广州蓄能水电厂A厂机组水轮机导叶轴套换型改造

摘要：针对广州蓄能水电厂A厂机组近年出现的导叶卡涩、无法开启等缺陷，通过论证和分析，并结合A厂机组导叶轴颈实际情况，对活动导叶轴套进行换型改造，以延长其使用寿命，并提高其运行的可靠性和稳定性。

关键词：导叶;无法开启;轴颈;换型改造;可靠运行

0    引言

广州蓄能水电厂（以下简称“广蓄”）分为A厂和B厂，分别安装4台单机为300 MW容量的可逆式水泵水轮发电机组。其中广蓄A厂水泵水轮机设备由法国Neyrpic公司制造，每台机组有20个导叶，导叶采用三支点支承方式，两个位于顶盖上，一个位于底环上。广蓄A厂机组使用的导叶轴套为纤维增强树脂复合材料，在整体更换后的前5～6年均运行正常，但此后A厂各机组开始陆续出现轴套内径缩小或者轴套内表面鼓包及脱层现象，进而使导叶无法开启、开启或关闭时间较长，容易导致机组启动失败，严重影响机组的安全稳定运行。

1    导叶轴套材料及结构

广蓄A厂机组活动导叶设置上、中、下三个轴套，上、中轴套通过套筒分别布置在顶盖的上下两端，下轴套布置在底环上。

1.1    导叶轴套材料

广蓄A厂导叶轴套的材料为纤维增强树脂复合材料，由独特的复合成分以及固体润滑颗粒组成，本身具备自润滑功能。

1.2    导叶轴套结构

导叶的上、中、下轴套均通过液氮冷却安装至导叶套筒内，上、中轴套位于一个套筒的上下两端，下轴套单独一个套筒。轴套外径和套筒内径过盈配合，其中上、中轴套基准内径为270 mm，下轴套基准内径为260 mm。

为了保证轴套有良好的运行环境，在轴套及套筒上均开有密封沟槽，防止在运行过程中有泥沙等进入轴套与轴颈的配合面内。

2    导叶无法开启原因分析

从对广蓄A厂导叶无法正常开启缺陷处理的结果来看，导叶无法开启的主要原因为导叶轴套内径变小，导致轴套与轴颈的配合间隙减小，增大了导叶开启的阻力。具体从以下几个方面进一步阐述：

2.1    材料特性导致内径变小

广蓄A厂导叶轴套使用的是纤维增强树脂复合材料，各纤维层之间通过粘接固定。在机组开机和停机过程中，导叶的开启和关闭使导叶轴套反复受力，纤维层材料之间拉扯发生松散，长期下来，导致轴套的内径缓慢变小。在A厂各机组导叶轴套检查期间，通过测量导叶轴套与轴颈的配合间隙值进一步论证了该情况，详细对比如表1和图1所示。

2.2    运行环境导致内径变小

广蓄A厂导叶轴套密封采用丁腈橡胶材料，且中轴套密封的结构为O型密封圈。长期运行轴套本身的偏磨及密封破损等原因导致密封效果下降，压力水进入到导叶轴套内，使导叶轴套长期处于一个被压力水浸泡的环境中，进一步导致导叶轴套内径吸水膨胀、局部鼓包等情况。在机组检修期间，发现尤其是导叶上轴套和下轴套，出现了较多的鼓包、变形及严重脱层的现象。

3    换型改造方案

根据对导叶无法开启缺陷的实际检查结果和原因分析，结合广蓄A厂导叶轴颈的实际数据，对导叶轴套进行换型改造，主要是论证选择合适的轴套材料并结合实际的安装环境本地化设计加工尺寸等，同时配套对导叶轴套密封也实施换型改造。

