柳樹坪電站導(dǎo)水機構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能的改進處理

謝 斐，李 權(quán)，姚文俊，任 超

(湖北清江水電開發(fā)有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

柳樹坪水電站是清江水布埡電站的保安自備電站,其中水輪機由哈爾濱電機股份有限公司制造。水輪機的型號為HLA791A-LJ-146，為立軸混流式懸吊型機組，單機額定功率20.62 MW，最大工作水頭203 m，設(shè)計工作水頭170 m，最小工作水頭147 m，機組額定轉(zhuǎn)速600 r/min。導(dǎo)水機構(gòu)主要包括：底環(huán)、頂蓋、活動導(dǎo)葉、導(dǎo)葉操作機構(gòu)、導(dǎo)葉止推裝置等。底環(huán)、頂蓋為整體結(jié)構(gòu)，活動導(dǎo)葉共20片，導(dǎo)葉端、立面密封均為剛性。控制環(huán)為整體焊接結(jié)構(gòu)，其全關(guān)至全開的旋轉(zhuǎn)角度為12.6°。活動導(dǎo)葉及底環(huán)、頂蓋的抗磨環(huán)用耐腐蝕、抗磨損的不銹鋼材料制造，導(dǎo)葉軸套用FZ-6自潤滑軸套。

1 存在的主要問題

從2009年開始，柳樹坪電站機組逐漸暴露出剪斷銷頻繁被剪斷，表1為統(tǒng)計的2009年至2015年柳樹坪電站剪斷銷剪斷數(shù)據(jù)。

柳樹坪電站機組在多次檢修中檢查發(fā)現(xiàn)活動導(dǎo)葉與頂蓋摩擦，檢修中打磨拋光恢復(fù)了頂蓋抗磨面，下一次檢修檢查發(fā)現(xiàn)又會出現(xiàn)活動導(dǎo)葉與頂蓋摩擦的情況。活動導(dǎo)葉與頂蓋摩擦情況如圖1。

表1 柳樹坪電站剪斷銷剪斷數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖1 活動導(dǎo)葉與頂蓋摩擦情況

2 原因分析

柳樹坪電廠導(dǎo)葉的端面、立面密封均為剛性密封，且端面設(shè)計總間隙為0.10～0.20 mm，實際間隙為0.30 mm。2015年和2016年的檢修和專項檢查處理，從接力器和控制環(huán)的水平，接力器的動作行程，導(dǎo)水機構(gòu)的端面間隙調(diào)整固定方式和止推裝置以及剪斷銷剪切力矩試驗等方面進行檢查處理，導(dǎo)致剪斷銷頻繁剪斷的主要原因是因機組多年運行底環(huán)導(dǎo)葉下軸端密封老化、磨損等原因失效使得活動導(dǎo)葉受到了上浮力，導(dǎo)葉止推裝置不能有效阻止活動導(dǎo)葉上浮，活動導(dǎo)葉有微量上竄與頂蓋剮蹭。活動導(dǎo)葉與頂蓋剮蹭會增大活動導(dǎo)葉動作的阻力，當阻力增大到臨界值后，剪斷銷就會被剪斷。因僅更換剪斷銷無法從根本上解決問題，剪斷銷出現(xiàn)頻繁被剪斷。

柳樹坪電站為中高水頭(額定水頭170 m)，導(dǎo)葉自重輕(57 kg)，如果在導(dǎo)葉下軸頸密封失效，導(dǎo)葉下軸端受到的作用力F=PS=1.7×106×3.14×(9×102)2=43 237.8 N，而導(dǎo)葉重力為G1=mg=57×10=570 N，(其中P為額定水頭壓力，S為導(dǎo)葉下軸端面面積)，拐臂重力為G2=mg=17×10=170 N，F(xiàn)遠遠大于導(dǎo)葉和拐臂自重。如果止推間隙過大，水壓力必然克服導(dǎo)葉和拐臂以及其他附件自動而上浮至導(dǎo)葉上端面與頂蓋抗磨板，在活動導(dǎo)葉動作時發(fā)生剮蹭。

