摘要：由水輪發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)套筒引起的故障是水電站運(yùn)行過程中存在的一個(gè)普遍問題，涵蓋設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行等方面的原因。運(yùn)行中機(jī)組的不同負(fù)荷工況引起套筒漏水、抱死的也有差異，需及時(shí)找出其中原因并采取措施消除。文章介紹了某水電廠4號機(jī)組運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉套筒與導(dǎo)葉發(fā)生抱死現(xiàn)象后，導(dǎo)致導(dǎo)葉不能操作的現(xiàn)象描述和分析，以及采用的措施和取得的效果，繼而提出今后對導(dǎo)葉軸套方面的改進(jìn)設(shè)想。
關(guān)鍵詞：水電廠；水輪機(jī)組軸套；材料
0 引言
某水電廠4 號機(jī)組1974年投運(yùn)， 于1998年完成增容改造， 機(jī)組額定功率由225MW增容至255MW。增容改造中水輪機(jī)部分除埋設(shè)部件和水輪機(jī)大軸、水導(dǎo)瓦未進(jìn)行更換外，重新設(shè)計(jì)制造了轉(zhuǎn)輪、頂蓋、活動導(dǎo)葉、底環(huán)、接力器及水輪機(jī)附屬部件。水輪機(jī)結(jié)構(gòu)為立軸混流式（HL430a-LJ-550），發(fā)電機(jī)為二導(dǎo)懸吊式（TS255/12640-48） ， 均由哈爾濱電機(jī)廠制造， 額定轉(zhuǎn)速1 2 5 r / m i n ， 額定流量290m3 /s 。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的導(dǎo)葉軸套由上、中、下軸套構(gòu)成，上軸套為聚甲醛鋼背復(fù)合材料軸套， 中、下軸套采用1010，期間運(yùn)行穩(wěn)定，增容改造后進(jìn)行了兩次擴(kuò)修， 分別為2 0 0 3 年和2 0 0 9 年。2 0 0 9 年擴(kuò)修時(shí)應(yīng)用了MC尼龍材料作為導(dǎo)葉中、下軸套，其安裝間隙為0.4mm~0.45mm，穩(wěn)定運(yùn)行半年后，機(jī)組在90MW~240MW負(fù)荷區(qū)間出現(xiàn)導(dǎo)葉發(fā)卡， 并伴有負(fù)荷調(diào)整不順暢現(xiàn)象， 在后期檢修發(fā)現(xiàn)中、下軸套內(nèi)徑平均收縮量均為0 . 5 m m 。產(chǎn)生軸套與活動導(dǎo)葉軸頸過盈0.05mm~0.1mm， 對中軸套內(nèi)徑進(jìn)行機(jī)加工， 其與導(dǎo)葉軸頸裝配后間隙加工后為0.65mm~0.7mm。下軸套更換為尼龍1010，導(dǎo)葉軸頸裝配后間隙擴(kuò)大為0.65mm~0.7mm， 完成事故處理。
1 故障發(fā)生情況
2010年8 月8日由于上游降雨影響，黃河攜帶超過1 0 0 k g / m 3沙量入庫， 機(jī)組過機(jī)沙量達(dá)58kg/m3。8月9日發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉有發(fā)卡現(xiàn)象，負(fù)荷在國電業(yè)·技術(shù) 2013年第5期90MW~240MW區(qū)間出現(xiàn)導(dǎo)葉發(fā)卡，并伴有不同程度的調(diào)整不順暢的現(xiàn)象，相應(yīng)接力器開度為50%~98%，截止9月2日，累計(jì)導(dǎo)葉發(fā)卡故障發(fā)生二十多次，具有代表性情況如下。
1.1 8月9日
上位機(jī)簡報(bào)發(fā)出“電調(diào)故障”、“調(diào)速器比例閥工作復(fù)歸”。有功給定220MW，實(shí)發(fā)240MW。調(diào)速器在數(shù)字閥、自動。一次調(diào)頻退出。A機(jī)比例閥拒動，數(shù)字閥拒動，B機(jī)數(shù)字閥拒動，調(diào)速器在B機(jī)，比例閥。具體情況如表1所示。
調(diào)速器切機(jī)手動，故障信號復(fù)歸正常，水車室檢查無異常。調(diào)整負(fù)荷不動（240MW），當(dāng)時(shí)全廠出力1100MW。
1.2 8月10日
落門停機(jī)，檢查導(dǎo)葉各部沒有發(fā)現(xiàn)明顯異常。調(diào)速器靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)M開、停機(jī)，并網(wǎng)，增減負(fù)荷動作正確。并網(wǎng)帶負(fù)荷到140MW時(shí)，B機(jī)比例閥拒動自動切至數(shù)字閥，繼續(xù)增減負(fù)荷，數(shù)字閥拒動信號出現(xiàn)。調(diào)速器切機(jī)手動，增減負(fù)荷正常。調(diào)速器切自動B套數(shù)字閥增減負(fù)荷正常， 調(diào)速器切自動B套比例閥增減負(fù)荷正常。（200MW~240MW）
