水輪發(fā)電機用制動器無法復(fù)位機理分析和設(shè)計優(yōu)化

張 澤 彬， 鄧 林 森， 易 旭 濤， 曾 偉

(國電大渡河公司龔嘴水力發(fā)電總廠，四川 樂山 614900)

1 概 述

制動器(俗稱風(fēng)閘)是水輪發(fā)電機組制動系統(tǒng)的核心組件，是重要的電站輔機設(shè)備，對于保障機組安全穩(wěn)定運行，起著不可或缺的作用。具體表現(xiàn)為：在機組停機過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到較低轉(zhuǎn)速時(采用機械制動的機組一般為額定轉(zhuǎn)速的20%左右，采用電氣制動的機組一般為額定轉(zhuǎn)速的5%左右)，制動器在壓縮空氣作用下，其活塞帶動制動板迅速頂起，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子制動加閘，避免機組長時間低速轉(zhuǎn)動，致使推力瓦和導(dǎo)軸瓦因潤滑不良而損壞。此后，在停機備用狀態(tài)下，制動器保持制動加閘狀態(tài)，避免機組因?qū)~漏水而蠕動。

需要特別指出的是：在機組開機過程中，制動器復(fù)位松閘為機組開機流程的一個重要判斷依據(jù)，是確保機組順利開機的一個重要先決條件。眾所周知，水輪發(fā)電機組開停機十分頻繁，而電力系統(tǒng)對水電機組開機并網(wǎng)的速度又有比較高的要求。因此，制動器的復(fù)位可靠性就顯得尤為重要。事實上，制動器從其誕生之日起，就一直存在復(fù)位可靠性不夠高的問題，早期的自重和彈簧復(fù)位式制動器因復(fù)位力不足，在大中型機組中，已逐步被后續(xù)發(fā)展起來的氣動復(fù)位式制動器所取代。然而，當(dāng)前市場上各類氣動復(fù)位式制動器產(chǎn)品，在長時間服役后，同樣普遍存在無法可靠復(fù)位的問題[1-3]，這也是水力發(fā)電行業(yè)亟待破解的技術(shù)難題。

2 氣動復(fù)位式制動器工作原理及無法復(fù)位的原因

氣動復(fù)位式制動器最初是以單活塞雙腔布局這一經(jīng)典結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)的(圖1)。該類型制動器目前仍然是廣泛使用的主流產(chǎn)品，后續(xù)出現(xiàn)的各類氣動復(fù)位式制動器，其制動、復(fù)位過程的工作原理與早期經(jīng)典設(shè)計并無本質(zhì)區(qū)別。下面以單活塞雙腔制動器為例，簡述氣動復(fù)位式制動器的工作原理，并分析其無法復(fù)位的原因。

圖1 單活塞雙腔制動器(復(fù)位初始態(tài))

正常情況下，機組開機過程中，制動器上腔接通壓縮空氣、下腔接通大氣，上腔的壓力推動活塞向下運動，直到全部制動器復(fù)位，滿足制動器松閘這一開機必備條件。當(dāng)制動器長時間使用的“O”型密封圈老化且磨損到一定程度后，在復(fù)位過程中，制動器上腔壓縮空氣將直接串入下腔。同時，受進、排氣管路系統(tǒng)尤其是自動控制電磁閥通流能力的制約，制動器上腔的實際壓力將大幅低于系統(tǒng)供氣壓力，而下腔還會維持一定的殘余氣壓。由于下腔的圓形面積遠(yuǎn)大于上腔的環(huán)形面積(一般為2～3倍)，活塞受到的向下的作用力與向上的作用力相消減，加之活塞與氣缸壁之間摩擦阻力的存在，這些因素的疊加往往導(dǎo)致制動器無法復(fù)位。

實際生產(chǎn)運行中，經(jīng)常會出現(xiàn)一種現(xiàn)象：在機組執(zhí)行開機流程過程中，出現(xiàn)數(shù)臺乃至數(shù)十臺制動器同時無法復(fù)位的情況，而當(dāng)增大下腔排氣能力時(如開啟排氣管路上的接口閥直接排氣)，所有未復(fù)位的制動器往往會在瞬間復(fù)位。此現(xiàn)象可以間接印證前述原因分析的正確性，即制動器無法復(fù)位通常是由上腔壓縮空氣串入下腔引起，而非機械卡澀等因素所致。

3 當(dāng)前主流制動器存在的腔體串氣結(jié)構(gòu)缺陷

除單活塞雙腔制動器以外，當(dāng)前市場主流產(chǎn)品還有雙活塞雙腔、雙活塞三腔等結(jié)構(gòu)類型，現(xiàn)將其結(jié)構(gòu)原理、技術(shù)特點概述如下：

(1)雙活塞雙腔制動器。該制動器采用雙活塞雙腔結(jié)構(gòu)(圖2)，其下活塞為原動件，上活塞為從動件，二者之間有碟型彈簧來連接。其主要優(yōu)點是制動過程中上活塞承受徑向擠壓力，而下活塞基本不承受徑向擠壓，因而，能減緩密封圈的磨損；缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，同時，無法從根本上杜絕腔體串氣，仍會出現(xiàn)制動器因腔體串氣而無法復(fù)位的問題。

圖2 雙活塞雙腔制動器(復(fù)位初始態(tài))

