大型轴流转桨机组导叶套筒优化改造

胡小刚

(重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 408500)

1 概述

某水电站位于乌江下游河段，坝址位于重庆市武隆区境内，电站开发方式为坝式水电站，大坝为混凝土重力坝，坝顶高程227.5 m，最大坝高78.5 m，坝顶长度600.1 m，水库正常蓄水位215 m，死水位211.5 m，水库总库容3.2亿m3，调节库容0.37亿m3，为日调节水电站。枢纽建筑物从左到右依次布置为电站厂房坝段、泄洪坝段、船闸坝段。安装4台单机容量161.25 MW的轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量645 MW，多年平均发电量27.08亿kW·h。电站水轮机正常运行水头范围为13～35.12 m，加权平均水头为29.66 m，额定水头26.5 m。其运行水头属低水头且水头变幅较大，该水头是轴流转桨式机型较理想的运行范围。每台机组有活动导叶28个，导叶由布置在二、三象限的2个双作用液压直缸接力器通过控制环及连接板、导叶臂来控制，接力器操作油压 6.3 MPa。

2 导叶套筒运行状况

该电站4台机组于2011年先后投入运行，初期运行状态正常，2015年开始出现个别导叶套筒漏水。2017年则出现多个套筒漏水缺陷，一年内统计的漏水缺陷多达10余条，给机组安全运行带来了严重的安全隐患。相对于混流式机组顶盖排水有顶盖自流排水、固定导叶空心自流排水、顶盖泵排水[1]等方式，而轴流转桨式水轮机顶盖排水主要依靠顶盖泵排水[2]。导叶套筒漏水量增大，直接导致顶盖排水泵频繁启动，加重了顶盖泵的负担，缩短顶盖泵的使用寿命。漏水量大造成顶盖泵抽水时间间隔由之前的25 min缩短为5 min，临时增加了两台潜水泵抽水作业，使得情况才有所好转。由于该电站河道狭窄，下游水位变幅受下泄流量影响大，顶盖及支持盖排水采用潜水泵，由170 m直接排向厂房下游205 m高程，选用扬程40 m，流量15 m3/h，7.5 kW的三台潜水排污泵。由于导叶轴套漏水严重，有可能造成机组在运行中水淹水导轴承导致机组事故停机，严重影响机组的运行安全。2017年机组年度检修对渗漏导叶套筒拆卸发现中轴套的抗磨材料脱落较严重，中轴套有明显的龟裂或脆化现象；顶盖与导叶轴套之间的J型密封有损坏，密封件内侧有明显的剪切痕迹。

由于现场处理需要将中套钢背拆除，对导叶轴套机加工，将新的备件用干冰冷套处理，而现场不具备处理条件，只能对铜瓦清理打磨安装定位销回装，未根本解决问题。

3 导水机构介绍

导水机构由28只活动导叶、顶盖、底环、支持盖、导叶套筒、传动机构控制环及操作机构等组成，导叶最大开口为854 mm，对应的接力器行程为1 634.4 mm。相邻导叶最大开口偏差不大于设计值的±2 %，其平均值不大于设计值的±1.5 %。导叶中轴套与下轴套要求同心，关闭导叶时，立面间隙一般为0，局部间隙不大于0.15 mm，其长度不大于导叶高度的25 %。导叶采用焊接结构，导叶上中下轴均采用20 SiMn钢锻造，采用热套方式包不锈钢，导叶上下轴与本体焊接成一体，整体退火后进行加工。导叶轴颈设有可靠的止水方式，上部为J型、下部为O型密封，可以阻止水流进导叶轴承。导叶立面采用不锈钢刚性密封。导水机构导叶设有剪断销装置，当剪断销破断时，能自动报警。导叶轴上部设有一个可以调整的自润滑推力轴承，可防止水力和机械力的作用引起的导叶和抗磨板之间的过分挤压。导叶为整铸结构，导叶上中下轴套均采用钢背聚甲醛制成，轴套直接压入套筒内和底环上。导叶上下端面镶焊不锈钢板，导叶头部立面密封处堆焊不锈钢层，不锈钢层厚度不小于8 mm。导叶尾部镶焊不锈钢条。每个导叶上设有限位销，以限制导叶失控时的全开位置。导叶上还设有摩擦限位装置，限制导叶在剪断销剪断后不产生摆动和不稳定运行。活动导叶有上、中、下三部轴套，上、中轴套布置在顶盖套筒上下两端。中轴套直接与机组蜗壳相通，在机组运行时，蜗壳内充满了水，主要目的是为了阻止蜗壳内的水往上溢。中轴套的结构形式为：在顶盖下部设计有28个轴孔，导叶中轴套压入套筒后，中轴套底部再压入J型密封，密封顶盖端面和活动导叶轴颈到位后，套筒顶部用2个φ30的螺尾锥销定位，12个M36的螺栓固定在顶盖上，支承着导叶上部和中部的轴颈。

