水轮机控制环抗磨板的选型计算及应用

陈　立（重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 武隆 408506）

水轮机控制环抗磨板的选型计算及应用

陈立
（重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 武隆 408506）

摘要：针对控制环抗磨板过度磨损问题，对控制环抗磨板的常用材料进行分析介绍，分别从控制环立面及控制环底面两部分对抗磨板的选型改造进行研究，形成了一套系统的水轮机控制环抗磨板选型、计算方法。通过在银盘水电站4台机组上的应用，解决了原抗磨板磨损选型不当导致抗磨板磨损过度、控制环中心偏移的问题，消除了机组运行的重大安全隐患，可以为同类型水轮机控制环抗磨板的设计、更新、改造提供参考。

关键词：水轮机；控制环；抗磨板；选型计算；银盘水电站

银盘水电站安装4台150MW轴流转桨式水轮发电机组，4台机组于2011年全部投产发电。每台机组有活动导叶28个，导叶由布置在二、三象限的2个接力器通过控制环及连接板、导叶臂来控制，接力器操作油压6.3MPa。控制环立面及底面各设置有14块均匀布置的聚四氟乙烯抗磨板，用于控制环的支撑定位及防磨损。

1　概述

银盘水电站机组检修期间，在控制环底部发现大量抗磨板碎屑，控制环中心发生偏移，并有继续劣化的趋势。经检查、分析，抗磨板磨损速度超出允许值，抗磨板不满足使用要求。若不及时有效的处理，可能会引起控制环跳动或发卡、剪断销剪断，导致调速器调节性能下降或活动导叶失控，产生不可估量的后果。

目前水轮发电机组在控制环抗磨板的设计时，仅仅是根据经验来进行选择，没有一套成熟、系统的抗磨板的选型方法可供参考。此文分别从控制环立面及控制环底面两部分对抗磨板的选型改造进行研究，形成了一套系统的抗磨板选型、计算方法，并在银盘水电站进行应用，成功解决了抗磨板过度磨损问题。

2　控制环抗磨板的常用材料

控制环立面及底面抗磨板的常用材料有：聚四氟乙烯等非金属材料，FZ-6、FOB06、FZB05等系列金属材料。

聚四氟乙烯是一种综合性能非常优秀的塑料，具有优异的耐化学腐蚀和老化性能，以及优良的低温性能，它具有极低的摩擦系数，被广泛的应用于摩擦材料领域。但它的耐磨性能、粘附性能及力学性能较差，在一定程度上限制了其在摩擦材料领域的应用。

FZB05系列自润滑轴承的结构，是以高强度铜合金为基体，其上均布若干通孔或盲孔，孔中填充润滑剂，同时轴承摩擦层表面还涂有固体润滑膜。轴承工作时，固体润滑剂在挤压、剪切和摩擦热的作用下向摩擦转移形成固体润滑膜，实现轴承润滑。此类轴承可以在较低的摩擦阻力下稳定工作。但由于泥沙或磨屑等杂物嵌入固体润滑剂中，容易使其表面被覆盖丧失自润滑特性，一定程度上限制了其使用环境。

FZ-6型含固体润滑剂的双金属自润滑轴承（国外称DEVA-BM）是一种以钢板为基体，以烧结优质青铜粉为表面摩擦层，青铜粉内均匀分布固体润滑剂的双金属滑动轴承。其原理是：由于球形铜粉中间层的存在，摩擦表层与基体结合面积增大，同时固体润滑剂又非常均匀地分布在摩擦表层，在磨损时，固体润滑剂从表面铜层中不断释放出来，从而提供减摩层。FZ-6型自润滑材料与传统的三层复合材料比较，无论在静载、无油、耐磨、温度、尺寸、稳定性等特性上都更为优异。与5型的材料比较，FZ-6型材料更适合小角度摆动条件下工作。同时可避免镶嵌式材料由于泥沙或磨屑等杂物嵌入固体润滑剂中，使表面被覆盖丧失自润滑特性。同时FZ-6型材料在价格上明显低于铜基镶嵌自润滑材料等多种优点。

