大型抽水蓄能导叶止推装置关键技术分析

李德芳，何少润，陈泓宇，雷 慧，李 展，李 硕，季怀杰

（1.中国南方电网调峰调频发电公司，广东省广州市 510640；2.深圳蓄能发电有限公司，广东省深圳市518115；3.中国南方电网调峰调频发电公司清远抽水蓄能建设管理局，广东省清远市 511853）

0 引言

仙游抽水蓄能电站（以下简称仙蓄）、深圳抽水蓄能电站（以下简称深蓄）和海南琼中抽水蓄能电站（以下简称海蓄）的水泵水轮机导叶止推装置均是参照法国ALSTOM设计制造的惠州抽水蓄能电站（以下简称惠蓄）结构模式，如图1所示。

惠蓄和仙蓄的导叶止推装置运行中曾先后出现止推垫断裂损坏事件，以下详述。

图1 惠蓄电站导叶止推装置Fig.1 Guide Vane thrusting Device of Huizhou PSPP

1 导叶止推装置故障情况

图2 惠蓄止推环Fig.2 Thrust ring of Huizhou PSPP

（1）惠蓄导叶止推装置的结构如图1所示，其关键部件是装配在压环和导叶上套筒上的上、下自润滑止推衬垫，每个导叶的止推衬垫分成四瓣组成一个整圆，如图2所示。最初是3号机10号导叶自润滑止推垫发生断裂（见图3），当时厂家方面认为是由于上套筒上的螺孔歪斜，造成5颗M8沉头螺钉挤压止推垫而使之断裂毁损，但进行更换处理后其他机组也发生了类似情况，可以判定螺孔歪斜、螺钉挤压止推垫并非造成其毁断的主要因素。

图3 惠蓄止推垫断裂情况Fig.3 Broken thrust plate of Huizhou PSPP

（2）仙蓄导叶止推装置的结构如图4所示，运行中同样出现止推垫断裂损坏，甚至引起部分导叶下落擦伤抗磨板的事件。

2 惠蓄和仙蓄止推垫结构分析和材质（ORKOTTXM-M）的分析

（1）惠蓄和仙蓄止推垫截面宽度30mm中开孔19mm，即5mm厚扇形垫的内外缘单边最窄处仅有5.5mm宽，每瓣这些均为应力集中的薄弱部位可能会在可逆式机组工况转换承受超乎寻常应力时而毁断损坏。

（2）惠蓄和仙蓄止推垫材质（ORKOT-TXM-M）与其他使用材料的比较

目前用于导叶止推垫材质主要是ORKOTTXM-M、DEVA-BM342、FZ-6和 GGB CBM312三种材料，而ORKOT-TXM-M为非金属材料较其他三种金属自润滑材料，强度较低、容易拉断。

图4 仙蓄导叶止推装置Fig.4 Guide Vane thrusting Device of Xianyou PSPP

表1 止推垫材质技术特性比较表Tab.1 Comparison of technical characteristics of thrust plate material

从表1可以看出，这种材质相对于与层面平行的抗压强度较低，拉伸强度低（拉伸弹性模量小）。水泵水轮机导叶的止推垫在承受压应力的同时，各种不同工况及其转换也会对其产生拉伸、剪切及与层面平行的挤压等多种应力。因此，ORKOT-TXM-M材质用于惠蓄和仙蓄导叶止推垫的设计、制造是值得商榷的。

3 惠蓄和仙蓄技术改造

（1）惠蓄在导叶止推环规格尺寸已不可能更改的情况下，采用德国进口优质DEVA-BM的双金属自润滑材料替换原来的ORKOT-TXM-M，其技术性能参见表1。投入运行多年以来，除发生个别螺钉松动的情况外尚未发现有异常情况。

