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摘要：分析黄山电厂大轴补气阀几年运行出现的问题，对原补气阀进行试验，重新设计研制新型补气阀，并对机组更换补气阀前后的噪声、稳定性与转轮汽蚀进行比较。实际运行表明： 新补气阀运行稳定、可靠， 满足机组安全运行的要求。
关键词：水电机组；大轴补气阀；噪声；改造方案
一、补气阀的原理
机组在运行中对转轮下部进行补气，是改善运行工况、稳定机组运行、减缓气蚀的一个重要措施。主轴中心自然补气工作原理是：当尾水管真空度达到一定值时，补气阀开启，空气从主轴中心进入转轮下部，改善该处的真空。空气是可压缩的弹性介质，补入的空气形成一个弹性吸收能量的气垫，能缩减机组各部分振动振幅、尾水管的压力脉动及发电机的垂直振动。
实践证明，补气阀向靠近上冠和泄水锥的转轮出口中心区或补入大气，是消除和减轻气蚀涡带、气蚀空腔、气蚀空泡等引起振动因素的最有效、最经济的方法。对于配有空心主轴的水轮机来说，可利用主轴中心孔设置自动补气阀，阀门的动作由补气点的压力变化自动控制，补气阀本身不干扰流道内的水流，在需要补气时可以沿最短路径将大气补到涡带上端中心的压力最低点，因此，这是一种比较理想的补气方式方式。如果补气系统设计合理并经过认真调试，对减轻水力振动和消除转轮空蚀与裂纹具有良好效果，不会降低水轮机效率，补气的噪声也很小，若补气系统出现故障，可能会出现补不进气、补气量不足、减振效果差以及补气噪声大、转轮空蚀与裂纹等问题。
黄山电厂水轮机原大轴补气装置采用东方电机集团生产的Φ430产品，其结构形式见图1，该结构是利用机组运行时尾水管内压力与大气压之间的压力差来打开和关闭补气阀，阀内设有弹簧用以调节不同压力时阀门的开度。
二、补气阀存在的问题
1、黄山电站4台机组，总装机为80WM的混流式机组，水轮机型号：HLPO145-LJ-500，发电机型号：SF200-40/11000，额定出力20WM，额定电压13.8KV。该电站从2005年投产以来，补气阀总是出现问题，检修中，多次发现大轴补气阀弹簧断裂、轴承磨损、密封环磨偏、铜套损坏。每次更换损坏件，运行不到一年时间又出现该类缺陷情况。
2、黄山电站的大轴补气阀在机组负荷区域（100～150MW）运行时大轴补气阀发出高频啸叫声，在发电机盖板旁边就有100～125dB之间，同时水轮机尾水脉动值超标。
3、2010年汛前对该电站3#、4#机组进行B修，在检修对转轮进行着色探伤，发现3#机组转轮有裂纹21处浅表型裂缝，长度均在5-10mm，其中有两处较长裂纹，分别长度为50mm和80mm；1处4mm圆坑；4#机组转轮有裂纹4处浅表型裂缝，长度均在10mm左右；1处10mm圆坑。
4、2010年汛后对余下的1#、2#机组转轮着色探伤检查，1#、2#机组转轮均有长度为5～20mm的浅表裂纹共计30处。1#机组转轮下环进水边叶片一处裂纹长600mm，深60mm，约占叶片总长度的40%。
三、补气阀存在的问题原因
1、造成补气阀缺陷的原因主要是补气阀与水轮发电机组同心度不一致，阀座在上下移动时产生很大的摩擦力，阀座在开启与复归时没在同一直线。
2、轴承常常出现卡的现象，阀座在复归时，往往倾斜一侧，不能回到原来的位置，这时阀板和密封环之间形成一个大的气隙。由于这个气隙的存在，调相运行时充入转轮下方的压缩空气大量逸出，机组无法进行调相运行。同时，当机组在部分负荷工况运行时，由于阀座被卡在一侧，而且气隙不大，因此补入的空气经过气隙时流速极高，发出一种极其尖锐的啸叫声，噪声大。
3、转轮产生裂纹主要有几点：
（1）材质是产生裂纹严重原因。
（2）补气阀开启力大，补气量较小，不足以消除尾水管涡带引起的脉动，以及降低转轮出口的真空压力。
（3）由于长期机组在低负荷下运行，此时水轮机的运行轨迹将偏离设计范围向下移动，当水轮流量为了满足电站出力要求而改变时，转轮叶片则可能会产生正面或背流，加剧空蚀与裂纹产生的可能性。产生这些裂纹只有进行打磨与补焊，如果经常这样打磨补焊，就很容易对转轮质量造成不平衡。就更佳使机组运行工况偏离，则在尾水管内出现涡带，转轮就更容易产生空蚀与裂纹，机组振动愈演愈烈，机组失去调峰、调频作业。
四、补气阀改造方案
1、在大修期间对机组重新盘车，要求补气阀摆度在0.40mm以下。
