故县水电厂导水机构改进研究报告.docx
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故县水电厂导水机构改进研究报告
附件1
故县水电厂
导水机构改进研究报告
单位：
河南明珠洛河水力发电有限公司
日期：
2018年02月22日
故县水电厂导水机构改进研究报告
项目负责人：
蔡兴中
主要完成者：
黄义波赵振荆建军金润高
刘东林蔡鹏飞丁全勇王志玲
王亮王兆军郑志强张会涛
李炳旭张静
1.研究的目的和意义……………………………………………1
2.项目实施的必要性……………………………………………2
3.实施方案的比较、选择及确定………………………………3
4.项目实施的方法、步骤、工艺技术措施……………………5
5.解决的主要技术难题…………………………………………12
6.成果的先进性和创新点，提出成果先进性引证材料………13
7.取得的经济效益和社会效益…………………………………14
8.推广应用情况及存在不足……………………………………16
9.结论……………………………………………………………16
一、研究的目的和意义
故县水电厂1～3#混流式机组型号为HL220-LJ-200。
机组除在汛期承担发电任务外，全年对洛阳地区进行调峰调压。
三台机组的导水机构型式为径向式，导叶轴线布置在机组中心线的圆柱面上。
导叶的上、下端面与相关处无专用密封，立面密封为相邻两导叶的刚性密封。
导叶轴套为长套筒结构，导叶中轴径为“L”形密封。
机组自投运后由于导水机构制造受设计、工艺、材料和运行环境等因素影响，出现套筒漏水严重（轴套）、机组停机时间延长、调速系统增减负荷时发卡、剪断销断裂。
导叶轴承是水轮机导水机构的重要部件之一,它的作用是通过调节导叶的开口来保证水流以很小的能量损失,在不同的流量下没圆周均匀进入转轮。
这就要求导叶三支点要同心,三支点的支承与导叶轴要具有合理的间隙,支承轴瓦要有较好的润滑性、较高的抗磨性以及较强的承载能力。
原有的尼龙1010轴承需要采用专用工具进行压装，安装更换过程复杂、耐磨性也较差，在运行过程中有水胀现象容易产生抱轴。
特别是3#机组由于导叶漏水严重，顶盖侧壁设计的自流孔已经不能满足机组正常漏水的排泄要求，必须通过在顶盖内加装两台潜水泵，运行人员需要定时抽水才能保证水导轴承不被淹没。
导水机构漏水量大的严重缺陷，导致全厂机组在停机备用状态下多次出现蠕动，这种低速旋转严重威胁机组（推力轴承等）的安全运行。
针对上述情况故县水电厂研究决定对全厂水轮机导水机构逐步实施改进。
2016年，故县水电厂将导水机构改造作为该年度故县局的技术攻关项目，在1#机组A级大修中进行了实施。
二、项目实施的必要性
水轮机导叶密封性能的好坏，是衡量水轮机运行质量的重要指标之一。
故县水电厂水轮发电机组已经投运20多年，机组导叶的上、中、下轴颈皆为普通钢，长时间运行已经锈蚀、磨损严重。
上、中轴颈处密封元件老化损坏，部分导叶顺轴套串水。
导叶的上下端面及立面密封为刚性密封，在运行中出现封闭不严，这些给机组带来如下问题：
1、威胁机组的安全运行。
由于导水机构密封不严引起较大漏水，机组停机撤除风闸后有时仍可发生蠕动，严重危及推力轴承及机组的安全运行。
2、加大风闸和制动环的磨损。
由于导水机构密封不严，造成停机时间延长，大大增加了风闸板和制动环的磨损，同时也增加了粉尘污染。
3、导叶上、下端面及立面密封面设计没有抗磨、抗空蚀措施,使得导叶运行一段时间后很快出现端面、立面间隙增大,降低封水性能。
4、原导叶上、中、下轴套均为尼龙1010制品,其承压能力低,线膨胀系数大,易变形,磨损、自润滑性能差,致使历次大修时轴套尺寸的确定以及其膨胀后与导叶的三部轴径配合间隙的确定十分困难,通常在检修中为了保证导水机构的操作灵活,间隙尺寸都定的很大,这样对导叶受力分布及封水极为不利。