4 导叶套筒漏水原因分析

在2014年B修的时候发现控制环抗磨板有碎屑，导叶剪断销有存在不同程度的上爬，导叶止推压板脱落，导叶上浮造成上端面间隙过小和顶盖上的抗磨板刮擦等现象。在2014年B修中对水轮机控制环抗磨板进行了更换改造，改造后控制环恢复至中心位置，控制环动作灵活、抗磨板工作可靠。经过一年的运行，未发现抗磨板磨损异常，解决了原抗磨板磨损选型不当导致抗磨板磨损过度、控制环中心偏移的问题[3]。在导叶剪断销上安装止推装置[4]；重新更换导叶止推压板螺钉紧固，防止导叶上浮而碰撞顶盖和影响连杆受力；重新调整导叶立面及端面间隙使之满足规程要求。

在2015年陆续出现导叶套筒渗漏，为了找出原因从人、机、管、环方面进行分析。

(1) 人员安装方面。机组由施工方水电八局安装，查询安装记录，均符合设计要求，满足GB/T 8564《水轮发电机组安装技术规范》等要求，且机组已运行多年，若安装方法错误，漏水情况应在机组投产初期暴露出来。人员工艺问题可以排除。

(2) 密封方面。机组导叶套筒所使用的J型密封为原设备厂家供货，材质为丁腈橡胶，均有检验合格证明[5]，并且根据冬修时拆卸套筒取出密封检查，密封圈情况良好。

(3) 运行环境方面。4台机组投运至今，运行工况稳定。乌江泥沙含量也较低[6]。运行环境满足要求。

(4) 设备设计方面。根据2017年冬修拆卸导叶套筒检查发现中轴套自润滑部分脱落，随导叶轴活动，致使J型密封受损，造成漏水。该机组为大型轴流转浆机组，导叶压紧行程为10 mm，导叶（上、中、下）三点支撑，其中上轴套轴承尺寸为导叶臂上轴颈尺寸为间隙很大只是限位，而中轴套配合公差为φ370 H7/e7、下轴套配合公差为300 H8/e7为基孔制间隙配合，导叶受力支点主要为中轴套和下轴套。

通过对各个因素的论证，得出了导叶漏水的主要原因：由于中轴套设计缺陷问题，中轴套承载不足，在经过多年运行后，中轴套自润滑轴套脱落[7]，割破轴套下部的J型密封，导致漏水。针对这一问题，与设计及设备厂家进行联系，得知使用同型号轴套的其他电厂均出现自润滑层脱落问题。分析原因为FZB06钢套铜合金双金属镶嵌聚甲醛自润滑轴套配备的低碳冷轧钢板为基体，烧结含有润滑剂的青铜合金为摩擦表面的复合材料，当承载力不足时会出现脱壳现象。此外该材料价格明显低于铜基镶嵌自润滑材料，机组设计选型时选择了价格较为低廉、强度不足的产品。