2、更换补气阀，XBF系列补气阀是采用空气压缩缓冲专利技术，补气阻力和关闭阻小。缓冲活塞上设有几个空气反弹逆止阀，当缓冲活塞下移时，逆止阀全部打开，空气迅速进入缓冲腔；反弹时，逆止阀全部关闭，对空气进行压缩来实现缓冲后关闭。另外这种补气阀轴与缓冲活塞采用了万向连接器，所以动、静套件的同心度极好，不会出现卡塞现象。 XBF系列补气阀的补气量大，能及时消除涡带，以减小转轮出口的真空压力；该补气阀补气面积大足以消除机组在低负荷工况下减轻空蚀、裂纹及水力振动目的。 （见图2）
3、根据原补气阀图纸尺寸设计更改，增大补气阀补气公称直径为500mm（原补气阀公称直径为Ф430mm），从而增加补气阀补气过流面积；增长补气阀阀门开启行程为135mm（原补气阀行程 105mm）；降低补气阀设计开启真空度至0.005Mpa（原补气阀0.0225Mpa-3275N）；调整补气阀全开真空度为0.019Mpa（原补气阀0.043Mpa-6344N）。
五、结束语
补气阀改造后投入运行，明显改善了以往高噪音的工作环境，经测试发电机盖板旁边噪声只有70～85dB之间，机组运行一年后将补气阀吊出， 进行全面解体检查， 阀体各部件运行情况良好， 未见异常损坏现象。可见新阀體使用寿命有效延长， 检修工作量大大降低， 提高了运行经济性。同时， 该补气阀补气量大， 及时消除尾水里涡带， 以减小转轮出口处的真空压力， 从而达到在机组低负荷工况下减轻空蚀、、裂纹及水力振动的目的。在进行转轮裂纹与空蚀检查中， 发现裂纹与空蚀明显减少， 其中1台机组只有浅表裂纹2处，长度在5mm，其余机组几乎没有。
通过对补气阀改造后，减少维护成本，缩短检修工期，啸叫声消除，噪声满足国家《工业企业噪声卫生标准》中生产车间及作业场所（工人每天边界接触噪声8 h）噪声限制值为90dB 的要求。原来补气阀每年检修一次，检修中需要更换很多零部件，而且检修工期需要3天左右，现在只需要简单维护一次。改造后的补气阀，保障机组稳定运行，减少设备维护经济成本，提高机组经济运行时间。
参考文献
[1]姜德政. 水电与新能源（2期）[D].湖北：水力发电出版社， 2012年
[2]刘云 . 水轮发电机故障处理与检修[M].北京：水利水电出版社，2002年
作者简介：
李泽江（1974—），男，四川广元人，技术员，从事水电厂检修维护与管理工作
岳天芬（1976-），女，四川广元人， 技术员， 从事水电厂检修维护与管理工作
收件人：李泽江
邮寄地址：四川省成都市都江堰紫坪铺镇紫坪铺电厂
电话：15828685895，15982103136
关键词：水电机组；大轴补气阀；噪声；改造方案
一、补气阀的原理
机组在运行中对转轮下部进行补气，是改善运行工况、稳定机组运行、减缓气蚀的一个重要措施。主轴中心自然补气工作原理是：当尾水管真空度达到一定值时，补气阀开启，空气从主轴中心进入转轮下部，改善该处的真空。空气是可压缩的弹性介质，补入的空气形成一个弹性吸收能量的气垫，能缩减机组各部分振动振幅、尾水管的压力脉动及发电机的垂直振动。
实践证明，补气阀向靠近上冠和泄水锥的转轮出口中心区或补入大气，是消除和减轻气蚀涡带、气蚀空腔、气蚀空泡等引起振动因素的最有效、最经济的方法。对于配有空心主轴的水轮机来说，可利用主轴中心孔设置自动补气阀，阀门的动作由补气点的压力变化自动控制，补气阀本身不干扰流道内的水流，在需要补气时可以沿最短路径将大气补到涡带上端中心的压力最低点，因此，这是一种比较理想的补气方式方式。如果补气系统设计合理并经过认真调试，对减轻水力振动和消除转轮空蚀与裂纹具有良好效果，不会降低水轮机效率，补气的噪声也很小，若补气系统出现故障，可能会出现补不进气、补气量不足、减振效果差以及补气噪声大、转轮空蚀与裂纹等问题。
黄山电厂水轮机原大轴补气装置采用东方电机集团生产的Φ430产品，其结构形式见图1，该结构是利用机组运行时尾水管内压力与大气压之间的压力差来打开和关闭补气阀，阀内设有弹簧用以调节不同压力时阀门的开度。
二、补气阀存在的问题
1、黄山电站4台机组，总装机为80WM的混流式机组，水轮机型号：HLPO145-LJ-500，发电机型号：SF200-40/11000，额定出力20WM，额定电压13.8KV。该电站从2005年投产以来，补气阀总是出现问题，检修中，多次发现大轴补气阀弹簧断裂、轴承磨损、密封环磨偏、铜套损坏。每次更换损坏件，运行不到一年时间又出现该类缺陷情况。
2、黄山电站的大轴补气阀在机组负荷区域（100～150MW）运行时大轴补气阀发出高频啸叫声，在发电机盖板旁边就有100～125dB之间，同时水轮机尾水脉动值超标。
