水轮机活动导叶漏水问题分析与处理研究.pdf

水轮机活动导叶漏水问题分析与处理研究郭 杰(广西桂冠电力股份有限公司深圳分公司兴义)摘 要:水轮机活动导叶漏水量过大会对机组运行和停机带来很大的安全隐患以工程实践经验为基础从活动导叶结构设计、安装标准和密封材料以及漏水量测量等不同角度进行了探讨和分析对影响活动导叶漏水量的各种因素进行了系统研究并提出了相应的解决办法 对于水轮发电机组后期的安全稳定运行措施和前期的结构设计合理性方面均具有较大的借鉴意义关键词:活动导叶漏水量结构设计标准中图分类号:文献标志码:编码:././.(.):.:引言活动导叶是水轮机导水机构中的重要部件起到控制进水流量和截断水流的作用从而影响水轮机的运行性能与发电效率 在机组运行中活动导叶承受很大的水作用力这就要求活动导叶具有足够的强度、刚度和抗冲磨、抗汽蚀等性能水电机组随着运行年限的增加其导水机构中的部分设备会出现磨损导致活动导叶的各部件间配合间隙增大从而造成活动导叶的漏水量增大 导叶漏水量过大的危害较为严重一方面会使得机组在停机状态下产生间隙射流机组转动部件将发生低速转动无法完成停机操作另一方面会增加机组的停机时间导致机组整体漏水量变大机组运行效率和水能利用率下降 此外活动导叶漏水还会造成过流部件的空蚀、噪声、机组无法保证停机等问题严重时甚至存在水淹厂房的风险目前国内已投运的水电机组容量负荷不断增大水头也不断增高大型水电机组活动导叶的漏水问题将更大程度地影响到机组运行和检修周期内运行的安全性 为保证机组能够安全稳定运行对导水机构的检查检修是必要的尤其是对于已运行周期在 年以上的水电机组此项问题应该是重点检查对象之一试验与检测上海大中型电机.活动导叶结构设计与漏水量问题的分析水轮机活动导叶对整个机组的运行与启停机起着至关重要的作用 从受力角度来看当水轮发电机组活动导叶处于完全关闭状态时导叶瓣体将承受到上下游水头产生的水压力和尾水压力导叶上轴颈承受来自接力器操作力产生的扭矩载荷 此时相邻导叶的进水边和出水边将会相互接触并产生力的相互作用.活动导叶局部应力和漏水量之间的影响随着水电站水头的提高活动导叶受到的水压力相应增大导致出现活动导叶上下连接圆盘与瓣体间连接局部应力过高问题(见图)加大上下连接圆盘直径增加圆盘与瓣体连接面积与惯性矩可解决应力问题但圆盘直径增大后直接导致机组关机状态时漏水量加大 从活动导叶端面间隙角度来考虑圆盘直径的增大必然造成端面间隙的过流面积的增大这对漏水量的控制显然是不利的图 活动导叶整体和局部应力图活动导叶瓣体与顶盖和底环的抗磨板端面间隙为 上下连接圆盘与抗磨板间隙为 机组关机状态时在水压力的作用下上游侧高压水会沿着上下连接圆盘与抗磨板间隙从上游侧流动到下游侧在上下连接圆盘直径增大时通过该位置的漏水量加大存在无法安全关机的危险性 活动导叶在上下连接圆盘位置无密封其间隙大于瓣体与顶盖和底环抗磨板端面间隙因此现有结构型式不可避免地存在较大漏水量容易发生无法停机情况危及机组安全运行 因此在上下圆盘端面增加密封以保证在停机状态时上游侧高压水无法进入下游侧降低漏水量 考虑到机组正常运行状态时此处密封无需承担密封作用为延长磨损寿命在活动导叶下游侧连接圆盘斜向开平压孔(见图)以均衡上下游测水压力 上连接圆盘 下连接圆盘 密封槽 型密封 导叶瓣体 平压孔 枢轴图 活动导叶开平压孔结构图水轮机运行时活动导叶打开水流在上下游侧贯通 此时瓣体与顶盖和底环的抗磨板端面上游侧间隙内存在上游水压力 下游侧由于存在平压孔下游侧水压力也可进入顶盖和底环的抗磨板端面间隙内 此时上下游压差较小上下连接圆盘处密封基本不承受载荷作用无密封效果 水轮机关机时上游侧高压水通过瓣体与顶盖和底环的抗磨板端面间隙下游侧低压水通过瓣体与顶盖和底环的抗磨板端面间隙 上下游水压力存在压差上下连接圆盘处密封受载荷作用起到封闭效果保证上游侧高压水无法通过上下连接圆盘进入下游侧.