惠州蓄能水電廠導葉止推軸承換型研究

王 琪，陳晶晶，楊季松

（1.惠州蓄能水電廠，廣東 惠州516100；2.惠州經(jīng)濟職業(yè)技術學院，廣東 惠州516057）

0 引言

惠州蓄能水電廠（以下簡稱惠蓄）位于廣東省博羅縣羅陽鎮(zhèn)，是一座周調節(jié)的純抽水蓄能電站。電站分A廠、B廠建設，A廠、B廠工程分別安裝4臺機組，機組型式為立軸、單級、混流、可逆式、懸式機組，推力軸承在上機架上，有3個導軸承，單機容量(發(fā)電工況)300 MW，額定設計轉速為500 r/min。

1 導水機構的結構及作用

導水機構是水輪機流量調節(jié)機構，通常由導葉、導葉軸承、拐臂、連桿、接力器及支撐部分（頂蓋、底環(huán)等）組成，是水輪機流量的調節(jié)機構。其結構簡圖如圖1所示。

圖1 導水機構結構簡圖

導水機構的作用是：形成和改變進入水輪機的水流環(huán)量，滿足進入轉輪前的水流環(huán)量的要求；根據(jù)電力系統(tǒng)負荷的變化，調節(jié)水輪機的流量，以適應系統(tǒng)對機組出力的要求；正常和事故停機用來截斷水流。

2 導葉止推裝置

2.1 止推軸承概況

惠蓄導水機構由20個活動導葉及相應部件組成。導葉上軸套和止推軸承位于頂蓋上環(huán)面，導葉止推軸承位于導葉上軸套上方即在頂蓋上。導葉止推軸承的作用是限制導葉的上下運動而保護上下抗磨板，主要承受拐臂和導葉的重力、導葉所受的軸向水作用力以及動作時的摩擦力等。每個導葉止推軸承上下各有兩片一樣的自潤滑止推墊片，左右對稱分布。每個止推墊上開有5個錐孔，分別用錐頭螺釘緊固在上軸套和推力板上。其結構簡圖如下頁圖2。

2.2 工作環(huán)境

導葉自潤滑止推墊在空氣中工作，無水，可能粘附透平油；工作溫度為常溫，一般在5～50℃之間；止推軸承限制導葉垂直方向竄動的范圍在0.10～0.15 mm，導葉止推軸承水平方向的往復運動范圍為0～27°，動作頻率1 d不超過50次；導葉開啟或關閉時間約為15 s，最快相對速度為0.006 2 m/s。

圖2 導葉止推軸承

3 運行中出現(xiàn)的問題

惠蓄導水機構止推墊自運行以來，先后大量出現(xiàn)止推墊斷裂、緊固螺釘松動和斷裂等現(xiàn)象，經(jīng)常需要更換止推墊，大大增加了機組檢修維護工作量，同時也給機組的安全穩(wěn)定運行帶來威脅。在歷次檢修中發(fā)現(xiàn)存在的缺陷和主要問題有：

（1）在機組檢修中都發(fā)現(xiàn)導葉下端面間隙減少和導葉下沉現(xiàn)象，可知自潤滑止推墊耐磨性能不甚理想。如2010年6月3號機組檢修時，10個導葉下沉導致下端面間隙減少而上提了導葉，距該機組上一次檢修僅為6個月。

（2）自潤滑止推墊多次斷裂和脫落，如圖3所示。

圖3 止推墊斷裂

（3）緊固螺絲出現(xiàn)松動和斷裂。如圖4所示。

這些問題可能會破壞導葉間隙、引起導葉不垂直、導葉與上下抗磨板刮擦、導水機構磨擦和破壞等嚴重后果。

圖4 止推墊及其螺釘斷裂

4 原因分析

惠蓄8臺機組均存在導葉止推墊斷裂的問題，厚度為5 mm的ORKOT-TXMM自潤滑止推墊，不管是上部自潤滑止推墊、還是下部自潤滑止推墊，在機組檢修中都發(fā)現(xiàn)不同程度的斷裂，有的斷成3～4塊。止推墊緊固螺栓也存在著剪切斷裂的問題。且止推墊在機組運行一段時間后，會摩出黑色粉末。即止推墊的磨損率可能偏大，導致導葉止推間隙偏大和導葉端面間隙的頻繁檢修調整。

