袁真洪，蔣坤臣

（杭州睿博水電科技有限公司，浙江 杭州 311215）

1　電站基本概況

老撾XPXN水力發(fā)電項(xiàng)目裝設(shè)3臺(tái)126 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)42 MW臥式兩噴嘴沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組。臥式兩噴嘴沖擊式水輪機(jī)機(jī)組由挪威睿博水電公司提供水力設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)，杭州睿博水電科技有限公司提供詳細(xì)機(jī)械設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及成套。機(jī)組設(shè)計(jì)水頭高，單擊出力大。由于采用臥式兩噴嘴的設(shè)計(jì)，機(jī)組尺寸相比同類型立式機(jī)組要大得多。XPXN臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)總布置圖見(jiàn)下頁(yè)圖1。機(jī)組相關(guān)參數(shù)如下：

最大凈水頭Hmax=685.5 m

額定水頭Hr=650 m

最小凈水頭Hmin=619.8 m

額定出力Pr=42 MW

額定轉(zhuǎn)速n=500 r/min

轉(zhuǎn)輪最大直徑Dmax=2 710 mm

電站地處老撾偏遠(yuǎn)山區(qū)，整個(gè)老撾國(guó)內(nèi)都很難找到大型機(jī)加工工廠和設(shè)備。因此，整套沖擊式水輪機(jī)需在制造工廠完成整體總裝配試驗(yàn)（轉(zhuǎn)輪除外），以檢查各零部件的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量、功能特性、各零部件之間的加工尺寸配合以及模擬檢驗(yàn)工地安裝程序的可行性，并消除所有的設(shè)計(jì)制造缺陷，簡(jiǎn)化工地安裝難度，為業(yè)主贏得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2　工廠總裝配技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)

此次臥式兩噴嘴沖擊式水輪機(jī)的工廠總裝配試驗(yàn)主要技術(shù)關(guān)鍵檢驗(yàn)點(diǎn)有：

（1）檢驗(yàn)噴嘴的強(qiáng)度、功能特性等指標(biāo)；

（2）檢驗(yàn)承壓部件-配水叉管的設(shè)計(jì)制造質(zhì)量；

（3）檢驗(yàn)機(jī)殼、配水叉管的制造尺寸和配合；

（4）檢驗(yàn)噴嘴折向器操作機(jī)構(gòu)的功能特性；

（5）檢驗(yàn)工地安裝程序的可行性；

（6）檢驗(yàn)水輪機(jī)特殊安裝工具的可行性。

此項(xiàng)目沖擊式水輪機(jī)為兩噴嘴臥軸式設(shè)計(jì)，機(jī)組尺寸大，總體裝配尺寸高度超過(guò)8 m，長(zhǎng)度超過(guò)15 m，單件起吊重量超過(guò)30 t（如圖1）。而許多裝配技術(shù)指標(biāo)以微米、毫米級(jí)別驗(yàn)收，這對(duì)工廠裝配各項(xiàng)操作提出了很高的要求。

水輪機(jī)機(jī)殼尺寸大，屬于薄壁焊接件結(jié)構(gòu)，整體剛性差，起吊，運(yùn)輸過(guò)程中存在一定的變形量。在裝配之前很難預(yù)測(cè)其實(shí)際變形對(duì)整體裝配的影響。此外，留給水輪機(jī)整體工廠總裝配的時(shí)間周期短，業(yè)主驗(yàn)收嚴(yán)格，各項(xiàng)試驗(yàn)要求一次成功，無(wú)返工修改的可能。這是對(duì)機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、裝配的整體考驗(yàn)，無(wú)形中也增加了總裝配的緊迫性和難度系數(shù)。

圖1　XPXN臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)總布置圖

3　工廠總裝配過(guò)程

此次臥式兩噴嘴沖擊式水輪機(jī)總裝配試驗(yàn)主要包含以下單獨(dú)和整體試驗(yàn)、裝配、檢驗(yàn)項(xiàng)目：

（1）上、下噴嘴的壓力試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、功能試驗(yàn)；

（2）配水叉管裝配和水壓試驗(yàn)；

（3）機(jī)組總體裝配和功能試驗(yàn)。

3.1　上、下噴嘴的單獨(dú)試驗(yàn)

噴嘴是沖擊式水輪機(jī)機(jī)組的核心部件之一，是控制沖擊式水輪機(jī)流量、出力的關(guān)鍵部件，同時(shí)也是整個(gè)水輪機(jī)機(jī)組零部件中最精密、最復(fù)雜的部件。噴嘴設(shè)計(jì)制造質(zhì)量的好壞、操作性能的可靠性和安全性都直接影響了機(jī)組的安全運(yùn)行和各項(xiàng)性能指標(biāo)。