1.3 8月11日
小范圍調(diào)整負(fù)荷，由200MW降至170MW動作正常，由170MW升至200MW時(shí)，負(fù)荷調(diào)整不動。檢查A機(jī)數(shù)字閥拒動，B機(jī)比例閥、數(shù)字閥拒動。在機(jī)手動方式下負(fù)荷只能降不能升，雙重濾過器切換一次無效。負(fù)荷設(shè)置為100MW，當(dāng)負(fù)荷升至90MW后不上升，當(dāng)時(shí)導(dǎo)葉開度48%，調(diào)速器顯示：A機(jī)數(shù)字閥拒動，B機(jī)比例閥、數(shù)字閥拒動。切至機(jī)手動后負(fù)荷只能降不能升。停機(jī)，進(jìn)水口閘門全落。做摩擦力矩試驗(yàn)： 油壓為1.3MPa時(shí)， 導(dǎo)葉開到48%不動。油壓為1.35MPa時(shí)，導(dǎo)葉開到50%不動。導(dǎo)葉靜摩擦力明顯增大，壓力在1.3MPa時(shí)導(dǎo)葉開到47%不動，1.35MPa時(shí)50%，導(dǎo)葉開度越大，壓力也要越高，如表2所示。
2 處理情況
累計(jì)對導(dǎo)葉發(fā)卡缺陷進(jìn)行了六次排查，具體如下。
1）開蝸殼門對導(dǎo)葉進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)有異物卡阻，開機(jī)并網(wǎng)后140MW~160MW負(fù)荷導(dǎo)葉依舊卡阻。
2 ） 調(diào)速器動作試驗(yàn)和導(dǎo)葉靜摩擦力矩試驗(yàn)，初步判定導(dǎo)葉發(fā)卡是由于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)靜摩擦力矩增大所致。
3）調(diào)速器雙重過濾器檢查清掃、引導(dǎo)閥活塞檢查清掃、調(diào)速環(huán)檢查、中軸套檢查和導(dǎo)葉立面、端面間隙檢查，檢查后再次進(jìn)行了導(dǎo)水機(jī)構(gòu)摩擦力矩試驗(yàn)，排除了調(diào)速器故障、接力器故障、調(diào)速環(huán)摩擦塊損壞、中軸套進(jìn)沙的原因。
4）導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整、拉緊度試驗(yàn)，通過系列排查判斷導(dǎo)葉發(fā)卡是由于導(dǎo)葉端面間隙變動和導(dǎo)葉軸套（材料為MC尼龍）吸水膨脹所致。
5）導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整和導(dǎo)葉中軸套（材料為MC尼龍）膨脹處理。
6 ） 通過測量發(fā)現(xiàn)機(jī)組2 0 只導(dǎo)葉中軸套平均膨脹量達(dá)0.5mm，與導(dǎo)葉中軸徑配合平均徑向過盈量0.1mm。因此對4號機(jī)組導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整和導(dǎo)葉中軸套（ 材料為MC尼龍） 重新進(jìn)行膨脹處理，全部進(jìn)行了車削加工，加工后與與導(dǎo)葉中軸徑平均配合間隙0.42mm， 下軸套更換為尼龍1010，導(dǎo)葉軸頸裝配后間隙擴(kuò)大為0.65mm~0.7mm，如表3，表4所示。
3 故障分析
3.1 導(dǎo)葉軸套結(jié)構(gòu)
上、中軸套布置在頂蓋套筒上下兩端，上軸套主要起輔助支撐導(dǎo)葉的作用，中軸套直接與轉(zhuǎn)輪上腔相通，主要是為了密封機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪上腔壓力水。中軸套密封形式為“L”型密封和 “O”型密封。導(dǎo)葉下軸套布置在底環(huán)上，采用 “O”型密封圈防止泥沙進(jìn)入。
3.2 原因分析
針對導(dǎo)葉出現(xiàn)發(fā)卡現(xiàn)象，通過調(diào)速器試驗(yàn)和接力器動作試驗(yàn)排出了導(dǎo)葉異物卡阻、調(diào)速器故障、接力器故障、調(diào)速環(huán)摩擦塊損壞等因素。通
過測量中軸套內(nèi)徑并與上年度檢修安裝后相比收縮0.5mm，與導(dǎo)葉軸頸形成過盈配合，其原因是尼龍材料的物理特性發(fā)生變化引起的膨脹。采取機(jī)加工的處理方法對內(nèi)孔車削，使所有中軸套內(nèi)徑擴(kuò)大間隙至0.65mm~0.7mm后；對中軸套間隙處理后導(dǎo)葉發(fā)卡現(xiàn)象依舊存在，進(jìn)而引申為導(dǎo)葉下軸套間隙過小成為發(fā)卡的主要原因，對此現(xiàn)象，將機(jī)組檢修工期延長，分解水輪機(jī)部件，更換下軸套，處理后故障消除，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。供貨商認(rèn)為MC尼龍材料在各種物理化學(xué)性能上均優(yōu)于尼龍1010，原來其他型號逐漸淘汰，都轉(zhuǎn)為生產(chǎn)MC尼龍產(chǎn)品。但MC尼龍軸套是否能符合該電廠比較特殊的工況條件，還需要進(jìn)一步試驗(yàn)論證，但作為尼龍材料的主要物理性能參數(shù)的膨脹系數(shù)顯然不能滿足電站的使用條件，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。
