1、挂治水电厂导叶漏水处理摘要：挂治水电厂机组停机后水车室内啸叫严重，并且在风闸退出后有蠕动现象，经分析、试验，并通过有限元计算，对导叶出水边进行了修形处理，处理后效果显著，啸叫及蠕动现象已得到有效治理。 关键词：轴流转浆式水轮机；导叶；漏水处理 中图分类号：TV731 文献标识码：A 文章编号： 1概述 挂治水电厂位于贵州省锦屏县沅水干流上游的清水江中下游，为沅水梯级规划的第三级，工程以发电为主，兼有改善航运条件等综合利用效益，电站安装有 3 台 50MW 轴流转浆式水轮发电机组，总装机容量150MW。 2问题发现的过程及初步处理情况 【机组啸叫问题】自#1 机组安装完成充水调试开始，机组停机后
2、水车室内立即发出“嗡”刺耳的啸叫声，后来#2、#3 机组相继投产后也同样发出该异常啸叫声。为了消除该异常啸叫声，电厂采取了各种方法：更换导叶端面密封条、增大导叶接力器压紧行程、在导叶轴部与底环轴孔间增加塑料密封等，均未得到有效改善。 【机组蠕动】#2、#3 机组投产运行约半年后相继出现在停机过程中风闸退出后发生蠕动现象。处理过程：首先在机组检修时发现导叶端面密封条已脱落，多次更换导叶端面密封条后机组蠕动现象仍未消除；其次，咨询机组制造厂家，按厂家要求增加导叶接力器压紧行程，将接力器压紧行程从 5mm 增大到 7.0mm 左右，机组蠕动现象有所改善，但仍未消除；最后在机组停机流程中增加了防蠕动程
3、序，即在机组发生蠕动时立即投入制动风闸，该方法未能解决根本问题。 3原因分析 为了验证机组啸叫产生的原因，我们做过这样的试验：机组调试时，当导叶处于全关位置时，水车室内有刺耳的啸叫声；然后手动缓慢开启导叶，在这个过程中，水车室内的啸叫声随导叶开度变大而慢慢变小并逐渐转变为水流流动的“哗哗”声；最后再慢慢关闭导叶，在这个过程中，水车室内的水流流动的“哗哗”声随导叶开度变小而慢慢转变为“嗡嗡”的啸叫声，并且啸叫声随着导叶开度的变小而增大。由此可见，机组啸叫与机组蠕动问题产生的根本原因是由于导叶漏水量偏大所造成的。电厂做过统计：在电厂上游区间没有来水的情况下，挂治机组全停、泄洪闸全关状态时，上游库水
4、位 24 小时下降约 10cm。上图为 3 台机组全停时尾水漏水情况，很直观的反应了机组漏水情况。 为了掌握挂治电厂机组具体的漏水量情况，2011 年 5 月 4 日对机组漏水情况进行了粗略测量： 方法一： 条件：上游水位为 320.17m，下游尾水位为 294.42m，机组全停，泄洪闸全关且无渗漏。 测量：下游河面水流宽约 8m，最深约 2m，流速约 2m/s（通过估算漂浮物流动速度） 。 结果：将水流截面近似看作一个三角形，则流量为 8228m3/s 方法二： 条件：入库流量 0，出库流量为 0，发电流量 0，溢洪流量 0。 测量：详见附件 1，测量时间 24h。 结果：漏水量为（0.35
5、1-0.347）108（243600）=4.63m3/s（未考虑区间来水） 。 通过两种方法比较，三台机组导叶总漏水量约为 57m3/s，而机组导叶设计漏水量为 0.5m3/s，导叶实际漏水量远远大于设计漏水量，正是由于导叶的大量漏水造成机组啸叫和蠕动。 4处理方案 4.1 导叶立面处理 挂治水电厂机组导叶全长为 2.32m，我们采用在导叶底部啮合密封处加测试块的方法对导叶的形变情况进行检测，检测方法为在导叶底部啮合密封处加 200250mm（长宽高）的冷轧板，然后接力器给压，测量接力器压紧情况下导叶立面各部位间隙，检测结果如附件 2 所示，通过测量结果可以看出导叶刚度偏小。在正常情况下导叶进
6、水边与出水边上部首先接触，导致导叶关闭力全部集中在导叶顶部，导叶下部在水推力作用下被推开，造成导叶漏水。根据试验，参考高水头电站机组导叶形状，决定对导叶立面进行修型处理，通过有限元分析计算，导叶处理方案为：上端面处的修形量为 1mm，修形范围为从上端面开始至距离上端面 1.4m 距离的范围，用立体几何的术语来表达，即用一个平面切除导叶出水边的一角，上端面处最大切除量为 1mm、从上端往下 1.4m 高度处的切削量为 0。 计算方案及结果如下: 【未修形情况计算】 计算模型 为了计算得到停机工况导叶在全关位置时活动导叶间的立面间隙，选取了 2 个活动导叶，按照全关时的分布位置放置，其中一个导叶为
