探究安谷水電站5號機(jī)組受油器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鄢 天 留

(中國水電建設(shè)集團(tuán)圣達(dá)水電有限公司，四川 樂山 634900)

0 前 言

受油器是軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的重要裝置，其作用是將調(diào)速系統(tǒng)的壓力油自固定油管傳送至旋轉(zhuǎn)的操作油管，最終傳遞到轉(zhuǎn)輪活塞腔，同時(shí)，將轉(zhuǎn)輪活塞無壓腔回油排至回油箱，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)槳葉開度調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)輪液壓油循環(huán)[1]。

安谷水電站5號機(jī)組投入運(yùn)行初期，發(fā)電機(jī)上導(dǎo)油槽蓋、集電環(huán)、碳刷等部件長期存在較大油污，生產(chǎn)人員只能間斷性停機(jī)擦拭清理，但效果還不明顯，每次清理后機(jī)組運(yùn)行1天便產(chǎn)生新油污。據(jù)粗約統(tǒng)計(jì)，按當(dāng)時(shí)每隔5天清理1次，一年將造成350萬kWh電量損失，直接經(jīng)濟(jì)損失約100萬元。同時(shí)，在環(huán)境溫度較高的夏季，發(fā)電機(jī)集電環(huán)、碳刷長期帶有大量油污運(yùn)行，不僅降低發(fā)電機(jī)效率，還極易造成集電環(huán)打火，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響[2]。

生產(chǎn)人員通過對集電環(huán)外罩和受油器結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合檢修中的各項(xiàng)試驗(yàn)檢查結(jié)果，開展了集電環(huán)產(chǎn)生大量油污原因的排查，以及根據(jù)排查原因開展的針對受油器結(jié)構(gòu)的研究優(yōu)化，最終解決了集電環(huán)裝置、上導(dǎo)油槽蓋等部件聚集大量油污，長期帶油運(yùn)行的問題。

1 受油器的結(jié)構(gòu)分析和漏油查找

安谷水電站5號機(jī)組為1臺12 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，受油器主要由支架、油分配器、受油器外罩、集油槽、供油管路、集電環(huán)外罩等組成[3]，受油器結(jié)構(gòu)圖見圖1。油分配器與操作油管設(shè)計(jì)雙邊間隙0.06～0.08 mm，內(nèi)部設(shè)置3道軸用回轉(zhuǎn)方形圈。集電環(huán)外罩內(nèi)部是發(fā)電機(jī)集電環(huán)和碳刷裝置，其作用是將勵(lì)磁電流傳輸給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極。

機(jī)組運(yùn)行中，當(dāng)槳葉開啟腔油管向油分配器供油時(shí)，油分配器將透平油傳輸?shù)讲僮饔凸芡馇唬罱K傳送到轉(zhuǎn)輪活塞開腔，使槳葉開啟。同時(shí)，轉(zhuǎn)輪活塞關(guān)腔透平油沿操作油管中間腔回流到油分配器，經(jīng)槳葉關(guān)閉腔油管回流至回油箱。反之，當(dāng)槳葉關(guān)閉腔油管向油分配器供油時(shí)，轉(zhuǎn)輪槳葉關(guān)閉，操作油管外腔和槳葉開啟腔油管回油。設(shè)計(jì)中，槳葉開啟、關(guān)閉腔油管連接在油分配器上，而油分配器靠滾動軸承支撐在操作油管上端，在轉(zhuǎn)輪槳葉開、關(guān)時(shí)，油分配器及油管路隨操作油管上下移動。為了避免油管與油分配器支架碰撞，在油管路接頭下部支架開有扇形凹孔，以滿足油管路上下移動不受遮擋。

從機(jī)組集電環(huán)油污的產(chǎn)生情況看，該機(jī)組已處于非正常運(yùn)行狀況。通過對受油器結(jié)構(gòu)圖分析，初步判斷產(chǎn)生油珠的原因主要有兩方面。

(1)油霧凝結(jié)。機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中，上導(dǎo)油槽內(nèi)潤滑油油溫升高，在大軸旋轉(zhuǎn)力帶動下沿大軸向上爬升，產(chǎn)生的油霧透過上導(dǎo)油槽蓋密封在集電環(huán)外罩內(nèi)部漂浮，飄落于上導(dǎo)油槽蓋和集聚于集電環(huán)外罩底部、集電環(huán)裝置等處形成油珠，油珠滴落到旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)上后在離心力作用下向四周飛濺，使集電環(huán)裝置、上導(dǎo)油槽蓋上產(chǎn)生大量油污。