5、由于导水机构的漏水，也造成水资源的浪费。
综上所述，为预防上述问题的发生，必须解决机组漏水量大的问题，因此必须对导叶密封进行彻底改造。
三、实施方案的比较、选择及确定
根据全厂3台老机组都不同程度的出现类似问题，故县水电厂组织有关技术人员进行了认真分析和研究，结合故县水电厂1#水轮发电机组A级扩大性检修工程，附带进行水轮机导水机构改进处理是可行的、经济的、成熟的。
1、改进轴套材质。
最初的三处轴套为尼龙1010,其抗压性能不好,摩擦系数较大,尤其是尼龙的水解系数大,在水中吸水变形,寿命短。
而新采用的ＦＺ-2型钢背聚甲醛复合轴套,是在钢套筒的内表面均匀地黏一层聚甲醛工程塑料，这样使导叶轴承既有聚甲醛轴承的耐磨特点，还提高了轴承强度，消除了工程塑料水胀的缺点，它与尼龙性能对比见表1。
在轴承工作时，孔穴内孔装的固体润滑剂受到摩擦挤压和温差的影响，固体润滑剂能够自动挤出，在轴及轴套表面上黏附着极薄而光滑的润滑膜，可有效地改善润滑条件，即使在很高的压力下，也能获得极佳的使用效果。
表1几种工程塑料的主要性能比较
性能
单位
尼龙MC
尼龙1010
聚甲醛
聚四氟乙烯
抗拉强度
MPa
79～97
49～59
52～55
14～25
硬度
MPa
14～21
7.3～8.5
38～42
12～14
抗弯强度
MPa
98～118
67～80
30～45
密度
t/m³
1.15～1.16
1.04～1.05
1.42
2.2
吸水率
%
1.6～2.0
0.3～0.8
0.03～0.05
0.02～0.04
抗压强度
MPa
75～96
49～56
摩擦系数
0.35～0.44
0.08～0.15
0.42～0.54
0.08～0.10
2、改进轴套的密封形式。
原中轴套结构采用的“L”密封元件为普通中硬橡胶。
对耐磨性能等均无特殊要求。
改造中的“O”形密封元件采用新研制开发的改性耐油耐水的聚氨酯橡胶,它耐泥砂水冲刷性能比普通橡胶高５倍以上。
从表2中可以看出,它的力学性能指标也远远高出目前水轮机重要橡胶件的要求指标。
表2水轮机重要橡胶件比较
性能
单位
套筒“O”形聚醚聚氨酯橡胶
橡胶导轴承用1626橡胶
转轮叶片密封橡胶
转轮叶片“U”型密封橡胶
拉伸强度
Mpa
43
20
25
20
相对延伸率
%
500
400
350
300
3、改进分半键结构。
故县水电厂每台水轮机有16个活动导叶,导叶轴与拐臂采用分半键连接。
分半键长期处于潮湿的工作环境易于锈蚀,且分半键预紧力较大,因此拆卸困难。
4、导叶端面、立面密封修复。
导叶密封面在采取防变形的前提下补焊抗空化焊条。
四、项目实施的方法、步骤、工艺技术措施
导叶套筒因其“L”型密封损坏，常常造成顶盖上水过多，影响水导的安全运行，若套筒漏水严重，应对其进行检修，更换密封；导叶套筒的拆卸，应在其相应连杆、拐臂拆除以后进行，为了避免拆除时其相邻拐臂对它的影响，建议将导叶开度打到50%。
导叶轴头与拐臂多数采用分半键来连接，当拆去导叶轴头上的盖板之后，便露出键的头部。
根据分半键的大小设计不同的拔键工具。
之前拔分半键都是通过在分半键头部焊接螺杆使之与拔键工具配合使用，故县水电厂根据原拔半键工艺在安全、工作效率存在的诸多问题进行详细分析提出改造方案，通过在分半键头部以螺纹形式（见图1）并配合空中式液压千斤顶拔起动力工具,便于套筒密封圈的更换，提高了工作效率。
图1分半键改进结构图
1、拔出两个Φ25×50定位销，送掉套筒与顶盖组合面螺栓M30×80；