活动导叶结构尺寸设计和漏水量之间的影响国内外高水头水轮机导叶上浮或下沉现象时有发生给机组安全稳定运行带来隐患 随着水力技术的发展混流式水轮机应用到更高的水头出现了以下技术难题:第一导叶在高的水压力作用下的上浮或下沉力巨大导致导叶止推悬挂装置设计布置无法实现第二导叶的端面密封漏水量大特别对于泥沙含量大的电站端面无法加密封条机组无法将转速降低制动无法投入停机第三导叶端面及其相关的过流面磨损快缩短机组检修周期提高了机组的运行维护成本减少电站发电量为从结构设计角度考虑活动导叶漏水问题的解决有必要对水轮机导叶端面密封水压力进行自平衡结构的设计 此时活动导叶中轴颈 和导叶下轴颈 相同导叶瓣体上端面密封圆盘和导叶瓣体下端面密封圆盘外径 相同见图、图.水轮机活动导叶漏水问题分析与处理研究试验与检测导叶中轴颈直径 和导叶下轴颈直径 的尺寸一致性保证了导叶轴颈在水压力作用下产生的力平衡导叶瓣体上端面密封圆盘和导叶瓣体下端面密封圆盘外径 的尺寸一致性 密封圆盘作用是减少导叶端面漏水面积且在圆盘外圆加复合密封圈以减少导叶漏水量 为了防止复合密封损坏后导致导叶上端面密封圆盘上端和导叶下端面密封圆盘下端的水压力不平衡可通过加工平衡压力孔来平衡水压力 这种结构可降低导叶止推悬挂装置设计难度减小导叶端面漏水改善导叶端面及其相关过流面磨损提高电站的效益在保证机组具有良好稳定性能的同时也可提高机组的安全可靠性图 活动导叶三维结构尺寸图图 活动导叶整体关闭时的三维结构图 活动导叶的安装检修与漏水量问题的分析对于活动导叶漏水问题的出现主要在于以下几个方面:第一导叶上下端面与顶盖底环之间的端面间隙超标第二导叶端面密封铜条磨损严重及立面间隙超标第三导叶各轴颈处轴套磨损严重导致的间隙超标 第四接力器压紧行程不满足设计规范或接力器左右两侧活塞杆水平度超标 上述这些问题都将导致活动导叶漏水量的加大从而影响到机组整体的运行性能可以看出活动导叶出现漏水问题与机组安装检修人员的技术水平和重视程度也有一定关系 一方面是能否严格按照安装技术要求达到规范标准以保证安装达到设计所考虑的目的另一方面是必须使用专用导叶安装工具来对活动导叶进行安装以保证安装的可靠性及一致性.安装工艺和漏水量之间的影响对于水轮机常规设计而言一般在活动导叶承重端盖与轴端间均设计有调整垫片其主要作用是在导叶上下端部间隙分配合格后通过紧固承重螺栓从而压紧调整垫片使得承重端盖与轴端间没有间隙以防止出现承重螺栓松动、导叶下落的问题并在每个活动导叶上均设计有止推装置主要目的是防止导叶在运行时出现上抬现象造成导叶端面与顶盖抗磨板间相互摩擦问题的出现 因此从安装工艺角度来看关键在于安装时活动导叶端面和立面间隙的控制和调整(见图)图 活动导叶图一般情况下机组在检修后漏水量均能符合规定要求而在运行一段时间后漏水量会开始逐渐增加 