(2)受油器處滲漏。從受油器結(jié)構(gòu)圖分析，油分配器支架安裝于集電環(huán)外罩上方，為防集電環(huán)外罩向油分配器支架傳輸軸電流，進(jìn)而造成油分配器瓦面損傷，在油分配器支架與集電環(huán)外罩螺栓連接處采用絕緣套和絕緣墊支撐隔離，因此，兩部件之間有著與絕緣墊厚度相同的10 mm間隙。若集電環(huán)外罩上方集油過多，則可沿兩部件之間間隙向內(nèi)側(cè)流動，在集電環(huán)內(nèi)側(cè)底部集聚，形成油珠，滴落后造成集電環(huán)裝置和上導(dǎo)油槽蓋產(chǎn)生大量油污，受油器局部結(jié)構(gòu)見圖2。而受油器滲漏造成集電環(huán)外罩上方集油的可能原因有兩種：一是受油器外罩內(nèi)的槳葉開啟、關(guān)閉腔油管連接法蘭正位于集電環(huán)上端，若連接法蘭滲漏，則正好滴落于集電環(huán)外罩上。二是受油器油分配器與操作油管之間的滲油被旋轉(zhuǎn)的操作油管甩出，落于集電環(huán)外罩上方。

圖2 受油器局部結(jié)構(gòu)圖

針對以上分析的兩種原因，生產(chǎn)人員組織開展了相關(guān)檢查。

(1)油霧凝結(jié)原因檢查。檢查5號機(jī)組上導(dǎo)油槽和下導(dǎo)油槽共用的油霧吸收裝置，油霧吸收裝置管路連接正確，裝置使用正常。檢查上導(dǎo)油槽蓋密封，用塞尺周向檢查密封帶完好，分別測量-X、+X、-Y、+Y四個(gè)方向上導(dǎo)油槽蓋密封帶與推力頭外徑間隙(安谷電站5號機(jī)組推力軸承和上導(dǎo)油槽共用同油槽槽外側(cè)，油槽蓋內(nèi)側(cè)密封與推力頭外側(cè)配合)，上導(dǎo)油槽蓋密封間隙測量值見表1。經(jīng)對測量數(shù)據(jù)和其他機(jī)組油槽蓋密封情況比較分析，判斷上導(dǎo)油槽產(chǎn)生的油霧少，油霧凝結(jié)造成集電環(huán)大量油污的可能性小，基本可以排除。

(2)受油器處滲漏檢查。機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中拆除受油器外罩頂端蓋板，檢查受油器外罩內(nèi)部的槳葉開啟、關(guān)閉油管路連接法蘭是否存在滲漏，用干凈布擦拭后發(fā)現(xiàn)法蘭無滲漏情況。

表1 上導(dǎo)油槽蓋密封間隙測量值

觀察機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中受油器各部件工作情況，發(fā)現(xiàn)集電環(huán)外罩上方確有集油，并可觀察到機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中油分配器支架凹孔(為避讓上下移動的油分配器油管所設(shè))處不斷有細(xì)油滴被甩出，聚集于支架接油盤和集電環(huán)外罩上方，且集電環(huán)外罩上方確有集油。當(dāng)油滴落于接油盤中時(shí)，接油盤中開有排油孔，形成的集油便通過排油孔流入集油槽。而當(dāng)油滴被甩致接油盤外的集電環(huán)外罩上方時(shí)，則積油便沿集電環(huán)外罩向內(nèi)、外兩側(cè)流動，在內(nèi)側(cè)形成油珠，在外側(cè)滲漏到踏板。由此判斷，集電環(huán)油污問題系受油器滲漏導(dǎo)致。

2 受油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及實(shí)施

2.1 受油器滲漏點(diǎn)的封堵

(1)消除或減小受油器油分配器和油管路法蘭滲漏油。針對檢查中發(fā)現(xiàn)的受油器滲漏問題，首先制定了油管路法蘭密封更換滲漏處理的計(jì)劃，解決油管路滲漏問題。其次是對油分配器滲漏解決。因油分配器與操作油管之間設(shè)計(jì)有間隙，分析后認(rèn)為，機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中，油液從油分配器和操作油管之間的間隙滲出是必然的，若滲漏量不大，屬正常現(xiàn)象。現(xiàn)場檢查時(shí)，其滲漏量亦較小，無需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，僅需檢修中檢查核實(shí)油分配器間隙，更換密封，保證滲漏不增大。

