水泵水輪機導(dǎo)葉間隙的影響因素及調(diào)整方法

葛軍強

（國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

水泵水輪機導(dǎo)葉間隙的影響因素及調(diào)整方法

葛軍強

（國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

水泵水輪機的導(dǎo)葉間隙對整個水輪發(fā)電機組的效率指標(biāo)及安全穩(wěn)定運行有著重要影響，通過分析和實際應(yīng)用，本文總結(jié)了在水泵水輪機設(shè)計制造、安裝過程中對導(dǎo)葉間隙影響的因素及調(diào)整方法。

水泵水輪機；導(dǎo)葉；間隙；調(diào)整

0 引言

水泵水輪機導(dǎo)葉間隙包括端面間隙和立面間隙。根據(jù)《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術(shù)條件》（GB/T 10969—2008）規(guī)定，導(dǎo)葉端面總間隙不應(yīng)超過導(dǎo)葉高度的0.1%；立面間隙不超過0.05mm且長度小于導(dǎo)葉高度的1/4。導(dǎo)葉間隙增加不但會產(chǎn)生容積損失，更會使機組效率下降，如導(dǎo)水機構(gòu)漏水嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)導(dǎo)葉全關(guān)后機組轉(zhuǎn)速降不下來，從而無法停機。但導(dǎo)葉間隙過小，會使導(dǎo)葉開閉過程中產(chǎn)生卡澀，情況嚴(yán)重將會使導(dǎo)葉無法開閉。因此，機組安裝過程中保證合理的導(dǎo)葉間隙對今后機組的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。根據(jù)導(dǎo)葉的操作方式，抽水蓄能機組導(dǎo)水機構(gòu)一般可分為控制環(huán)和單導(dǎo)葉接力器兩類，兩類導(dǎo)水機構(gòu)導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整的方式基本相同，但立面間隙的調(diào)整則有所不同，本文主要從有控制環(huán)的導(dǎo)水機構(gòu)探討影響導(dǎo)葉端面間隙和立面間隙的因素及調(diào)整方法。

1 抽水蓄能機組導(dǎo)水機構(gòu)結(jié)構(gòu)

導(dǎo)水機構(gòu)（見圖1）主要由底環(huán)、頂蓋、活動導(dǎo)葉、控制環(huán)、導(dǎo)葉操作機構(gòu)及附件等組成，其中，頂蓋與底環(huán)分別固定在座環(huán)上、下環(huán)上，活動導(dǎo)葉布置在頂蓋與底環(huán)之間，控制環(huán)布置在頂蓋上，導(dǎo)葉接力器與控制環(huán)連接，分別為機械鎖定接力器、液壓鎖定接力器。一般情況下，頂蓋、控制環(huán)分兩瓣到貨，底環(huán)整體到貨。

頂蓋作用是與底環(huán)等設(shè)備形成轉(zhuǎn)輪室，支承水導(dǎo)軸承、主軸密封、上迷宮環(huán)、檢修密封、導(dǎo)葉、頂蓋抗磨板等，為分瓣組合結(jié)構(gòu)。底環(huán)作用是與頂蓋等設(shè)備形成轉(zhuǎn)輪室，支承下迷宮環(huán)、泄流環(huán)、導(dǎo)葉、底環(huán)抗磨板等，為整體結(jié)構(gòu)，澆筑在混凝土里。為防止頂蓋/底環(huán)環(huán)面生銹，在其上安裝有整體結(jié)構(gòu)的不銹鋼抗磨環(huán)。為減少水力損失在頂蓋/底環(huán)與轉(zhuǎn)輪上迷宮環(huán)相應(yīng)的位置裝設(shè)有上下迷宮環(huán)。下迷宮環(huán)中心就是整個機組安裝時的中心。

圖1 某抽水蓄能電站導(dǎo)水機構(gòu)裝配圖

導(dǎo)水葉及操作機構(gòu)主要包括：導(dǎo)葉、接力器、控制環(huán)、導(dǎo)葉臂、限位裝置、止推裝置、剪斷銷等。導(dǎo)葉作用是切斷控制水流，調(diào)節(jié)機組流量從而調(diào)整機組出力；導(dǎo)葉接力器由油壓操作，受調(diào)速器系統(tǒng)控制，連接控制環(huán)；控制環(huán)把接力器的操作力通過導(dǎo)葉臂傳遞給各導(dǎo)葉，并使各導(dǎo)葉同時作開關(guān)動作；限位裝置是防止導(dǎo)葉開啟超過最大角度、關(guān)閉超過最小角度，止推裝置為防止導(dǎo)葉上下竄動而發(fā)生角度磨損，從而起到保護(hù)導(dǎo)葉的作用。連接板與導(dǎo)葉臂之間采用摩擦與減斷銷雙重連接方式，摩擦力來自拐臂上鑲嵌的摩擦材料及螺栓緊固力，動作時兩者之間的摩擦滑開連接失效和減斷銷失效， 起到保護(hù)導(dǎo)葉的作用。