（2）仙蓄的技术改造正在进行中，设计制造方（东方电机）决定：

1）为增加抗磨板的耐磨性，抗磨材料更换为铜基自润滑层和碳钢基体复合而成的FZ-6，其技术性能与DEVA-BM类同，参见表1。

2）为降低压应力，减少磨损，采用每个导叶单块抗磨板角度56º×4块型式，厚度增加到8+0.1mm（其中摩擦层标准厚度为1.5mm），供螺钉使用的开孔最大直径减为17mm，相邻孔距为64mm，见图5。

3）抗磨板与上套筒增加4个φ10销子（销孔为φ10H12，销子为GB/T 879.4钢制标准型弹性圆柱销10×24mm，见图6），销孔深26mm，销子沉入抗磨板2mm，如图5和图6所示。标准型弹性圆柱销压入孔中仍能保持弹性，起到缓冲振动与冲击作用、避免螺钉孔损坏。

4）固定螺钉由原来的8.8级提高为10.9级，要求安装把合时清洗干净、在螺孔底部和螺钉上涂抹锁固剂，以期防止松动、脱落乃至断裂。

（3）东方电机在设计制造深蓄水泵水轮机时汲取仙蓄的经验教训，对导叶止推装置进行了更新改造，其要点是：

1）止推垫结构设计如图7所示，4×90º扇形垫的截面宽度30mm，中部开孔最大值减至φ15mm，即内外缘各有7.5mm裕量，同时垫厚增至10mm，仍采用5颗M8沉头内六角螺钉。

图5 仙蓄导叶止推垫（改造）Fig.5 Thrust plate of Xianyou PSPP（after reformed）

图6 仙蓄止推垫装配（改造）Fig.6 Thrust plate of Xianyou PSPP（after reformed）

图7 深蓄导叶止推垫Fig.7 Thrust plate of Shenzhen PSPP

2）由图7可知，虽然止推垫开孔尺寸b1=7.5mm＜（10～30mm）、l1=57.6mm略小于60mm，但由于止推垫厚度增至10mm，其断面面积裕量还是相当大的。而b=15mm=D，则是符合推荐指导值的，以上均参见图10和图11。

3）所采用材质为GGB CBM312，是GGB轴承技术全新上市的自润滑金属材料，其机械性能等同DEVA BM，见表1。

4 海蓄导叶止推装置设计分析

（1）海蓄导叶止推装置设计类同惠蓄，如图8所示。

（2）每个导叶均布4片材质为德国进口DEVA BM342的止推垫，其结构参见图9。

图8 海蓄导叶止推装置结构Fig.8 Thrust device structure of Qiongzhong PSPP

（3）如图9所示止推垫是符合标准产品规格尺寸的（见表2黑体字），标准产品规格尺寸见图10和图11。

图9 海蓄导叶止推垫Fig.9 Thrust plate of Qiongzhong PSPP

表2 标准产品规格尺寸Tab.2 Specifications of standard product

图10 DEVA BM标准图Fig.10 Standard diagram of DEVA BM

图11 DEVA BM垫板标准图Fig.11 Standard diagram of backing plate of DEVA BM

（4）但是，止推垫开孔相关尺寸b1=5mm＜（10～30mm）、l1≈ 42.8mm＜（60～150mm）、b=15＜（1～1.5）D，即与推荐指导值（以上的黑体字）均有一定差距。

5 导叶止推装置分析与探讨

（1）抽水蓄能机组在工况转换的特殊情况下，尤其是在导叶小开度时，由于导叶自关闭力矩和转轮出口的水压周期性输入导叶控制反馈机构的影响，可能激发导叶和导水机构的自激振动（其振动频率接近导水机构当时条件下的扭转振动固有频率时就会形成强烈共振）。其时，导叶止推装置也可能由于挤压、剪切以及振动的应力交织而产生危害性损伤。

