青銅峽電站水輪機(jī)改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳 武 君

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

1 引 言

青銅峽水電站是黃河上游龍、青段水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃中的最后一級(jí)電站，是以灌溉、發(fā)電為主兼顧防洪、防凌等多目標(biāo)綜合利用的水利樞紐工程(見(jiàn)圖1)。1978年12月，機(jī)組全部發(fā)電，工程結(jié)束。電站原設(shè)計(jì)安裝8臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組(河床6臺(tái)36 MW機(jī)組，河西1臺(tái)36 MW機(jī)組，河?xùn)|1臺(tái)20 MW機(jī)組)，裝機(jī)容量272 MW，保證出力79.4 MW，多年平均發(fā)電量12.85億KWh，年利用小時(shí)數(shù)3 824 h。

原機(jī)組是1970年代的產(chǎn)品，大部分零部件都已老化，到了更新?lián)Q代的時(shí)候，而且原機(jī)組在設(shè)計(jì)選型上還存在一些問(wèn)題，空化嚴(yán)重，因此青銅峽水電站機(jī)組的整體改造勢(shì)在必行。2009年8月黃河水電公司寧電分公司與東方電機(jī)有限公司簽訂了青銅峽水電站#1和#8機(jī)組的增容改造合同，本文重點(diǎn)介紹#8機(jī)組的改造情況。

2 原水輪機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 原水輪機(jī)主要參數(shù)及機(jī)組概述

最大水頭 17.9 m

最小水頭 12 m

額定水頭 16.2 m

額定流量 181.6 m3/s

額定轉(zhuǎn)速 125 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速(非協(xié)聯(lián)工況) 260 r / min

額定功率 26 MW

旋轉(zhuǎn)方向 俯視順時(shí)針

2.2 原機(jī)組概況

由于各種原因造成#1～#8水輪機(jī)設(shè)計(jì)施工存在的主要缺陷有：

(1)蝸殼包角偏小(135°小包角使轉(zhuǎn)輪能量指標(biāo)下降，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的水流不均勻，空蝕惡化)；

(2)水輪機(jī)吸出高 度 不 足 (設(shè) 計(jì) 值 HS=

-5.7 m，而實(shí)際吸出高度HS=-2.75 m，大大降低了水輪機(jī)裝置空化系數(shù)，甚至小于水輪機(jī)臨界空化系數(shù)。加之泥沙含量很大以及有時(shí)運(yùn)行方式欠佳，加劇了水輪機(jī)過(guò)流部件的磨蝕破壞，水輪機(jī)效率降低，出力減少，振動(dòng)增大) ；

(3)尾水管中墩前移(造成了尾水管水流提前分流，破壞了水的正常流態(tài)，降低了水輪機(jī)的效率，加劇了水輪機(jī)的磨蝕進(jìn)程)。

2007年黃河水電公司下達(dá)了《關(guān)于黃河青銅峽水電站全面技術(shù)改造工程立項(xiàng)實(shí)施的意見(jiàn)》，要求寧電分公司盡快進(jìn)行全面技術(shù)改造的整體設(shè)計(jì)委托，制定實(shí)施方案，確定了8臺(tái)機(jī)組采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)#1機(jī)組39 MW，#2～#7機(jī)組42 MW，#8機(jī)組26 MW的增容改造目標(biāo)。

青銅峽水電站的機(jī)組廠房不是連續(xù)的大廠房，機(jī)組之間有溢流壩相隔，廠房相互分離，每臺(tái)機(jī)組都是獨(dú)立的帶有可活動(dòng)八角帽的半露天廠房。本次改造的#8機(jī)組在河?xùn)|總灌渠之首，是河?xùn)|灌溉機(jī)組。發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)共用一根軸，發(fā)電機(jī)和大軸通過(guò)推力頭連接，發(fā)電機(jī)下部是推力支架結(jié)構(gòu)，通過(guò)支持蓋和頂蓋將水推力和機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量傳給座環(huán)與基礎(chǔ)。

