負載超過其彈性臨界點時還可能出現永久變形。ORKOT的技術資料表明，負載施力方向垂直于材料纖維層方向時的動態最高設計負載是40N/mm2，負載施力方向與材料纖維層方向相互平行時動態最高設計負載僅20N/mm2。例如，在導葉止推裝置同樣采用ALSTOM模式結構的蒲石河抽水蓄能電站，對其非金屬止推墊進行過測試及ANSYS軟件有限單元剛度計算分析均證實在正常運行工況下的變性量≥0.10mm。因此，止推墊可能失去內六角螺釘的緊固約束而處于游移狀態，在縱橫向振動、沖擊力作用下斷裂、破損的發生就難以避免了。

（3）面對惠蓄和仙蓄止推墊損壞的實際情況，在用戶要求下，無論是惠蓄和仙蓄的技術改造還是深蓄、海蓄的設計，都采用了縱橫向承載力更大、拉伸強度更大的DEVA-BM342以及同一級別的FZ-6和GGB CBM312等雙金屬自潤滑材料，無疑這是規避止推墊斷裂破損穩妥有效的積極措施。

（4）DEVA-BM相關技術手冊對其產品的規格尺寸一般都提出相應的推薦指導值，對于類同抽水蓄能電站導葉滑板式止推墊，則有如下要求（見圖11）：

1）b1=（10～30mm）；

2）l1=（60～150mm）；

3）b=（1～1.5）D。

而采用如圖10所示DEVA-BM規范產品的海蓄導葉止推墊，厚度h也只有3mm、緊固螺釘采用M8內六角型式、開孔值為φ20mm。如前所述，由于止推墊片尺寸受整體結構限制，所以不能完全符合按理想狀態設置的推薦指導值。經咨詢，DEVA供應商要求當實際工況滿足于材料應用值域的情況下，應嚴格按照ISO10642-8.8級（M8）標準進行安裝（見圖12）：

1）人工手持芯棒擊打自潤滑材料的下部表面；

2）半埋頭螺釘安裝于已預制的自潤滑板上（螺釘絲牙涂抹潤滑脂）；

3）連接完成。

只要措施得當，目前的開孔位置不會引起抗磨板的斷裂，對于海蓄機組而言還是能夠滿足使用要求的。

（5）正是由于實際運行中的惠蓄、仙蓄都發生了止推墊斷裂破損的故障，東方電機對深蓄水泵水輪機導葉止推裝置所采用的如圖7所示的止推墊是能確保機組安全穩定運行的優化設計，值得倡導和推廣。

圖12 EN ISO 10642（DIN 7991）沉頭螺釘的安裝Fig.12 Installation of sunk screw of EN ISO 10642（DIN 7991）

6 結束語

抽水蓄能機組在工況轉換頻繁，導葉止推裝置由于擠壓、剪切以及振動的應力交織而產生危害性損傷，對導葉止推裝置有較高的要求，通過對各電站導葉止推裝置應用情況進行比較分析，說明采用縱橫向承載力更大、拉伸強度大的材質和優化止推裝置的設計，對電站設備的安全穩定運行有較大意義。

[1]陳泓宇，李華，程振宇. 清遠抽水蓄能電站三臺機組同甩負荷試驗關鍵技術研究[J].水電與抽水蓄能，2016，2（5）.

CHEN Hongyu，LI Hua，CHENG Zhenyu.Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station[J]. Hydropower and Pumped Storage，2016，2（5）.

[2]杜榮幸，王慶，榎本保之，陳泓宇.長短葉片轉輪水泵水輪機在清遠抽蓄中的應用，水電與抽水蓄能，2016，2（5）.

DU Rongxing，WANG Qing，ENOMOTO Yasuyuki，CHEN hongyu. Application of splitter blades runner pump turbine in QingYuan Pump Storage Station[J]. Hydropower and Pumped Storage，2016，2（5）.

[3]何少潤，陳泓宇. 清遠抽水蓄能電站主機設備結構設計及制造工藝修改意見綜述[J]. 水電與抽水蓄能，2016，2（5）：7-21.

HE Shaorun，CHEN Hongyu. Review on amendments of the main equipment structure design and manufacturing process of Qingyuan pumped storage power station[J]. Hydropower and Pumped Storage，2016，2（5）：7-21.

[4]陳泓宇，景逸鳴，黃萌智，程振宇，何偉晶. 抽水蓄能電站一洞四機同時甩負荷進水閥動態監測分析[J].水電與抽水蓄能，2017，3（1）： 69-74.

CHEN Hongyu，etc.Pumped storage power station and a hole four load analysis of dynamic monitoring of water inlet valve[J].Hydropower and Pumped Storage，2017，3（1）： 69-74.

[5]高書江，李成峰.自潤滑軸承的特性及其應用[J].黑龍江冶金，2006（1）.

GAO Shujiang，LI Chengfeng. Characteristics and application of self lubricated bearings[J]. Heilongjiang Metallurgy，2006（1）.

李德芳（1976—），男，工程碩士，主要研究方向：抽水蓄能電站機電工程建設管理。E-mail：18707556010@139.com

何少潤（1946—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：水電站機電設備管理及安裝調試。E-mail：248370406@qq.com

陳泓宇（1975—），男，高級工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術管理。E-mail：542120791@qq.com

雷 慧（1984—），男，碩士，主要研究方向：抽水蓄能電站機電工程建設管理。E-mail：leihui346@163.com

李 展（1990—），男，學士，主要研究方向：抽水蓄能電站機電工程建設管理。E-mail：lenzhan@126.com

李 碩（1987—），男，碩士，主要研究方向：抽水蓄能電站機電工程建設管理。E-mail：13926163857@163.com

季懷杰（1985—），男，助理工程師，主要從事水利水電機械檢修和電力基建。E-mail： simba9121@sina.com