从一些电站的试验数据来看检修后导叶立面、端面及接力器压紧行程均能达到规定要求但在下次检修时端面间隙和压紧行程保持不变但导叶立面间隙会发生变化 因此漏水量增大的主要原因还在于导叶立面间隙的变化量在实际的水轮机运行中无论水质含沙量多少由于负荷的不断变化导叶的频繁开关运动均会致使导叶的上下轴颈和立面间隙存在一定的磨损量 含沙量大的电站磨损量较大 这些部件的磨损一定程度上增大了漏水的可能性 因此要求在每次大修时需测量上下导叶的轴颈和活动导叶瓣体形状尺寸并结合上一轮大修的记录对比磨损量的多少对不符合要求的活动导叶要进行处理修复试验与检测上海大中型电机.一般在图纸指导的前提下将锈蚀磨损部分用车床机加然后通过补焊的方式 保证在上下同心的基础上对活动导叶进行精加工加工精度和尺寸符合图纸的设计要求 这样可以保证装配后的导叶漏水量最小 活动导叶密封的问题也比较重要如果密封圈损坏严重就不能满足检修周期的需要故应选用材质良好的密封圈.导叶密封和漏水量之间的影响水轮机活动导叶关闭状态时是以导叶瓣体翼形头尾部相接来加以隔断水流的(见图)目前传统国内大型水电站混流式水轮机活动导叶立面密封形式为金属刚性密封 这种密封形式存在一定的弊端尤其是对于运行多年的机组而言导叶在高速高含沙水流长期不断冲刷作用下其刚性密封面会随之发生磨损密封面的磨损还将进一步加剧密封处的汽蚀现象从而形成恶性循环致使导叶立面密封磨损汽蚀严重 一方面磨蚀造成导叶漏水量加大导致机组停机时间延长增加了制动机构的磨损另一方面当导叶漏水较大时机组有蠕动现象严重威胁机组推力轴承等设备的安全也直接影响机组的发电效率图 活动导叶关闭状态时头尾部状态磨蚀一般通过堆焊技术来进行修复但是堆焊后人工打磨修型困难且堆焊点也变成了金属汽蚀的脆弱点 堆焊面经过一个小修周期后即被磨蚀殆尽进一步磨蚀就会伤害到活动导叶的本体母材严重影响了活动导叶的运行使用寿命通过现有文献资料检索和水电站实际运行发现对于非金属密封方式多采用密封条结构(见图)该密封条形状主要有三角形实心和空心两种需要在导叶立面密封大头面开燕尾槽或梯形槽进行安装和固定这种密封方式投入初期密封效果较好但是运行一段时间后密封条与燕尾槽或梯形槽交接位置易出现汽蚀加上密封条体积小、材质软易从固定槽内脱落导致密封条密封失效 密封槽 立面密封条 密封压板 螺钉 导叶尾部图 活动导叶立面密封结构形式对于活动导叶立面密封一方面需要考虑密封装置的磨损问题另一方面需要考虑导叶密封性能问题 通过采用合理的密封装置能有效提高导叶全关状态下的密封性能改善正常停机时因导叶漏水量增大而导致的机组蠕动问题 目前制造厂家的活动导叶密封材料多采用适于长期水下工作的聚氨酯弹性材料该弹性材料具有较高的弹性、强度及优异的耐水性、耐磨性、耐油性、耐疲劳、耐撕裂及抗震动性其耐磨性是普通碳钢的 倍以上 活动导叶漏水量的测量问题水轮发电机组活动导叶漏水是一个不同程度存在的现象 如果是由于导叶密封不严而造成的漏水问题随着机组运行时间的增长不但会造成漏水量加大而且会加剧导叶头尾部相接处的间隙汽蚀当漏水量达到一定量值时将使得机组在导叶关闭后仍无法完成停机操作和停机蠕动无法保证机组的安全运行 此外水轮机的运行效率与导叶漏水量也有一定的关系当漏水量达到一定程度时水轮机的运行效率将会极大降低对机组的经济运行指标造成影响 这种影响因素对于抽水蓄能机组而言由于其工况转换频繁的原因影响将更为明显因此如何采取措施降低导叶漏水量尤为重要导叶漏水量较为常用的测量方法为容积法 容积法测量导叶漏水量要求关闭水道进口通过一定时间内压力钢管或输水管道内的体积变化来测定.