2 導(dǎo)水機構(gòu)安裝程序

在導(dǎo)水機構(gòu)正式安裝前，應(yīng)首先檢查座環(huán)上下法蘭、上下環(huán)平面度，滿足廠家技術(shù)要求后，開始導(dǎo)水機構(gòu)各部件安裝。首先吊裝底環(huán)，底環(huán)吊入機坑調(diào)整好方位后，吊裝下止漏環(huán)，測量下止漏環(huán)和座環(huán)上環(huán)板同心度來調(diào)整底環(huán)中心。之后將轉(zhuǎn)輪吊入機坑，并依次預(yù)裝導(dǎo)葉、頂蓋，導(dǎo)葉預(yù)裝一半，頂蓋與座環(huán)把合螺栓60%預(yù)緊力，初步測量導(dǎo)葉端面間隙。將頂蓋吊出，導(dǎo)葉正式安裝后，正式安裝頂蓋、控制環(huán)、導(dǎo)葉臂、接力器，導(dǎo)水機構(gòu)全部安裝后，測量導(dǎo)葉端面間隙、立面間隙。某抽水蓄能電站導(dǎo)水機構(gòu)安裝流程見圖2。

3 導(dǎo)葉端面間隙影響因素及調(diào)整方法

3.1 影響端面間隙的因素

（1）工廠機加工精度。主要是各加工面水平度和平面度，包括座環(huán)下端面與底環(huán)的結(jié)合面，座環(huán)下環(huán)板與底環(huán)結(jié)合面，座環(huán)上端面與頂蓋結(jié)合面，導(dǎo)葉上下端面，頂蓋與底環(huán)導(dǎo)葉軸孔同心度等。因此，應(yīng)盡可能在工廠內(nèi)，通過制定合理的加工工藝，選擇適當(dāng)?shù)募庸ぴO(shè)備，使導(dǎo)葉滿足加工精度要求。

圖2 某抽水蓄能電站導(dǎo)水機構(gòu)安裝流程圖

（2）座環(huán)變形。根據(jù)水輪機的安裝進(jìn)度要求，座環(huán)一般需要提前分瓣運輸?shù)焦さ?，?dǎo)水機構(gòu)在工廠內(nèi)預(yù)裝時無法與座環(huán)配合。座環(huán)運輸?shù)焦さ睾?，需在工地現(xiàn)場焊接組合縫、蝸殼湊合節(jié)、蝶形邊、進(jìn)水直管段等，特別是組合縫的焊接，由于應(yīng)力變化將對座環(huán)上環(huán)、下環(huán)面的平面度有一定影響。同時，蝸殼在保壓澆筑混凝土?xí)r，盡管有緩沖墊的保護(hù)，但還是會對座環(huán)與頂蓋、底環(huán)配合的結(jié)合面產(chǎn)生不同程度的影響。因此，導(dǎo)水機構(gòu)在工廠內(nèi)預(yù)裝時，端面間隙即使?jié)M足圖紙要求，在電站現(xiàn)場安裝后也可能存在誤差。

（3）頂蓋與底環(huán)的變形。導(dǎo)水機構(gòu)安裝后，頂蓋與座環(huán)的把合螺栓、底環(huán)與座環(huán)的把合螺栓全部按設(shè)計值把合后，可能會使座環(huán)與頂蓋、底環(huán)的結(jié)合面間隙變小，從而影響到導(dǎo)葉上下端面間隙。因此，需要在導(dǎo)葉、頂蓋預(yù)裝時，把合螺栓按照100%預(yù)緊力緊固螺栓，并測量上下端面間隙。例如，某抽水蓄能電站導(dǎo)水機構(gòu)預(yù)裝時，座環(huán)與頂蓋、底環(huán)均緊固一半把合螺栓，螺栓拉伸為設(shè)計值的60%，測量導(dǎo)葉端面間隙基本符合廠家設(shè)計要求（0.4～0.6mm)，正式安裝后（把合全部螺栓，拉伸100%），導(dǎo)葉端面間隙普遍減少0.2mm。

