洪江電廠水輪機槳葉轉臂鋼的實驗優(yōu)選

侯 凱，何葵東，李崇仕，王衛(wèi)玉，林 野，傅清波，黃勁松

（1.湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004；2.黑龍江哈電多能水電開發(fā)有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150010；3.株洲冶煉集團有限公司，湖南 株洲 412004；4.中南大學粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙 410083）

引 言

洪江電廠位于湖南省懷化市洪江區(qū)上游4.5 km處，是沅水干流開發(fā)規(guī)劃的重要梯級工程，安裝6臺單機45 MW燈泡貫流式機組，總裝機容量270 MW。機組額定水頭20 m，投產(chǎn)時是國內水頭最高、單機容量最大的燈泡貫流式機組。最大運行水頭Hmax=27.3 m，額定水頭Hr=20 m,最小運行水頭Hmin=8.46 m，目前仍是國內運行水頭最高的燈泡貫流式機組。機組按照招標制采購，主要由哈爾濱電機有限責任公司、武漢能事達公司、日本HITACHI公司及法國ALSTOM公司等廠家提供。

水輪機與發(fā)電機共用一根軸，由水輪機徑向導軸承及發(fā)電機徑向導軸承兩點支撐。主軸上游側與發(fā)電機轉子直接連接，下游側與水輪機轉輪連接。正、反向軸向水推力由發(fā)電機推力軸承承受，并通過推力軸承支架傳遞到管形座上。

受過去設計、制造水平及經(jīng)濟條件的限制，早期設計的轉槳式水輪機組槳葉轉臂材料多為碳素鋼（ZG20SiMn或ZG35），為了保證在機組運行過程中，轉臂盡可能不被磨損，相應的軸瓦材料基本采用材料硬度相對較低的錫青銅（磷青銅）。無論是材料領域還是機械領域，大家都有共同的經(jīng)驗，即材料的硬度與耐磨能力成正相關，硬度越高耐磨能力越強。從提高摩擦偶的使用壽命角度出發(fā)，對偶件的硬度應該提高。故隨著技術水平的進步，提高了轉臂材料的質量，特別是硬度，將轉臂材料由碳素鋼改為不銹鋼或合金鋼，目前行業(yè)內轉槳式水輪機組槳葉轉臂材料基本為ZG06Cr13Ni5Mo[1]或ZG35CrMo。ZG35CrMo通常用于模具或刃具，硬度和耐磨能力明顯比碳素鋼高[2～3]。而軸瓦材料也由錫青銅改為了硬度更高的鋁青銅ZCuAl10Fe3，也就是對偶兩件的硬度均提高，其耐磨能力也得到提升，進而提高摩擦偶的使用壽命。此外，為進一步提高轉臂的使用壽命，科研人員還在進行更廣泛的研究，驗證并試用其它合金鋼材料，如34CrNi3Mo等材料[4～6]。

轉臂是發(fā)電機組中最為重要和非常關鍵的部件之一，轉臂質量的好壞直接影響和決定著發(fā)電機組的使用壽命和工作安全。轉臂材料的合理選擇是設計、生產(chǎn)和維修中的一個重要環(huán)節(jié)，采用不同材料生產(chǎn)轉臂，其尺寸、結構、加工方法、工藝要求也會相應不同。在轉臂的優(yōu)選過程中，不僅要考慮材料的性能是否能夠適應轉臂的使用性能，而且要求材料有較好的工藝性和經(jīng)濟性，以便提高轉臂的壽命和生產(chǎn)率，減少消耗，從而降低綜合成本[7]。在水利工程[8]、工程機械[9]、礦山機械[10]、交通運輸[11～13]及通用機械[14～15]等機械制造領域，軸的材料選擇與加工、熱處理等都得到了廣泛研究和應用。

洪江電廠發(fā)電機組在運行6～8年后均出現(xiàn)因槳葉銅軸瓦及其相關部件磨損導致槳葉竄出的故障現(xiàn)象，槳葉竄出引起轉輪室掃膛，嚴重威脅機組安全穩(wěn)定運行，有必要開展相關實驗對水輪機槳葉轉臂材料進行優(yōu)選，以提高電站水輪機組的使用壽命。本研究通過選擇擬替代現(xiàn)場在用的軸承材料ZCuZn25Al6Fe3Mn3鋁黃銅，跟現(xiàn)場在用的摩擦對偶材料碳素鋼ZG20SiMn、不銹鋼ZG06Cr13Ni5Mo、合金鋼ZG35CrMo以及34CrNi3Mo分別進行對磨實驗。根據(jù)實驗結果進行分析以優(yōu)化出最佳的軸材料，以提高發(fā)電機組的使用壽命，保證機組安全穩(wěn)定運行。

