灯泡贯流式机组桨叶铜套国产化研究

杨镇玮，尹贵恒，石 为

（1.五凌电力有限公司近尾洲水电厂，湖南 衡阳 421127；2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）

近尾洲电厂机组为奥地利安德里茨公司整套进口设备，水轮机为VAMCE公司生产，水轮机型号：VAMCE KR4/63，水轮机为卡普兰结构，4片桨叶，转轮无油重58.37 t，直径为6.3 m。轮毂为整铸球形，直径为Φ2 394 mm，轮毂比为0.38, 材质为GS20Mn5。轮毂的作用主要用来安装桨叶与桨叶操作机构。桨叶、枢轴及枴臂通过桨叶连接螺栓及定位销连接在一起，桨叶接力器油缸通过双联板与枴臂相连接，桨叶接力器为缸动式，运行过程中通过缸动带动枴臂动作，从而操作桨叶动作。

1 设备状况简介

1.1 桨叶铜套运行、检修情况

近尾洲电厂机组自投运以来运行正常，各项运行参数无异常。2011年8月22日在1号机组检修中检查发现桨叶操作机构双连板圆柱销的8个定位螺栓M20×50 mm剪断6个。2012年1号机组进行首次A级检修，检修中发现桨叶枢轴自润滑轴承（铜套）及桨叶双联板自润滑轴承（铜套）磨损均较严重，对自润滑轴承（铜套）进行更换处理；测量桨叶枢轴L型铜套1132D，发现2号、3号、4号桨叶枢轴铜套有3点方向磨损稍偏大，总体间隙符合图纸要求，局部超标。桨叶枢轴L型铜套1132D高度测量正常。厂家技术人员给出意见，无需更换，可再运行1个A修周期。电厂、工程公司、监理等现场结合厂家意见会商后，未对L型铜套1132D进行更换。

1.2 水轮机轮毂异响情况介绍

1号机组自2000年12月投产至2019年，运行已达19年，运行时间达到10万h以上。2019年8月，专业人员在现场巡视过程中发现1号机组滑环处有轻微异响,在反复排查确认不是碳刷、滑环造成，后经分析初步判断为转轮处异响沿操作油管传至受油器，后对1号机组盘车发现水轮机轮毂内有异常响声。

1.3 轮毂异响情况分析

针对轮毂异响这一现状，对其产生原因进行讨论与分析，其原因主要有以下3点。

1.3.1 枢轴窜动较大引起异响

铜套磨损一般分为跑合磨损、稳定磨损及剧烈磨损等3个阶段。2012年检修时桨叶L型铜瓦磨损量较小，未进行更换。2012年土谷塘投产后使我厂上游水位降低，运行水头较低，同负荷下导叶桨叶开度变大，水推力增大，导致枢轴局部受力，造成L型铜瓦径向基推力面局部磨损，使得铜套磨损加剧，从稳定磨损步入剧烈磨损阶段。

解体前对枴臂与止推面的局部（约1/4圆周）磨损测量在0.45～0.50 mm，并且根据数据分析枢轴与铜瓦间隙在0.16～0.34 mm，我厂桨叶窜动量厂家未给设计标准，参照与我厂设备类似，同厂家生产的飞来峡电厂设备设计窜动量为0.15～0.20 mm，枢轴与铜瓦设计间隙为0.17～0.24 mm，按此标准我厂的窜动量已超标，间隙值也有部分超标现象，由此分析1号机组转轮异响可能由于枢轴偏磨导致偏摆及窜动引起。

1.3.2 轮毂供油管与操作油管中管不同心引起异响

咨询各多个设备制造厂专家，对于投运时间久的机组，长期运行磨损积累导致轮毂供油管与操作油管中管不同心会引起轮毂供油管限位支撑与中管出现摩擦憋劲现象，也会导致运行过程中有异响沿操作油管传至受油器处。

1.3.3 桨叶操作机构摩擦引起异响

现场检查双联板中间限位套内壁有磨损，双联板两端连接销轴与铜瓦配合总间隙间隙存在局部超标（测量数值为0.12～0.27 mm，设计间隙0.036～0.16 mm），可能导致双联板径向摆动，使限位套内壁与螺杆进行摩擦，造成限位套内壁磨损，并引起异响。

