燈泡貫流式機組導葉外環磨損原因分析及處理

唐 建

（四川華電寶珠寺水力發電廠，四川 廣元628000）

1 概述

紫蘭壩電站位于四川省廣元市白龍江下游，紫蘭壩電站整體結構為燈泡貫流式機組，裝機容量34 MW×3。水輪機型號為 GZ（836）-WP-535，轉輪葉片數4片，最大水頭19.9 m，額定水頭15.4 m，最小水頭8.1 m。導水機構由活動導葉、內外導水環、拐臂、彈簧式安全連桿、硬直連桿、控制環、接力器組成。其中控制環直接安裝在導葉外環上見圖1，控制環與導葉外環滑動面采用軸瓦結構，控制環抗磨板由軸向抗磨板及徑向抗磨板組成。接力器采用直缸搖擺式接力器，接力器直徑為350 mm，接力器行程1 159 mm，在接力器的關閉段設有慢關閉裝置。接力器前缸蓋耳柄與控制環用柱銷連接，接力器后缸蓋鉸聯板與接力器底座通過柱銷連接。

圖1 導葉外環裝配圖

2 導葉外環磨損嚴重

2019年4月20日紫蘭壩1號機組檢修，用塞尺檢查發現控制環在全關狀態下，軸向抗磨塊總間隙在0.40～1 mm之間（設計圖紙要求雙面間隙為0.13～0.27 mm見圖2），軸向抗磨塊與導葉外環間隙異常。對控制環進行解體進一步檢查，發現以下問題：

圖2 控制環裝配尺寸

（1）檢查發現導葉外環底面有輕微毛刺、高點，下游側側面磨損嚴重有溝槽狀劃痕，局部劃痕深度達1 mm。用25～700 mm外徑千分尺對稱分8個點測量導葉外環磨損量，另外在控制環全開位置加測一點。磨損量如圖3。

（2）左岸下游側軸向抗磨板磨損嚴重，控制環分瓣組合面處徑向抗磨板磨損較嚴重，控制環本體無劃痕。

3 磨損可能原因分析

3.1 導葉外環垂直度不合格

圖3 導葉外環磨損及分布情況

圖4

導葉外環垂直度不合格，導致控制環與導水機構外環之間形成錯位癟勁兒，加劇導水機構外環磨損。

3.2 左右岸接力器與控制環不同心

2019年5月7日在1號機組1號、2號接力器拆卸檢修過程中，現場勘察發現1號機組左岸導葉接力器底座安裝存在問題（1號機組接力器底座未進行過檢修，系機組安裝時出現的問題）。造成了左右岸接力器與控制環不在同一中心上，接力器連接控制環后，控制環動作時與導水外環接觸面間隙異常。

3.3 直缸搖擺式接力器后缸蓋底座竄動

1號機組兩側接力器均采用直缸搖擺式接力器，接力器后缸蓋鉸接板通過球心軸承套、圓柱銷與底座相連接。接力器動作時接力器活塞桿不產生擺動，接力器缸體隨球心軸承運動而產生擺動。1號機組兩側接力器安裝時接力器后缸蓋鉸接板與底座兩側間隙基本相等。檢修時檢查發現兩側接力器后端蓋鉸接板與底座上下游側間隙異常（見圖5、表1）：接力器底座與接力器后端蓋鉸接板之間出現上游側間隙G1偏大，下游側間隙G2偏小的情況，接力器動作時會產生向上游側竄動的情況。兩側接力器同時上竄產生的力矩作用在控制環上加劇與導水外環發生的磨損。

圖5

表1 接力器后缸蓋鉸接板與底座間隙

3.4 導葉外環與控制環之間軸向配合摩擦力過大

導葉外環φ5 904 mm，抗磨塊數量為16對。接力器采用直缸搖擺式接力器，接力器直徑D為350 mm，接力器行程1 159 mm，操作接力器壓力油壓力P為6.3 MPa，兩接力器直線距離L為7 190 mm（見圖6）。單側接力器的壓力等于垂直作用于流體或固體界面單位面積上的力。所以通過 以 下 公 式0.35×0.35÷4=6.06×105N。 力 矩 大 小M=F×L=4.36×106N·m，抗磨塊與導葉外環之間的摩擦力力矩Mf=8×f×5.904。當接力器的主動力矩等于抗磨塊摩擦力矩時，此時的抗磨塊與導葉外環之間的摩擦力f最大，fmax=9.23×104N。抗磨塊尺寸為長140 mm×寬45 mm，抗磨塊強度&s=fmax÷s=14.65 N/mm2。