3 改進處理

2015年和2016年在柳樹坪電站機組檢修中已經(jīng)對導(dǎo)葉頂絲和導(dǎo)葉止推裝置等進行優(yōu)化改進，剪斷銷被剪斷和導(dǎo)葉與頂蓋摩擦的情況得到一定程度的改善。但是根本原因和防范措施仍不到位，剪斷銷被剪斷和導(dǎo)葉與頂蓋摩擦的情況還會發(fā)生。

2015年柳樹坪電站機組檢修中對導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計進行改進處理。此次改進處理內(nèi)容為：取消原來的導(dǎo)葉頂絲結(jié)構(gòu)，采用在拐臂端蓋和導(dǎo)葉軸間添加銅墊片調(diào)整導(dǎo)葉端面間隙并保證導(dǎo)葉與拐臂之間無相對運動。圖2為導(dǎo)水機構(gòu)裝配圖。

圖2 導(dǎo)水機構(gòu)裝配圖

2016年柳樹坪電站機組檢修中對導(dǎo)葉止推裝置進行改進處理。此次改進處理內(nèi)容為：增大導(dǎo)葉止推壓板與拐臂止推槽的接觸面積，導(dǎo)葉止推壓板緊固螺栓由M12增大至M16。此次優(yōu)化改進處理后，導(dǎo)葉止推裝置限制活動導(dǎo)葉上竄效果得到提升，延長了活動導(dǎo)葉從調(diào)整好端面至活動導(dǎo)葉上竄與頂蓋摩擦的時間。如圖3為改進處理后的導(dǎo)葉止推裝置，圖4為止推裝置圖紙。

圖3 改進處理后的導(dǎo)葉止推裝置

圖4 改進處理后的導(dǎo)葉止推裝置圖紙

4 擴修檢查和處理方案

1)方案一：檢查底環(huán)的導(dǎo)葉軸孔內(nèi)泄壓孔情況。根據(jù)柳樹坪電站機組設(shè)計圖紙顯示，底環(huán)的導(dǎo)葉軸孔內(nèi)各有一個直徑10 mm的泄壓孔。底環(huán)導(dǎo)葉軸內(nèi)的泄壓孔通暢可減輕活動導(dǎo)葉上浮，但據(jù)目前的運行狀態(tài)此泄壓孔工作是不正常的。由于不能確定設(shè)計圖紙中的底環(huán)泄壓孔是否存在，所以需在機組A修時現(xiàn)場檢查確認。若機組已有底環(huán)泄壓孔，則作為檢修項目疏通即可。若機組沒有底環(huán)泄壓孔，依據(jù)圖紙鉆孔，同時開通泄壓槽。圖紙顯示座環(huán)有開兩根Φ20的導(dǎo)葉軸徑排水管，但是否存在也需要現(xiàn)場確認。如果沒有建議根據(jù)機組實際情況開設(shè)泄壓槽孔。如圖5為底環(huán)導(dǎo)葉軸孔內(nèi)泄壓孔。

圖5 底環(huán)導(dǎo)葉軸孔內(nèi)泄壓孔

2)方案二：增大活動導(dǎo)葉端面總間隙至0.45 mm。根據(jù)檢修實測機組現(xiàn)端面總間隙為0.30 mm，計劃增大活動導(dǎo)葉端面總間隙至0.45 mm。即將底環(huán)抗磨工作面車去0.15 mm。

根據(jù)哈爾濱電機廠提供《柳樹坪電站水輪機結(jié)構(gòu)與運行維護說明書》中對導(dǎo)葉漏水量的要求為：新投入時不超過0.04 m3/s，運行8 000 h后不超過0.05 m3/s。因為導(dǎo)葉端面密封為剛性密封，所以增大導(dǎo)葉端面間隙有必要計算導(dǎo)葉漏水量。

導(dǎo)葉漏水量近似計算公式

Q=μA(2ρg(P1-P2)/ρ)1/2=μA(2g(H1-H2))1/2

式中：μ為管道流量系數(shù)，因僅過導(dǎo)葉端面，沿程損失和摩擦損失可以忽略不計，近似取值為1；A為過水面積，計算為1.311×10-3m2其中端面總間隙計算值為0.45 mm；g為重力加速度；P1為導(dǎo)葉靠蝸殼側(cè)壓力；P2為導(dǎo)葉靠轉(zhuǎn)輪側(cè)壓力，取0.1 MPa；H1為工作水頭；H2為轉(zhuǎn)輪側(cè)水頭。

