某水電廠導葉接力器壓緊行程的試驗調整

吳紅光，吳梓唯

(五凌電力有限公司掛治水力發電廠，貴州黔東南556700)

水電機組停備狀態下的導葉漏水是較為常見的問題，導葉漏水量偏大，不但影響電站的經濟效益，嚴重時還會引發機組停機困難、停機后蠕動甚至無法正常停機等事件，有可能造成過流部件汽蝕、軸瓦損壞、制動風閘燒毀等故障，對電站的安全運行構成威脅[1-2]。導葉漏水量偏大的原因一般為導水部件汽蝕損壞、導葉密封不可靠、結構剛度不足、接力器壓緊行程不夠等幾個方面[3-4]。隨著新技術的應用推廣，材料的抗汽蝕能力和密封可靠性有了很大的提高，單就導葉剛度不足的問題，也可采用局部造斜的技術加以補償[4]，而對于整個導水機構傳動鏈的剛度問題 (這里不單指結構內在的應力—應變特性，還考慮其外在的受力因素)，則需要通過合理設置接力器的壓緊行程去克服，相關方面值得深入探究。

對接力器壓緊行程的調整，一般參照 《水輪發電機組安裝技術規范》或廠家提供的安裝指導文件，由于相關文件對接力器的安裝提出了明確的目標要求，一般不會對過程進行研究把控。機組停備時，在蝸殼內壓力水的作用下，導水機構一般有向某一側運動的趨勢，對具有偏開運動趨勢的導葉，接力器的壓緊力必須完全克服導水機構的偏開水力矩，否則關聯導葉難以可靠密合，漏水問題將不可避免。因此，作為控制接力器壓緊力的重要手段，除了遵照相關規范，還應結合導水機構的受力情況對壓緊行程的設置進行充分論證。

1 問題的提出

某電站安裝有3臺單機容量為50 MW的立軸轉槳式水輪發電機組，水輪機部分設備的結構參數見表1。自電站機組投產后，活動導葉漏水問題就相當突出，導葉一旦全關，水車室內立即發出刺耳的嘯叫聲，運行約半年后，停機過程發電機風閘剛一退出，機組就發生蠕動現象。電站采取了更換導葉端面密封、在導葉軸部與底環軸孔間增加塑料密封、改變停機狀態下的槳葉停放角等措施，均未取得良好效果。其后，電站結合機組大修，采用局部造斜的方法，對全部活動導葉進行了修形處理，機組蠕動問題有所緩解，但從水車室嘯叫及每次檢修后蝸殼充水平壓困難等情況來看，導葉漏水問題并未得到徹底解決。

表1 水輪機部分設備的結構參數

進一步分析推測，活動導葉的水力性能特殊，而導葉接力器壓緊行程依舊按照常規方法進行調整，使得導水機構壓緊不可靠，可能是造成導葉漏水量偏大的主要原因。水輪機停備狀態下關聯導葉密合情況如圖1所示，相較于頭部密合點，其尾部密合點與導葉旋轉軸的距離明顯大得多，這就使得導葉全關時會受較大的偏開水力矩作用。由頭部密合點、尾部密合點至導葉旋轉軸的距離分別為B1＝0.37 m、B2＝0.55 m，求其水力偏心率為:

n0＝0.5(B2-B1) /(B1＋B2) ＝ 0.098

圖1 關聯導葉密合情況

該偏心率比同類機型的導葉至少大一個數量級[5]，不難理解，相較于常規導葉，其在蝸殼水壓作用下的偏開力矩也將等比增大。從導水機構受力平衡的角度來看，以同等操作力控制導葉接力器的壓緊，若導葉的偏開水力矩越大，接力器壓緊的可靠性也就越低。

