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(hào)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(duì)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(hào)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)葉軸頸過盈0.05mm~0.1mm， 對(duì)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(kù)， 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(guó)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(jiǎn)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(dòng)。一次調(diào)頻退出。A機(jī)比例閥拒動(dòng)，數(shù)字閥拒動(dòng)，B機(jī)數(shù)字閥拒動(dòng)，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(dòng)，故障信號(hào)復(fù)歸正常，水車室檢查無(wú)異常。調(diào)整負(fù)荷不動(dòng)（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(dòng)作正確。并網(wǎng)帶負(fù)荷到140MW時(shí)，B機(jī)比例閥拒動(dòng)自動(dòng)切至數(shù)字閥，繼續(xù)增減負(fù)荷，數(shù)字閥拒動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)。調(diào)速器切機(jī)手動(dòng)，增減負(fù)荷正常。調(diào)速器切自動(dòng)B套數(shù)字閥增減負(fù)荷正常， 調(diào)速器切自動(dòng)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(dòng)作正常，由170MW升至200MW時(shí)，負(fù)荷調(diào)整不動(dòng)。檢查A機(jī)數(shù)字閥拒動(dòng)，B機(jī)比例閥、數(shù)字閥拒動(dòng)。在機(jī)手動(dòng)方式下負(fù)荷只能降不能升，雙重濾過器切換一次無(wú)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(dòng)，B機(jī)比例閥、數(shù)字閥拒動(dòng)。切至機(jī)手動(dòng)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(dòng)。油壓為1.35MPa時(shí)，導(dǎo)葉開到50%不動(dòng)。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(dòng)，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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(cè)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(duì)4號(hào)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(duì)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(dòng)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)此現(xiàn)象，將機(jī)組檢修工期延長(zhǎng)，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(lái)其他型號(hào)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(cè)[1]對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)缺乏對(duì)非金屬材料的檢測(cè)手段從而僅憑外觀檢測(cè)和廠家出具的出廠證明，但試驗(yàn)時(shí)間無(wú)法模擬機(jī)組長(zhǎng)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(huì)帶來(lái)導(dǎo)葉套筒漏水量的增大和轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)機(jī)組運(yùn)行工況帶來(lái)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(guó)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(rùn)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(rùn)滑軸承等多種復(fù)合材料在其他電站的成功使用，對(duì)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(lái)選擇新型套筒材料的技術(shù)儲(chǔ)備和積累經(jīng)驗(yàn)。
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