廣州蓄能水電廠A廠機組水輪機導葉軸套換型改造

摘要：針對廣州蓄能水電廠A廠機組近年出現的導葉卡澀、無法開啟等缺陷，通過論證和分析，并結合A廠機組導葉軸頸實際情況，對活動導葉軸套進行換型改造，以延長其使用壽命，并提高其運行的可靠性和穩定性。

關鍵詞：導葉;無法開啟;軸頸;換型改造;可靠運行

0 ? ?引言

廣州蓄能水電廠（以下簡稱“廣蓄”）分為A廠和B廠，分別安裝4臺單機為300 MW容量的可逆式水泵水輪發電機組。其中廣蓄A廠水泵水輪機設備由法國Neyrpic公司制造，每臺機組有20個導葉，導葉采用三支點支承方式，兩個位于頂蓋上，一個位于底環上。廣蓄A廠機組使用的導葉軸套為纖維增強樹脂復合材料，在整體更換后的前5～6年均運行正常，但此后A廠各機組開始陸續出現軸套內徑縮小或者軸套內表面鼓包及脫層現象，進而使導葉無法開啟、開啟或關閉時間較長，容易導致機組啟動失敗，嚴重影響機組的安全穩定運行。

1 ? ?導葉軸套材料及結構

廣蓄A廠機組活動導葉設置上、中、下三個軸套，上、中軸套通過套筒分別布置在頂蓋的上下兩端，下軸套布置在底環上。

1.1 ? ?導葉軸套材料

廣蓄A廠導葉軸套的材料為纖維增強樹脂復合材料，由獨特的復合成分以及固體潤滑顆粒組成，本身具備自潤滑功能。

1.2 ? ?導葉軸套結構

導葉的上、中、下軸套均通過液氮冷卻安裝至導葉套筒內，上、中軸套位于一個套筒的上下兩端，下軸套單獨一個套筒。軸套外徑和套筒內徑過盈配合，其中上、中軸套基準內徑為270 mm，下軸套基準內徑為260 mm。

為了保證軸套有良好的運行環境，在軸套及套筒上均開有密封溝槽，防止在運行過程中有泥沙等進入軸套與軸頸的配合面內。

2 ? ?導葉無法開啟原因分析

從對廣蓄A廠導葉無法正常開啟缺陷處理的結果來看，導葉無法開啟的主要原因為導葉軸套內徑變小，導致軸套與軸頸的配合間隙減小，增大了導葉開啟的阻力。具體從以下幾個方面進一步闡述：

2.1 ? ?材料特性導致內徑變小

廣蓄A廠導葉軸套使用的是纖維增強樹脂復合材料，各纖維層之間通過粘接固定。在機組開機和停機過程中，導葉的開啟和關閉使導葉軸套反復受力，纖維層材料之間拉扯發生松散，長期下來，導致軸套的內徑緩慢變小。在A廠各機組導葉軸套檢查期間，通過測量導葉軸套與軸頸的配合間隙值進一步論證了該情況，詳細對比如表1和圖1所示。

2.2 ? ?運行環境導致內徑變小

廣蓄A廠導葉軸套密封采用丁腈橡膠材料，且中軸套密封的結構為O型密封圈。長期運行軸套本身的偏磨及密封破損等原因導致密封效果下降，壓力水進入到導葉軸套內，使導葉軸套長期處于一個被壓力水浸泡的環境中，進一步導致導葉軸套內徑吸水膨脹、局部鼓包等情況。在機組檢修期間，發現尤其是導葉上軸套和下軸套，出現了較多的鼓包、變形及嚴重脫層的現象。

3 ? ?換型改造方案

根據對導葉無法開啟缺陷的實際檢查結果和原因分析，結合廣蓄A廠導葉軸頸的實際數據，對導葉軸套進行換型改造，主要是論證選擇合適的軸套材料并結合實際的安裝環境本地化設計加工尺寸等，同時配套對導葉軸套密封也實施換型改造。