噴嘴的工作環(huán)境復(fù)雜，其內(nèi)部為高壓油雙向操作接力器結(jié)構(gòu)，中間為電站高壓高速水流，外部還有機(jī)殼內(nèi)經(jīng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪做功后的水流沖刷。噴嘴要求操作靈活平穩(wěn)，油和水系統(tǒng)隔離，無(wú)任何操作油泄漏進(jìn)入水流流道的風(fēng)險(xiǎn)。噴針位置電反饋要求及時(shí)、準(zhǔn)確。全行程無(wú)油壓自關(guān)閉的安全特性，射流加速高效無(wú)氣蝕，射流穩(wěn)定無(wú)擴(kuò)散等諸多技術(shù)要求和指標(biāo)。

因此噴嘴在工廠的各項(xiàng)試驗(yàn)尤為重要。其工廠試驗(yàn)包括：油壓試驗(yàn)、油泄漏試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)、水密封試驗(yàn)、行程試驗(yàn)和功能試驗(yàn)等內(nèi)容。參見(jiàn)圖2噴嘴試驗(yàn)。

圖2　噴嘴試驗(yàn)

3.1.1油壓試驗(yàn)

噴嘴在完成整體裝配后，先做油壓試驗(yàn)。噴嘴油壓操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力10 MPa，油壓試驗(yàn)壓力為20 MPa，保壓時(shí)間30 min。試驗(yàn)時(shí)，先打開(kāi)噴嘴噴針接力器油缸的開(kāi)啟和關(guān)閉腔頂部排氣口，通過(guò)噴嘴底部操作油管進(jìn)出油口充油，待各油路系統(tǒng)充滿油，排干凈空氣后，在頂部排氣孔安裝壓力表。在確保安全的前提下，用油泵逐步階梯式升壓，并同時(shí)觀測(cè)是否有油泄漏的情況。當(dāng)油壓升到20 MPa后，保壓30 min，觀測(cè)各處是否有異響，漏油等異?，F(xiàn)象。噴針接力器的開(kāi)啟和關(guān)閉腔均需單獨(dú)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，此項(xiàng)目的兩個(gè)噴嘴在20 MPa的試驗(yàn)壓力下，各部件表現(xiàn)優(yōu)秀，無(wú)任何異響、裂紋、漏油等異?，F(xiàn)象，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2噴嘴接力器活塞內(nèi)泄漏試驗(yàn)

油壓試驗(yàn)完成后，進(jìn)行噴針接力器活塞內(nèi)泄漏試驗(yàn)，以檢查活塞密封性能。試驗(yàn)在設(shè)計(jì)油壓10 MPa情況下進(jìn)行。將噴針接力器的開(kāi)啟腔充油并升壓到10 MPa，使噴針接力器處于全開(kāi)狀態(tài)，測(cè)量記錄關(guān)閉腔回油孔的漏油情況。試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有觀測(cè)到噴針接力器活塞的內(nèi)泄漏，說(shuō)明活塞密封件性能非常優(yōu)秀，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此類型油缸接力器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.3噴嘴水壓試驗(yàn)

油壓試驗(yàn)后，將噴嘴兩端進(jìn)出口用悶頭封閉，做噴嘴的水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍14.55 MPa，保壓時(shí)間30 min。水壓試驗(yàn)同樣采用逐步階梯式升壓過(guò)程，試驗(yàn)過(guò)程中要觀測(cè)噴嘴是否有異響、開(kāi)裂、漏水等異?，F(xiàn)象。

3.1.4噴嘴密封試驗(yàn)

噴嘴密封試驗(yàn)的目的是檢測(cè)噴針與口環(huán)之間的密封性能。在噴嘴全關(guān)閉狀態(tài)，噴嘴內(nèi)部處于設(shè)計(jì)水壓時(shí)，新制造的噴嘴只允許有滴漏，不允許有連續(xù)的水流泄漏產(chǎn)生。這對(duì)噴針和口環(huán)的加工精度和裝配精度有很高的要求。