3.2 調(diào)整端面間隙的方法

（1）端面間隙偏小時的調(diào)整方法。

1)打磨法。打磨座環(huán)：可根據(jù)導(dǎo)葉間隙測量數(shù)據(jù)確定座環(huán)打磨量，對座環(huán)的上環(huán)面、下環(huán)面、上法蘭、下法蘭等部位的平面進(jìn)行打磨。打磨導(dǎo)葉上下端面：將端面間隙超差的導(dǎo)葉拔出，按照設(shè)計分配量，打磨上下端面。打磨底環(huán)、頂蓋抗磨板：理論上，導(dǎo)葉端面間隙偏小的話，可以通過打磨底環(huán)和頂蓋上的抗磨板，從而可使導(dǎo)葉上下端面間隙增加。但是，頂蓋和底環(huán)抗磨板的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，一般裝配有0.2mm的封水帶，將封水帶打磨后將影響導(dǎo)葉的止水效果，因此，不建議打磨頂蓋和底環(huán)抗磨板。

2)加墊法。一般情況下，如果端面間隙偏小，可考慮在座環(huán)上環(huán)面與頂蓋的結(jié)合面加裝墊片，通過提升頂蓋高度來加大上端面間隙。但還要看頂蓋具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有的機組頂蓋與座環(huán)的結(jié)合面設(shè)計有凹槽，并裝配有密封圈，便不具備裝配墊片的條件。

（2）端面間隙偏大時的調(diào)整方法。

1)補焊法。當(dāng)有個別導(dǎo)葉端面間隙偏大時，可考慮用小電流補焊一層不銹鋼，并用砂輪按照廠家技術(shù)要求磨平。

2)加墊法。如果端面間隙普遍偏大，可考慮在座環(huán)下環(huán)面與底環(huán)的結(jié)合面加裝墊片，通過提升底環(huán)高度來減低導(dǎo)葉下端面間隙。但也要看底環(huán)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，有的機組底環(huán)與座環(huán)的結(jié)合面設(shè)計有凹槽，并裝配有密封圈，便不具備裝配墊片的條件。

導(dǎo)葉端面總間隙根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)整后，按照設(shè)計要求，通過調(diào)整導(dǎo)葉端蓋與導(dǎo)葉的固定螺栓，對上下端面間隙進(jìn)行分配。端面間隙（見圖3）分配完畢后，采用壓鉛法測量調(diào)整導(dǎo)葉端蓋與套筒間墊片的厚度。首先用外徑千分尺對稱測量預(yù)裝墊片4個厚度并標(biāo)記測量位置，然后打開導(dǎo)葉端蓋，將預(yù)裝墊片放在安裝位置，剪4根長度L=10mm的直徑為φ4的鉛絲，放置在預(yù)裝墊片的4個測量位置，蓋上導(dǎo)葉端蓋。在導(dǎo)葉上部和下部安裝兩塊百分表，用導(dǎo)葉提升裝置提升導(dǎo)葉，接近設(shè)計間隙時用塞尺檢查，然后慢慢提升到設(shè)計間隙，最終間隙以塞尺讀數(shù)為準(zhǔn)。到達(dá)設(shè)計間隙后把導(dǎo)葉放下，打開端蓋后按照編號取出鉛絲，用外徑千分尺測量鉛絲厚度（H鉛）并記錄。按照此步驟測量余下的導(dǎo)葉。按照公式H墊=H0+H鉛計算出每個調(diào)整墊片的厚度，然后根據(jù)所測厚度加工墊片。

圖3 導(dǎo)葉端面間隙測量示意圖

4 導(dǎo)葉立面間隙的影響因素及調(diào)整方法

4.1 影響立面間隙的因素

（1）導(dǎo)葉立面的加工尺寸及精度。導(dǎo)葉立面加工尺寸偏差大，直線度不滿足要求，以及導(dǎo)葉立面密封面上有毛刺、壓痕等缺陷，相互配合不能完全壓緊。廠內(nèi)預(yù)裝時，如果活動導(dǎo)葉立面間隙超標(biāo)，須通過活動導(dǎo)葉修型來保證活動導(dǎo)葉立面間隙滿足廠家技術(shù)要求。

（2）導(dǎo)水機構(gòu)相關(guān)部件的安裝精度。例如導(dǎo)葉安裝過程中，頂蓋與底環(huán)安裝不同心，造成整個導(dǎo)葉傾斜產(chǎn)生立面間隙；控制環(huán)與頂蓋不同心，造成導(dǎo)葉開度不均勻。

