水輪發電機用制動器無法復位機理分析和設計優化

張 澤 彬， 鄧 林 森， 易 旭 濤， 曾 偉

(國電大渡河公司龔嘴水力發電總廠，四川 樂山 614900)

1 概 述

制動器(俗稱風閘)是水輪發電機組制動系統的核心組件，是重要的電站輔機設備，對于保障機組安全穩定運行，起著不可或缺的作用。具體表現為：在機組停機過程中，當轉速下降到較低轉速時(采用機械制動的機組一般為額定轉速的20%左右，采用電氣制動的機組一般為額定轉速的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，對發電機轉子制動加閘，避免機組長時間低速轉動，致使推力瓦和導軸瓦因潤滑不良而損壞。此后，在停機備用狀態下，制動器保持制動加閘狀態，避免機組因導葉漏水而蠕動。

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

2 氣動復位式制動器工作原理及無法復位的原因

氣動復位式制動器最初是以單活塞雙腔布局這一經典結構形式出現的(圖1)。該類型制動器目前仍然是廣泛使用的主流產品，后續出現的各類氣動復位式制動器，其制動、復位過程的工作原理與早期經典設計并無本質區別。下面以單活塞雙腔制動器為例，簡述氣動復位式制動器的工作原理，并分析其無法復位的原因。

圖1 單活塞雙腔制動器(復位初始態)

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，直到全部制動器復位，滿足制動器松閘這一開機必備條件。當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大于上腔的環形面積(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致制動器無法復位。

實際生產運行中，經常會出現一種現象：在機組執行開機流程過程中，出現數臺乃至數十臺制動器同時無法復位的情況，而當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)，所有未復位的制動器往往會在瞬間復位。此現象可以間接印證前述原因分析的正確性，即制動器無法復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 當前主流制動器存在的腔體串氣結構缺陷

除單活塞雙腔制動器以外，當前市場主流產品還有雙活塞雙腔、雙活塞三腔等結構類型，現將其結構原理、技術特點概述如下：

(1)雙活塞雙腔制動器。該制動器采用雙活塞雙腔結構(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；缺點是結構相對復雜，同時，無法從根本上杜絕腔體串氣，仍會出現制動器因腔體串氣而無法復位的問題。

圖2 雙活塞雙腔制動器(復位初始態)

(2)雙活塞三腔制動器。該制動器采用雙活塞三腔結構(圖3)，其設計理念主要為油、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。該制動器的主要優點是油、氣分離，一定程度上減輕了發電機風洞內油霧污染；缺點與單活塞雙腔制動器相似，即同樣存在密封圈磨損，進而導致制動器因腔體串氣而無法復位的問題。

圖3 雙活塞三腔制動器(復位初始態)

此外，少部分大型機組(其制動器設計總高度較大)，采用了圖2、3的組合型結構，即在圖2所述類型制動器腔體底部增設了液壓油頂轉子專用活塞，實現了油、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向帶、制動塊采用偏心支撐等局部結構優化設計(其內部腔體結構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，仍然會出現制動器因腔體串氣而無法復位的問題。

4 根治制動器腔體串氣的優化設計

近年來，出現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構設計，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，即便出現密封性能下降的情況，該制動器也能可靠復位。同時，隔離腔排氣孔通過管路在發電機風洞外與大氣連通，避免了頂轉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，實現了與油、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(復位初始態)

同時，該新型制動器在繼續沿用“O”型密封結構的基礎上，增設了“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，活塞與缸體之間產生徑向擠壓時，又可以縮回密封溝槽內，不受擠壓，不易磨損，長期使用仍能保持穩定可靠的密封性能。

在此特別說明，圖4所述結構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)，該制動器用腔體內壁上適當位置的一道環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及以上的應用場景，幾乎適用于現已采用氣動復位式制動器的大中型機組。

圖5 改良型單活塞三腔制動器(復位初始態)

基于圖4所示優化設計的制動器產品(受總高度限制，僅采用中間隔離腔結構，未增設“Y”型密封圈)已成功應用于大渡河上的銅街子水電站。自2014年首批產品投運至今，歷經數千臺次開停機檢驗，無一例缺陷發生。

5 結 語

數十年來，廣大水力發電工作者圍繞提升制動器復位可靠性這一工作主線，經過不懈的探索實踐，研發出了一系列基于不同技術路線的制動器產品，都有各自的特點和優勢。相對而言，近年來研發的單活塞三腔氣動復位式制動器，其中間隔離腔結構設計對腔體串氣問題解決得更為徹底。同時，還兼顧了最新行業標準中對于油、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選其規格型號還需進一步試驗研究。但不可否認，從結構原理來看，單活塞三腔氣動復位式制動器確實有獨特的優勢，在制動器設計選型及技術改造過程中，可以將該類型制動器作為比選對象予以考慮。