轴流转桨式水轮机桨叶开度测量技术研究及应用

林家洋

(福建水口发电集团有限公司，福建福州350004)

0 前 言

某电站共安装7台目前世界上单机容量最大的轴流转桨式水轮发电机组，自1993年8月第一台机组投产至1996年12月7台机组相继投产发电。桨叶开度测量作为机组调速器实现协联运行最重要的条件之一，20多年来，水轮机桨叶系统曾经发生过多次运行中烧瓦、反馈装置拉断(如图1所示)、浮动瓦漏油大等缺陷[1]。据了解，国内外水电站轴流转桨式水轮机桨叶反馈装置均采用接触式结构，由于结构复杂，机组运行过程中既有旋转运动，也有轴向移动，桨叶开度位置测量必须将旋转运动部分通过一套轴承过渡装置转换为只有轴向位移的单一运动。但是由于其运行中要求同心度、垂直度以及水平度相当高，旋转部件运行过程中必然存在机械磨损，一旦位置偏差超过允许范围，反馈轴蹩劲发卡，滑轴与滑套配合不同心被拉断，必须立即组织抢修，整组更换滑轴、滚动轴承和滑套，导致较大损失，该问题成为困扰轴流转桨式机组安全稳定运行的一大隐患。

图1 接触式开度反馈结构折断

1 接触式桨叶开度反馈装置失效原因

接触式桨叶开度反馈装置失效的主要原因有以下4方面：

(1)结构方面。图2所示受油器反馈结构由上操作油管、外罩、过渡轴、轴承装配、滑轴、滑套以及位移传感器构成。上操作油管随机组同步旋转，为了实时反映机组桨叶位置状态，通过过渡轴及轴承装配实现将旋转运动转换为轴向移动，从而将桨叶角度位置机械信号转换为电气信号输出，为机组导叶、桨叶通过调速器协联关系进行运行状态调节。但是由于反馈装置整体处于机组最顶部，转换环节中有多处联接及配合，轴承、滑轴、滑套必然存在磨损问题，运行中这些部件存在晃动不稳定状态，为设备正常运行埋下隐患[2]。

图2 受油器原反馈结构示意

(2)安装及检修工艺方面。反馈装置安装及检修要求高，必须严格控制反馈轴水平度在0.05 mm/m以内，上操作油管与固定部件中心偏差必须小于0.50 mm，同时，操作油管净全摆度值必须在0.20 mm 以内。由于安装或检修时，操作油管属于细长杆，由上、中、下三段组成，共有4个分段连接处，其同心度很难保证一致，存在一定曲折量；受油器整体底座水平面受结构及加工限制，水平也很难达0.05 mm/m以内，同心度虽然在检修或安装时调整合格，但运行一段时间，每次检修都发现有较大偏差。这3种关键技术指标运行后均超过技术要求，因此，在机组运行中上下移动时容易引起发卡、蹩劲以及不灵活等问题，超过一定程度就会导致拉伤、拉断事故。

(3)运行维护方面。对于滚动轴承、滑轴以及滑套摩擦部件，日常润滑保养是保证其正常运行的外部因素，润滑不足造成干摩擦，增加上下移动阻力，运行受阻导致拉断。此外，滚动轴承运行磨损，随着时间累积，会引起间隙变大，若没有及时更换检修，必将导致轴线倾斜、不同心。

(4)不利工况影响方面。作为调峰调频机组以及受水电机组季节性影响，机组频繁开停机、负荷调节，必然加大旋转部件磨损、使用寿命缩短。

2 非接触式桨叶开度反馈装置研制

目前轴流机组或贯流机组桨叶反馈方式基本采用接触式转换装置，这是一种传统结构。由于上述4个方面的原因，导致接触式桨叶开度反馈装置失效。针对产生问题的原因，经过多次分析研讨，设计不同方案，反复论证，提出非接触式桨叶开度测量反馈结构[3]，其基本逻辑框图如图3所示。

图3 非接触式桨叶开度信号采集及处理逻辑

非接触式桨叶反馈装置采用磁致伸缩位移传感器测量原理[4](如图4所示)，通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确测量位置。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是一个真正的绝对值，而不是比例的或放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，更无需定期重标。

图4 桨叶开度测量原理示意

表1 桨叶开度传感器测量记录 (°)

3 非接触式桨叶开度测量反馈装置的安装与运行试验

3.1 安装及注意事项

非接触式桨叶开度测量装置如图5所示。安装时，将转轴联结在上操作油管上，调整两者同心度；将磁性环安装在转轴上，检查磁性环与转轴同心情况，再把反馈杆、位移传感器安装在外罩顶部平台，找准水平及与磁性环的同心度，保证圆周方向间基本均匀。同时，行程刻度板、行程刻度指示线按设计要求装配到位[5]。最后按接线图，连接电源线、信号线以及与调速器电气柜输入端子。

安装及初试中，应在接线前检查供电电源是否满足+15V DC～+24V DC的要求，并且电源输出功率必须大于产品总功耗，电缆的屏蔽网线必须保持完好无断线，并接到后续设备的地端。传感器的屏蔽电缆线必须避开大功率电源、高压电缆线、有强电磁辐射的场所、射频信号源和其他有噪声的传输线等；数字信号输出方式为4～20 mA电流量。初次通电进行全行程开关试验，并按桨叶开度范围进行重新标定，校核机组协调关系吻合性，信号准确无误。

图5 非接触式桨叶开度测量装置示意示意

3.2 运行试验

该桨叶开度测量装置在水轮发电机组上是第一次尝试，为全面了解和掌握各项性能，本着科学严谨的态度，在未装入机组之前，先对该传感器按满量程将零点和满度调校好，并在试验室采用外加信号方式，检查输入和输出对应关系，发现线性度好、精度高。同时，将其放在高速运转的车床上进行更复杂的试验，外加扰动、振摆动、快速移动等不同工况，反馈信号均非常理想。最后，将整套装置安装在水轮发电机桨叶开度反馈轴上，按设计要求进行必要的同平度、同心度以及相应位置调整，安装牢固，在真机上进行模拟机组各种工况及开度试验。真机试验的测量数据如表1所示。多次长时间运行试验表明，新装置信号反应灵敏，数据准确度高，重复性好，运行稳定，完全满足使用要求。

4 结 语

桨叶开度测量新技术在水电站轴流转桨式机组进行首次尝试，通过几年来机组各种工况试验及实测数据分析，任何工况下桨叶位移开度与电气输出信号关系十分吻合，测量数据准确，精度高。该反馈装置测量技术是一种技术创新，不会受到机组不利工况的影响，完全避免了原反馈装置可靠性低并常导致机组事故停机的重大隐患。实践表明新桨叶反馈测量装置技术先进、结构简单，安装方便，维护测试方便，使用寿命长，运行效果良好，创新改进取得圆满成功，对其他水电站同类机组具有广泛的借鉴意义。