惠州蓄能水电厂导叶止推轴承换型研究

王 琪，陈晶晶，杨季松

（1.惠州蓄能水电厂，广东 惠州516100；2.惠州经济职业技术学院，广东 惠州516057）

0 引言

惠州蓄能水电厂（以下简称惠蓄）位于广东省博罗县罗阳镇，是一座周调节的纯抽水蓄能电站。电站分A厂、B厂建设，A厂、B厂工程分别安装4台机组，机组型式为立轴、单级、混流、可逆式、悬式机组，推力轴承在上机架上，有3个导轴承，单机容量(发电工况)300 MW，额定设计转速为500 r/min。

1 导水机构的结构及作用

导水机构是水轮机流量调节机构，通常由导叶、导叶轴承、拐臂、连杆、接力器及支撑部分（顶盖、底环等）组成，是水轮机流量的调节机构。其结构简图如图1所示。

图1 导水机构结构简图

导水机构的作用是：形成和改变进入水轮机的水流环量，满足进入转轮前的水流环量的要求；根据电力系统负荷的变化，调节水轮机的流量，以适应系统对机组出力的要求；正常和事故停机用来截断水流。

2 导叶止推装置

2.1 止推轴承概况

惠蓄导水机构由20个活动导叶及相应部件组成。导叶上轴套和止推轴承位于顶盖上环面，导叶止推轴承位于导叶上轴套上方即在顶盖上。导叶止推轴承的作用是限制导叶的上下运动而保护上下抗磨板，主要承受拐臂和导叶的重力、导叶所受的轴向水作用力以及动作时的摩擦力等。每个导叶止推轴承上下各有两片一样的自润滑止推垫片，左右对称分布。每个止推垫上开有5个锥孔，分别用锥头螺钉紧固在上轴套和推力板上。其结构简图如下页图2。

2.2 工作环境

导叶自润滑止推垫在空气中工作，无水，可能粘附透平油；工作温度为常温，一般在5～50℃之间；止推轴承限制导叶垂直方向窜动的范围在0.10～0.15 mm，导叶止推轴承水平方向的往复运动范围为0～27°，动作频率1 d不超过50次；导叶开启或关闭时间约为15 s，最快相对速度为0.006 2 m/s。

图2 导叶止推轴承

3 运行中出现的问题

惠蓄导水机构止推垫自运行以来，先后大量出现止推垫断裂、紧固螺钉松动和断裂等现象，经常需要更换止推垫，大大增加了机组检修维护工作量，同时也给机组的安全稳定运行带来威胁。在历次检修中发现存在的缺陷和主要问题有：

（1）在机组检修中都发现导叶下端面间隙减少和导叶下沉现象，可知自润滑止推垫耐磨性能不甚理想。如2010年6月3号机组检修时，10个导叶下沉导致下端面间隙减少而上提了导叶，距该机组上一次检修仅为6个月。

（2）自润滑止推垫多次断裂和脱落，如图3所示。

图3 止推垫断裂

（3）紧固螺丝出现松动和断裂。如图4所示。

这些问题可能会破坏导叶间隙、引起导叶不垂直、导叶与上下抗磨板刮擦、导水机构磨擦和破坏等严重后果。

图4 止推垫及其螺钉断裂

4 原因分析

惠蓄8台机组均存在导叶止推垫断裂的问题，厚度为5 mm的ORKOT-TXMM自润滑止推垫，不管是上部自润滑止推垫、还是下部自润滑止推垫，在机组检修中都发现不同程度的断裂，有的断成3～4块。止推垫紧固螺栓也存在着剪切断裂的问题。且止推垫在机组运行一段时间后，会摩出黑色粉末。即止推垫的磨损率可能偏大，导致导叶止推间隙偏大和导叶端面间隙的频繁检修调整。

经分析，导致止推垫和紧固螺钉发生断裂的因素有：

（1）导叶止推垫磨损的根本原因是材料的抗拉强度低、抗磨损能力差。

（2）止推垫断裂的起因在于螺钉产生了松动，其中某一部位在摩擦力的作用下受到挤压变形，最终导致断裂。

（3）螺钉松动和断裂的原因在于其止推垫受到抗磨环反复剪切力的作用而产生疲劳破坏，要避免这种疲劳破坏就要让螺钉有比较牢固的支撑而本身不承受太大的应力。

（4）螺钉在导叶开关和机组的往复振动中产生了松动，导致止推垫松动，与止推压板配合不良，其中某一部位在摩擦力的作用下受到挤压变形，最终导致断裂。

（5）止推垫的孔径以及和止推压板的孔存在偏差，导致安装应力的存在。

5 换型改造

从以上分析中可以看出出现止推垫断裂和磨损问题主要有2个原因：（1）止推垫本身材料性能差；（2）螺栓的固定方式不合理。为此要从以下2个方面进行改造。

5.1 材料性能

通过对行业内止推垫材料的了解。目前，较为通用的有如下几种：Oiles铜基镶嵌式自润滑止推垫、赛思德尔Orkot止推垫、铜质止推垫、迪瓦止推垫。Oiles铜基镶嵌式自润滑止推垫和铜质止推垫虽然在止推垫抗拉强度方面较赛思德尔Orkot止推垫强。但依然存在磨损量偏大的问题。经过分析比较，迪瓦止推垫抗拉强度是ORKOT自润滑止推垫的10倍左右，其硬度是ORKOT自润滑止推垫的1.8倍，性能参数对比表1所示。

表1 止推垫性能能参数对比

迪瓦止推垫有如下性能特点：①自润滑材料，免维护运行；②低摩擦系数，抗打滑爬行；③高安全系数，可有效保护相配合的材料；④可在-190～+280℃温度范围内工作，可在腐蚀环境和粉尘环境下工作，不吸水，可最大限度的保证尺寸的精度。

5.2 固定方式

通过对导叶止推垫及沉头销钉断裂破坏原因的分析，为增强止推垫沉孔与螺栓接触面的受力，将45°锥形孔改为平面沉孔，固定螺栓相应地由沉头平杯螺栓改用平头直角高强度碳钢螺栓，螺栓接合面厚度为0.8 mm。改造前后的固定方式如图5所示。

并在平头螺栓上涂抹螺纹锁定胶，保证螺栓安装紧固，将螺栓所受剪切力传至推力板，使紧固螺栓受力状态得到优化，将避免其在导叶转动过程中受到反复作用，从而避免了止推垫平头螺栓的频繁损坏。

6 改造效果

通过这2个方面的改造，导叶止推结构未发生变化，新型止推垫与原止推垫尺寸、形式相同，仅在材料、固定螺栓和沉孔等细节做出改动，以增强螺栓抗剪切能力，改动范围小。2014年5月惠蓄5号机组率先实施改造，其后陆续在其他机组实施。截止至今，各机组在导叶止推垫换型后运行已3年有余，经检查，新型止推垫运行状态良好，表面较为光滑，未发生断裂、异常刮伤等情况，磨损量小于0.05 mm，导叶上下端面间隙基本未发生变化。

图5 改造前后固定方式对比

7 结束语

惠蓄采用高性能的自润滑止推垫后，再未发生异常磨损及断裂，导水机构工作正常。这说明对止推垫磨损及断裂的分析及材料和固定方式的改造思路是正确的，消除了设备隐患，使检修中减小了导叶拐臂拆卸、导叶止推垫更换、导叶端面间隙调整、导叶止推间隙调整等大量工作，大大减少了水轮机检修工作量和止推垫备件的更换，节省了大量人工成本和备件成本，保证了机组安全可靠运行。