吳紅光，吳梓唯

(五凌電力有限公司掛治水力發(fā)電廠，貴州黔東南556700)

水電機(jī)組停備狀態(tài)下的導(dǎo)葉漏水是較為常見的問題，導(dǎo)葉漏水量偏大，不但影響電站的經(jīng)濟(jì)效益，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)機(jī)組停機(jī)困難、停機(jī)后蠕動(dòng)甚至無法正常停機(jī)等事件，有可能造成過流部件汽蝕、軸瓦損壞、制動(dòng)風(fēng)閘燒毀等故障，對(duì)電站的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅[1-2]。導(dǎo)葉漏水量偏大的原因一般為導(dǎo)水部件汽蝕損壞、導(dǎo)葉密封不可靠、結(jié)構(gòu)剛度不足、接力器壓緊行程不夠等幾個(gè)方面[3-4]。隨著新技術(shù)的應(yīng)用推廣，材料的抗汽蝕能力和密封可靠性有了很大的提高，單就導(dǎo)葉剛度不足的問題，也可采用局部造斜的技術(shù)加以補(bǔ)償[4]，而對(duì)于整個(gè)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的剛度問題 (這里不單指結(jié)構(gòu)內(nèi)在的應(yīng)力—應(yīng)變特性，還考慮其外在的受力因素)，則需要通過合理設(shè)置接力器的壓緊行程去克服，相關(guān)方面值得深入探究。

對(duì)接力器壓緊行程的調(diào)整，一般參照 《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》或廠家提供的安裝指導(dǎo)文件，由于相關(guān)文件對(duì)接力器的安裝提出了明確的目標(biāo)要求，一般不會(huì)對(duì)過程進(jìn)行研究把控。機(jī)組停備時(shí)，在蝸殼內(nèi)壓力水的作用下，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)一般有向某一側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢，對(duì)具有偏開運(yùn)動(dòng)趨勢的導(dǎo)葉，接力器的壓緊力必須完全克服導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的偏開水力矩，否則關(guān)聯(lián)導(dǎo)葉難以可靠密合，漏水問題將不可避免。因此，作為控制接力器壓緊力的重要手段，除了遵照相關(guān)規(guī)范，還應(yīng)結(jié)合導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的受力情況對(duì)壓緊行程的設(shè)置進(jìn)行充分論證。

1 問題的提出

某電站安裝有3臺(tái)單機(jī)容量為50 MW的立軸轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。自電站機(jī)組投產(chǎn)后，活動(dòng)導(dǎo)葉漏水問題就相當(dāng)突出，導(dǎo)葉一旦全關(guān)，水車室內(nèi)立即發(fā)出刺耳的嘯叫聲，運(yùn)行約半年后，停機(jī)過程發(fā)電機(jī)風(fēng)閘剛一退出，機(jī)組就發(fā)生蠕動(dòng)現(xiàn)象。電站采取了更換導(dǎo)葉端面密封、在導(dǎo)葉軸部與底環(huán)軸孔間增加塑料密封、改變停機(jī)狀態(tài)下的槳葉停放角等措施，均未取得良好效果。其后，電站結(jié)合機(jī)組大修，采用局部造斜的方法，對(duì)全部活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行了修形處理，機(jī)組蠕動(dòng)問題有所緩解，但從水車室嘯叫及每次檢修后蝸殼充水平壓困難等情況來看，導(dǎo)葉漏水問題并未得到徹底解決。

表1 水輪機(jī)部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)

進(jìn)一步分析推測，活動(dòng)導(dǎo)葉的水力性能特殊，而導(dǎo)葉接力器壓緊行程依舊按照常規(guī)方法進(jìn)行調(diào)整，使得導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓緊不可靠，可能是造成導(dǎo)葉漏水量偏大的主要原因。水輪機(jī)停備狀態(tài)下關(guān)聯(lián)導(dǎo)葉密合情況如圖1所示，相較于頭部密合點(diǎn)，其尾部密合點(diǎn)與導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸的距離明顯大得多，這就使得導(dǎo)葉全關(guān)時(shí)會(huì)受較大的偏開水力矩作用。由頭部密合點(diǎn)、尾部密合點(diǎn)至導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸的距離分別為B1＝0.37 m、B2＝0.55 m，求其水力偏心率為:

n0＝0.5(B2-B1) /(B1＋B2) ＝ 0.098

圖1 關(guān)聯(lián)導(dǎo)葉密合情況

該偏心率比同類機(jī)型的導(dǎo)葉至少大一個(gè)數(shù)量級(jí)[5]，不難理解，相較于常規(guī)導(dǎo)葉，其在蝸殼水壓作用下的偏開力矩也將等比增大。從導(dǎo)水機(jī)構(gòu)受力平衡的角度來看，以同等操作力控制導(dǎo)葉接力器的壓緊，若導(dǎo)葉的偏開水力矩越大，接力器壓緊的可靠性也就越低。

2 接力器壓緊的可靠性指標(biāo)

