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某水电站转轮轴套磨损及固定螺栓异常分析与处理

2023-10-25 318 上传者：管理员

摘要：针对某水电站1号水轮发电机组出现的转轮体轴套磨损及固定螺栓断裂异常等问题，根据固定螺栓断裂情况，现场测量的机组转轮体轴套、轮毂磨损数据，及有限元分析计算，深入分析了转轮体轴套磨损及固定螺栓断裂的原因，提出了处理方法，经处理改造后转轮体运行正常，效果良好。

关键词：
水轮机
螺栓异常
转轮体
轴套
轴流转桨式
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某水电站装设4台立式轴流转桨式水轮发电机组，单机容量165 MW,额定水头30 m, 最大水头40 m, 最小水头20.1 m, 水轮机型号为ZZK40-LH-830,转轮直径为8.3 m, 2010年6月27日第一台机组投入运行，2011年6月29日4台机组全部投入商业运行。

1、缺陷描述

某水电站4台机组自2010年6月27日第一台机组投入运行后至今运行已达10余年。2022年1号机组首次开展A级检修工作，对水轮发电机组进行分解检查，检修人员在将转轮体枢轴、拐臂分解后，发现转轮体外轴套多个端面骑缝螺钉存在剪断现象、拐臂与外轴套的接触面磨损严重、外轴套外端面与轮毂基孔存在磨损、多只拐臂连接销与连板之间的骑缝销发生剪断。

2、原因分析

2.1 关于外轴套端面螺钉剪断的问题

1)外轴套的内孔及内端面的磨损较轻，考虑到机组已运行达10年之久，应属于正常磨损[1]。

2)原设计的外轴套与转轮体的过盈配合采用1240H7(+0.105/0) /b1240r6(+0.326/+0.260),总过盈量的最小值、最大值分别为+0.155、+0.326,二者相差一倍。由于该转轮整体装配为俄罗斯进口，该配合尺寸的具体的加工尺寸和外轴套装配工艺不明，实际的过盈量可能偏小。这样，桨叶开关时产生的作用在外轴套上的转动力矩超过外轴套与转轮体之间过盈量产生的摩擦力矩，使外轴套外表面发生相对滑动；由于外轴套的内端面与转轮体的配钻铰的螺钉受剪的力增大造成螺钉的剪断，原紧固螺钉布置在外轴套内侧，加工螺孔的空间极为有限，容易造成轴套上的沉头孔与转轮体上螺孔不同心或螺孔中心线与紧固螺栓头表面不垂直，从而在紧固时在螺钉上产生附加弯矩，同时，该螺钉头采用了锥形沉头状，当轴套产生转动趋势时，螺钉上将进一步增加附加弯矩，从而产生弯曲断裂或弯曲与剪切组合断裂[2]。

3)建议机组在运行中不要采用人为甩负荷的方法来清除进水口拦污栅上的杂物，因利用甩负荷时产生的进水口的反向水流，虽然清除杂物较为方便，但甩负荷时，机组相关部件受力较大，对寿命会产生不利的影响。

2.2 关于每只连接销与连板之间的骑缝销发生剪断的问题

1)外轴套端面螺钉断裂，操作机构憋劲。可能导致连接销与连板之间的骑缝销受到异常力而剪断；另外，连接销与连板之间的骑缝销的数量可能偏少。

2)转轮回装时，操作机构进行动作试验，检查连板与转轮体内壁之间是否间隙偏小(运行时离心力作用下或者外轴套端面磨损后，该处间隙会减小)。

3)转轮回装时，操作机构进行动作试验，检查导向瓦与导向槽之间间隙是否均匀。

3、处理方法

3.1 转轮体装配包括外轴套的处理方案

1)现更换转轮体的叶片内、外轴套及活塞杆轴套备品时，将各轴套与转轮体的原设计的过盈配合H7/r6 改进为H7/s6,使各轴套与转轮体的过盈量增大约1倍。因此，原设计轴套的过盈量采用干冰冷套即可，现更换各轴套备品时，由于过盈量增大需采用液氮冷套[3]。液态氮冷装工艺就是把铜套放在冷却容器中，然后倒入足够的液态氮。液态氮在汽化过程中沸点为-196℃,使铜套在很短时间内获得极低温度，直径缩小，变过盈装配为间隙装配。当铜套温度回升时，便实现过盈配合。该工艺简单，操作方便，克服了原工艺的缺点，提高了装配质量[4]。