3 水輪機(jī)改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 埋入部分

埋入部分是水輪機(jī)的基礎(chǔ)，要承受機(jī)組的重量和水壓力，是主要的過(guò)流部分，直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行、水力性能和機(jī)組效率。本次改造的埋入部分主要是轉(zhuǎn)輪室(見(jiàn)圖1)。

圖1 轉(zhuǎn)輪室

轉(zhuǎn)輪室根據(jù)運(yùn)輸要求分成兩瓣，接合面用不銹鋼螺栓把合。轉(zhuǎn)輪室過(guò)流面采用不銹鋼板S135模壓成型，有足夠的強(qiáng)度和剛度。葉片活動(dòng)范圍內(nèi)的內(nèi)表面加工成與葉片相配合曲面，在葉片轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁與葉片外緣的間隙均勻。為提高抗磨蝕性能，轉(zhuǎn)輪室環(huán)面噴涂碳化鎢防護(hù)層。轉(zhuǎn)輪室設(shè)有一個(gè)窗口，便于葉片外圓的檢修。為保證轉(zhuǎn)輪室與混凝土接合牢固，配有足夠的基礎(chǔ)螺栓、安裝調(diào)整用的拉緊器、支撐等。

3.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是控制水輪機(jī)流量，調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，保證機(jī)組正常啟動(dòng)，事故狀態(tài)時(shí)緊急停機(jī)的控制機(jī)構(gòu)，因此，必須操作靈活、可靠。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝操作試驗(yàn)，保證導(dǎo)葉最大可能開(kāi)口。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉、支持蓋、控制環(huán)、套筒、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等(見(jiàn)圖2)。

圖2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖

導(dǎo)葉由不銹鋼電渣熔鑄而成。結(jié)合黃河流域泥沙含量多的特點(diǎn)，導(dǎo)葉上中下軸套均采用高分子材料，摩擦阻力小，抗腐蝕性好。導(dǎo)葉上、下端面和立面密封處設(shè)置可拆卸和更換的非金屬(改性聚氨酯)抗磨板，用不銹鋼螺栓固定。

3.3 轉(zhuǎn)輪裝配

本水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，其轉(zhuǎn)輪葉片角度可自調(diào)，導(dǎo)葉開(kāi)度和葉片轉(zhuǎn)角按水輪機(jī)綜合特性曲線進(jìn)行協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)，使機(jī)組運(yùn)行時(shí)能達(dá)到高的平均效率，轉(zhuǎn)輪室裝配圖見(jiàn)附圖3。

轉(zhuǎn)輪體采用ZG20SiMn鑄造，過(guò)流表面堆焊不銹鋼層，加工后不銹鋼層厚度不小于5 mm。轉(zhuǎn)輪體接力器缸作水壓試驗(yàn)。轉(zhuǎn)輪槳葉正、背面和輪轂噴涂碳化鎢防護(hù)涂層，以提高抗空蝕磨損性能。轉(zhuǎn)輪與水輪機(jī)主軸采用螺栓聯(lián)結(jié)，靠圓柱銷傳遞扭矩。葉片密封為壓板壓緊的多層V型耐油耐水聚氨酯結(jié)構(gòu)，可防滲漏油和水，亦可不拆葉片更換密封圈。

圖3 轉(zhuǎn)輪室裝配圖

3.4 主軸裝配

主軸由鍛鋼20SiMn材質(zhì)整鍛而成。主軸為中空結(jié)構(gòu)，主軸中心布置有兩根同心操作油管，即內(nèi)油管和外油管。內(nèi)管將調(diào)速器控制的壓力油通入轉(zhuǎn)輪接力器下腔，使葉片向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動(dòng)；外管將調(diào)速器控制的壓力油通入轉(zhuǎn)輪接力器上腔，使葉片向開(kāi)啟方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而外管和主軸內(nèi)孔間的空腔則是轉(zhuǎn)輪內(nèi)部涌油的排油腔，多余的油通過(guò)這腔排到調(diào)速器的回油箱。