（2）热固树脂复合材料的ORKOT-TXM-M虽有摩擦系数小、承载力大的优点，与层面平行的抗压强度较低、拉伸强度低（拉伸弹性模量小）以及剪切强度不高的弊端，当负载超过其弹性临界点时还可能出现永久变形。ORKOT的技术资料表明，负载施力方向垂直于材料纤维层方向时的动态最高设计负载是40N/mm2，负载施力方向与材料纤维层方向相互平行时动态最高设计负载仅20N/mm2。例如，在导叶止推装置同样采用ALSTOM模式结构的蒲石河抽水蓄能电站，对其非金属止推垫进行过测试及ANSYS软件有限单元刚度计算分析均证实在正常运行工况下的变性量≥0.10mm。因此，止推垫可能失去内六角螺钉的紧固约束而处于游移状态，在纵横向振动、冲击力作用下断裂、破损的发生就难以避免了。

（3）面对惠蓄和仙蓄止推垫损坏的实际情况，在用户要求下，无论是惠蓄和仙蓄的技术改造还是深蓄、海蓄的设计，都采用了纵横向承载力更大、拉伸强度更大的DEVA-BM342以及同一级别的FZ-6和GGB CBM312等双金属自润滑材料，无疑这是规避止推垫断裂破损稳妥有效的积极措施。

（4）DEVA-BM相关技术手册对其产品的规格尺寸一般都提出相应的推荐指导值，对于类同抽水蓄能电站导叶滑板式止推垫，则有如下要求（见图11）：

1）b1=（10～30mm）；

2）l1=（60～150mm）；

3）b=（1～1.5）D。

而采用如图10所示DEVA-BM规范产品的海蓄导叶止推垫，厚度h也只有3mm、紧固螺钉采用M8内六角型式、开孔值为φ20mm。如前所述，由于止推垫片尺寸受整体结构限制，所以不能完全符合按理想状态设置的推荐指导值。经咨询，DEVA供应商要求当实际工况满足于材料应用值域的情况下，应严格按照ISO10642-8.8级（M8）标准进行安装（见图12）：

1）人工手持芯棒击打自润滑材料的下部表面；

2）半埋头螺钉安装于已预制的自润滑板上（螺钉丝牙涂抹润滑脂）；

3）连接完成。

只要措施得当，目前的开孔位置不会引起抗磨板的断裂，对于海蓄机组而言还是能够满足使用要求的。

（5）正是由于实际运行中的惠蓄、仙蓄都发生了止推垫断裂破损的故障，东方电机对深蓄水泵水轮机导叶止推装置所采用的如图7所示的止推垫是能确保机组安全稳定运行的优化设计，值得倡导和推广。

图12 EN ISO 10642（DIN 7991）沉头螺钉的安装Fig.12 Installation of sunk screw of EN ISO 10642（DIN 7991）

6 结束语

抽水蓄能机组在工况转换频繁，导叶止推装置由于挤压、剪切以及振动的应力交织而产生危害性损伤，对导叶止推装置有较高的要求，通过对各电站导叶止推装置应用情况进行比较分析，说明采用纵横向承载力更大、拉伸强度大的材质和优化止推装置的设计，对电站设备的安全稳定运行有较大意义。

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李德芳（1976—），男，工程硕士，主要研究方向：抽水蓄能电站机电工程建设管理。E-mail：18707556010@139.com

何少润（1946—），男，教授级高级工程师，主要研究方向：水电站机电设备管理及安装调试。E-mail：248370406@qq.com

陈泓宇（1975—），男，高级工程师，主要研究方向：电站基建和电厂技术管理。E-mail：542120791@qq.com

雷 慧（1984—），男，硕士，主要研究方向：抽水蓄能电站机电工程建设管理。E-mail：leihui346@163.com

李 展（1990—），男，学士，主要研究方向：抽水蓄能电站机电工程建设管理。E-mail：lenzhan@126.com

李 硕（1987—），男，硕士，主要研究方向：抽水蓄能电站机电工程建设管理。E-mail：13926163857@163.com

季怀杰（1985—），男，助理工程师，主要从事水利水电机械检修和电力基建。E-mail： simba9121@sina.com