摘要：由水輪發電機組水輪機套筒引起的故障是水電站運行過程中存（cún）在的一個普（pǔ）遍（biàn）問題（tí），涵蓋設計、製造、安裝、檢修、運行等方麵（miàn）的原因。運行中機組的不同負荷工況（kuàng）引起套筒漏水、抱死的也有差異，需及時找（zhǎo）出其中原因並采取措施消除。文章介紹了某（mǒu）水電（diàn）廠4號機組運行（háng）時導葉套筒與導葉發生（shēng）抱（bào）死現象後，導致導葉不能操（cāo）作的現象描（miáo）述和分析，以及采用的措（cuò）施和取得的效果，繼（jì）而提出今後對導葉軸套方麵的改進設想。

關鍵詞：水電廠；水輪機（jī）組軸套；材料

0 引言

      某水電廠4 號機組1974年投運， 於1998年完成（chéng）增容改造， 機組（zǔ）額定功率由225MW增容至255MW。增容（róng）改造中水輪機部分除埋設部件和水（shuǐ）輪機大軸、水導瓦未進（jìn）行（háng）更換外，重新設計製造了轉輪、頂蓋、活動導葉、底環、接力器及（jí）水輪機附屬部件。水輪機結構為立軸混流式（HL430a-LJ-550），發電機為二（èr）導懸吊式（TS255/12640-48） ， 均由哈爾（ěr）濱電機（jī）廠製造（zào）， 額（é）定轉速1 2 5 r / m i n ， 額定流量290m3 /s 。導水機構的導葉軸套由上、中、下軸套構成，上軸套為聚甲（jiǎ）醛鋼背複合材料軸套（tào）， 中、下（xià）軸套采用1010，期（qī）間運行穩定，增容改造後進行了兩次擴修， 分別為2 0 0 3 年和2 0 0 9 年。2 0 0 9 年擴修時應用了MC尼龍材料作為導（dǎo）葉中、下軸套，其安裝間隙為（wéi）0.4mm~0.45mm，穩定運行半年後，機組在90MW~240MW負荷區（qū）間出現導葉發（fā）卡， 並伴有負荷調整不順暢現象， 在後期檢修發現中、下軸（zhóu）套內徑平均收縮量均為0 . 5 m m 。產生軸套與活動（dòng）導葉軸頸過盈0.05mm~0.1mm， 對（duì）中軸套內徑進行機加工， 其與（yǔ）導葉軸頸裝配後間隙加工（gōng）後為0.65mm~0.7mm。下軸套更換為尼龍1010，導葉軸（zhóu）頸裝配後間隙擴大為0.65mm~0.7mm， 完成（chéng）事故（gù）處理。

1 故障發（fā）生情況

      2010年8 月8日由於上遊（yóu）降雨影響，黃河攜帶超過1 0 0 k g / m 3沙量入庫， 機組過（guò）機沙量達58kg/m3。8月9日發現導葉有發卡現象，負荷在國電業·技術 2013年第5期90MW~240MW區間出現導葉發卡，並伴（bàn）有不同程度的調整不順暢的現象，相應接力器開度為50%~98%，截止9月2日，累計導葉發卡故障發生二十多次（cì），具有代表性情況如下（xià）。

      1.1 8月9日

      上位機簡報發出“電調故障”、“調速器比例閥（fá）工作複歸”。有功給定220MW，實發240MW。調速器在數字閥（fá）、自動。一次調頻退出。A機比例閥（fá）拒動，數字閥拒動，B機數字閥拒動，調速器在B機，比例閥。具體情況如表1所示。

      調速（sù）器切機（jī）手動，故障信號複歸正常，水車室檢查無異常。調整負荷不動（240MW），當（dāng）時全廠出（chū）力1100MW。

      1.2 8月10日

      落門停機，檢查導葉各部沒（méi）有（yǒu）發現明顯異常。調速器靜態試驗模擬開、停機，並網，增減（jiǎn）負荷動作正確。並網帶負荷到140MW時，B機比（bǐ）例閥拒動自動切至數（shù）字閥，繼續增減負荷，數字閥拒動信號出現。調速器切機手動（dòng），增減負荷正常。調速器（qì）切自動B套數字閥增減負荷正常， 調（diào）速器切自動B套比例閥增減（jiǎn）負荷正常。（200MW~240MW）

