水轮机活动导叶卡阻拒动的分析与处理

高 健，刘晓娟

(四川松林河流域开发有限公司，四川 石棉 625400)

1 概 述

某水电厂共装设3台43 MW混流式水轮发电机机组，水轮机型号为HLD307C—LJ—205，机组额定流量26.4 m3/s，额定水头185 m，3台机组调速器型号均为MGC4004PS—D80/40。水轮机活动导叶上轴套为尼龙1010材质，中轴套及下轴套均为聚甲醛钢背复合轴套。2013年，水电厂1～3号机组全部开展A级检修。在稳定运行半年后，3台机组均在不同负荷区间内(28 ～43 MW)出现了负荷调整不流畅、调速器有功调整功能退出、调速器“导叶侧大故障”报警等现象。同时，对过流部件检查发现，顶盖、底环及活动导叶端面相互间刮擦明显，气蚀现象严重，并伴有逐年恶化的趋势。在检修后期，水电厂对活动导叶尼龙1010材质上轴套进行技改，完成了故障处理。

2 故障发生情况

2013年，水电厂相继对3台机组开展了检修，并更换了活动导叶上、中、下轴套。2014年，2号机组在加负荷过程中，监控上位机报“2号机组调速器故障”“2号机组调速器A套、B套故障”“2号机组导叶侧大故障动作”报警，调速器控制方式由“自动”切至“机手动”，导致上位机无法增加负荷；同时还发现1号和3号机组也存在此类现象。

2015年，3台机组调速器活动导叶卡阻拒动情况加剧。3台机组在不同负荷区间(28～43 MW)内，均出现了负荷调整不流畅现象，需要现地手动将调速器系统油压打压至接近额定压力4 MPa，才可小范围操作负荷调整；后期1号机组即使手动加压，也无法调整机组至满负荷运行。

3 故障检查及处理情况

针对3台机组调速器活动导叶卡阻拒动的情况，电厂从多个方面进行了检查和处置。

(1)检查调速器电气回路正常，“导叶侧大故障”出现的原因是由于调速器下达指令后，在规定的时间内，导叶开度没有相应反馈而发出报警并终止流程的一种保护程序。分析判断活动导叶卡阻与调速器电气控制无关。

(2)对调速器主配压阀进行解体检修，接力器油压进行监视，未发现串油现象。同时，检查了控制环、拐臂、连板等机械连接位置，未发现明显摩擦痕迹；排除了油压系统压力不足的情况。

(3)检查调速器在无水状态下的开、关动作试验。机组停机后，关闭机组进水口蝶阀，导水机构在无压情况下，调速器现地进行活动导叶开、关试验，活动导叶均能从全关到全开位置，未出现卡阻现象；但活动导叶端面与顶盖和底环抗磨板之间有明显的刮擦痕迹。初步判断活动导叶卡阻拒动与活动导叶的上浮和倾斜有关。

(4)针对活动导叶倾斜和上浮的情况，水电厂针对性地采取了相应处置措施，包括：调整活动导叶轴线与套筒和底环轴孔同心，疏通座环活动导叶下端轴排水管道，调整活动导叶止推环间隙，对活动导叶、顶盖和底环气蚀面进行修复等。确保了活动导叶上浮不与顶盖抗磨板直接接触；同时也保证活动导叶无倾斜，不发生偏磨。通过以上检修，成功解决了活动导叶上浮问题，活动导叶与底环和顶盖之间未出现相互刮擦现象，气蚀得到明显改善。但机组运行半年时间后，仍然出现负荷调整不流畅，调速器“导叶侧故障”报警等问题。

(5)根据复发的活动导叶卡阻拒动问题，电厂做了进一步检查。最终测量发现24个活动导叶上轴套在运行半年后，轴套内径相较于安装前，平均收缩量超过0.8 mm。上轴套与活动导叶轴径之间产生了过盈配合，活动导叶被轴套牢牢抱死。2018年，电厂通过对活动导叶上轴套进行技改，将尼龙1010材质上轴套替换成了铜基镶嵌自润滑轴套，活动导叶卡阻拒动问题得到了彻底解决。

4 故障分析

4.1 活动导叶轴套结构

活动导叶共有上、中、下3个轴套，其中上轴套安装在套筒上端，主要起辅助支撑活动导叶的作用，材质为尼龙1010；中轴套和下轴套分别安装在套筒下端和底环下轴孔内，起抗磨和支撑活动导叶的作用，材质为聚甲醛钢背复合材料。

4.2 活动导叶卡阻原因分析

通过对调速器系统和导水机构进行检查，排除了电气控制回路异常和油压系统压力不足等原因。解决了活动导叶上浮和偏心问题，同时检查发现了活动导叶卡阻拒动的主要原因为尼龙1010轴套吸水膨胀、内径缩小导致。

4.3 尼龙1010轴套设计间隙

查《水轮机设计手册》，水轮机尼龙1010轴套设计间隙的计算方法如下：

尼龙1010轴套压入过盈量：

△1=2×10-3D(mm)

与轴配合间隙：

△2=△1+A+C(mm)

式中，A为设计要求实际间隙值；C为内径收缩修正值；D为轴套外径。

对照电厂活动导叶上轴颈120 mm，轴套壁厚5 mm，A取0.28d/100，d为活动导叶上轴颈；C取值0.10～0.15 mm；得出△1为0.26 mm，△2为0.70～0.75 mm。

电厂尼龙1010轴套在安装后，实测配合平均间隙为0.67 mm，接近设计值，满足设计要求。轴套运行半年后，轴套与活动导叶轴径产生了过盈配合，实测过盈量达到0.8～1.3 mm。

5 处理方案

活动导叶与轴套之间抱死现象的产生，与材料的选择、检修安装工艺和运行环境等多方面因素有关。通常可从机加工轴套内径和轴套材料技改更换两个方面进行处理，重点做好轴套配合间隙控制，确保活动导叶安装同心度、杜绝间隙过小产生抱死现象；同时宜选取膨胀率低、吸水率低的可靠性材料制作套筒。

对照表1中尼龙1010材料和铜基镶嵌自润滑材料(FZ—2系列轴套)性能(见表1)。尼龙1010材质在长期运行过程中容易变形，造成导叶倾斜、不同心、抱轴，是增加导叶运行时卡阻的主要原因，其间隙进行调整后，仍然存在一定不确定风险；FZ系列轴套由于尺寸结构稳定，设计加工时只需要控制好配合间隙，不考虑其他因素的影响，其生产与加工在制造厂一次完成，不需要现场修配加工，具有明显优势。从降低隐患风险、提高机组运行安全和稳定性考虑，电厂选择了铜基镶嵌自润滑轴套进行试验改造，取得良好效果。

表1 材质物理及机械性机能对照表

6 结 论

尼龙1010轴套因有吸水膨胀的物理特性，在轴套安装后，随着时间推移，轴套将逐渐膨胀，与活动导叶轴抱死，大大增加活动导叶操作阻力。在充分考虑材料的物理化学特性，并兼顾耐磨性和润滑性，结合电厂机组运行工况条件，试验铜基镶嵌自润滑轴承作为活动导叶上轴套进行改良。经多年运行实践，导水机构运行平稳，未发现异常，验证了新型铜套材料具有较强的适用性和可推广性。