石柱头电站水轮机桨叶反馈系统失联的分析与处理

张　庆，韩　三，郑路福，方红芳，胡金杰

(浙江金轮机电实业有限公司，浙江　金华　321002)

石柱头电站水轮机桨叶反馈系统失联的分析与处理

张庆，韩三，郑路福，方红芳，胡金杰

(浙江金轮机电实业有限公司，浙江金华321002)

摘要：针对石柱头电站调桨式水轮机桨叶反馈系统失联问题进行技术分析,提出二次推动理论和处理方案,并作了进一步的优化。机组目前已稳定运行1年多，桨叶反馈机构正常且灵敏。图9幅。

关键词：调桨式水轮机；反馈系统；失联；二次推动； 优化

1问题的提出

石柱头电站位于浙江省金华市婺城区白沙溪与金华江汇合口下游约850 m的石柱头村，河畔桥电站下游约7.5 km处，是石柱头水利枢纽工程的组成部分。电站装有3台GDJ735B—WS—290定桨式竖井贯流水轮机和1台GZJ735B—WS—290调桨式竖井贯流水轮机，总装机容量为4×800 kW。

4套水轮机于2014年6月10日全部安装完毕，具备无水试验条件。3套定桨机动作试验顺利完成，但调桨机在动作试验时，调速器上的桨叶开度突然失去指示(指示始终处于关闭状态)。调速器改为手动操作，明显听到进油声音——机器不能自动实现开关机。分别拆开转轮室和反馈装置的罩壳，再次启动桨叶接力器操作系统，观察发现：桨叶是可动的，而反馈系统是不动的，说明桨叶动作与反馈系统处于失联状态。

2桨叶反馈系统的作用

调桨式水轮机是为了使水力资源得到充分地利用，让电站取得最佳经济效益，要求在各种工况水头、流量下都在最高效率区运行的一种机器(即调桨式水轮机具有适应各种水头、流量变化的能力)。它是通过水轮机桨叶与导叶的协联来实现最佳匹配的，桨叶的转动由桨叶接力器推动，桨叶接力器的动作由调速器控制。反馈系统连接在桨叶接力器上，来反应桨叶的角度，由它指挥调速器去完成桨叶与导叶的匹配；所以调桨是由桨叶接力器、调速器和反馈系统三者共同完成的。

本电站反馈系统是通过测距仪的测距来反应桨叶的角度，即由测距仪测得的距离是否与当前水头、当前出力下的最佳桨叶开度相吻合；然后对调速器发出增减桨叶开度的操作指令，并由调速器来控制桨叶接力器的开关动作；进而实现当前水头、当前出力下桨叶开度最佳、运行最佳之目的。所以桨叶接力器是桨叶动作的操作机构，调速器是桨叶接力器动作的控制系统，反馈系统是调速器的指挥系统。反馈系统失联，调速器就处于无指挥状态，协联就处于混乱状态，调桨机自然也就失去的调桨功能(见图1)。

图1反馈装置(改进前设计)

3失联的现象及原因分析

3.1拆反馈系统后现象观察

(1)推拉杆与滑块已分离。推拉杆与滑块通过卡环及联接螺栓联接，半只卡环从滑块场脱落，卡环联接螺栓断裂(见图2)。

(2)滑块已完全胀死在主轴内孔中。虽采取多种办法都无法松动滑块；滑杆上加载3 t葫芦都无法松动滑块。

图2卡环脱落

(3)滑杆离腰子槽边缘超过运动极限位置。设计极限值应为28 mm，实际测量值只有20 mm,(超过运动极限8 mm)(见图3)。

(4)拆出反馈系统进一步发现：推拉杆呈S形麻花状(见图4)。

图4推拉杆呈S形

3.2现象的分析

(1)半只卡环从滑块上脱落，有2只M12的螺栓断裂，断裂时的载荷应大于2×26 100 N=52 200 N=5.22 t。

(2)从滑块完全卡死在主轴内根本无法弄松看，内孔抱紧滑块的力非常巨大；而滑块与主轴内孔应为间隙配合，滑块滑动中，只克服活动件的重量引起的摩擦副，属于非受力件。滑动应灵活轻巧，无卡阻现象。