3.5 軸承裝配

軸承為浸油式自循環(huán)潤(rùn)滑的分塊瓦結(jié)構(gòu)，自調(diào)性好，工地不需刮瓦，用斜楔調(diào)整瓦的間隙，調(diào)整好后用螺栓鎖緊。可根據(jù)瓦溫情況調(diào)整軸瓦間隙，保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，軸承裝配圖見(jiàn)圖4。

#8機(jī)組是前蘇聯(lián)的設(shè)備，結(jié)構(gòu)布置十分緊湊。發(fā)電機(jī)下部與支持蓋之間有推力軸承支架，致使水導(dǎo)軸承的裝拆極為不便。尤其電站工作人員結(jié)合多年的運(yùn)行、檢修經(jīng)驗(yàn)，要求主軸密封應(yīng)能在水輪機(jī)不排水和不拆卸主軸、水導(dǎo)軸承、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和管路的情況下進(jìn)行檢查、調(diào)整或更換密封元件。這給制造廠家在軸承上的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先我們降低了軸承蓋的高度，并采用鋁合金鑄造而成，極大的減少了軸承蓋的重量，方便檢修時(shí)從推力支架進(jìn)人處拆出。同時(shí)在推力支架下方設(shè)置多處吊鉤，在需要檢修密封時(shí)，可以將軸承體吊起，留出檢修空間。

圖4 軸承裝配圖

3.6 密封裝配

密封裝配為可調(diào)水壓式端面密封，密封圈材質(zhì)為高分子材料。水壓范圍0.05～0.2 MPa。壓力水必須是清潔水，作摩擦面的潤(rùn)滑水及頂起密封圈用，可防止泥沙進(jìn)入密封面，調(diào)整水壓使密封的壓緊力和漏水量達(dá)到較理想水平。為排除密封漏水的積水，設(shè)有浮子信號(hào)裝置，控制積水水位及排水泵的啟動(dòng)和停止。

為檢修和較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)封水，在軸承密封下部設(shè)有空氣圍帶式檢修密封，在停機(jī)后才能充0.7 MPa壓縮空氣來(lái)封水，機(jī)組啟動(dòng)前必須撤除壓縮空氣，防止磨壞檢修密封。

3.7 受油器

受油器是將調(diào)速器操作葉片動(dòng)作的4.0 MPa壓力油引至轉(zhuǎn)動(dòng)操作油管和轉(zhuǎn)輪接力器，設(shè)有3個(gè)浮動(dòng)密封環(huán)，能靈活自動(dòng)調(diào)心，使密封間隙均勻，安裝方便，磨損小，密封性好。為防止軸電流，在與發(fā)電機(jī)連接部位設(shè)有絕緣墊和絕緣套。受油器設(shè)有觀察孔、轉(zhuǎn)輪接力器行程和葉片轉(zhuǎn)角指示板、壓力表和回復(fù)軸承等。

3.8 主要安裝工具

為方便電站安裝，提供了一套方便適用的專用工具，其中包括主軸吊裝工具、轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)工具、轉(zhuǎn)輪起吊翻身工具等以及水輪機(jī)安裝的常規(guī)工具。

由于水輪機(jī)葉片不開(kāi)孔，需要制定一個(gè)轉(zhuǎn)輪、大軸和支持蓋三大件一起吊裝的方案。為此，設(shè)計(jì)人員專程到電站進(jìn)行考察、復(fù)測(cè)，最終確定了安全可行的吊裝方案。通過(guò)懸掛工具把在軸承座上，上法蘭伸入主軸軸頸槽內(nèi)。將轉(zhuǎn)輪、主軸、支持蓋連為一體，實(shí)現(xiàn)三件聯(lián)吊(見(jiàn)圖5)。

圖5 三件聯(lián)吊圖

3 結(jié) 語(yǔ)

青銅峽電站#8水輪機(jī)改造雖然結(jié)構(gòu)上與普通的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)相似，但是由于電站的特殊性，各種既有條件的限制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較新機(jī)組設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題更多，難度更大。青銅峽#8水輪機(jī)改造的成功設(shè)計(jì)制造，為該電站后續(xù)機(jī)組的改造積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。