（3）導(dǎo)葉壓緊行程。接力器在安裝調(diào)試過程中，當(dāng)接力器移動到全關(guān)位置，再向關(guān)閉方向多走一些，多移動距離產(chǎn)生的行程勢能，必然會使傳動機構(gòu)發(fā)生彈性變形，就會在導(dǎo)葉之間形成一定的壓緊力，使其正好抵抗水壓作用，維持導(dǎo)葉的嚴(yán)密關(guān)閉，接力器在全關(guān)以后多走的這一點行程就叫壓緊行程。導(dǎo)葉在全關(guān)位置時，接力器油壓從60%額定油壓降到0油壓，活塞移動的距離為實際壓緊行程。因此，如果壓緊行程不合理，勢必會造成導(dǎo)葉立面間隙增加。

（4）主副接力器動作一致性。理論上，接力器行程與導(dǎo)葉開口行程呈線性變化，如果一個接力器動作，另一個接力器動作滯后，肯定會影響到導(dǎo)葉開度的變化，使導(dǎo)葉間隙變化，造成導(dǎo)葉立面間隙增加。例如，某抽水蓄能電站導(dǎo)葉接力器行程411mm(不含壓緊行程)，導(dǎo)葉最大開口334mm，如果主副接力器推拉桿動作相差1mm，那么導(dǎo)葉在理論上會產(chǎn)生0.81mm開口距離，勢必會造成導(dǎo)葉立面間隙增加（見圖4）。

圖4 某抽水蓄能電站導(dǎo)葉接力器行程與導(dǎo)葉開度關(guān)系圖

4.2 調(diào)整立面間隙的方法

（1）捆綁法。在導(dǎo)葉安裝過程中，如果立面間隙普遍超標(biāo)，可采用此法。拆除全部拐臂，使導(dǎo)葉不受外力控制，處于自由狀態(tài)，用鋼絲繩在導(dǎo)葉中部捆綁一圈半，一頭固定在固定導(dǎo)葉上，另一頭通過拉緊器掛在吊鉤上，關(guān)閉導(dǎo)葉并拉近鋼絲繩。在拉緊過程中，可用銅棒敲擊，使其關(guān)閉緊密。捆綁后，導(dǎo)葉軸發(fā)生了角位移，使得可調(diào)式連臂的兩銷孔之間的距離要隨之改變才能裝上；而對于不可調(diào)式連臂，則要根據(jù)導(dǎo)葉傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，采用其他辦法解決。

（2）補焊法。當(dāng)有個別導(dǎo)葉立面間隙超標(biāo)，且長度已超過導(dǎo)葉長度的1/4，可考慮用小電流補焊一層不銹鋼，并用砂輪按照廠家技術(shù)要求磨平，并保證截面型線沒有變化。

導(dǎo)葉立面間隙測量示意圖見圖5。

圖5 導(dǎo)葉立面間隙測量示意圖

5 結(jié)語

（1）設(shè)計制造過程中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝方面應(yīng)盡可能采取可靠措施，在工廠內(nèi)預(yù)裝導(dǎo)水機構(gòu)時，充分吸取已有機組的制造安裝經(jīng)驗和教訓(xùn)（比如，導(dǎo)葉止推壓板與止推環(huán)間的間隙），嚴(yán)格工廠內(nèi)部檢驗制度，切實提高制造質(zhì)量和工藝水平，確保滿足工地實際安裝要求。

（2）導(dǎo)葉端面和立面間隙的調(diào)整方法中，不管打磨、加墊還是補焊，一般都要吊出底環(huán)、導(dǎo)葉、頂蓋、控制環(huán)等導(dǎo)水部件，工作量大、工期長，因此，安裝過程中，可充分借鑒已安裝機組的測量數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌考慮座環(huán)、底環(huán)、頂蓋、導(dǎo)葉等部件的同心度、平面度（比如，座環(huán)打磨量可根據(jù)已安裝機組導(dǎo)葉端面間隙統(tǒng)籌考慮），應(yīng)盡可能提高導(dǎo)水機構(gòu)的安裝質(zhì)量。

[1]李浩良，孫華平.抽水蓄能電站運行與管理[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2013.

[2]趙海剛，姜秀麗.水輪機導(dǎo)葉端面間隙的控制[J].機電工程，2006，23（11）：24-26.

葛軍強（1981—），男，碩士，工程師，主要從事抽水蓄能電站水機專業(yè)管理。

The Influence Factors and Regulation Means of Pump-turbine Wicket Gate Clearance

GE Junqiang
(State Grid Xin Yuan Company Limited，Beijing 100761，China)

It is highly important to the efficiency index of the whole hydraulic equipment and its safety and steadily that the wicket gate clearance of the pump-turbine.The factors and regulation means have been summarized about the wicket gate clearance during the design，manufacture and installation of the pump-turbine.

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