3.1 ? ?導葉軸套換型改造選型分析

3.1.1 ? ?軸套與軸頸潤滑膜的穩定性能

根據目前國內蓄能水電廠使用的導葉軸套情況，將導葉軸套分為自潤滑材料軸套和鑲嵌固體潤滑劑的軸套兩大類。從設計上，以上軸套均能滿足導葉軸頸運行期間形成穩定潤滑膜的要求，但從實際運行經驗上來說，鑲嵌固體潤滑劑的軸套存在潤滑劑材料脫落而導致潤滑性能降低的風險，而自潤滑材料軸套存在軸套本體松脫或破裂而導致與導葉軸頸間摩擦增大的可能，潤滑性能也會大大降低。所以，以上軸套的穩定潤滑性能均需要有良好的運行環境支撐。鑲嵌固體潤滑劑的軸套潤滑劑脫落的主要原因為導葉軸套密封破損，軟化的自潤滑材料經高壓水沖刷流出。目前A廠CP及CG工況只作為啟動過程轉換工況使用，運行時間很短，所以軸套的運行環境溫度基本長期處于穩定范圍內，沒有較大的溫度波動，而改造后的導葉軸套密封也大大降低了壓力水進入導葉軸套的可能性，所以從目前A廠的導葉軸套運行環境來看，鑲嵌固體潤滑劑的軸套能夠滿足長期穩定潤滑膜的性能要求。

3.1.2 ? ?保護導葉軸頸

導葉軸頸的修復工藝復雜，不只需要補焊磨圓處理，還要考慮對導葉同心度的影響，可能造成導葉回裝后不同心。因此，導葉軸套的選用必須盡量保證不損害導葉軸頸。廣蓄A廠導葉的硬度約為260HB，所以選擇導葉軸套基材的硬度不高于260HB即可滿足該項要求。

3.1.3 ? ?軸套磨損量

軸套的磨損量會直接影響到導葉軸頸與軸套之間的間隙，如果磨損嚴重導致間隙過大或偏心，則可能引起機組關機時導葉關閉不嚴、漏水過大、頂蓋漏水等現象。因此，在長期運行中，軸套磨損量不能過大而導致導葉軸頸與軸套之間的間隙超出允許范圍。

3.2 ? ?最終方案

通過以上論證分析，廣蓄A廠導葉軸套換型改造最終確定使用銅基鑲嵌自潤滑材料軸套，基礎材質屬于強力黃銅系，拉伸強度為755 N/mm2，耐壓縮力為345 N/mm2，最大拉伸率為12%，硬度為210HB;固體潤滑劑為PTFE系（不含鉛），使用的溫度范圍為-40～+80 ℃。

廣蓄A廠導葉軸頸運行至今已有20余年，其磨損量相對稍大，為了更好地加強軸套與軸頸的配合，在具體實施過程中，對軸套的加工和設計均進行了本地化改造，具體如下：

（1）要求供貨的軸套為銅基鑲嵌自潤滑材料毛坯軸套。毛坯軸套的內徑留有一定的加工余量（在軸頸直徑設計尺寸值基礎上減小1 mm），即上軸套和中軸套的內徑均為269 mm，下軸套內徑為259 mm。軸套改造實施期間根據機組導葉軸頸實測平均值再對軸套內徑按照0.110～0.272 mm的配合間隙進行車削加工。

（2）中軸套和下軸套內側倒角充分考慮導葉軸頸處加工退刀槽圓弧過渡倒角（R1+R9）的配合要求，倒角結構和尺寸采用9×9 mm（45°），以保證軸套能夠正常安裝到位。

4 ? ?改造效果

廣蓄A廠從2016開始，陸續開展各臺機組的導葉軸套換型工作。軸套換型改造后投入運行至今，未再出現導葉卡澀、開啟時間較長的設備缺陷，同時配套開展的導葉軸套密封也沒有明顯的漏水現象，有效消除了廣蓄A廠導葉開啟阻力大導致啟動失敗的缺陷，設備故障率大大降低，減少了機組臨時退備的時間，提高了機組的運行可靠率，保證了電廠的安全生產，并提高了經濟效益。

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[2] 曲揚，王波.自潤滑軸承的特性及其在水電站水輪機中的應用[J].水利科技與經濟，2002，8（1）：55-56.

收稿日期：2020-01-15

作者簡介：楊同盟（1987—），男，河南周口人，工程師，研究方向：熱能與動力工程（水動方向）。