密封試驗(yàn)時(shí)，在噴針接力器關(guān)閉腔投入油壓，使噴針處于全關(guān)閉狀態(tài)。然后在噴嘴內(nèi)部流道內(nèi)沖入水壓至設(shè)計(jì)壓力9.7 MPa，檢測(cè)噴針與口環(huán)之間的密封性能。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在全關(guān)狀態(tài)下，噴嘴內(nèi)部水壓為9.7 MPa時(shí)，噴針與口環(huán)之間的泄漏量小于2 ml/min，無(wú)連續(xù)水流泄漏現(xiàn)象，完全符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.5噴嘴的功能試驗(yàn)

噴嘴的功能試驗(yàn)包括檢查噴針的行程和操作力特性兩個(gè)方面。

噴針的行程直接關(guān)系噴嘴開(kāi)度的大小，從而影響噴嘴射流直徑和流量的大小。通常設(shè)計(jì)中，其行程都包含有足夠的設(shè)計(jì)余量，已滿足加工、裝配誤差和額外超發(fā)的需要。此試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量其全行程數(shù)值是否滿足設(shè)計(jì)要求即可。

噴嘴操作力試驗(yàn)用于檢測(cè)噴嘴的操作平穩(wěn)性。噴嘴內(nèi)部設(shè)置有彈簧平衡系統(tǒng)，使其在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中能自動(dòng)平衡操作油壓產(chǎn)生的操作力和水流產(chǎn)生的作用力，使操作油壓能平穩(wěn)變化，噴針移動(dòng)速度平穩(wěn)，對(duì)機(jī)組出力的平穩(wěn)變化、轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性至關(guān)重要。試驗(yàn)時(shí)，在噴嘴內(nèi)部充滿水壓，通過(guò)測(cè)量操作油壓和噴針行程的關(guān)系曲線，檢驗(yàn)平衡彈簧和水壓的作用力是否在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)曲線和試驗(yàn)采集的作用力曲線，其操作力曲線完全落在設(shè)計(jì)允許的公差范圍內(nèi)。在全行程范圍內(nèi)，噴嘴都有充分的自關(guān)閉趨勢(shì)，完全滿足安全平穩(wěn)運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)圖3噴針行程和油操作力關(guān)系曲線。

圖3　噴針行程和油操作力關(guān)系曲線

至此，噴嘴的單獨(dú)試驗(yàn)就完成了?？蛻魧?duì)此試驗(yàn)進(jìn)行了同步驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于合同和設(shè)計(jì)要求。

3.2　配水叉管裝配和水壓試驗(yàn)

配水叉管是沖擊式水輪機(jī)的引流部件，其承受上游高壓水流的作用，是重要的承壓部件。配水叉管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度至關(guān)重要，足夠的設(shè)計(jì)安全余量能保證電站廠房設(shè)備的安全。配水叉管的水壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)制造質(zhì)量的有效手段。試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍14.55 MPa，保壓時(shí)間30 min。試驗(yàn)壓力成階梯狀逐步上升，完成保壓后同樣逐步下降，防止壓力急速上升和下降對(duì)本體造成不必要的損傷?？蛻翎槍?duì)此項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了單獨(dú)的驗(yàn)收。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)3 h，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異響、無(wú)漏水現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明其設(shè)計(jì)制造質(zhì)量?jī)?yōu)秀，結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。水壓試驗(yàn)壓力變化曲線見(jiàn)圖4配水叉管水壓試驗(yàn)壓力和時(shí)間關(guān)系曲線。

圖4　配水叉管水壓試驗(yàn)壓力和時(shí)間關(guān)系曲線

3.3　機(jī)組總裝配試驗(yàn)

在完成噴嘴和配水叉管的單獨(dú)試驗(yàn)驗(yàn)收后，機(jī)組進(jìn)入了整體總裝配的驗(yàn)收程序。機(jī)組總裝配試驗(yàn)旨在檢查機(jī)組的各零部件之間的尺寸、配合接口、干涉等問(wèn)題。由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是直接和發(fā)電機(jī)軸連接的，而此時(shí)，發(fā)電機(jī)主軸不具備同步裝配試驗(yàn)的條件，因此水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪沒(méi)有參與此次總裝配試驗(yàn)。

水輪機(jī)總裝配試驗(yàn)的主要裝配順序?yàn)椋合聶C(jī)殼→配水叉管（下半部份）→下噴嘴→上機(jī)殼→上噴嘴→主軸護(hù)罩和中心定位工具→調(diào)整上下噴嘴位置→配水叉管上彎管→配車和裝配調(diào)整法蘭→折向器操作機(jī)構(gòu)→機(jī)殼蓋。