FOB06系列轴承是以低碳钢、青铜板、不锈钢为基体，表面烧结青铜合金层，合金层内均匀弥散分布固体润滑剂的自润滑轴承材料，可长期在无油润滑条件下工作，产品性能与国外DEVA-BM相近。

控制环立面及底面抗磨板的常用材料的许用值见表1。

表1控制环立面及底面抗磨板的常用材料的许用值

3　控制环立面抗磨板的选型及计算

3.1控制环立面抗磨板的设计计算方法

机组2个导叶接力器在相邻象限对称布置，接力器活塞腔包括有杆腔及无杆腔，有杆腔及无杆腔存在受力差，接力器动作时始终存在作用力之差。2个接力器动作时的相等作用力通过控制传递至活动导叶，2个接力器动作时的作用力之差作用到控制环的立面抗磨板。控制环抗磨板结构见图1。

图1控制环抗磨板结构尺寸图

其中：

其中：

3.2控制环立面抗磨板的选型

银盘水电站原立面抗磨板材质为聚四氟乙烯，抗磨板尺寸为150mm×120mm，无法满足实际应用的要求。根据常用材料的特性、控制环抗磨板的使用环境及抗磨板对于机组安全稳定运行的重要性，考虑选用性能优、技术经济好的FZ-6及FOB06系列自润滑轴承。考虑更换时的便捷性，选择抗磨板尺寸为×120mm，利用控制环立面抗磨板的设计计算方法计算，=425mm时立面抗磨板可以达到使用要求。此时原抗磨板（聚四氟乙烯）与新型抗磨板技术指标计算结果如表2所示。

表2控制环立面抗磨板技术指标计算结果

4　控制环底面抗磨板的选型及计算

4.1控制环底面抗磨板的设计计算方法

2-分别为控制环本体重量及控制环底面抗磨板数量；

-分别为单个底面抗磨板的宽度及长度。

其中：

4.2控制环底面抗磨板的选型

银盘水电站原底面抗磨板材质为聚四氟乙烯，抗磨板尺寸为150mm×100mm，无法满足实际应用的要求。根据常用材料的特性、控制环抗磨板的使用环境及抗磨板对于机组安全稳定运行的重要性，考虑选用性能优、技术经济好的FZ-6及FOB06系列自润滑轴承。考虑更换时的便捷性，选择抗磨板尺寸为×100mm，利用控制环立面抗磨板的设计计算方法计算，=150mm时立面抗磨板可以达到使用要求。此时原抗磨板（聚四氟乙烯）与新型抗磨板技术指标计算结果如表3所示。

5　结论

根据抗磨板选型计算结果，银盘水电站对4台机组控制环抗磨板进行了更换改造，改造后控制环恢复至中心位置，控制环动作灵活、抗磨板工作可靠。经过一年的运行，未发现抗磨板磨损异常。解决了原抗磨板磨损选型不当导致抗磨板磨损过度、控制环中心偏移的问题，消除了机组运行的重大安全隐患。形成了一套系统的抗磨板选型、计算方法，可以为同类型水轮机控制环抗磨板的设计、更新、改造提供参考。

表3控制环底面抗磨板技术指标计算结果

参考文献：

[1]孙波．水轮机导叶控制环抗磨板磨损原因分析及改进[J]．华中电力，2010，23（6）．

[2]杨志杰，潘小宁．FZ系列自润滑材料在水电站导叶控制环上的应用[J]．华中电力，2004，17（6）．

[3]赵希尧，王民富．水轮机导水机构抗磨板的新结构[J]．大电机技术，2006（1）．

[4]杨亚伦．中小型水轮机控制部分的传动匹配计算[J]．水利水电技术，1991（2）．

[5]蒋光兵，杨志杰．飞来峡水电站水轮机控制环部件的磨损与处理[C]//中国水力发电工程学会灯泡贯流式机组专业委员会第一届年会论文集，2005．

中图分类号：TK730.3

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）03-0018-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.005

收稿日期：2014-12-11

作者简介：陈立（1986-），男，助理工程师，从事水电站设备点检定修管理工作。