结合目前设备解体与检测数据来看，桨叶L型铜套磨损造成枢轴窜动较大引起异响的可能性大，对受油器及其操作油管立即开展测量与排查。双联板两端连接销轴与铜瓦配合总间隙间隙虽然局部稍超标，造成异响可能性小。

2 水轮机桨叶铜套问题解决方法

2.1 桨叶铜套情况介绍

近尾洲机组的桨叶转臂与轮毂间的转动摩擦副中,设计布置有铜合金制成的L铜套；桨叶轴与轮毂间的滑动摩擦副中, 设计布置具有铜合金制成滑动垫板；双联板与销轴间的滑动摩擦副中，布置有德国DEVA公司的BM系列双金属复合铜套，该铜套厚度为3 mm，基材为2 mm厚的不锈钢，在不锈钢基材上通过特殊工艺上烧结有1 mm的含有石墨等固体润滑剂的铜合金粉；在桨叶枢轴与轮毂的滑动摩擦副中，同样布置有德国DEVA公司的BM系列双金属复合铜套，该铜套厚度为5 mm，基材为3 mm厚的不锈钢，在不锈钢基材上通过特殊工艺上烧结有2 mm的含有石墨等固体润滑剂的铜合金粉。每片桨叶的导向环（即桨叶密封）采用2道U型橡胶密封背靠背安装保证对外防水、对内防油渗漏的目的。

2.2 水轮机桨叶铜套改造分析

按照原厂家维护手册中运行6～8万 h需要对机组桨叶轴瓦进行检查测量，并对磨损超标的轴瓦进行更换，因电厂无相关轴瓦备件，一旦桨叶轴瓦出现故障无备件更换，将严重影响机组安全稳定运行。经咨询设备厂家，桨叶轴瓦进口备品价格较高，目前国内与ENLIN公司合作制作加工相关备品备件的厂家技术质量满足相关要求，在保证质量要求的前提下，综合考虑成本因素，有必要对机组桨叶轴瓦进行国产化改造。

考虑成本造价、生产周期和设备国产化需要，国内灯泡式机组水轮机等主设备大多参考欧洲先进设计标准和图纸参数，缺少水轮机模型设计、试验核心数据，在重要部件结构强度、材料力学参数、安全系数选取等方面距离国外同行仍有较大差距。加之我国各级电网调度规定、要求不尽相同，需要水电技术人员不断摸索、总结经验，结合当地调度、运行特点进一步优化机组结构设计。

2.3 桨叶铜套加工验收及技术要求

通过对进口桨叶铜套进行成分分析，在国内通过招投标，选择最能实现与原厂桨叶铜套成分接近的投标单位，进行生产国产化的桨叶铜套，在铸造过程中，对桨叶L型铜套、桨叶接力器缸体铜套等锡青铜铸件，材料使用CuPb5Sn，按原锡青铜配方比例进行加工生产，铸造工艺宜选用离心铸等先进工艺，来确保产品质量。

2.3.1 主要验收要求

（1）桨叶L型轴套更换后公差值符合图纸要求（或电厂提供公差值），如果桨叶L型轴套不需要更换，新加工桨叶L型铜套（安装前）的内径须单边预留2 mm的加工余量（即新加工铜套的实际内径比设计值小4 mm），或者根据实际情况协商确定。

（2）铜套加工完后，应进行铜套UT探伤，并提供检测报告。

2.3.2 主要技术要求

（1）新加工桨叶接力器缸体铜套单边预留一定的加工预留，待机组A修时，根据缸体轴承孔及短轴测量尺寸在加工工厂进行精加工，在电厂现地进行安装，安装采用冷装方式（液氮或干冰），加工时必须由熟练的车工进行操作，加工后去除表面毛刺，表面粗糙度不超过1.6 μm。

（2）铜套严格按图纸加工（或电厂现存备品的外形尺寸）生产，公差、材料均需符合图纸及标准要求；铜套到厂需提供理化试验报告（包含材料成分、硬度、屈服强度、抗拉强度、伸长量）、精加工后表面UT检测报告，及尺寸检验报告；材料成分检测需在毛胚中取样，每个铸件均需取样；提供3个铜样，由具有资质的第三方机构进行理化试验复测。