7、完整导叶，另一个导叶由完整导叶的前后两个导叶的各一部分组成，使用solid45 单元对模型进行网格划分，网格模型见图 1。 边界条件 在计算只有足够的操作油压作用的时候，分别约束了各导叶轴承位置处的径向位移；在导叶轴上端约束轴向位移；对称面节点通过耦合使其 图 1 有限元网格模型图 变形保持一致；导叶的啮合部位通过建立接触对模拟；在导叶轴上端施加操作力矩。 在计算导叶轴上端切向位移和外部水压力共同作用的时候，分别约束了各导叶轴承位置处的径向位移；在导叶轴上端约束轴向位移；对称面节点通过耦合使其变形保持一致；导叶的啮合部 位通过建立接触对模拟；在活动导叶的过流面上施加相应水压力；在导叶轴上端施加
8、切向位移。 假设上游水位 322m，下游水位 296.53m，导叶中心线高程 293m，按操作油压 6MPa 计算，图 2 边界条件施加情况 作用到一只导叶上的操作力矩为 94.2kN?m；按操作油压 4.2MPa 计算，作用到一只导叶的操作力矩为 62.8kN?m。只有足够的操作油压作用时的边界条件施加情况具体见图 2。 计算结果 通过计算，在操作力矩为 62.8kN?m，无水时、只有足够操作油压作用的时候，导叶轴上端的最大切向位移为 0.404mm，见图 3，最大应力130.5MPa，发生在导叶啮合边上端，见图 4。取导叶轴上端切向位移为0.4mm 作为边界条件，在外界水压的作用下，导叶最
9、大变形 2.68mm，见图 5，最大应力 151.7MPa，发生在导叶啮合边上端，见图 6，最大间隙0.93mm，平均间隙 0.61mm，见图 7。 在操作力矩为 94.2kN?m，无水时、只有足够操作油压作用的时候，导叶轴上端的最大切向位移为 0.607mm，最大应力 196.5MPa，发生在导叶啮合边上端。取导叶轴上端切向位移为 0.6mm 作为边界条件，在外界水压的作用下，导叶最大变形 2.59mm，最大应力 200.7MPa，发生在导叶啮合边上端，最大间隙 0.79mm，平均间隙 0.49mm。 图 3 操作力矩 62.8kNm 时， 未修形导叶切向位移分布 图 4 操作力矩 62.8
10、kNm 时， 未修形导叶应力分布 图 5 操作力矩 62.8kNm 与水压共同作用时，未 修形导叶综合位移分布 图 6 操作力矩 62.8kNm 与水压共同作用时， 未修形导叶应力分布 图 7 操作力矩 62.8kNm 与水压共同作用时，未修形导叶立面间隙分布 从以上结果可知，导叶在强度方面满足机组安全稳定运行要求，但导叶立面平均间隙比设计值 0.15mm 大，造成了机组漏水量大。为了减小机组漏水量，即减小导叶全关时的立面间隙，需要对导叶出水边进行适当修型。 【方案 1】导叶上端面处的修形量为 1mm，修形范围为从上端面开始至距离上端面 1.4m 距离的范围，即用立体几何的术语来表达时，就是用
11、一个平面切除导叶出水边的一角，导叶上端面处最大切除量为 1mm、从导叶上端往下 1.4m 高度处的切削量为 0。 根据以上方案，重新建立计算模型，导叶出水边按修型后的形状，计算的边界条件与载荷施加与现状计算时一致。计算得到： 在操作力矩为 62.8kN?m，无水时、只有足够操作油压作用的时候，导叶轴上端的最大切向位移为 0.56mm，最大应力 122.7MPa，发生在上轴端。取导叶轴上端切向位移 0.56mm 作为边界条件，在外界水压的共同作用下，导叶最大变形 2.157mm，最大应力 123.4MPa，发生在轴头本体连接处，最大间隙 0.1mm，平均间隙 0.072mm。 在操作力矩为 94
