陳 武 君

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

1 引 言

青銅峽水電站是黃河上游龍、青段水電梯級開發(fā)規(guī)劃中的最后一級電站，是以灌溉、發(fā)電為主兼顧防洪、防凌等多目標綜合利用的水利樞紐工程(見圖1)。1978年12月，機組全部發(fā)電，工程結(jié)束。電站原設(shè)計安裝8臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機機組(河床6臺36 MW機組，河西1臺36 MW機組，河東1臺20 MW機組)，裝機容量272 MW，保證出力79.4 MW，多年平均發(fā)電量12.85億KWh，年利用小時數(shù)3 824 h。

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

2 原水輪機結(jié)構(gòu)

2.1 原水輪機主要參數(shù)及機組概述

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 俯視順時針

2.2 原機組概況

由于各種原因造成#1～#8水輪機設(shè)計施工存在的主要缺陷有：

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

(2)水輪機吸出高 度 不 足 (設(shè) 計 值 HS=

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

(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)，降低了水輪機的效率，加劇了水輪機的磨蝕進程)。

2007年黃河水電公司下達了《關(guān)于黃河青銅峽水電站全面技術(shù)改造工程立項實施的意見》，要求寧電分公司盡快進行全面技術(shù)改造的整體設(shè)計委托，制定實施方案，確定了8臺機組采用國內(nèi)先進技術(shù)，實現(xiàn)#1機組39 MW，#2～#7機組42 MW，#8機組26 MW的增容改造目標。

青銅峽水電站的機組廠房不是連續(xù)的大廠房，機組之間有溢流壩相隔，廠房相互分離，每臺機組都是獨立的帶有可活動八角帽的半露天廠房。本次改造的#8機組在河東總灌渠之首，是河東灌溉機組。發(fā)電機和水輪機共用一根軸，發(fā)電機和大軸通過推力頭連接，發(fā)電機下部是推力支架結(jié)構(gòu)，通過支持蓋和頂蓋將水推力和機組轉(zhuǎn)動部分的重量傳給座環(huán)與基礎(chǔ)。

3 水輪機改造結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 埋入部分

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

圖1 轉(zhuǎn)輪室

轉(zhuǎn)輪室根據(jù)運輸要求分成兩瓣，接合面用不銹鋼螺栓把合。轉(zhuǎn)輪室過流面采用不銹鋼板S135模壓成型，有足夠的強度和剛度。葉片活動范圍內(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)面噴涂碳化鎢防護層。轉(zhuǎn)輪室設(shè)有一個窗口，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)水機構(gòu)

導(dǎo)水機構(gòu)是控制水輪機流量，調(diào)整機組負荷，保證機組正常啟動，事故狀態(tài)時緊急停機的控制機構(gòu)，因此，必須操作靈活、可靠。導(dǎo)水機構(gòu)在廠內(nèi)進行預(yù)裝操作試驗，保證導(dǎo)葉最大可能開口。導(dǎo)水機構(gòu)包括導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉、支持蓋、控制環(huán)、套筒、傳動機構(gòu)等(見圖2)。

圖2 導(dǎo)水機構(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，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

本水輪機為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，其轉(zhuǎn)輪葉片角度可自調(diào)，導(dǎo)葉開度和葉片轉(zhuǎn)角按水輪機綜合特性曲線進行協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)，使機組運行時能達到高的平均效率，轉(zhuǎn)輪室裝配圖見附圖3。

轉(zhuǎn)輪體采用ZG20SiMn鑄造，過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。轉(zhuǎn)輪槳葉正、背面和輪轂噴涂碳化鎢防護涂層，以提高抗空蝕磨損性能。轉(zhuǎn)輪與水輪機主軸采用螺栓聯(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；外管將調(diào)速器控制的壓力油通入轉(zhuǎn)輪接力器上腔，使葉片向開啟方向轉(zhuǎn)動。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?？筛鶕?jù)瓦溫情況調(diào)整軸瓦間隙，保證機組運行穩(wěn)定，軸承裝配圖見圖4。

#8機組是前蘇聯(lián)的設(shè)備，結(jié)構(gòu)布置十分緊湊。發(fā)電機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)合多年的運行、檢修經(jīng)驗，要求主軸密封應(yīng)能在水輪機不排水和不拆卸主軸、水導(dǎo)軸承、導(dǎo)水機構(gòu)和管路的情況下進行檢查、調(diào)整或更換密封元件。這給制造廠家在軸承上的設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)這一目標，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，方便檢修時從推力支架進人處拆出。同時在推力支架下方設(shè)置多處吊鉤，在需要檢修密封時，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，作摩擦面的潤滑水及頂起密封圈用，可防止泥沙進入密封面，調(diào)整水壓使密封的壓緊力和漏水量達到較理想水平。為排除密封漏水的積水，設(shè)有浮子信號裝置，控制積水水位及排水泵的啟動和停止。

為檢修和較長時間停機封水，在軸承密封下部設(shè)有空氣圍帶式檢修密封，在停機后才能充0.7 MPa壓縮空氣來封水，機組啟動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)速器操作葉片動作的4.0 MPa壓力油引至轉(zhuǎn)動操作油管和轉(zhuǎn)輪接力器，設(shè)有3個浮動密封環(huán)，能靈活自動調(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)輪試驗工具、轉(zhuǎn)輪起吊翻身工具等以及水輪機安裝的常規(guī)工具。

由于水輪機葉片不開孔，需要制定一個轉(zhuǎn)輪、大軸和支持蓋三大件一起吊裝的方案。為此，設(shè)計人員專程到電站進行考察、復(fù)測，最終確定了安全可行的吊裝方案。通過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，實現(xiàn)三件聯(lián)吊(見圖5)。

圖5 三件聯(lián)吊圖

3 結(jié) 語

青銅峽電站#8水輪機改造雖然結(jié)構(gòu)上與普通的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機相似，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)計較新機組設(shè)計需要考慮的問題更多，難度更大。青銅峽#8水輪機改造的成功設(shè)計制造，為該電站后續(xù)機組的改造積累了寶貴經(jīng)驗。