導(dǎo)葉接力器的壓緊行程是指導(dǎo)水機(jī)構(gòu)從不帶壓狀態(tài)的全關(guān)位置到接力器關(guān)腔帶壓后走動(dòng)的行程，對(duì)于指定的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)而言，該行程越大，壓緊力也就越大。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓緊原理如圖2所示，圖2(a)為接力器不帶壓的全關(guān)位置，預(yù)留有一定的壓緊行程；圖2(b)為接力器關(guān)腔帶壓P1，由于活塞的壓緊方向并未受阻，該力將完全作用于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；圖2(c)為接力器關(guān)腔帶壓P2，因缸蓋阻礙了活塞的進(jìn)一步壓緊，該力不能完全作用于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的受力與P2的大小無關(guān)，與預(yù)留的壓緊行程有關(guān)。

圖2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓緊原理

顯然，通過設(shè)置接力器的壓緊行程，可以控制全關(guān)狀態(tài)下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的壓緊力，一方面防止壓緊力太小，因關(guān)聯(lián)導(dǎo)葉不能可靠密合而漏水，另一方面避免調(diào)速器過高的油壓直接作用于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重變形。 《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》指出:接力器的壓緊行程應(yīng)符合制造廠設(shè)計(jì)要求，制造廠無要求時(shí)，可按表2要求確定[6]。

表2 接力器壓緊行程值mm

從保證結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行來看，接力器壓緊力的上限顯然不能超出傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力極限，主要通過剪斷銷、安全連桿等薄弱部位進(jìn)行核算，設(shè)其值為Pmax；其下限則應(yīng)保證全關(guān)狀態(tài)下關(guān)聯(lián)導(dǎo)葉的可靠密合，可以通過活動(dòng)導(dǎo)葉的水力性能進(jìn)行核算，設(shè)其值為Pmin。

假設(shè)導(dǎo)葉接力器的實(shí)際壓緊力為Pre，為了保證導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的安全且不漏水，必須滿足:Pmin≤Pre＜Pmax。一般來說，在機(jī)組的總體設(shè)計(jì)中，調(diào)速器系統(tǒng)壓力小于Pmax，而接力器的實(shí)際壓緊力Pre顯然不可能超過系統(tǒng)壓力，即Pre＜Pmax都成立，故而評(píng)價(jià)其壓緊可靠性主要比較Pre與Pmin的關(guān)系。

3 接力器壓緊的可靠性分析

該電站的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)全關(guān)狀態(tài)如圖3所示，分析該狀態(tài)下的傳動(dòng)力系如圖4所示，圖中尺寸數(shù)據(jù):L1＝0.65 m，L2＝2.63 m，L3＝2.31 m； 利用計(jì)算機(jī)輔助制圖，結(jié)合各球軸承的相對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)軌跡，求得圖中的關(guān)聯(lián)角度:α＝86°，β＝21°，γ＝47°。

圖3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)全關(guān)狀態(tài)

圖4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)全關(guān)狀態(tài)下的傳動(dòng)力系

首先通過彎曲連桿核算接力器壓緊力的上限值，24只導(dǎo)葉的彎曲連桿及3只接力器作用于控制環(huán)的力矩平衡，有:

查彎曲連桿的最大作用力:F1＝287.4 kN(壓緊方向)，求接力器操作力的上限值F2＝1 283 kN(壓緊方向)，由接力器壓緊腔缸徑0.35 m，計(jì)算對(duì)應(yīng)的操作油壓為Pmax＝13.33 MPa，比系統(tǒng)最高油壓6.3 MPa大得多，說明接力器的壓緊不可能使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性失衡。

通過活動(dòng)導(dǎo)葉的水力性能核算接力器壓緊力的下限值，彎曲連桿及流道水力作用于單片導(dǎo)葉的力矩平衡，有:該導(dǎo)葉的水力特性曲線如圖5所示，全關(guān)時(shí)水力矩M＝49.2 kN(偏開方向)，求接力器操作力的下限值F2＝339 kN(壓緊方向)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的操作油壓為Pmin＝3.5 MPa。

圖5 導(dǎo)葉的水力特性曲線

若該電站按國標(biāo)要求調(diào)整接力器的壓緊行程:導(dǎo)葉在全關(guān)位置，當(dāng)接力器自無壓升至工作油壓的50%時(shí)，以活塞移動(dòng)值調(diào)整壓緊行程，其壓緊力為Pre＝3～3.15 MPa，小于克服偏開水力矩的最小操作油壓Pmin，導(dǎo)葉的壓緊是不可靠的。

若該電站按廠家提供的數(shù)值5～7 mm調(diào)整接力器的壓緊行程，對(duì)應(yīng)的壓緊力也有可能達(dá)不到3.5 MPa，需要進(jìn)一步開展試驗(yàn)。