經(jīng)分析，導致止推墊和緊固螺釘發(fā)生斷裂的因素有：

（1）導葉止推墊磨損的根本原因是材料的抗拉強度低、抗磨損能力差。

（2）止推墊斷裂的起因在于螺釘產(chǎn)生了松動，其中某一部位在摩擦力的作用下受到擠壓變形，最終導致斷裂。

（3）螺釘松動和斷裂的原因在于其止推墊受到抗磨環(huán)反復剪切力的作用而產(chǎn)生疲勞破壞，要避免這種疲勞破壞就要讓螺釘有比較牢固的支撐而本身不承受太大的應力。

（4）螺釘在導葉開關和機組的往復振動中產(chǎn)生了松動，導致止推墊松動，與止推壓板配合不良，其中某一部位在摩擦力的作用下受到擠壓變形，最終導致斷裂。

（5）止推墊的孔徑以及和止推壓板的孔存在偏差，導致安裝應力的存在。

5 換型改造

從以上分析中可以看出出現(xiàn)止推墊斷裂和磨損問題主要有2個原因：（1）止推墊本身材料性能差；（2）螺栓的固定方式不合理。為此要從以下2個方面進行改造。

5.1 材料性能

通過對行業(yè)內止推墊材料的了解。目前，較為通用的有如下幾種：Oiles銅基鑲嵌式自潤滑止推墊、賽思德爾Orkot止推墊、銅質止推墊、迪瓦止推墊。Oiles銅基鑲嵌式自潤滑止推墊和銅質止推墊雖然在止推墊抗拉強度方面較賽思德爾Orkot止推墊強。但依然存在磨損量偏大的問題。經(jīng)過分析比較，迪瓦止推墊抗拉強度是ORKOT自潤滑止推墊的10倍左右，其硬度是ORKOT自潤滑止推墊的1.8倍，性能參數(shù)對比表1所示。

表1 止推墊性能能參數(shù)對比

迪瓦止推墊有如下性能特點：①自潤滑材料，免維護運行；②低摩擦系數(shù)，抗打滑爬行；③高安全系數(shù)，可有效保護相配合的材料；④可在-190～+280℃溫度范圍內工作，可在腐蝕環(huán)境和粉塵環(huán)境下工作，不吸水，可最大限度的保證尺寸的精度。

5.2 固定方式

通過對導葉止推墊及沉頭銷釘斷裂破壞原因的分析，為增強止推墊沉孔與螺栓接觸面的受力，將45°錐形孔改為平面沉孔，固定螺栓相應地由沉頭平杯螺栓改用平頭直角高強度碳鋼螺栓，螺栓接合面厚度為0.8 mm。改造前后的固定方式如圖5所示。

并在平頭螺栓上涂抹螺紋鎖定膠，保證螺栓安裝緊固，將螺栓所受剪切力傳至推力板，使緊固螺栓受力狀態(tài)得到優(yōu)化，將避免其在導葉轉動過程中受到反復作用，從而避免了止推墊平頭螺栓的頻繁損壞。

6 改造效果

通過這2個方面的改造，導葉止推結構未發(fā)生變化，新型止推墊與原止推墊尺寸、形式相同，僅在材料、固定螺栓和沉孔等細節(jié)做出改動，以增強螺栓抗剪切能力，改動范圍小。2014年5月惠蓄5號機組率先實施改造，其后陸續(xù)在其他機組實施。截止至今，各機組在導葉止推墊換型后運行已3年有余，經(jīng)檢查，新型止推墊運行狀態(tài)良好，表面較為光滑，未發(fā)生斷裂、異常刮傷等情況，磨損量小于0.05 mm，導葉上下端面間隙基本未發(fā)生變化。

圖5 改造前后固定方式對比

7 結束語

惠蓄采用高性能的自潤滑止推墊后，再未發(fā)生異常磨損及斷裂，導水機構工作正常。這說明對止推墊磨損及斷裂的分析及材料和固定方式的改造思路是正確的，消除了設備隱患，使檢修中減小了導葉拐臂拆卸、導葉止推墊更換、導葉端面間隙調整、導葉止推間隙調整等大量工作，大大減少了水輪機檢修工作量和止推墊備件的更換，節(jié)省了大量人工成本和備件成本，保證了機組安全可靠運行。