3、2010年汛前对该电站3#、4#机组进行B修，在检修对转轮进行着色探伤，发现3#机组转轮有裂纹21处浅表型裂缝，长度均在5-10mm，其中有两处较长裂纹，分别长度为50mm和80mm；1处4mm圆坑；4#机组转轮有裂纹4处浅表型裂缝，长度均在10mm左右；1处10mm圆坑。
4、2010年汛后对余下的1#、2#机组转轮着色探伤检查，1#、2#机组转轮均有长度为5～20mm的浅表裂纹共计30处。1#机组转轮下环进水边叶片一处裂纹长600mm，深60mm，约占叶片总长度的40%。
三、补气阀存在的问题原因
1、造成补气阀缺陷的原因主要是补气阀与水轮发电机组同心度不一致，阀座在上下移动时产生很大的摩擦力，阀座在开启与复归时没在同一直线。
2、轴承常常出现卡的现象，阀座在复归时，往往倾斜一侧，不能回到原来的位置，这时阀板和密封环之间形成一个大的气隙。由于这个气隙的存在，调相运行时充入转轮下方的压缩空气大量逸出，机组无法进行调相运行。同时，当机组在部分负荷工况运行时，由于阀座被卡在一侧，而且气隙不大，因此补入的空气经过气隙时流速极高，发出一种极其尖锐的啸叫声，噪声大。
3、转轮产生裂纹主要有几点：
（1）材质是产生裂纹严重原因。
（2）补气阀开启力大，补气量较小，不足以消除尾水管涡带引起的脉动，以及降低转轮出口的真空压力。
（3）由于长期机组在低负荷下运行，此时水轮机的运行轨迹将偏离设计范围向下移动，当水轮流量为了满足电站出力要求而改变时，转轮叶片则可能会产生正面或背流，加剧空蚀与裂纹产生的可能性。产生这些裂纹只有进行打磨与补焊，如果经常这样打磨补焊，就很容易对转轮质量造成不平衡。就更佳使机组运行工况偏离，则在尾水管内出现涡带，转轮就更容易产生空蚀与裂纹，机组振动愈演愈烈，机组失去调峰、调频作业。
四、补气阀改造方案
1、在大修期间对机组重新盘车，要求补气阀摆度在0.40mm以下。
2、更换补气阀，XBF系列补气阀是采用空气压缩缓冲专利技术，补气阻力和关闭阻小。缓冲活塞上设有几个空气反弹逆止阀，当缓冲活塞下移时，逆止阀全部打开，空气迅速进入缓冲腔；反弹时，逆止阀全部关闭，对空气进行压缩来实现缓冲后关闭。另外这种补气阀轴与缓冲活塞采用了万向连接器，所以动、静套件的同心度极好，不会出现卡塞现象。 XBF系列补气阀的补气量大，能及时消除涡带，以减小转轮出口的真空压力；该补气阀补气面积大足以消除机组在低负荷工况下减轻空蚀、裂纹及水力振动目的。 （见图2）
3、根据原补气阀图纸尺寸设计更改，增大补气阀补气公称直径为500mm（原补气阀公称直径为Ф430mm），从而增加补气阀补气过流面积；增长补气阀阀门开启行程为135mm（原补气阀行程 105mm）；降低补气阀设计开启真空度至0.005Mpa（原补气阀0.0225Mpa-3275N）；调整补气阀全开真空度为0.019Mpa（原补气阀0.043Mpa-6344N）。
五、结束语
补气阀改造后投入运行，明显改善了以往高噪音的工作环境，经测试发电机盖板旁边噪声只有70～85dB之间，机组运行一年后将补气阀吊出， 进行全面解体检查， 阀体各部件运行情况良好， 未见异常损坏现象。可见新阀體使用寿命有效延长， 检修工作量大大降低， 提高了运行经济性。同时， 该补气阀补气量大， 及时消除尾水里涡带， 以减小转轮出口处的真空压力， 从而达到在机组低负荷工况下减轻空蚀、、裂纹及水力振动的目的。在进行转轮裂纹与空蚀检查中， 发现裂纹与空蚀明显减少， 其中1台机组只有浅表裂纹2处，长度在5mm，其余机组几乎没有。
通过对补气阀改造后，减少维护成本，缩短检修工期，啸叫声消除，噪声满足国家《工业企业噪声卫生标准》中生产车间及作业场所（工人每天边界接触噪声8 h）噪声限制值为90dB 的要求。原来补气阀每年检修一次，检修中需要更换很多零部件，而且检修工期需要3天左右，现在只需要简单维护一次。改造后的补气阀，保障机组稳定运行，减少设备维护经济成本，提高机组经济运行时间。
参考文献
[1]姜德政. 水电与新能源（2期）[D].湖北：水力发电出版社， 2012年
[2]刘云 . 水轮发电机故障处理与检修[M].北京：水利水电出版社，2002年
作者简介：
李泽江（1974—），男，四川广元人，技术员，从事水电厂检修维护与管理工作
岳天芬（1976-），女，四川广元人， 技术员， 从事水电厂检修维护与管理工作
收件人：李泽江
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电话：15828685895，15982103136