其中，外轴套与转轮体的过盈配合由中1240H7(+0.105/0)/01240r6 (+0.326/+0.260)增大为过盈配合由1240H7(+0.105/0) /01240s6(+0.646/+0.580),增大后总过盈量的最小值、最大值分别为+0.475、+0.646。

2)每只外轴套的外侧增加24只骑缝螺钉M16X50,GB77,共144只；外轴套的内侧增加6只骑缝螺钉M16X50,GB77,共36只：骑缝螺钉装入后，每只骑缝螺钉的外侧用样冲冲击3点：取消每只外轴套内侧的24只把合螺钉M20X40,共144只。

3)原外轴套拆除后，转轮体中的6只配合孔1240(+0.105/0)(设计值)的实测值为1240(+0.18/-0.12),且为椭圆状。外轴套冷套前，现拟均加工至01240(+0.16/+0.10)。

3.2 拐臂的修复方案

1)拐臂上与外轴套内端面配合磨损平面，即位于Φ1180以外的磨损平面加工凹下0.2 mm, 粗糙度Ra3.2。

2)相应地，更换后的外轴套内端面至转轮体中心的距离缩短0.2mm, 即由1405(+0.2/0)缩短至1405(0/-0.2),外轴套的轴向尺寸加长0.2 mm。

3.3 连板与连杆销的修复的方案

由于每只连杆销与连板之间仅有1只骑缝销而使连杆销与连板发生转动，造成连杆销外径与连板内孔之间磨损，因此，连板和连杆销修复时，每只连杆销与两侧连板之间骑缝销数量将由原来的一侧1只增加至两侧各3只。因此，骑缝销采用圆柱销16X50,GB/T119.1,共36只。

4、外轴套与转轮体的有限元分析

1)外轴套与转轮体的有限元分析计算[5]数据见表1。

2)经资料查证，近尾洲水电站转轮、大化水电站转轮中更换的内、外轴套与转轮之间也是采用相当于H7/s6的过盈配合，内、外轴套冷套时，采用液氮进行冷却，轴套回装均十分顺利，且后续机组运行良好。

3)结论：①更换外轴套备品时，增大外轴套与转轮体之间的过盈量后，外轴套与转轮体之间的摩擦力矩也明显增大，可以有效防止外轴套转动。②转轮体中各轴套备品的材料为ZCuAl10Fe5Ni5,DIN EN 1982,屈服强度为280 MPa, 各轴套允许挤压应力可达336 MPa(1.2倍的屈服强度);转轮体的材料相当于ZG20SiMn, JB/T6402,屈服强度为285 MPa, 转轮体的允许挤压应力可达342 MPa(1.2倍的屈服强度)。因此，外轴套冷套后的轴套与转轮体之间的挤压应力p1、p2、p3、p4,均满足强度要求，不会对外轴套及转轮体产生不利影响。

表1 外轴套与转轮体的有限元分析计算数据

5、结语

此次检修，通过改变外轴套与转轮体配合尺寸、增加外轴套外侧骑缝螺钉数量以及增加拐臂连杆销与两侧连板之间骑缝销数量，成功解决某水电站1号机组转轮缺陷，在后续回装时，内、外轴套采用冷套(液氮进行冷却),轴套回装均十分顺利，且后续机组运行至今，效果良好。该文对水电厂运行、维护、检修人员有较好的借鉴和参考价值。

参考文献:

[1]柳利明.浅析大型轴流转桨式水轮发电机组转轮检修工艺及改造技术[J].福建水力发电,2015(2):20-23

[2]成大先.机械设计手册[M].6版.北京:化学工业出版社,2016

[3]王星.转轮轴套检修工艺的改进与实践[J].江西电力,2015(z1):67-68,74

[4]吴忍庄.液态氮冷装铜套[J].工程机械,1981(4):38-39

[5]郑小波,罗兴锜,郭鹏程,等.基于有限元的轴流式水轮机转轮体刚强度分析[J].机械工程学报,2006,42(10):215-218

文章来源:佘斌,魏金前.某水电站转轮轴套磨损及固定螺栓异常分析与处理[J].水电与新能源,2023,37(10):69-71.