圖6 接力器簡易示意圖

4 處理方法

結合磨損可能產生的原因，在1號機組水輪機檢修過程中，采取了下列措施：

（1）針對導葉外環垂直度不合格這一可能原因，我們在導水機構外環（精加工面）對稱地選取了4點，對測量點表面高點毛刺進行處理，用酒精白布將測量點清掃干凈，避免污物影響測量數據真實性。框式水平儀測量過程中手握持副測面內側，使水平儀平穩、垂直地（調整氣泡位于中間位置）貼在工件的垂直平面上，然后從縱向水準讀出氣泡移動的格數，在相同的位置調轉水平儀進行測量讀數，測量數據為0.043 mm/m、方向+X偏-Y，導葉外環垂直度滿足安裝要求（0.05 mm/m）。測量數據見圖7。通過圖3、圖4可知3點位于控制環全關位置，控制環逆時針旋轉22.262°達到導葉全開位置。導葉外環磨損集中于接力器開關行程內，且磨損位置方向與導葉外環垂直度方向不一致。故排除導葉外環垂直度不合格引起的導葉外環磨損。

圖7 導水外環垂直度

（2）拆除左岸接力器與底座的銷釘，吊出接力器。松開底座地腳螺栓，將底座吊出。將原來底座基坑清掃干凈，底座清掃干凈。底座旋轉180°安裝，把緊地腳螺栓，測量底座水平，底座水平數據為0.035 mm/m滿足圖紙安裝要求（0.05 mm/m），底座中心與座環外法蘭面間距為1 890 mm滿足安裝要求（1 891±1.5 mm）。

（3）檢查接力器后缸蓋鉸接板球心軸承完好，內部無毛刺劃痕。清掃球心軸承，用手能輕松撥動球心軸承。用專用清洗劑（可賽新1755）清洗接力器底座圓柱銷，擦拭干凈后對其表面銹蝕劃痕進行研磨處理。接力器解體檢修更換密封后單體做接力器動作試驗，試驗壓力為額定壓力6.3 MPa，接力器在全行程范圍內來回動作2～3次，檢查接力器動作平穩靈活。動作過程中測量記錄兩接力器的實際行程，左側接力器實際行程為1 158 mm，右側接力器實際行程為1 159 mm。兩側接力器行程差不超過2 mm，滿足設計要求。做接力器嚴密性耐壓試驗，耐壓試驗的試驗油壓為工作壓力的1.5倍，保持30 min。耐壓試驗合格后接力器缸體排油，接力器起吊回裝，在兩側接力器后缸蓋鉸接板與接力器底座G1處加一圓墊，圓墊材質為Q235，圓墊厚度直徑復測接力器后缸蓋鉸接板與底座兩側間隙G1、G2，間隙見表2。

表2 接力器后缸蓋鉸接板與底座間隙

（4）控制環新增加14對抗磨塊數量，改善導葉外環運行工況。

改善后抗磨塊受力為：

F1=PPπD2=6.3×106×3.14×0.35×0.35÷4=6.06×105N。力矩大小M1=F×L=4.36×106N·m，抗磨塊與導葉外環之間的摩擦力力矩Mf1=15×f×5.904。當接力器的主動力矩等于抗磨塊摩擦力矩時，此時的抗磨塊與導葉外環之間的摩擦力f1最大，fmax1=4.92×104N。抗磨塊尺寸為長140 mm×寬 45 mm，抗 磨 塊 強 度&s1=fmax÷s=7.8 N/mm2。&s1遠小于&s，達到改善導葉外環運行工況的目的。

（5）控制環更換徑向、軸向抗磨塊，吊裝控制環之前在徑向抗磨塊表面適量涂抹固體潤滑劑二硫化鉬，減少摩擦阻力。控制環分瓣面組裝時，調整控制環各瓣組合面把合孔不錯牙，裝入控制環組合面φ40×100彈簧銷，其后裝入螺栓M30×140、螺母M30，并把緊。檢查組合面無間隙無錯牙，控制環分瓣面組裝合格后，測量調整軸向抗磨板間隙，間隙滿足設計要求。

5 結語

控制環動作試驗，控制環動作靈活無發卡及擺動現象。從結果看初步達到了預期效果。更重要的是為今后的檢修改進積累了經驗。為了確保機組不再出現類似故障我們在今后的工作中還做了以下措施：

（1）定期檢查控制環與導葉外環間隙，對比間隙數據，分析設備磨損情況，及時開展檢修。

（2）對于稀缺需進口的備件及時儲備，防止因備件不足影響設備運行。