(3)从推拉杆呈S形麻花状现象分析，推拉杆受到过很大的推力,然后发生弯曲。

(4)从滑杆离腰子槽边缘距离仅为20 mm超过运动极限位置(应为28 mm)达8 mm，说明滑块受过超运动极限的推动。

3.3数据分析

(1)径向配合方面

(2)长度尺寸方面

图纸尺寸：桨叶接力器按中间位置设计，桨叶接力器行程(即滑块行程)为±62，主轴内孔比滑块(滑块中间位置时)深110 mm。在桨叶接力器运动到全开极限位置时，主轴内孔仍比滑块深110-62=48 mm，不会产生顶撞现象。

实物测量：主轴内孔深度达到要求。

3.4滑块的二次推动理论

因为当时调速器全开、全关操作过多次，桨叶也来回运动过多次，所以当推拉杆脱出卡环后就会造成滑块的二次推动。具体分析如下：

(1)首先桨叶第一次全关时，在40 kg/cm2的油压作用下，把滑块硬生生的推入并无径向间隙的主轴内孔内；此时桨叶接力器在全关极限位置(滑杆离腰子槽边缘距离为28 mm)。

(2)然后桨叶开启时，因滑块已卡死在主轴内孔中，油压拉动推拉杆时发生卡环联接螺栓2只断裂(此时断裂载荷应超过2×26 100 N约为5.22 t)，造成半只卡环脱落。

(3)当桨叶再次关闭时，此时因推拉杆长出了卡环联接部分的长度(增长量=15+15=30 mm),推拉杆再次前推滑块, 推拉杆的头部作用在半只卡环上(或掉下的上半只卡环上)，一是造成滑块的二次推动又前移了8 mm；二是发生推拉杆的头部弯曲，并使推拉杆呈S形麻花状弯曲。

4问题的处理

(1)主轴内孔的处理

(2)滑块结构的再优化

配合方面应适当地加大间隙，同时考虑到主轴深孔加工难免的大小头现象，将滑块原尺寸公差φ140d9前端改为φ140a9，后端改为φ140b9。

为了减少摩擦副，应尽量减轻活动件的重量，将滑块的长度由原来的308 mm缩短为190 mm。另外，将不必要的部分进行去除来减轻滑块的重量(见图5、6)。

图5　滑块(改进前设计)

图6滑块(改进后设计)

(3)卡环联接能力的加强

为了防止卡环脱落，加强卡环的联接能力，将原联接螺栓由4—M12改为6—M16(见图7、8)。

5装机、动作试验及运行

装机时就注意到对滑块的动作灵敏性进行手工拉动试验，达到了轻巧灵活的要求。装机后，经动作试验一次成功。投产发电后，运行平稳，性能优越(见图9)。

图7卡环(改进前设计)

图8　卡环(改进后设计)

图9　反馈装置(改进后设计)

6经验与教训

(1)该结构滑块在主轴内孔中滑动，而主轴内孔为深孔加工，深孔加工存在一定的大小头现象；所以在零件加工时一定要有良好的加工工艺来保证零件的尺寸要求。

(2)对于设计者来说，也应充分考虑这一现象的存在，配合方面应适当地加大间隙，同时为了减少摩擦副，应尽量减轻活动件的重量。

(3)对于安装者来说，安装过程中一定要对动作系统进行手工拉动试验，发现卡阻现象一定要及时处理，以免发生返工处理，以及给用户造成不必要的损失。

7结语

石柱头电站自投产至今已运行1年多，反馈系统准确且灵敏，机组运行稳定，全部满足设计期望值，深受业主的好评。

参考文献：

[1]田树棠，段宏江，于纪幸，樊洪刚，苑连军.贯流式水轮发电机组实用技术[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

■

责任编辑吴昊

收稿日期：2016-01-07

作者简介：张庆(1983-)，女，工程师，主要从事水轮发电机组结构设计及机组性能分析工作。

E_mail：309734572@qq.com