      1.3 8月11日

      小範圍調整負（fù）荷，由200MW降至170MW動作正常，由170MW升至200MW時，負荷調整不動。檢查A機數字閥拒動，B機比例閥、數字閥拒動。在機手動（dòng）方式下負荷隻能降不能升，雙重濾過器切換一次無效。負荷設置為100MW，當負荷升至90MW後不上升，當時導葉開度48%，調速器（qì）顯示（shì）：A機數字閥拒動，B機比（bǐ）例閥（fá）、數（shù）字閥拒（jù）動（dòng）。切至機手動後負（fù）荷隻能降不能升。停機，進水口（kǒu）閘（zhá）門（mén）全落。做摩擦力矩（jǔ）試驗： 油壓為1.3MPa時， 導葉開到48%不動。油壓為1.35MPa時，導葉開到（dào）50%不動（dòng）。導葉靜摩擦（cā）力明顯增大，壓力在1.3MPa時導（dǎo）葉開到47%不動，1.35MPa時50%，導葉開度越大，壓力也要越高，如表2所示。

2 處（chù）理情況

      累計對導葉發卡缺陷進行了六次排查，具體如（rú）下。

      1）開蝸殼門對導葉進行檢查，未發現有異物（wù）卡阻（zǔ），開機並網後140MW~160MW負荷導葉依舊卡阻。

      2 ） 調速器動作試驗和導葉靜（jìng）摩擦力矩試驗（yàn），初步判定導葉發卡是由（yóu）於導水機（jī）構（gòu）靜摩擦力矩增（zēng）大（dà）所致。

      3）調速器雙重過濾器檢查清掃、引導閥活塞檢查（chá）清掃、調速環檢查、中軸（zhóu）套檢查和導葉立麵、端麵間隙檢（jiǎn）查，檢查後再次進行了導水機構摩（mó）擦力（lì）矩試驗（yàn），排除了調速器故障、接力器（qì）故障、調速（sù）環摩擦塊損壞、中軸套進沙的原因。

      4）導（dǎo）葉端麵（miàn）間隙調整、拉緊度（dù）試驗，通過係列排查判斷（duàn）導葉發卡（kǎ）是由於導葉端麵間（jiān）隙變動和導葉軸套（tào）（材料為MC尼龍）吸水膨脹所致。

      5）導葉端麵間隙調整和導葉（yè）中軸套（材料為MC尼龍）膨脹處理。

      6 ） 通過測量發現（xiàn）機組2 0 隻導葉中軸套平均膨脹量達0.5mm，與導葉中軸徑配合平均徑向過盈量0.1mm。因此對4號機組導葉端麵間隙調整和導葉中軸（zhóu）套（ 材料為MC尼龍） 重新進行膨脹處理，全部進行了（le）車削加工，加工後與與導葉中軸徑平均配合間隙0.42mm， 下軸套更換為尼龍1010，導葉軸頸裝配後（hòu）間隙擴大（dà）為0.65mm~0.7mm，如（rú）表3，表4所示。

3 故障（zhàng）分析

      3.1 導葉軸套結構

      上（shàng）、中軸套布置在頂蓋套筒上下兩端，上軸套主要起輔助支（zhī）撐導葉的（de）作（zuò）用，中軸套直（zhí）接與轉輪上腔相通，主要（yào）是為了密封機組運行時轉輪上腔壓（yā）力水（shuǐ）。中軸套密封形式（shì）為“L”型密（mì）封和 “O”型密封。導（dǎo）葉下軸套布置在底環上，采用 “O”型密封圈防（fáng）止泥沙進入。

3.2 原因分析

      針對導葉出現（xiàn）發卡現象（xiàng），通過調速器試驗和接力器動作試驗排出了導葉異物（wù）卡阻、調（diào）速器故障、接力器（qì）故障（zhàng）、調速環摩擦塊（kuài）損壞等因素。通

      過測量中軸套內徑並與上年度（dù）檢修（xiū）安（ān）裝後相比收（shōu）縮0.5mm，與導葉軸（zhóu）頸形成過盈配合，其原因是尼龍材料的物理特性發生變化引起的膨脹。采取機加工的處理方法對內孔車（chē）削，使所有中軸套內（nèi）徑擴大間隙至0.65mm~0.7mm後；對中軸套間（jiān）隙處理（lǐ）後導葉發卡現象依舊存在，進（jìn）而引（yǐn）申為（wéi）導葉下軸套（tào）間隙過小成為發（fā）卡的主（zhǔ）要原因，對（duì）此現象，將機組檢修工期延（yán）長，分解水輪機部件，更換（huàn）下軸套，處理後故障消（xiāo）除，機組運行（háng）穩定。供貨商認為MC尼龍材料在各種物理化學性能（néng）上均優於（yú）尼龍1010，原來其他型號逐漸淘汰，都轉為生產MC尼龍產品。但MC尼龍軸套是否能符合（hé）該電廠比較特殊（shū）的工況條件，還需要進一步試驗論（lùn）證，但作為尼龍材料的主要物理性能參數的膨脹係數顯然不能（néng）滿足電站的使用條件，具有一（yī）定的（de）風險性。