2、将两个M16螺栓拧入套筒垫装螺栓孔中，边用锤敲，边把螺栓拧入，以顶起套筒，套筒被顶起后，将螺栓换成M16吊耳，上方挂一个5吨导链牵引，边用锤敲，边拉紧导链；
3、套筒拔出后，应及时进行标记、测量、检查和清扫；
4、拆卸顶盖，测量顶盖水平度，并做好方位等记录；
5、拔出4个Φ30（1:
50）定位销钉，松开M36×70顶盖平面组合螺钉清除组合缝间杂物；
6、在起吊过程中，用4台机械千斤顶同时顶起顶盖吊出；
7、顶盖进行清扫、除锈、刷漆；
8、导叶进行编号并吊出后，两端及中部轴径部分进行清扫并涂油防护；
9、拔出底环上4个定位销钉，清除组合螺栓孔内水泥，拆除组合螺丝M30×180；
10、拆除吊装孔铜塞，安装吊环吊出底环
11、检查底环磨损、汽蚀情况，进行补焊打磨，清扫刷漆；
12、检查导叶轴套；
为了使改造后的导叶密封达到预期效果，对导水机构进行认真分析，引进吸收国内外先进技术和材料，对导叶密封进行了以下改进：
在具体工作中，对导叶上、中、下轴承改为FZ-2型钢背聚甲醛自润滑复合轴承（见图2）。
改造后导叶轴承无须注油，不仅减轻了设备的检修维护量、有利于文明生产，而且提高了导水机构运行可靠性。
图2FZ-2型上轴套
中下轴套加工由于机组运行多年,套筒和底环孔变形较为严重,在满足各部配合间隙的情况下,若不考虑顶盖与底环同心度,还按常规处理方法加工轴套,将会造成极为严重的后果。
根据实际情况采取了以下措施:
（1）考下轴套上层采用工字环配合内外“O”型密封圈双向密封，下层使用复合轴套。
（2）考虑到长套筒出现的变形情况,将中轴套压入套筒内,然后以套筒止扣和组合法兰面为基准找圆大致找平,并根据中轴径处理后尺寸对中轴套内径进行加工，这样就保证了套筒与轴套轴线的同轴度和套筒轴线与组合法兰面的垂直度。
（3）下轴套外径尺寸的确定十分重要,特别是对于变形十分严重,清扫比较困难的底环孔来讲,尺寸确定不当就会造成十分严重的后果。
因此,根据实测数据,经过认真分析后选用过渡配合,对导叶外径进行处理。
最后轴套就位后,在保证紧固配合的情况下,内孔尺寸变化很小,符合与轴径的配合要求（见图3）。
图3FZ-2型下轴套
检查压入后的套筒上、中轴套配合尺寸应为Φ125H7，下轴套配合尺寸应为Φ95H7，否则应做处理。
13、导叶轴颈密封的改进
导叶轴颈密封在机组正常运行和停机过程中都起密封作用，主要是防止蜗壳中的水进入顶盖和防止水中的泥沙进入套筒，以免磨损轴颈和轴套。
导叶的轴颈密封分为上、中轴颈密封和下轴颈密封。
改造之前中轴颈采用的是“L”形密封，这种密封结构一般用在低水头机组中。
L形密封圈多数装在导叶套筒下端，封水性能一般，但结构复杂，制造困难；随着我国机械制造业水平、精度的不断提高，现在多数机组已改用“O”形密封，实践表明，其封水性能很好，且结构简单。
“L”形密封圈与导叶中轴颈之间靠水压贴紧封水，密封圈与顶盖配合端面则靠压紧封水，所以套筒与顶盖端面配合尺寸应保证橡胶有一定的压缩量（压缩量约为1mm）。
密封圈的材料采用中硬橡胶，模压成型。
这种密封结构一般用在低水头机组中。
对于高水头机组密封圈的材料强度要增加，否则容易压裂。
由于材料强度有限，所以对高水头中小型机组密封圈结构改用“O”形密封圈（见图4）。
图4导叶上轴颈“O”形密封圈
中轴颈密封结构同样采用“O”形密封圈，这种结构的密封圈与导叶中轴颈之间是靠压贴封水，封水性能较好，结构也比较简单。
它的优点是耐压性好。
套筒与顶盖之间要增加“O”形密封圈封水，但它缺点是与轴颈接触面积大，摩擦力大，因此“O”形密封圈易磨损，应使用在便于更换的结构中。
导叶下轴颈的密封主要是防止泥沙进入发生轴颈磨损。
多数采用“O”形橡胶密封圈密封结构（见图5）。