2 接力器壓緊的可靠性指標

導葉接力器的壓緊行程是指導水機構從不帶壓狀態的全關位置到接力器關腔帶壓后走動的行程，對于指定的導水機構而言，該行程越大，壓緊力也就越大。

導水機構壓緊原理如圖2所示，圖2(a)為接力器不帶壓的全關位置，預留有一定的壓緊行程；圖2(b)為接力器關腔帶壓P1，由于活塞的壓緊方向并未受阻，該力將完全作用于導水機構；圖2(c)為接力器關腔帶壓P2，因缸蓋阻礙了活塞的進一步壓緊，該力不能完全作用于導水機構，導水機構的受力與P2的大小無關，與預留的壓緊行程有關。

圖2 導水機構壓緊原理

顯然，通過設置接力器的壓緊行程，可以控制全關狀態下導水機構的壓緊力，一方面防止壓緊力太小，因關聯導葉不能可靠密合而漏水，另一方面避免調速器過高的油壓直接作用于導水機構，造成結構的嚴重變形。 《水輪發電機組安裝技術規范》指出:接力器的壓緊行程應符合制造廠設計要求，制造廠無要求時，可按表2要求確定[6]。

表2 接力器壓緊行程值mm

從保證結構正常運行來看，接力器壓緊力的上限顯然不能超出傳動機構的應力極限，主要通過剪斷銷、安全連桿等薄弱部位進行核算，設其值為Pmax；其下限則應保證全關狀態下關聯導葉的可靠密合，可以通過活動導葉的水力性能進行核算，設其值為Pmin。

假設導葉接力器的實際壓緊力為Pre，為了保證導水機構的安全且不漏水，必須滿足:Pmin≤Pre＜Pmax。一般來說，在機組的總體設計中，調速器系統壓力小于Pmax，而接力器的實際壓緊力Pre顯然不可能超過系統壓力，即Pre＜Pmax都成立，故而評價其壓緊可靠性主要比較Pre與Pmin的關系。

3 接力器壓緊的可靠性分析

該電站的導水機構全關狀態如圖3所示，分析該狀態下的傳動力系如圖4所示，圖中尺寸數據:L1＝0.65 m，L2＝2.63 m，L3＝2.31 m； 利用計算機輔助制圖，結合各球軸承的相對位置及運動軌跡，求得圖中的關聯角度:α＝86°，β＝21°，γ＝47°。

圖3 導水機構全關狀態

圖4 導水機構全關狀態下的傳動力系

首先通過彎曲連桿核算接力器壓緊力的上限值，24只導葉的彎曲連桿及3只接力器作用于控制環的力矩平衡，有:

查彎曲連桿的最大作用力:F1＝287.4 kN(壓緊方向)，求接力器操作力的上限值F2＝1 283 kN(壓緊方向)，由接力器壓緊腔缸徑0.35 m，計算對應的操作油壓為Pmax＝13.33 MPa，比系統最高油壓6.3 MPa大得多，說明接力器的壓緊不可能使導水機構的穩定性失衡。

通過活動導葉的水力性能核算接力器壓緊力的下限值，彎曲連桿及流道水力作用于單片導葉的力矩平衡，有:該導葉的水力特性曲線如圖5所示，全關時水力矩M＝49.2 kN(偏開方向)，求接力器操作力的下限值F2＝339 kN(壓緊方向)，計算對應的操作油壓為Pmin＝3.5 MPa。

圖5 導葉的水力特性曲線

若該電站按國標要求調整接力器的壓緊行程:導葉在全關位置，當接力器自無壓升至工作油壓的50%時，以活塞移動值調整壓緊行程，其壓緊力為Pre＝3～3.15 MPa，小于克服偏開水力矩的最小操作油壓Pmin，導葉的壓緊是不可靠的。