      3.3 間（jiān）隙選擇的理論依據（jù）

      水輪機設計手冊[1]對離心熔鑄尼龍1010軸套的設計計算方法如（rú）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（wéi）軸套外（wài）徑； A 為設計要求實際間隙；計算方（fāng）法為A=0.22d/100；d為導葉相應軸頸；C為壁厚引起的（de）內徑收（shōu）縮修正值；當壁厚大於10mm時；取值（zhí）為0.05mm~0.1mm。

      對於該電廠機組中軸套外徑300mm，內徑266mm，下軸套外徑250mm，內徑225mm，由（yóu）於中下軸套（tào）加工工藝采（cǎi）用壓入後二次加工至配（pèi）合間隙，故公式（2）中Δ1取值為零經過計算，中軸（zhóu）套壓入過盈量為0.6mm，與導葉中軸徑間隙為（wéi）0.65mm~0.7mm；下軸（zhóu）套壓入（rù）過盈量（liàng）為（wéi）0.5mm，與導葉下（xià）軸徑間隙為0.55mm~0.6mm。

      尼龍產品供（gòng）貨商（shāng）在經驗上對套筒間（jiān）隙進行了如下計（jì）算。

4 改進方案（àn）

      水輪機套筒軸套與（yǔ）導葉（yè）之（zhī）間的（de）抱死現象產生是設計（jì）間隙、運（yùn）行工況、材料選擇等多方麵的綜合體現（xiàn），也是水電廠常見故障，在多（duō）次該類缺陷（xiàn）的處理過程中，從機加工方麵和材料選擇兩個方麵考慮處理方案，重點對水輪機（jī）套筒軸套與導葉之間（jiān）的設計間隙進行了檢查（chá）、對比、調整，同時為防止機加工變形和由於環境溫度、濕度變化從而產生的間隙變化，在機械（xiè）加工工藝上做（zuò）了較大改進，從該方（fāng）麵杜絕間隙過（guò）小產生抱（bào）死現象。在材料選擇上選用尼龍（lóng）1010，在材料到場後進行（háng）浸泡（pào）試驗以驗證材料的吸（xī）水率和膨脹率，現場（chǎng）缺乏對非金（jīn）屬材料的檢測手（shǒu）段從而（ér）僅憑（píng）外觀檢測和廠家出具的出（chū）廠證明，但（dàn）試驗時間（jiān）無法（fǎ）模擬機組（zǔ）長期運行時的各種工況，因而材料的可靠性不足，隱患依然存在，同時（shí）若導葉與配合軸承的間隙（xì）擴大，一方麵（miàn）會帶來導葉套筒漏水量（liàng）的增大和轉動配合麵之間進砂量增（zēng）加（jiā），從而加劇導葉軸頸的磨損；另一方麵由於導水機（jī）構整體間隙的變化從而影響到停機狀態下的機組漏水量。因此，僅通過調整和改變導葉套筒間隙值的方案帶有一定的弊端。必須通過多年（nián）的運行經驗調整水輪機套筒（tǒng）軸套與導葉之間的間（jiān）隙值和適合的材料[2]，才能使得機組平（píng）穩、安全運行。

5 結論

      在水電廠中多（duō）泥沙河（hé）流上的水輪發電機組（zǔ），水輪機套筒軸套材料的選擇應更為慎重，由於受上遊降雨影響，過（guò）機沙量在汛期變化較大，若沙量大於一定數值，將對（duì）機組運行工（gōng）況帶來較為嚴（yán）重的影響。在水輪機套筒軸套選擇上應充（chōng）分考慮材料物理化學性能在特殊環境下的變化，並計（jì）算加工誤差等人（rén）為因素。隨著各類國內外（wài）新型材料和技術（shù）的出現及應用，在水質（zhì）條件有所改（gǎi）善條件下（xià），同時兼顧穩定的物理特（tè）性（xìng）和良好（hǎo）的耐磨和潤滑（huá）性能的軸套材料，代替以尼龍為製（zhì）造（zào）材料（liào）的水（shuǐ）輪機軸套才能成為可能。例如（rú）采用（yòng）銅基鑲（xiāng）嵌自潤滑軸承等多種複（fù）合（hé）材料在其他電站的成功使用（yòng），對今後處理該類型的故障建議更換使用新型複合材料的軸承以減小尼龍材料的（de）吸水膨脹幾率，可在機組檢修期間試用數量較少的新材料驗證試用效果，做為將來選擇新（xīn）型套筒材料的技術儲備和積累（lèi）經驗（yàn）。