經(jīng)計算當H取最小工作水頭，即H=147 m時，Q=0.067 9 m3/s>0.05 m3/s。

經(jīng)計算當H取設(shè)計工作水頭，即H=170 m時，Q=0.073 4 m3/s>0.05 m3/s。

經(jīng)計算當H取最大工作水頭，即H=203 m時，Q=0.080 6 m3/s>0.05 m3/s。

同理當漏水量取最大值0.05 m/s計算最小水頭147 m允許最大總間隙值為0.33 mm；額定水頭170 m下允許最大總間隙值為0.30 mm；最小水頭203 m允許最大總間隙值為0.279 mm。

由以上導(dǎo)葉漏水量計算可知，當導(dǎo)葉端面間隙增大至0.45 mm時，導(dǎo)葉漏水量超過了《柳樹坪電站水輪機結(jié)構(gòu)與運行維護說明書》中對導(dǎo)葉漏水量的要求。

3)方案三：增大活動導(dǎo)葉端面剛性總間隙至0.60 mm，并增加導(dǎo)葉上端面密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。本方案計劃增大活動導(dǎo)葉端面剛性總間隙至0.60 mm，在頂蓋與活動導(dǎo)葉上端面間增加端面密封結(jié)構(gòu)，活動導(dǎo)葉上、下端面間隙均分，并把活動導(dǎo)葉上、下端面邊沿導(dǎo)圓角。端面密封槽深15 mm，槽寬65 mm。端面密封條厚15.6 mm,端面密封條上端寬25 mm，下端寬35 mm，并且上端邊沿導(dǎo)斜角。端面密封條壓板上端寬30 mm，厚7 mm。端面密封條壓板下端寬25 mm。如圖6為端面密封設(shè)計示意圖。

圖6 端面密封設(shè)計示意圖

本方案增大了導(dǎo)葉端面剛性總間隙，但是導(dǎo)葉全關(guān)時上端面無間隙，下端面間隙與方案實施前的端面總間隙一致，所以本方案實施后導(dǎo)葉漏水量不會增大。

本方案增加了端面密封結(jié)構(gòu)后，會增大導(dǎo)葉動作阻力，有導(dǎo)致剪斷銷被剪斷的可能性。并且由于要增加端面密封結(jié)構(gòu)，需要破壞一層導(dǎo)葉中軸頸密封圈，可能導(dǎo)致導(dǎo)葉套筒漏水量增大。

5 現(xiàn)場處理

2017年柳樹坪電站機組A修中因底環(huán)無法拆卸，通過打壓灌水試驗確認底環(huán)有導(dǎo)葉軸孔泄壓孔并且底環(huán)有環(huán)形排水槽聯(lián)通各導(dǎo)葉下軸孔，座環(huán)沒有開兩根Φ20的導(dǎo)葉軸徑排水管。為從根本上防止導(dǎo)葉下軸頸密封失效而產(chǎn)生上浮，根據(jù)檢查機組底環(huán)實際情況，覺得在底環(huán)內(nèi)側(cè)水平鉆Φ8泄壓孔，位置如圖7標注所示。

圖7 底環(huán)導(dǎo)葉軸孔內(nèi)泄壓孔

6 改進效果

柳樹坪水電站導(dǎo)水機構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能改進處理完成后至今，導(dǎo)水機構(gòu)工作正常且再無剪斷銷剪斷現(xiàn)象，底蓋和底環(huán)無剮蹭現(xiàn)象。至此根本性地解決了困擾柳樹坪水電站多年的活動導(dǎo)葉剪斷銷頻繁剪斷的頑疾。

7 結(jié) 語

針對柳樹坪水電站活動導(dǎo)葉剪斷銷頻繁剪斷的問題,通過深入分析確認了造成問題的根本原因，并有針對性地制定了改進措施，解決了柳樹坪水電站剪斷銷頻繁剪斷的問題。柳樹坪水電站導(dǎo)水機構(gòu)結(jié)構(gòu)和功能的改進處理消除了機組運行過程中存在的缺陷，節(jié)約了成本，保證了機組的年利用小時數(shù)，提高了機組安全運行的可靠性。