5 导叶套筒漏水的危害

水轮机导叶套筒密封失效而引起水泄漏事故层出不穷，对于水轮机导叶套筒密封材料和工艺结构的研究也成为了很多研究人员所关注的焦点。水轮机导叶轴套内部上部轴瓦和中部轴瓦均采用具有自润滑功能的复合层铜瓦，同时中部轴瓦的下端采用J型密封圈封水，在机组运行过程中，随着导叶的转动使中轴套瓦脱落逐渐移动，导致套筒下端的J型密封破损，水流就会直接在拐臂和轴套的配合间隙中喷涌而出，喷射到顶盖的各个部位。铜瓦的脱落一方面造成导叶立面间隙的变化，在机组运行时水不能沿圆周均匀地进入转轮造成水力不平衡，引起机组水力振动摆度增大；机组停机时造成导叶漏水量过大，易引起导叶间隙气蚀，损坏导叶，严重时会造成机组自转。

若导叶渗漏问题不能从根本上解决，一方面增加每次检修的维护成本；另一方面漏水增大导致机组在运行时存在水淹水导引起机组非计划停运等安全隐患。

为彻底消除设备安全隐患，必须探索采用新式的导叶套筒，对导叶中轴套的自润滑轴瓦进行优化改造，提升整个套筒的性能，减少机组检修次数，降低检修人员的工作量，同时对其他机组类似问题的处理提供可靠依据，从而降低设备运行维护成本，提高机组运行可靠性。

6 导叶套筒改造方案

导叶套筒漏水最根本的原因是导叶中轴套抗磨材料的承载力不足磨损脱落。所以，选用高强度更耐磨的轴套直接改进换型是最好的解决方法。结合国内自润滑轴承先进工艺技术，在满足导水机构设计要求的基本条件下，对中轴套材质、结构、工艺进行合理选型。

选择FZB053自润滑轴承，其是以高强度铜合金为基体，上下均布通孔，孔中填充固体润滑剂，轴承摩擦层涂有固体润滑膜，具有优异润滑性能和抗磨损性能，摩擦系数低，承载力更高；抗拉强度大于等于780 MPa，屈服强度大于等于520 MPa，伸长率大于等于13 %，硬度值大于等于200 HB，材料的摩擦系数为0.08～0.13，均满足设计要求并有裕度，为国内自润滑轴套产品中技术先进、工艺成熟的产品，完全满足本项目需求。由于在现场难以将损坏的中轴套钢背从套筒中取出，而若将套筒拆卸整体返厂处理又会延误检修工期，因此决定整体购买装配好的新型套筒对原套筒进行更换，原套筒返厂更换轴套后再运回做备品。

7 改造方案的实施

2017年6月，通过可行性研究及方案论证，决定采购14个导叶套筒进行更换，因工期限制，决定在年底的检修中，首先对3号机组漏水的导叶套筒进行更换。2017年9月完成合同签订，厂家开始制作导叶套筒(根据需要更换的导叶套筒数量为4个，确定检修工期为16天)；2017年12月，导叶套筒到货经验收合格。在3号机组完成套筒更换后，又陆续对2号、4号机组进行了套筒更换，并且将换下的套筒进行返厂处理，处理后作为备品，待下次检修将其余套筒更换，最后将4台机组的导叶套筒全部更换。使用“新旧交替”的方法更换设备，节约了生产成本，同时为处理其他类似问题时寻找最有效、最经济的解决办法提供了借鉴。

8 结束语

结合2017年度机组检修，完成2～4号机组共7套新导叶套筒的更换投入应用，机组开机调试检查及日常定期观测。装配有新型中轴套的导叶机构运行状况稳定，顶盖泵停泵时间明显延长，机组整体运行状况稳定，充分体现了新型中轴套的配套性、互换性，消除了套筒漏水，极大地降低了排水设施厂用电量及人工维护成本，为公司创造了良好的经济效益。从2017年开始，对渗漏的导叶轴套全部进行了优化改造，更换后的中轴套无渗漏，有效解决了漏水的缺陷，为机组的安全运行提供了重要保证。

截至目前，更换后的导叶套筒均未出现漏水问题，大大提高了设备的运行的安全可靠性，同时降低了设备的检修维护成本，减少了因导叶漏水引起的水泵运行时间，降低了厂用电量，起到了降本增效的目的。