4 壓緊行程的試驗(yàn)調(diào)整及效果

4.1 接力器壓緊力的確定

為了使導(dǎo)葉能夠可靠關(guān)閉，全關(guān)狀態(tài)下導(dǎo)葉接力器的壓緊力必須克服導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的偏開水力矩、摩擦力矩，并保證一定的安全裕度。該電站在無水調(diào)試中進(jìn)行了導(dǎo)水機(jī)構(gòu)摩擦力試驗(yàn)，結(jié)果表明在調(diào)速器油壓為0.5 MPa時(shí)，機(jī)構(gòu)能夠正常動(dòng)作，故而在理論上，接力器以4 MPa的壓緊力能夠?qū)?dǎo)水機(jī)構(gòu)壓緊。但由于設(shè)備安裝中不可避免地存在偏差，分配到所有導(dǎo)葉的壓緊力不可能完全一致，必然會(huì)有部分導(dǎo)葉的實(shí)際壓緊力小于設(shè)置值，故而應(yīng)該賦予一定的安全裕度。

導(dǎo)葉接力器的設(shè)計(jì)，全關(guān)狀態(tài)下活塞桿導(dǎo)向軸套、圓柱銷等部件的力學(xué)核算都基于4.2 MPa操作油壓，若壓力過高，結(jié)構(gòu)將不可靠，因而最終確定接力器全關(guān)預(yù)緊壓力按4.2 MPa調(diào)整。

4.2 壓緊位移試驗(yàn)及壓緊行程調(diào)整

為了確定4.2 MPa油壓對(duì)應(yīng)的接力器壓緊位移，開展了接力器壓緊位移與操作油壓的關(guān)聯(lián)性試驗(yàn)，其原理如圖6所示，在接力器處于全關(guān)位置且調(diào)速器無壓時(shí)，調(diào)整接力器預(yù)留的壓緊行程至足夠大，確保大于4.2 MPa油壓所對(duì)應(yīng)的壓緊位移，使該調(diào)速器油壓能完全作用于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。關(guān)閉腔接壓力油，開啟腔通回油，調(diào)速器緩慢升壓，每升壓0.5 MPa測試一次接力器的實(shí)際壓緊位移，直至4.2 MPa，該壓力下活塞的位移值即接力器壓緊行程的目標(biāo)取值。

圖6 導(dǎo)葉接力器預(yù)留足夠的壓緊行程

部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，由表中數(shù)據(jù)可以看出，按設(shè)計(jì)廠家提供的數(shù)值5～7 mm壓緊行程進(jìn)行調(diào)整，對(duì)應(yīng)的壓緊力只有1.5～2.0 MPa，而4.2 MPa油壓對(duì)應(yīng)的壓緊位移達(dá)到了12 mm。根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終確定將接力器的壓緊行程設(shè)置為12 mm。

表3 導(dǎo)葉接力器壓緊位移的試驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

切斷調(diào)速器油壓后，重新調(diào)整接力器的壓緊行程預(yù)留值，使其小于12 mm，防止調(diào)速器升壓后，過高的壓緊力作用于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。調(diào)速器繼續(xù)升壓，當(dāng)升至額定工作壓力6.3 MPa時(shí)，將3只接力器的壓緊行程增加到12 mm。

4.3 壓緊行程調(diào)整的效果

為了驗(yàn)證壓緊行程調(diào)整的效果，進(jìn)行了簡單的數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖7所示，每次檢修完工后，蝸殼充水過程中導(dǎo)葉也會(huì)漏水，最終平衡狀態(tài)下的充水速度等于導(dǎo)葉漏水速度，充水速度與閘門前后的壓差有關(guān)，該壓差約為50 kPa，本次壓緊行程重新調(diào)整后，壓差約為10 kPa。

圖7 最終狀態(tài)下的蝸殼充水和漏水平衡

充水流量關(guān)系方程可以寫為:Q∝Am△Pn，A表示充水裝置的結(jié)構(gòu)因子，m為結(jié)構(gòu)相關(guān)指數(shù)，△P為閘門前后壓差，n為壓差相關(guān)指數(shù)，取值0.5～1[7]。

閘門充水閥結(jié)構(gòu)不變，Am為固定值，當(dāng)n取值1時(shí)，計(jì)算處理后的漏水量減小80%；當(dāng)n取值0.5時(shí)，計(jì)算漏水量減小55%，也就是說，經(jīng)本次接力器壓緊行程調(diào)整處理后，導(dǎo)葉漏水量減小了55%～80%，效果較為明顯。

5 結(jié)語

本文所涉及的導(dǎo)葉漏水問題，其特殊性在于該電站機(jī)組停備下的導(dǎo)葉偏開水力矩極大，與該導(dǎo)葉特殊的水力設(shè)計(jì)密不可分，按照一般規(guī)范對(duì)該導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓緊，漏水量偏大是不可避免的。由于受接力器結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的限制，壓緊力不能繼續(xù)升高，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓緊的安全裕度并不算大，因此，部分導(dǎo)葉未壓緊的可能性依然存在，相關(guān)問題需通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化安裝才能根治。

基于力學(xué)核算的接力器壓緊行程試驗(yàn)調(diào)整方法，其目的在于準(zhǔn)確控制導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的壓緊力:一方面，針對(duì)某些具有特殊水力性能的導(dǎo)葉，可以做到盡可能地減小導(dǎo)葉漏水；另一方面，無論導(dǎo)葉的水力性能如何，在排查導(dǎo)葉漏水原因、評(píng)價(jià)接力器壓緊是否可靠時(shí)，該方法具有廣泛的適用性。