由于机组原设计方案中导叶下轴套为尼龙1010材料，并没有采取封水设计，这样在采用新轴套后将会有泥沙等污物浸入下轴套的问题，因此采用工字环配合“O”型密封内外双向密封的形式对导叶下轴颈密封，如此即可防止泥沙进入发生轴颈磨损。
并且新型橡胶密封圈对比较早的材料，新橡胶材料更为耐磨，与轴颈接触面积小，使用寿命长，密封效果也不错，值得推广使用。
图5导叶下轴颈“O”形密封
五、解决的主要技术难题
通过这次对分半键、导叶轴套与密封圈的改进，消除了长期困扰故县水电厂导水机构的以下几个方面的问题：
1、大大减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。
原有的分半键以及拐臂在拆卸的时候，每一个都需要先将相应的工装焊接在部件上，通过千斤顶等工具才能将这些部件拆卸下来，这样不仅降低效率增加工作强度，对零部件的损伤也非常大。
更新改造以前,仅分解到导叶套筒位置，就需要十几名熟练工人紧张施工一周的时间。
2、解决了导叶轴径、轴承磨损严重的问题。
由于长期运行导叶轴径与轴套磨损严重，导致轴承间隙增大，从而使轴套漏水严重。
更换新的FZ-2型铜背聚甲醛自润滑轴承后，其优点充分显现：
①金属自润滑轴套尺寸稳定、安装方便、不需任何加工或修配;
②改造后导叶轴套间隙保持在0.1～0.2mm范围内,消除了导叶轴线的位置偏差,达到了预期目的;
③导叶间隙变小后,导水机构操作灵活,无任何卡阻现象;
④电站对同一台机导叶应用尼龙轴套和金属自润滑轴套,分别测定了导叶轴套的摩擦力矩,虽然金属轴套的间隙仅为尼龙轴套的1/3～1/4,但摩擦力矩却略小或相仿。
证明金属自润滑轴套比尼龙轴套的摩擦系数小;
⑤导叶轴套间隙减小和提高轴套耐磨性能后,可以长期保持导叶轴线位置不变,从而保证导叶立面密封面不出现缝隙,大大减缓了密封的损坏。
3、改进的“O”形密封圈在2016年1月应用在故县水电厂1#水轮发电机组当中，经过一年多的运行考验，机组在各种运行工况下，改进部位运行没有出现漏水现象，证明这次改进是成功的，达到了设计要求。
达到节约水资源的目的。
目前，导水机构的这三个方面的改进已经在故县水电厂1#机组上全面应用，效果良好，值得业内同类型机组参考借鉴。
六、成果的先进性和创新点，提出成果先进性引证材料。
1、分半键由原来的平头式改进为螺纹式极大的提高了工作效率、减轻了工人的劳动强度、延长了分半键的使用寿命。
2、导叶及轴套的更新造成旧套筒在尺寸上已经不能满足使用要求，且旧套筒由于多次检修已产生不同程度的变形，垂直度、同轴度已超出使用要求。
鉴于此,必须根据新导叶的尺寸重新加工制作，以匹配其他部件，使同轴度和垂直度偏差得到了保证。
3、轴套改进使用的新材料钢背聚甲醛导叶轴承是在铜钢套筒的内表面上均匀地黏上一层聚甲醛工程塑料，这样使导叶轴承既有聚甲醛轴承的耐磨特点，还提高了轴承强度，消除了工程塑料水胀的缺点，均优于尼龙1010。
采用的铜基镶嵌自润滑轴承是以优良、高强度铜合金为基体，在其上均布若干个孔穴，孔穴内装有固体润滑剂的轴承。
在轴承工作时，固体润滑剂由于受到摩擦挤压和温差的影响，固体润滑剂能够自动挤出，在轴及轴套表面上黏附着极薄而光滑的润滑膜，可有效地改善润滑条件，即使在很高的压力下，也能获得极佳的使用效果（见表3）。
表3导叶轴径Φ200～Φ300范围内非尼龙材料轴承的应用实例
序号
电站名称
使用部位
轴承型号
轴径
年份
1
三门峡
导叶轴套
FZ-5铜合金镶嵌自润滑轴承
Φ270
2001
2
岩滩机组
导叶轴套
FZ-5铜合金镶嵌自润滑轴承
Φ600/Φ580
2002
3
枫树坝
导叶轴套
FZ-5铜合金镶嵌自润滑轴承
Φ190/Φ150
2003
4
东风电站
导叶轴套
FZ-5铜合金镶嵌自润滑轴承
Φ265/Φ235
2004
5
乌溪江水电厂
导叶轴套