（3）铜套铸造需严格控制元素，金属成分比例及机械性能需符合相应的德国DIN标准；铸造过程中防止成分偏析、铸造缺陷，应无超标缺陷。

（4）我厂桨叶窜动量厂家未给设计标准，参照与我厂设备类似，同厂家生产的飞来峡电厂设备设计窜动量为0.15～0.20 mm，枢轴与铜瓦设计间隙为0.17～0.24 mm。

2.4 桨叶铜套的更换

2.4.1 桨叶铜套更换的重点难点

由于铜套外径与轮毂孔为过盈配合，一般采用冷却的方式进行安装。当铜套冷却后恢复过程中，内径因轮毂孔对铜套的压缩会变小，因而如在工地进行安装，需对轮毂孔、桨叶轴等尺寸进行详细测量，根据图纸定出合适的铜套外径尺寸，并根据铜套内径安装后的压缩量来确定内径尺寸。由于铜套为软金属、制造过程无法保证完全的圆度，因而在冷却复原的过程中有快有慢，导致铜套内孔会出现不圆度，此不圆度与铜套的壁厚、过盈量存在很大关系。壁越厚，复原的过程中反作用力能均匀传递，其圆度越好；过盈量越小、反作用力越小，其圆度越好。

咨询原ENLIN公司北京水轮机设计部专业人员，由于铜套壁太薄，厂家设计时没有考虑在电厂进行安装的方式，其要求不得在工地进行安装，应送工厂进行安装。一旦在电厂安装后，圆度无法得到保证，铜套的磨损会较快，同时水轮机组振动会较大。咨询相关的改造厂家,厂家提出因壁薄和过盈量较大圆度无法保证，其以往改造经验，对于薄壁铜套安装后需进行刮瓦工序，且刮瓦的工作量将较大，现地虽可开展相关的安装工作，但是一般不推荐采用现地安装方式，安装后铜套的前期磨损较快，铜套的寿命相对较短，寿命一般在5年以内。

由于桨叶L型铜套外形尺寸较大、壁薄，现场安装难度大，需要有一定安装经验的专业技术人员和专用工具才能实施，因而讨论决定将轮毂返厂进行安装。

2.4.2 桨叶铜套更换过程

桨叶铜套更换项目主要涉及轮毂、桨叶接力器缸体等解体、更换桨叶铜套以及装复等重大项目。桨叶铜套更换主要工艺流程包括：泄水锥拆除——桨叶接力器缸体拆除——桨叶枢轴拆除——桨叶拐臂拆除——桨叶枢轴铜套更换——活塞缸与连杆机构、拐臂装配——连杆、枢轴与转轮体组装——组装桨叶接力器缸体——接力器耐压试验——组装泄水锥——整体试验和验收。

2.4.3 桨叶铜套更换后设备状态

更换新的桨叶铜瓦，并在精加工阶段，严格按照窜动量设计标准0.15～0.20 mm控制，检修后桨叶窜动量实测在0.15 mm左右，机组检修完毕运行过程中异常声响消失。

如今对桨叶铜套技术的革新成果及流程的专业化、规范化有了长足的进步，这对于解放生产力，提高生产效率，减少事故发生有着重要的作用，对我国桨叶铜套的发展有着重要的意义。

3 总结

防止设备缺陷的发生，最重要是从设备制造、采购、安装着手，各个技术环节上层层把关，将因制造、 设计而产生的缺陷逐步消除。应建立完善设备技术管理机制，通过技术监督、设备检修，设备巡视等各种有效技术手段，及时了解设备健康状况，分析设备劣化趋势，做到设备事故提前预防。

随着时代的进步以及生产力的大幅提升，桨叶铜套的制作工艺也有了翻天覆地的变化。为了进一步提高我国桨叶铜套的发展，文中对桨叶铜套发展过程中产生的磨损、更换、铸造过程中的细节操作等问题进行了分析，并提出相应的合理化建议。在桨叶铜套技术革新方面，也提出了一些技术上改进和成果。

随着时代的进步和生产力的大幅度提高，桨叶铜套的制造工艺也焕然一新。 为进一步完善我国桨叶铜套技术的发展，分析了桨叶铜套在运行过程中出现的磨损、更换、材料选择等细节作业步骤中的问题，并提出了相应的合理化建议。 在桨叶铜套的技术改造中，提出了一些技术改进和成果。