水轮机活动导叶漏水问题分析与处理研究试验与检测一般情况下体积变化通过压力数值变化来体现利用工作闸门和活动导叶的漏水量均与前后压力差相关的原理当上库水位保持不变工作闸门落下后随着通气孔水位的下降闸门上下游的压力差增大闸门漏水量则相应增大(类似连通器原理闸门两侧外部压力均视为标准大气压)与此同时活动导叶上下游的压力差减小导叶漏水量则相应减小 当闸门漏水量与导叶漏水量相等时通气孔水位则保持不变从而可测量计算得到活动导叶的漏水量 结论水轮发电机组活动导叶漏水问题是一种在很多电站均不同程度存在的问题其主要表现为机组停机状态时导水机构的活动导叶封水不严在结构设计阶段可通过对活动导叶采取一定的措施 如增加上下连接圆盘处密封对机组在关机状态时活动导叶与顶盖和底环抗磨板间隙进行填充可以保证水轮机端面漏水量满足安全停机要求在活动导叶低压侧开平压孔以在正常运行状态降低密封橡胶磨损可延长密封寿命 对活动导叶中部轴颈和下部轴颈采用统一设计尺寸及导叶瓣体上端面密封圆盘和导叶瓣体下端面密封圆盘也采用同一设计尺寸并且在圆盘外圆加复合密封圈加工平衡压力孔来平衡水压力可从结构设计角度来减小水压力作用下产生的不平衡力减少导叶端面漏水面积改善导叶端面及其相关过流面磨损在检修阶段一般要求水轮机在大修前后均应进行导叶的漏水量的测量工作以检查其止封效果并检验活动导叶检修及调整质量 此外可通过安装和检修阶段对立面间隙的调整和设计标准目标的实施来加以保证并通过立面密封装置的增加确保活动导叶停机在全关状态下具有良好的密封性和开停机时具有良好的抗汽蚀能力保障机组安全运行以保证机组具有良好稳定性能同时也提高机组的安全可靠性对高水头大流量混流式水轮机和水泵水轮机均具有重大的实用价值活动导叶漏水量的测量问题对于机组的检修周期判断尤为重要 采用合理的测量方法可保证漏水量测量数据的准确性减少误判对机组安全稳定运行的影响并可通过检修前后漏水量的变化检验检修工作的效果 活动导叶漏水量的测量准确性问题具有重要的实际意义参考文献 郑建民敬燕飞邓韬等.混流式水轮机活动导叶裂纹原因分析及处理.水电站机电技术():.葛军强.水泵水轮机导叶间隙的影响因素及调整方法.水电与抽水蓄能():.于亚军吴玉良刘迎曦等.水轮机导叶漏水影响因素分析及改进建议.水力发电():.杨优军.洪家渡发电厂 号机导叶漏水分析及处理.贵州水力发电():.周金明张庆忠王建忠等.大山口水电厂水轮机导叶漏水原因分析及处理.中国设备工程():.赵远新吴博杨墨宇等.龙口水电站机组停机不成功原因分析及处理.内蒙古电力技术():.郑攀登.思林发电厂 号机导叶漏水分析处理.红水河():.贾子奇罗泽文赵庆翔.白鹤滩水电站百万千瓦机组导叶漏水分析及处理.人民长江():.林道华.山美水电站混流式水轮机导叶漏水的处理.水利科技():.李志鸿.混流式水轮机导叶机构漏水分析与对策.科技与创新():.黄隆志.混流式水轮机导叶漏水分析及处理.四川水利发电():.吴亚军杨振彪田迪阳.导叶开度对水泵水轮机泵工况零流量外特性和稳定性的影响.水电能源科学():.庞立军吕桂萍.活动导叶有限元分析边界条件探讨.大电机技术():.作者简介:郭杰男 年生大学本科研究方向为水轮发电机组检修维护管理欢迎来稿欢迎订阅试验与检测上海大中型电机.