若該電站按廠家提供的數值5～7 mm調整接力器的壓緊行程，對應的壓緊力也有可能達不到3.5 MPa，需要進一步開展試驗。

4 壓緊行程的試驗調整及效果

4.1 接力器壓緊力的確定

為了使導葉能夠可靠關閉，全關狀態下導葉接力器的壓緊力必須克服導水機構的偏開水力矩、摩擦力矩，并保證一定的安全裕度。該電站在無水調試中進行了導水機構摩擦力試驗，結果表明在調速器油壓為0.5 MPa時，機構能夠正常動作，故而在理論上，接力器以4 MPa的壓緊力能夠將導水機構壓緊。但由于設備安裝中不可避免地存在偏差，分配到所有導葉的壓緊力不可能完全一致，必然會有部分導葉的實際壓緊力小于設置值，故而應該賦予一定的安全裕度。

導葉接力器的設計，全關狀態下活塞桿導向軸套、圓柱銷等部件的力學核算都基于4.2 MPa操作油壓，若壓力過高，結構將不可靠，因而最終確定接力器全關預緊壓力按4.2 MPa調整。

4.2 壓緊位移試驗及壓緊行程調整

為了確定4.2 MPa油壓對應的接力器壓緊位移，開展了接力器壓緊位移與操作油壓的關聯性試驗，其原理如圖6所示，在接力器處于全關位置且調速器無壓時，調整接力器預留的壓緊行程至足夠大，確保大于4.2 MPa油壓所對應的壓緊位移，使該調速器油壓能完全作用于導水機構。關閉腔接壓力油，開啟腔通回油，調速器緩慢升壓，每升壓0.5 MPa測試一次接力器的實際壓緊位移，直至4.2 MPa，該壓力下活塞的位移值即接力器壓緊行程的目標取值。

圖6 導葉接力器預留足夠的壓緊行程

部分試驗數據見表3，由表中數據可以看出，按設計廠家提供的數值5～7 mm壓緊行程進行調整，對應的壓緊力只有1.5～2.0 MPa，而4.2 MPa油壓對應的壓緊位移達到了12 mm。根據本次試驗數據，最終確定將接力器的壓緊行程設置為12 mm。

表3 導葉接力器壓緊位移的試驗數據 mm

切斷調速器油壓后，重新調整接力器的壓緊行程預留值，使其小于12 mm，防止調速器升壓后，過高的壓緊力作用于導水機構。調速器繼續升壓，當升至額定工作壓力6.3 MPa時，將3只接力器的壓緊行程增加到12 mm。

4.3 壓緊行程調整的效果

為了驗證壓緊行程調整的效果，進行了簡單的數據對比，如圖7所示，每次檢修完工后，蝸殼充水過程中導葉也會漏水，最終平衡狀態下的充水速度等于導葉漏水速度，充水速度與閘門前后的壓差有關，該壓差約為50 kPa，本次壓緊行程重新調整后，壓差約為10 kPa。

圖7 最終狀態下的蝸殼充水和漏水平衡

充水流量關系方程可以寫為:Q∝Am△Pn，A表示充水裝置的結構因子，m為結構相關指數，△P為閘門前后壓差，n為壓差相關指數，取值0.5～1[7]。

閘門充水閥結構不變，Am為固定值，當n取值1時，計算處理后的漏水量減小80%；當n取值0.5時，計算漏水量減小55%，也就是說，經本次接力器壓緊行程調整處理后，導葉漏水量減小了55%～80%，效果較為明顯。

5 結語

本文所涉及的導葉漏水問題，其特殊性在于該電站機組停備下的導葉偏開水力矩極大，與該導葉特殊的水力設計密不可分，按照一般規范對該導水機構進行壓緊，漏水量偏大是不可避免的。由于受接力器結構安全系數的限制，壓緊力不能繼續升高，導水機構壓緊的安全裕度并不算大，因此，部分導葉未壓緊的可能性依然存在，相關問題需通過傳動機構的進一步優化安裝才能根治。

基于力學核算的接力器壓緊行程試驗調整方法，其目的在于準確控制導水機構的壓緊力:一方面，針對某些具有特殊水力性能的導葉，可以做到盡可能地減小導葉漏水；另一方面，無論導葉的水力性能如何，在排查導葉漏水原因、評價接力器壓緊是否可靠時，該方法具有廣泛的適用性。