1 實 驗

1.1 實驗設備

采用上海自潤軸承有限公司從日本引進的水中高載軸頸摩擦試驗機（徑向摩擦試驗機）和推力摩擦實驗機。水中高載軸頸摩擦試驗機的工作原理如圖1。

圖1 水中高載軸頸摩擦試驗機工作原理

水中高載軸頸摩擦試驗機設備參數(shù)如下：

最高載荷150kN；最高速度下的頻率150cpm（擺動條件）；運動方式為對偶軸連續(xù)擺動；擺動角度±2°～±45°；時間可調；潤滑條件，干摩擦、油潤滑、脂潤滑、水、泥水、海水等；環(huán)境條件，常溫、大氣中，液態(tài)潤滑介質中溫度可控（4℃～80℃）。試樣尺寸，內徑60mm，外徑65～75mm（優(yōu)先為75mm），長度20～60mm（優(yōu)先為50 mm）；對偶軸，尺寸Φ60mm×L670mm，公差一般為e7，可微調。

推力摩擦試驗機的工作原理如圖2。

圖2 推力摩擦試驗機工作原理

實驗參數(shù)如下：

最高載荷100kN；最高速度下的頻率15cpm（擺動條件）；運動方式為連續(xù)推力搖擺運動；擺動角度±1°～±45°；時間可調；潤滑條件，干摩擦、油潤滑、脂潤滑、水、泥水、海水等；環(huán)境條件，常溫、大氣、潤滑介質中。試樣尺寸，內徑不限，外徑80 mm以下，厚度3～5 mm；對偶軸，尺寸根據(jù)試樣尺寸確定，公差不限。

1.2 實驗材料

4種轉臂材料分別為ZG20SiMn（硬度≥HB156）、ZG35Cr1Mo（硬度≥HB201）、鍛鋼34CrNi3Mo（硬度范圍HB255-302）、鑄鋼ZG06Cr13Ni5Mo（硬度范圍HB220-290），對偶軸瓦材料為鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3，潤滑介質采用長城牌威越優(yōu)質L-TSA46汽輪機油。

1.3 實驗設計

將4種轉臂材料分別做成摩擦實驗塊，在同樣的實驗條件下（即相同實驗參數(shù)，模擬實際運行環(huán)境浸油中），分別跟鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3對偶件進行徑向摩擦實驗和推力摩擦實驗。對轉臂磨損量、軸瓦磨損量、摩擦系數(shù)、油溫等實驗結果進行綜合對比分析。相關實驗參數(shù)如下：

1）徑向摩擦實驗。載荷25 MPa、40 MPa、70 MPa，水輪機擺動角度為±45°，擺動頻率為7.65 cpm，速度為0.721 m/min，實驗時間為8 h。軸瓦材料尺寸Φ60×Φ75×L40。

2）推力摩擦實驗。載荷25 MPa、50 MPa、140 MPa，水輪機擺動角度為±45°，擺動頻率為15.3 cpm，速度為0.721 m/min，實驗時間為8 h。轉臂材料尺寸Φ50×T10圓板，軸瓦材料尺寸Φ60×Φ75×L40。

2 實驗結果及分析

2.1 鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3銅軸瓦磨損量

表1所列為徑向實驗與推力實驗鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3銅軸瓦磨損量實驗結果，從表1可以看出，鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3銅軸瓦對4種對偶軸的徑向實驗磨損分別如下：在實驗載荷分別為25 MPa和40 MPa時，34CrNi3Mo軸對銅軸瓦的磨損量為0.005 mm和0.004 mm，均為最小，但在實驗載荷為70 MPa時，僅有ZG35Cr1Mo軸完成了摩擦實驗，磨損量為0.015mm，其表現(xiàn)亦突出。鋁黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3銅軸瓦對4種對偶軸的推力實驗磨損分別如下：在實驗載荷分別為25 MPa和50 MPa時，ZG35Cr1Mo軸對銅軸瓦的磨損量最小為-0.014 mm和0.006 mm，均為最好，其次為ZG06Cr13Ni5Mo軸。在發(fā)電機組設計中，徑向40 MPa和推力50 MPa是設計載荷，而銅軸瓦磨損量是機組修護保養(yǎng)時最重要的測量參數(shù)。故從銅軸瓦磨損量可判斷，最佳優(yōu)選軸材料為ZG35Cr1Mo，其次為34CrNi3Mo軸。