(2)雙活塞三腔制動器。該制動器采用雙活塞三腔結(jié)構(gòu)(圖3)，其設(shè)計理念主要為油、氣分離。在機組檢修期間或長時間停運后啟動之前，制動器作為千斤頂使用時，在其下活塞下腔泵入高壓液壓油，此時，下活塞為主動件，上活塞為從動件；在機組開停機過程中，下活塞位于缸體底部，不參與頂起、復(fù)位工作，上活塞的動作過程與單活塞雙腔制動器相同。該制動器的主要優(yōu)點是油、氣分離，一定程度上減輕了發(fā)電機風(fēng)洞內(nèi)油霧污染；缺點與單活塞雙腔制動器相似，即同樣存在密封圈磨損，進而導(dǎo)致制動器因腔體串氣而無法復(fù)位的問題。

圖3 雙活塞三腔制動器(復(fù)位初始態(tài))

此外，少部分大型機組(其制動器設(shè)計總高度較大)，采用了圖2、3的組合型結(jié)構(gòu)，即在圖2所述類型制動器腔體底部增設(shè)了液壓油頂轉(zhuǎn)子專用活塞，實現(xiàn)了油、氣分離功能。同時，部分制動器還運用了活塞外圓鑲嵌高分子材料導(dǎo)向帶、制動塊采用偏心支撐等局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(其內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)形式仍屬于前述幾種類型)。但這些制動器仍無法從根本上杜絕腔體串氣，仍然會出現(xiàn)制動器因腔體串氣而無法復(fù)位的問題。

4 根治制動器腔體串氣的優(yōu)化設(shè)計

近年來，出現(xiàn)了一種從根本上解決腔體串氣問題的新型單活塞三腔制動器[4](圖4)。該制動器采取上腔、下腔和中間隔離腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，隔離腔與大氣連通，將上、下腔徹底隔離，杜絕了上腔壓縮空氣串入下腔的可能，即便出現(xiàn)密封性能下降的情況，該制動器也能可靠復(fù)位。同時，隔離腔排氣孔通過管路在發(fā)電機風(fēng)洞外與大氣連通，避免了頂轉(zhuǎn)子后制動器下腔的余油串入上腔繼而溢出腔體的情況出現(xiàn)，實現(xiàn)了與油、氣分離制動器類似的防止油污染的效果。此外，還可通過監(jiān)測隔離腔氣壓、氣流狀況，及時掌握制動器的密封狀況，便于提前安排檢修。

圖4 單活塞三腔制動器(復(fù)位初始態(tài))

同時，該新型制動器在繼續(xù)沿用“O”型密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了“Y”型密封圈。該“Y”形密封圈一方面可以依靠其張開的唇邊緊貼于密封副耦合面，起到良好的密封效果；另一方面在制動器制動剎車過程中，活塞與缸體之間產(chǎn)生徑向擠壓時，又可以縮回密封溝槽內(nèi)，不受擠壓，不易磨損，長期使用仍能保持穩(wěn)定可靠的密封性能。

在此特別說明，圖4所述結(jié)構(gòu)對制動器總高度有一定要求，僅適用于總高度為400 mm及以上的制動器。針對此不足，目前已發(fā)展出基于相似原理的衍生改良型制動器[5](圖5)，該制動器用腔體內(nèi)壁上適當(dāng)位置的一道環(huán)狀弧形溝槽取代原加工在活塞上的矩形凹槽，該改良型單活塞三腔制動器適用于總高度為320 mm及以上的應(yīng)用場景，幾乎適用于現(xiàn)已采用氣動復(fù)位式制動器的大中型機組。

圖5 改良型單活塞三腔制動器(復(fù)位初始態(tài))

基于圖4所示優(yōu)化設(shè)計的制動器產(chǎn)品(受總高度限制，僅采用中間隔離腔結(jié)構(gòu)，未增設(shè)“Y”型密封圈)已成功應(yīng)用于大渡河上的銅街子水電站。自2014年首批產(chǎn)品投運至今，歷經(jīng)數(shù)千臺次開停機檢驗，無一例缺陷發(fā)生。

5 結(jié) 語

數(shù)十年來，廣大水力發(fā)電工作者圍繞提升制動器復(fù)位可靠性這一工作主線，經(jīng)過不懈的探索實踐，研發(fā)出了一系列基于不同技術(shù)路線的制動器產(chǎn)品，都有各自的特點和優(yōu)勢。相對而言，近年來研發(fā)的單活塞三腔氣動復(fù)位式制動器，其中間隔離腔結(jié)構(gòu)設(shè)計對腔體串氣問題解決得更為徹底。同時，還兼顧了最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對于油、氣分離的要求[6]。客觀地說，目前，單活塞三腔氣動復(fù)位式制動器還處于試驗推廣階段，其實際工作性能尚需更大范圍的驗證，尤其是“Y”型密封圈是否滿足實際運行工況以及如何優(yōu)選其規(guī)格型號還需進一步試驗研究。但不可否認(rèn)，從結(jié)構(gòu)原理來看，單活塞三腔氣動復(fù)位式制動器確實有獨特的優(yōu)勢，在制動器設(shè)計選型及技術(shù)改造過程中，可以將該類型制動器作為比選對象予以考慮。