12、.2kN?m，只有操作油压作用的时候，导叶轴上端的最大切向位移为 0.73mm，最大应力 184.1MPa，发生在上轴端，取导叶轴上端切向位移 0.7mm 作为边界条件，在外界水压的作用下，导叶最大变形 2.178mm，最大应力为 144.6MPa，发生在轴头本体连接处，最大间隙0.065mm，平均间隙 0.035mm。 【方案 2】导叶上端面处的修形量为 1.2mm，修形范围为从上端面开始至距离上端面 2.02m 范围，用立体几何的术语来表达，即用一个平面切除导叶出水边的一角，导叶上端面处最大切除量为 1.2mm。 根据以上方案，重新建立计算模型，导叶出水边按修型后的形状，计算的边界条件与载
13、荷施加与现状计算时一致。计算得到： 在操作力矩为 62.8kN?m，只有操作油压作用的时候，导叶轴上端的最大切向位移为 0.53mm，最大应力 119.9MPa，发生在上轴端。取导叶轴上端切向位移为 0.55mm 作为边界条件，在外界水压的作用下，导叶最大变形 2.234mm，最大应力 110.9MPa，发生在轴头本体连接处，最大间隙0.24mm，平均间隙 0.11mm。 在操作力矩为 94.2kN?m，只有操作油压作用的时候，导叶轴上端的最大切向位移为 0.73mm，最大应力 179.8MPa，发生在上轴端，取导叶轴上端切向位移 0.7mm 作为边界条件，在外界水压的作用下，导叶最大变形 2
14、.257mm，最大应力 138.8MPa，发生在上轴端，最大间隙 0.204mm，平均间隙 0.088mm。 附表 1 机组停机静水 25.4m、操作油压 6MPa 时导叶立面未修形的导叶立面间隙 附表 2 机组停机静水 25.4m、操作油压 6MPa 时导叶立面修形后的导叶立面间隙 附图 1 方案 1，操作油压 6MPa 时应力分布 附图 2 方案 1，操作油压 6MPa 时变形分布 附图 3 方案 2，操作油压 6MPa 时应力分布 附图 4 方案 2，操作油压 6MPa 时变形分布 【结果对比及结论】 （导叶上端切削加工为 1mm、导叶上端往下 1.4m 切削加工为 0、其余 920mm
15、 不加工） 修形方案实施前后结果汇总见表 1 及表 2： 表 1 无水、只有足够操作力矩作用情况下，修形方案实施前后的结果汇总 表 2 在给定导叶上轴端的切向位移与水压共同作用情况下，修形方案实施前后的结果汇总 由以上对比数据可知，导叶立面间隙在改善方案实施后有效果显著，改善方案实施前导叶最大应力为 200.7MPa，发生在导叶立面啮合边上端，修形后该处应力有所改善。 并且通过对比两种修形方案，从分析计算结果来看，认为方案 1 效果更好。 4.2 导叶轴部处理 由于设计的原因，导叶上轴根部直径 260?，高 20?，而与之相配的顶盖轴孔直径为 265?，导叶下轴根部直径 218?，高 20?，
16、而与之相配的底环轴孔直径为 225?，导叶上下轴部与顶盖、底环间均存在配合间隙，导叶共有 24 片，总间隙为（2.5+3.5）220245760mm2。为了减少间隙漏水，在导叶上下轴部相应位置各加装了一个不锈钢止水圈，上部尺寸为 1.520260mm，下部尺寸为2.520218mm。 4.3 导叶端部处理 挂治电厂顶盖与底环间开裆设计值为 2320+1.12.1mm，而#3 机组实际测量值详见下表。 #3 机组导叶开裆测量记录 由上表可以看出，#3 机组顶盖与底环间开裆尺寸较设计值偏小，导致导叶开关动作时与顶盖和底环发生刮擦现象，尤其在关导叶时，导叶与顶盖、底环间的刮擦产生的摩擦力抵消了部分导叶关闭力矩，造成导叶最终关闭不到位，存在立面间隙造成导叶大量漏水。这次 A 修过程中根据导叶端面间隙测量结果对其端面进行了相应的修磨处理，以增加其端面间隙，减小导叶与顶盖、底环间的摩擦阻力。 5结语 挂治水电厂在 2011 年度#3 机组 A 修时将导叶按方案 1 进行返厂修形处理，处理后机组水车室内的啸叫声已消失，漏水声明显减小，机组蠕动现象未再发生，效果显著，导叶处理方案是有效可行的。 附件 1