3.1    导叶轴套换型改造选型分析

3.1.1    轴套与轴颈润滑膜的稳定性能

根据目前国内蓄能水电厂使用的导叶轴套情况，将导叶轴套分为自润滑材料轴套和镶嵌固体润滑剂的轴套两大类。从设计上，以上轴套均能满足导叶轴颈运行期间形成稳定润滑膜的要求，但从实际运行经验上来说，镶嵌固体润滑剂的轴套存在润滑剂材料脱落而导致润滑性能降低的风险，而自润滑材料轴套存在轴套本体松脱或破裂而导致与导叶轴颈间摩擦增大的可能，润滑性能也会大大降低。所以，以上轴套的稳定润滑性能均需要有良好的运行环境支撑。镶嵌固体润滑剂的轴套润滑剂脱落的主要原因为导叶轴套密封破损，软化的自润滑材料经高压水冲刷流出。目前A厂CP及CG工况只作为启动过程转换工况使用，运行时间很短，所以轴套的运行环境温度基本长期处于稳定范围内，没有较大的温度波动，而改造后的导叶轴套密封也大大降低了压力水进入导叶轴套的可能性，所以从目前A厂的导叶轴套运行环境来看，镶嵌固体润滑剂的轴套能够满足长期稳定润滑膜的性能要求。

3.1.2    保护导叶轴颈

导叶轴颈的修复工艺复杂，不只需要补焊磨圆处理，还要考虑对导叶同心度的影响，可能造成导叶回装后不同心。因此，导叶轴套的选用必须尽量保证不损害导叶轴颈。广蓄A厂导叶的硬度约为260HB，所以选择导叶轴套基材的硬度不高于260HB即可满足该项要求。

3.1.3    轴套磨损量

轴套的磨损量会直接影响到导叶轴颈与轴套之间的间隙，如果磨损严重导致间隙过大或偏心，则可能引起机组关机时导叶关闭不严、漏水过大、顶盖漏水等现象。因此，在长期运行中，轴套磨损量不能过大而导致导叶轴颈与轴套之间的间隙超出允许范围。

3.2    最终方案

通过以上论证分析，广蓄A厂导叶轴套换型改造最终确定使用铜基镶嵌自润滑材料轴套，基础材质属于强力黄铜系，拉伸强度为755 N/mm2，耐压缩力为345 N/mm2，最大拉伸率为12%，硬度为210HB;固体润滑剂为PTFE系（不含铅），使用的温度范围为-40～+80 ℃。

广蓄A厂导叶轴颈运行至今已有20余年，其磨损量相对稍大，为了更好地加强轴套与轴颈的配合，在具体实施过程中，对轴套的加工和设计均进行了本地化改造，具体如下：

（1）要求供貨的轴套为铜基镶嵌自润滑材料毛坯轴套。毛坯轴套的内径留有一定的加工余量（在轴颈直径设计尺寸值基础上减小1 mm），即上轴套和中轴套的内径均为269 mm，下轴套内径为259 mm。轴套改造实施期间根据机组导叶轴颈实测平均值再对轴套内径按照0.110～0.272 mm的配合间隙进行车削加工。

（2）中轴套和下轴套内侧倒角充分考虑导叶轴颈处加工退刀槽圆弧过渡倒角（R1+R9）的配合要求，倒角结构和尺寸采用9×9 mm（45°），以保证轴套能够正常安装到位。

4    改造效果

广蓄A厂从2016开始，陆续开展各台机组的导叶轴套换型工作。轴套换型改造后投入运行至今，未再出现导叶卡涩、开启时间较长的设备缺陷，同时配套开展的导叶轴套密封也没有明显的漏水现象，有效消除了广蓄A厂导叶开启阻力大导致启动失败的缺陷，设备故障率大大降低，减少了机组临时退备的时间，提高了机组的运行可靠率，保证了电厂的安全生产，并提高了经济效益。

[参考文献]

[1] 李成家.水轮机导叶轴套材质及特点[J].青海电力，2001（2）：5-6.

[2] 曲扬，王波.自润滑轴承的特性及其在水电站水轮机中的应用[J].水利科技与经济，2002，8（1）：55-56.

收稿日期：2020-01-15

作者简介：杨同盟（1987—），男，河南周口人，工程师，研究方向：热能与动力工程（水动方向）。