FZ-2钢背聚甲醛自润滑轴承
Φ275
2005
4、导叶轴颈密封由原来的“L”形橡胶密封改进为现在的聚醚聚氨酯“O”形密封，这种材料各方面性能均优于中硬耐磨橡胶，抗拉强度为中硬耐磨橡胶的3倍，抗磨性能为中硬耐磨橡胶的10倍等。
经试验，新材料的综合使用寿命是原来的5～7倍，从而改善了导叶的密封性能，延长了密封材料的使用寿命，弥补了“L”形密封的缺点。
其密封原理是密封圈与导叶轴颈之间靠压贴封水，封水性能较好，结构也比较简单，由于“O”形密封圈耐压性好，一般应用于高水头小机组中。
七、经济效益和社会效益
通过对水轮机导叶密封结构的改造，彻底解决了导叶轴套密封问题，导叶立面、端面明显减小。
1#机组扩大性大修前后导叶漏水得到明显改善。
在设计水头（65m）下导叶漏水量大概由0.15m³/s减小到0.12m³/s，该值分别为额定流量36m³/s的8.5‰与3.3‰（远小于国标规定的5‰）。
由于导叶漏水量大大减少，不仅减少了设备的检修维护量，延长了机组的使用寿命，而且提高了机组安全、稳定运行的可靠性。
1、经济效益
（1）全厂机组总备用小时：
24×365d-（1.3亿Kw/6万Kwh）=6594h
仅1号机每年可节约水能：
（6594/3）×3600×（0.15-0.12）=237384m³
可多发：
（2万×237384）/36×3600=3.7万KWh
按现上网电价0.30元/Kwh计算，单台机组每年可创直接经济收益：
M=37000×0.30=1.11万元
（2）较少检修频次，按每个A修周期小修3次，每次小修总费用10万元估算，可节约检修费用30万元。
2、社会效益
（1）由于导叶间隙偏小,使得漏水量减小,蜗壳平压极易实现,从而保证了安全提起工作闸门和坝顶启臂设备的安全。
并且使开机时间加快,停机制动较为理想,减小了制动环的磨损量,保证了推力轴承的安全。
（2）由于导水机构漏水量的减少,避免导叶关闭状态下机组的低速转动,保证了推力轴承安全和其他设备的安全运行。
（3）由于对轴径进行了处理和对其密封结构的改进,顶盖几乎不上水。
使得顶盖排水系统的自流孔就能满足机组的正常泄漏量，取消了改造前需要外加装潜水泵的排水的恶劣条件（主要是主轴密封上水）,这样就保证了顶盖系统的安全和避免了顶盖系统出现问题而出现的淹没水导现象。
八、推广应用情况及存在不足
经以上几个方面的测量、试验、检查及运行充分说明我厂1#机的导水机构改造是成功的。
故县水电厂导水机构改造采用了当前较为先进的材料和施工措施，设计上的合理和安装精度的提高，机组漏水量得到了明显改善。
通过此次机组改造，笔者认为，在进行旧机组改造时，不同于新机组安装，涉及方面广，协调难度大，牵扯人员多，施工难度不可预见性大。
因此，旧机组改造要特别注意新旧设备的衔接，详细测量记录旧设备结构尺寸和新配件的装配形位公差等，以便在机组回装阶段能够顺利进行。
此次导水机构更新改造在故县水电厂机组改造中尚属首次，通过此次改造，导水机构具有良好的密封性能，不仅消除了机组停机蠕动的现象，提高了机组安全、稳定运行的可靠性，更是提高了机组的水能利用率。
九、结论
故县水电厂1#机组导水机构改造完毕后，通过一年来的运行检验，导水机构的密封性能是良好的，顶盖上水量大大降低，自流孔能够满足机组的正常泄漏量。
但是，在安装过程中，由于多方面的原因，造成不少返工，相对增加了大量的工程量。
所有问题采取打磨及加点垫等方法进行处理，使机组导水机构的安装都在标准范围内，为机组投产安全运行创造了一个坚实的基础，此次导水机构的改进已经成功推广应用于故县水电厂1#机组导水机构中，运行效果良好。
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