表1 徑向摩擦實驗與推力摩擦實驗軸瓦磨損量 mm

2.2 轉臂摩擦磨損量

表2所列為徑向實驗與推力實驗后轉臂摩擦磨損量測量結果。從表2可以看出，徑向實驗中，當加載載荷為25 MPa時，ZG35Cr1Mo軸的磨損量-0.007 mm為最小；當加載載荷為40 MPa時，ZG06Cr13Ni5Mo軸的磨損量-0.007 mm為最小；當加載載荷為70 MPa時，僅有ZG35Cr1Mo軸的磨損量為-0.005 mm，順利完成了實驗；故從徑向實驗結果來看，ZG35Cr1Mo軸的表現(xiàn)最佳，其次為ZG06Cr13Ni5Mo軸。推力實驗中，當加載載荷為25 MPa時，ZG35Cr1Mo軸的磨損量-0.022 mm為最小；當加載載荷為50MPa時，34CrNi3Mo軸的磨損量-0.001 mm為最小；當加載載荷為140 MPa時，34CrNi3Mo軸的磨損量-0.002 mm為最小；故從推力實驗結果來看，34CrNi3Mo軸的表現(xiàn)最佳，其次為ZG35Cr1Mo軸。

表2 徑向摩擦實驗與推力摩擦實驗轉臂磨損量 mm

2.3 摩擦系數(shù)

表3所列為徑向實驗與推力實驗后的最大摩擦系數(shù)測量結果，從表3可以看出，徑向摩擦實驗時，當加載載荷為25 MPa時，34CrNi3Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.187最小，但它只正常完成了這個載荷，其它載荷都未完成。而當加載載荷為40 MPa時，ZG35Cr1Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.240最小，且只有它完成了70 MPa載荷實驗。故在徑向摩擦實驗中，ZG35Cr1Mo軸為最佳選擇，ZG06Cr13Ni5Mo軸其次。推力摩擦實驗時，當加載載荷為25 MPa時，34CrNi3Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.142最小，ZG35Cr1Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.145次之，當加載載荷為50 MPa時，ZG35Cr1Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.153最小，其次為34CrNi3Mo軸的0.161，當加載載荷為140 MPa時，34CrNi3Mo軸的最大摩擦系數(shù)0.140最小，其次為ZG35Cr1Mo軸的。綜合上述結果，最大摩擦系數(shù)優(yōu)選結果為ZG35Cr1Mo軸。

表3 徑向摩擦實驗與推力摩擦實驗最大摩擦系數(shù)

2.4 潤滑油溫度

表4所列為徑向摩擦實驗和推力摩擦實驗中潤滑油最高溫度測試結果，從表4可以看出，徑向摩擦實驗時，當加載載荷為25 MPa時，ZG06Cr13Ni5Mo軸的潤滑油最高溫度26.2℃最低，其次為ZG35Cr1Mo軸的；當加載載荷為40 MPa時，ZG35Cr1Mo軸的潤滑油最高溫度27.2℃最低，且只有ZG35Cr1Mo軸完成了70 MPa摩擦實驗。故從徑向摩擦實驗可明顯判斷，ZG35Cr1Mo軸為最優(yōu)選擇。推力摩擦實驗中，當加載載荷為25 MPa時，ZG06Cr13Ni5Mo軸的潤滑油最高溫度21.0℃最低；當加載載荷為50 MPa時，ZG20SiMn軸的潤滑油最高溫度33.9℃最低；當加載載荷為140 MPa時，ZG35Cr1Mo軸的潤滑油最高溫度62.4℃最低。綜合徑向摩擦實驗和推力摩擦實驗，ZG35Cr1Mo軸為最佳選擇，而ZG06Cr13Ni5Mo軸其次。

表4 徑向摩擦實驗與推力摩擦實驗最高溫度值 ℃

洪江電廠在用的CuAl10Fe3鋁青銅軸瓦硬度為HB129，而實驗CuZn25Al6Fe3Mn3鋁黃銅軸瓦硬度為HB210，對偶鋼軸在用的ZG20SiMn硬度為HB156、對比鋼軸ZG35Cr1Mo的硬度為HB201，34CrNi3Mo的硬度為HB255～302（通常為HB275），ZG0Cr13Ni5Mo的硬度為HB220～290（通常為HB255）。盡管經(jīng)驗表明，鋼軸在與銅軸瓦組成的摩擦偶配合中，銅軸瓦應該比鋼軸軟，但在本實驗中，得出了相反的結果，這也說明經(jīng)驗并不是放之四海而皆準的鐵律。經(jīng)驗遠未上升到理論的高度，這也是將來值得深入研究的問題。

結合ZCuZn25Al6Fe3Mn3鋁黃銅銅軸瓦磨損量、轉臂摩擦磨損量、摩擦系數(shù)、潤滑油溫度等實驗結果對比，可以發(fā)現(xiàn)ZG35Cr1Mo為最佳，其次為34CrNi3Mo。

3 結 論

通過CuZn25Al6Fe3Mn3鋁黃銅與4種對偶鋼軸在相同條件下的對磨實驗發(fā)現(xiàn)，ZG35Cr1Mo轉臂為最佳，其次為34CrNi3Mo轉臂。

國家電力投資集團公司科技項目（2020-24-WLDKJ-X）。