水轮发电机制动器的问题与措施.doc

水轮发电机制动器的问题与措施2

水电站水轮发电机用制动器一般指机械制动器或称风闸以区别电制动，制动器的功能1，气动刹车，在发电机停机过程中当转速降低到额定转速的30~40％时，对机组转动部分进行连续制动，以避免推力轴承因长时间低速运行油膜无法建立而烧瓦。功能2，锁定机组，推力轴承采用塑料瓦的机组，在停机后为防止水轮机导叶漏水的驱动力大于瓦面静摩擦力（塑料瓦对镜板的摩擦系数很小）而引起机组自转，制动器应一直投入直至下次开机。功能3，高压油顶转子，在机组检修时或机组停机时间长又无高压油顶起装置，开机前要顶转子，以便瓦面充油润滑。
我国制动器的制造技术在经历几十年的不断改进现在已相当成熟，现将发生问题和改进措施终结如下。
1,活塞憋卡不能复位
这是制动器采用O形橡胶密封结构后出现的最大问题，有的至今也没有彻底解决，早期制动器出厂就发生活塞憋卡，那时大多因为O形密封质量不过关，密封圈截面不圆是椭圆形，使用几次就拧麻花，密封摩擦力剧增，当时只采用弹簧复位，复位力比较小。之后，提高了O形圈质量，但制动器使用一段时间还是出现活塞憋卡，换了新的密封又可使用一段时间，使用周期越来越短，分析其原因是新制动器气缸内壁光滑，表面粗糙度达Ra0.4，这对密封的磨损较小，在使用过程中制动器活塞在气缸里滑动金属间产生摩擦，特别是机组制动时，活塞受径向力作用，和气缸之间的摩擦力很大，渐渐气缸内壁被划伤拉毛，制动器使用越久，缸壁拉毛现象越严重，尤其是铸铁活塞无油润滑时对气缸的损伤更大，当气缸内壁不再光滑，橡胶密封受到的磨损也越来越快，橡胶磨损后表面变得粗糙增加了摩擦系数，橡胶密封和气缸内壁之间摩擦力大于弹簧和活塞自重的复位力时，活塞自然就憋卡不能复位。
解决的方式有以下两种，其一是应运而生的气压复位，气压复位的复位力一般按四倍于弹簧复位力来设计，巨大复位力使活塞不再憋卡，这也是现在最普遍采用的复位方式，如果在制动器结构上仅仅采用这种方式可以说是远远不够的，因为气缸内壁划伤拉毛问题没有解决，密封磨损快的问题也没有解决,以至于导致密封更换周期越来越短，若采用双活塞三腔（油腔、气腔、复位腔）气压复位结构，制动器的高度要比弹簧复位制动器高，给老电厂改造带来困难。要治本就要采用第二种方式，活塞镶嵌聚四氟乙烯导向带，活塞靠导向带与气缸内壁滑动配合接触，活塞与气缸金属部分永不接触，这样气缸内壁受到保护，不再被划伤，不再被拉毛，密封的磨损问题也得到解决。聚四氟乙烯滑动摩擦产生的微粒，还会在气缸内壁形成塑料薄膜，进一步减小摩擦系数，采用这种方式气压复位和弹簧复位都不是问题。哈尔滨银河电机制造有限公司向哈尔滨电机厂供货必须采用第二种方式。活塞镶嵌导向带应注意以下几点，考虑活塞径向力的作用，导向带宽应大于30mm,导向带厚度为1.3~2mm,导向带槽深为活塞受径向力作用导向带被弹性压缩但活塞金属部分不会与气缸接触，油气分开的油活塞，导向带不受径向力作用带宽为10mm，油活塞金属外径到气缸内壁间隙应控制在油压实验时密封不受损，气活塞密封材料为中硬耐油橡胶，油活塞密封材料为硬耐油橡胶。
2，密封破损，漏气漏油
这是制动器第二个常见问题，橡胶密封使用寿命短是因为磨损太快，导致磨损快是气缸内壁不光滑，这和上个问题一脉相承，活塞在气缸内滑动金属之间相互摩擦，气缸内壁被划伤拉毛，密封在拉毛面上摩擦而减少使用寿命。
解决延长密封寿命问题有两条措施，最重要一条是活塞镶嵌聚四氟乙烯导向带，解决了气缸内壁划伤拉毛问题，始终光滑的内壁自然就延长了密封的使用寿命。其次是采用油雾润滑，就是在制动器控制柜的供气管路上安装油雾器，机组每一次制动，都会有少量油雾进入制动器的制动腔，帮助密封润滑。
如果要滑动密封超长使用寿命就采用聚四氟乙烯材料，是橡胶材料十倍以上的使用寿命，已在富春江调峰机组上连续使用12年，启动机组上万次，还可继续使用，由于密封结构稍显复杂，比较适用于需频繁启动的机组，如调峰调频机组，抽水蓄能机组等。