3.3.1下機(jī)殼裝配

水輪機(jī)總裝配試驗(yàn)先由下機(jī)殼開(kāi)始。將下機(jī)殼平放在地面上，支撐穩(wěn)固，調(diào)整下機(jī)殼上表面法蘭，使其上表面長(zhǎng)8 m寬3 m的法蘭平面水平高差在0.5 mm范圍內(nèi)。但法蘭平面滿足要求后，固定好機(jī)殼，并在機(jī)殼四周搭建操作平臺(tái)，方便后續(xù)工作。

以下機(jī)殼上發(fā)電機(jī)主軸孔為中線，用鉛垂線在地面找正機(jī)組的X、Y中心線，并標(biāo)記清晰，此中心線作為整個(gè)水輪機(jī)總裝配的基準(zhǔn)中心線。

3.3.2配水叉管下半部分裝配

將配水叉管的下半部分吊入位置，調(diào)整叉管進(jìn)口法蘭平面的位置，使其距離水輪機(jī)中心線的位置符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，調(diào)整法蘭面的垂直度，進(jìn)出口法蘭面中心點(diǎn)必須落在上述機(jī)殼中心線上，進(jìn)口法蘭平面和軸線平行，檢查記錄進(jìn)出口法蘭位置角度必須在設(shè)計(jì)要求的公差范圍內(nèi)。

配水叉管下部分就位后，固定好其支腳，防止后續(xù)工作中移位。

3.3.3下噴嘴裝配

在下機(jī)殼內(nèi)部搭建工作平臺(tái)，將下噴嘴吊入機(jī)殼內(nèi)。用連接螺栓和頂起螺釘固定下噴嘴法蘭和配水叉管出口法蘭。兩法蘭面之間留出調(diào)整法蘭的名義厚度值，以供后續(xù)調(diào)整噴嘴角度用。

3.3.4上機(jī)殼裝配

將上機(jī)殼吊入，與下機(jī)殼對(duì)齊。吊裝時(shí)，要注意輕吊輕放，防止對(duì)下機(jī)殼的撞擊，使其位置發(fā)生變化。檢查上機(jī)殼法蘭與下機(jī)殼法蘭的錯(cuò)邊情況，如有錯(cuò)邊，須調(diào)整一致。裝入定位銷和連接螺栓，并把緊。

3.3.5上噴嘴吊裝

上噴嘴由于其位置和角度關(guān)系，吊裝相對(duì)困難。在吊裝時(shí)，需使用吊裝和手動(dòng)起吊葫蘆調(diào)節(jié)上噴嘴的角度和位置，待進(jìn)入裝配位置后，用與機(jī)殼連接的螺栓固定，并同時(shí)留出調(diào)整法蘭的名義厚度間隙，用于后續(xù)調(diào)整上噴嘴角度。

3.3.6主軸護(hù)罩和中心定位工具裝配

由于發(fā)電機(jī)主軸不具備同步裝配條件，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪不能參與總裝配試驗(yàn)。用以模擬水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的中心定位工具只能固定在主軸護(hù)罩上。中心定位工具完成粗裝配后，須調(diào)整其中心高程，使其與機(jī)殼上主軸孔中心高程一致，中心定位工具表面與地面垂直，和機(jī)組中心線重合。中心定位工具表面和地面的垂直度調(diào)整到0.05 mm/m范圍內(nèi)。

3.3.7調(diào)整上下噴嘴位置

在上下噴嘴口環(huán)上分別裝上定位工具。從定位工具上引出的定位線與中心定位工具相連，用以模擬噴嘴射流的方向。中心定位工具外圓與轉(zhuǎn)輪的節(jié)圓直徑一致。用直角尺測(cè)量射線與噴嘴定位工具的垂直度，調(diào)整噴嘴的定位頂起螺栓，使其射線的垂直度換算到轉(zhuǎn)輪的偏差在IEC60193標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，射流偏離轉(zhuǎn)輪中心線不超過(guò)正負(fù)1.6 mm。

使用同樣的方法對(duì)上、下噴嘴做調(diào)整。調(diào)整合格后，測(cè)量記錄調(diào)整法蘭的間隙值，用于配車調(diào)整法蘭的厚度。

3.3.8配水叉管上彎管裝配

噴嘴位置調(diào)整好后，將配水叉管上彎管吊裝入位。調(diào)整其位置，保證所有的連接螺栓能全部通過(guò)螺孔并無(wú)卡死情況。測(cè)量上彎管進(jìn)出口法蘭與叉管法蘭、上噴嘴法蘭之間的間隙，用以配車調(diào)整法蘭厚度。