3.3 間隙選擇的理論依據(jù)
水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊[1]對離心熔鑄尼龍1010軸套的設(shè)計(jì)計(jì)算方法如下。
壓入過盈量：Δ1=2×10-3D； (1)
與軸頸配合間隙：Δ2=1+A+C。 (2)
其中D 為軸套外徑； A 為設(shè)計(jì)要求實(shí)際間隙；計(jì)算方法為A=0.22d/100；d為導(dǎo)葉相應(yīng)軸頸；C為壁厚引起的內(nèi)徑收縮修正值；當(dāng)壁厚大于10mm時(shí)；取值為0.05mm~0.1mm。
對于該電廠機(jī)組中軸套外徑300mm，內(nèi)徑266mm，下軸套外徑250mm，內(nèi)徑225mm，由于中下軸套加工工藝采用壓入后二次加工至配合間隙，故公式（2）中Δ1取值為零經(jīng)過計(jì)算，中軸套壓入過盈量為0.6mm，與導(dǎo)葉中軸徑間隙為0.65mm~0.7mm；下軸套壓入過盈量為0.5mm，與導(dǎo)葉下軸徑間隙為0.55mm~0.6mm。
尼龍產(chǎn)品供貨商在經(jīng)驗(yàn)上對套筒間隙進(jìn)行了如下計(jì)算。
4 改進(jìn)方案
水輪機(jī)套筒軸套與導(dǎo)葉之間的抱死現(xiàn)象產(chǎn)生是設(shè)計(jì)間隙、運(yùn)行工況、材料選擇等多方面的綜合體現(xiàn)，也是水電廠常見故障，在多次該類缺陷的處理過程中，從機(jī)加工方面和材料選擇兩個(gè)方面考慮處理方案，重點(diǎn)對水輪機(jī)套筒軸套與導(dǎo)葉之間的設(shè)計(jì)間隙進(jìn)行了檢查、對比、調(diào)整，同時(shí)為防止機(jī)加工變形和由于環(huán)境溫度、濕度變化從而產(chǎn)生的間隙變化，在機(jī)械加工工藝上做了較大改進(jìn)，從該方面杜絕間隙過小產(chǎn)生抱死現(xiàn)象。在材料選擇上選用尼龍1010，在材料到場后進(jìn)行浸泡試驗(yàn)以驗(yàn)證材料的吸水率和膨脹率，現(xiàn)場缺乏對非金屬材料的檢測手段從而僅憑外觀檢測和廠家出具的出廠證明，但試驗(yàn)時(shí)間無法模擬機(jī)組長期運(yùn)行時(shí)的各種工況，因而材料的可靠性不足，隱患依然存在，同時(shí)若導(dǎo)葉與配合軸承的間隙擴(kuò)大，一方面會帶來導(dǎo)葉套筒漏水量的增大和轉(zhuǎn)動配合面之間進(jìn)砂量增加，從而加劇導(dǎo)葉軸頸的磨損；另一方面由于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體間隙的變化從而影響到停機(jī)狀態(tài)下的機(jī)組漏水量。因此，僅通過調(diào)整和改變導(dǎo)葉套筒間隙值的方案帶有一定的弊端。必須通過多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)調(diào)整水輪機(jī)套筒軸套與導(dǎo)葉之間的間隙值和適合的材料[2]，才能使得機(jī)組平穩(wěn)、安全運(yùn)行。
5 結(jié)論
在水電廠中多泥沙河流上的水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)套筒軸套材料的選擇應(yīng)更為慎重，由于受上游降雨影響，過機(jī)沙量在汛期變化較大，若沙量大于一定數(shù)值，將對機(jī)組運(yùn)行工況帶來較為嚴(yán)重的影響。在水輪機(jī)套筒軸套選擇上應(yīng)充分考慮材料物理化學(xué)性能在特殊環(huán)境下的變化，并計(jì)算加工誤差等人為因素。隨著各類國內(nèi)外新型材料和技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，在水質(zhì)條件有所改善條件下，同時(shí)兼顧穩(wěn)定的物理特性和良好的耐磨和潤滑性能的軸套材料，代替以尼龍為制造材料的水輪機(jī)軸套才能成為可能。例如采用銅基鑲嵌自潤滑軸承等多種復(fù)合材料在其他電站的成功使用，對今后處理該類型的故障建議更換使用新型復(fù)合材料的軸承以減小尼龍材料的吸水膨脹幾率，可在機(jī)組檢修期間試用數(shù)量較少的新材料驗(yàn)證試用效果，做為將來選擇新型套筒材料的技術(shù)儲備和積累經(jīng)驗(yàn)。
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