3，油污染
油污染一是指密封漏油从气缸顶部溢出，油污周边环境，二是指油气管路合一，每次油压顶转子后管路存油都会随机组制动器复位排气以油雾方式排入机坑污染环境。
解决密封漏油措施是在油密封上部活塞上开环形储油槽，并在气缸相对位置开孔安装溢油管路，储油槽太小作用不大，储油槽开大了会影响整体布置，应恰到好处,每一次高压油顶转子油密封泄漏的油量不超过储油槽容积，密封漏油不会污染环境，顶转子后要查看溢油管，有溢油现象应及时更换密封。
解决由于油气管路合一带来的排油雾问题，那就采用双活塞油腔和气腔分开结构好啦，由于油密封使用频率低，这相当于延长油密封使用寿命，油气管路分开，油管路存油和气管路无关了。
4，粉尘污染
制动时制动块摩擦产生的粉尘会污染机组和人体，有厂家为了产品美观在制动块表面涂油，制动刹车时产生烟雾，为改性有的在配料中填加硫磺，制动时会产生异味，制动块的行业标准只规定无石棉，并未对其它成分限制，配方一般都是机密，不知配方中是否有对人体有害成分，所以减少粉尘对设备和人都有好处，吸尘器是最佳选择，两个制动器支墩（两个或四个制动器）配一台吸尘器为好，吸尘器太多机坑拥挤，太少影响吸尘效果。
5，制动块偏磨和磨损快
制动器制动块托板与活塞之间连接为万向节结构，托板可随制动环不平而向任意方向转动，制动块始终和制动环紧密接触，制动块发生偏磨可能有以下两种情况，第一种是托板和活塞之间被螺钉锁紧或卡死，托板不能转动，托板和活塞之间的连接用销子螺钉，销子部分长度大于托板沉孔处厚度，把紧后，托板和螺钉头之间必须留有1mm左右的间隙，销子螺钉也可以用普通螺钉加薄壁套管代替，同样，套管长度要大于托板沉孔处厚度约1mm，这样万向节才能发挥作用.
典型万向节结构有球面支柱型和弹性碟簧型，球面支柱型由铬钢块和球面块构成，铬钢块一半厚度镶嵌在托板底部另一半处在活塞顶部凹槽里，制动时承受托板和活塞之间径向剪切力，凹槽底放置球面块，球面与铬钢块接触，装配后，托板和活塞之间永远保有约1mm间隙，包括油压顶转子，球面支柱为点支撑刚性结构，托板在球面支撑下可任意方向转动。
弹性碟簧型结构与球面支柱型结构大同小异，仅是用对合组合碟簧替换球面块，但理念却有很大不同，装配后，托板和活塞之间留有3~3.5mm间隙，制动时碟簧被压缩，还需保有1~1.5mm间隙，托板随制动环板不平度而任意方向转动，碟簧各方向压缩量也随托板倾斜而变化，是弹性支撑，当油压顶转子时，碟簧被进一步压缩到托板和活塞端面接触，为面支撑结构，好处是托板不易变形，特别是制动器做油压实验和油压顶转子时，面支撑比点支撑更可靠。
制动块偏磨第二种情况是，在制动块中心标注机组旋转方向箭头，我们定义箭头所指为前端，箭尾为后端，中心支撑结构的制动块后端比前端磨损快，这是因为制动时，制动块不仅受到正压摩擦力还要受到前倾力矩作用，这个力矩使制动块后端受力大于前端。制动块表面受到径向摩擦力的支点（切点）一般在活塞上端（要看具体结构而定），摩擦表面到活塞上端的垂直距离就是前倾力矩的力臂h，制动块摩擦力（即前倾力）等于p（正压力）乘以f（摩擦系数），前倾力矩=hpf,为了抵消前倾力矩的作用，将制动块的支点前移一个偏心距离e(或换一个说法将制动块的中心从原支点后移一段距离e），这样就在制动块上产生一个偏心力矩pe（前倾力矩的反力矩，其中e为力臂），让这两个力矩相等就可以了，即pe=hpf e=hf, 制动块的偏心e就得出来了，单方向旋转电机制动块建议采用偏心支撑结构。
制动块磨损快有两种可能，一是制动块材质不耐磨，那就换一个厂家，另一种可能是制动块制动时pv值过高，p为压强，v为线速度，要减少制动块磨损快，要吗降低制动时机组转速，要吗增加制动块的面积，特别是高速机组，比如Φ220制动器可以采用Φ280的制动块甚至更大，这应该在机组设计就考虑，因为制动环需要有足够的宽度。
图一 典型双活塞气压复位制动器