3.3.9配車和裝配調(diào)整法蘭

各調(diào)整法蘭按測(cè)量的間隙數(shù)據(jù)配車，并做好配對(duì)標(biāo)記。將上彎管、上噴嘴、下噴嘴拆下，轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的調(diào)整法蘭。然后再次裝入下噴嘴、上噴嘴和上彎管。再次檢查噴嘴相對(duì)于中心定位工具的位置。兩次裝配后，其噴嘴的位置肯定會(huì)有變化。如果其位置仍能滿足IEC60193關(guān)于射流偏差的要求，可以不再調(diào)整。如果不能滿足此標(biāo)準(zhǔn)要求，則需要再次對(duì)調(diào)整法蘭配車，直至合格。在此項(xiàng)目工廠總裝配過(guò)程中，配車調(diào)整法蘭一次后，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，一次配車合格。

3.3.10折向器操作機(jī)構(gòu)裝配

噴嘴位置合格后，開(kāi)始裝配折向器操作機(jī)構(gòu)。折向器操作機(jī)構(gòu)包括折向器、拐臂、連桿、傳動(dòng)軸及其支撐軸承、連板，以及折向器操作接力器等零部件。

折向器操作接力器為搖擺式接力器，固定在上機(jī)殼外側(cè)。整個(gè)油操作系統(tǒng)均布在機(jī)組流道外側(cè)，與水流流道隔離，不會(huì)有任何油水混合，污染水源環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

折向器在噴嘴裝配時(shí)，已經(jīng)與噴嘴固定裝配。折向器操作機(jī)構(gòu)裝配完成后，要檢查其動(dòng)作試驗(yàn)，檢查開(kāi)關(guān)動(dòng)作是否靈活無(wú)卡阻無(wú)干涉情況，折向器位置是否正確。同時(shí)還要測(cè)量檢查折向器與機(jī)組中心定位工具的最小距離，防止機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，靜止部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件相碰。

3.3.11機(jī)殼蓋裝配

機(jī)殼內(nèi)各項(xiàng)裝配調(diào)整完成后，將機(jī)殼蓋吊入上機(jī)殼。檢查機(jī)殼內(nèi)部是否有干涉錯(cuò)邊。調(diào)整位置，裝配好連接螺栓和定位銷。

至此，整個(gè)裝配工作已基本完成。即可通知客戶代表參與最終的工廠驗(yàn)收試驗(yàn)。水輪機(jī)總裝配見(jiàn)圖5。

圖5　水輪機(jī)總裝配

4　總結(jié)

從整個(gè)水輪機(jī)工廠總裝配試驗(yàn)以及驗(yàn)收試驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果來(lái)看，此次水輪機(jī)工廠總裝配試驗(yàn)圓滿完成了合同和設(shè)計(jì)的裝配要求，檢驗(yàn)了機(jī)組設(shè)計(jì)、制造和裝配質(zhì)量。

同時(shí)，我們應(yīng)該注意到，沖擊式水輪機(jī)的機(jī)殼都是無(wú)承壓要求的薄壁結(jié)構(gòu)件，其尺寸大，剛性差。在從工廠到工地的整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中、在工地安裝澆筑混凝土的過(guò)程中均存在一定的變形風(fēng)險(xiǎn)。工地的最終安裝也不可能完全復(fù)原工廠總裝配的過(guò)程與結(jié)果。因此，工地安裝過(guò)程中，嚴(yán)格按照廠家提供的安裝程序，逐步安裝、檢查、記錄每一個(gè)質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)，嚴(yán)格把控安裝質(zhì)量，這對(duì)機(jī)組今后的運(yùn)行維護(hù)是大有好處的。

水輪機(jī)在制造工廠進(jìn)行總體裝配試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過(guò)程中可能的偏差和缺陷。將這些缺陷消滅在產(chǎn)品出廠之前，減少工地缺陷的產(chǎn)生，不但可以提高水輪機(jī)制造廠家的質(zhì)量水平、減少工地質(zhì)量成本，更可以為業(yè)主贏得更多的發(fā)電時(shí)間，直接提高其電站的經(jīng)濟(jì)效益。

因此，對(duì)大型沖擊式水輪機(jī)在制造工廠進(jìn)行總裝配驗(yàn)收，在條件允許的情況下是有必要的。特別是工地條件差，工地設(shè)備不全，地區(qū)偏遠(yuǎn)或遠(yuǎn)在海外的電站，可以大大降低產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。各水輪機(jī)制造廠家和水電站業(yè)主可結(jié)合其實(shí)際情況選擇進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

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