(2)減小支架凹孔處的甩油量。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中對受油器的檢查，油分配器支架扇形凹孔處不斷有細(xì)油滴被甩出，聚集于支架外的集電環(huán)外罩上方，在對支架凹孔實(shí)際尺寸進(jìn)行測量中，發(fā)現(xiàn)凹孔尺寸遠(yuǎn)大于槳葉全行程動作時(shí)油分配器油管上下移動的所需空間，即凹孔尺寸過大。分析認(rèn)為，滿足支架凹孔作用前提下適當(dāng)縮小凹孔尺寸，可有效遮擋甩出油滴，減小集電環(huán)上方的集油。參考同類型機(jī)組相關(guān)受油器結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)例，計(jì)算設(shè)計(jì)一塊扇形凹孔面積更小，可靈活拆裝安裝在支架上的凹形活動擋板[4]。

(3)集電環(huán)外罩上方集油封堵。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行中聚集在集電環(huán)是上方的集油向集電環(huán)外罩內(nèi)側(cè)流動，便可從集電環(huán)外罩與接油盤之間間隙流出，聚集在集電環(huán)外罩內(nèi)側(cè)圓周方向，滴落在集電環(huán)裝置上；向集電環(huán)外側(cè)流動，則從受油器外罩與集電環(huán)外罩連接面滲漏的實(shí)際情況。技術(shù)人員經(jīng)過仔細(xì)分析、思考，制定了在集電環(huán)外罩與接油盤之間增設(shè)密封，外側(cè)涂抹密封膠的處理方案。

2.2 集電環(huán)外罩集油的排出

為減少集電環(huán)外罩上方集油，降低滲漏可能，初步擬定了將集電環(huán)外罩鉆孔，接排油管路將集油引致集油槽排油管上的方案。因集電環(huán)外罩位置較集油槽和集油槽排油管高，集油槽排油管油液無壓，考慮到集電環(huán)外罩圓周大，各部位不在同一水平面，排油孔數(shù)量少可能使油液集聚在底凹處，影響排油效果，方案中沿圓周方向均勻設(shè)置4個(gè)排油孔，并在排油管上安裝手動閥門。

2.3 制定受油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最終方案

(1)在原支架扇形凹孔處增設(shè)扇形凹孔面積更小的活動擋板，將扇形凹孔面積由原來的約53 355 mm2減小到31 952 mm2，增加了有效遮擋面積約40%，減少油滴甩出量，控制了滲漏油源。

(2)根據(jù)受油器防止集電環(huán)外罩向接油盤及支架傳輸軸電流，造成油分配器瓦面損傷的必要性，受油器透平油運(yùn)行油溫和集油無壓，集電環(huán)外罩和支架接油盤的裝配尺寸，以及密封的安裝便捷和使用可靠等情況綜合考慮，采用在集電環(huán)外罩向接油盤及支架之間新增密封。經(jīng)對密封的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究對比，確定使用Φ12 mm的絕緣O型橡膠密封[5]。

(3)在集電環(huán)外罩外側(cè)圓周方向90°間隔均勻鉆取4個(gè)Φ25 mm的排油孔，并裝配排油管路，經(jīng)閥門引致集油槽排油管路。及時(shí)將集油排出，降低集電環(huán)外罩內(nèi)、外側(cè)滲漏的可能。

2.4 受油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的實(shí)施

經(jīng)過機(jī)組檢修對受油器油管路、油分配器等重點(diǎn)部位進(jìn)行密封更換和檢修處理，以及對受油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的組織監(jiān)督實(shí)施，機(jī)組投運(yùn)后受油器各部件運(yùn)行良好，集電環(huán)油污問題得到了徹底解決。安谷水電站5號機(jī)組受油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理后運(yùn)行至今，機(jī)組集電環(huán)未出現(xiàn)過類似問題。

3 結(jié) 語

受油器是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組的重要部件，受油器漏油也是該機(jī)型一個(gè)常見問題。如何有效控制漏油，將漏油可靠排走，減小漏油對機(jī)組其他部件和設(shè)備的影響，保持設(shè)備清潔，體現(xiàn)了一個(gè)制造廠設(shè)計(jì)人員的實(shí)踐經(jīng)歷和技術(shù)水平。從安谷水電站5號機(jī)組投運(yùn)初期集電環(huán)油污問題以及圍繞問題展開的漏油原因分析查找、受油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和檢修實(shí)施處理經(jīng)過看，受油器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能導(dǎo)致滲漏的原因較多，油分配器等重點(diǎn)部位的滲漏能引起重視，得到很好的解決，但一些零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)往往會被設(shè)計(jì)人員疏忽，存在考慮不全、脫離實(shí)際的情況。希望通過安谷水電站5號機(jī)組受油器存在的問題和結(jié)構(gòu)優(yōu)化為行業(yè)內(nèi)同類型機(jī)組集電環(huán)油污查找、受油器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)改造等提供經(jīng)驗(yàn)。