青銅峽電站水輪機改造結構設計

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、青段水電梯級開發規劃中的最后一級電站，是以灌溉、發電為主兼顧防洪、防凌等多目標綜合利用的水利樞紐工程(見圖1)。1978年12月，機組全部發電，工程結束。電站原設計安裝8臺軸流轉槳式水輪發電機機組(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，多年平均發電量12.85億KWh，年利用小時數3 824 h。

原機組是1970年代的產品，大部分零部件都已老化，到了更新換代的時候，而且原機組在設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 原水輪機結構

2.1 原水輪機主要參數及機組概述

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

額定轉速 125 r/min

飛逸轉速(非協聯工況) 260 r / min

額定功率 26 MW

旋轉方向 俯視順時針

2.2 原機組概況

由于各種原因造成#1～#8水輪機設計施工存在的主要缺陷有：

(1)蝸殼包角偏小(135°小包角使轉輪能量指標下降，水輪機轉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 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，甚至小于水輪機臨界空化系數。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，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《關于黃河青銅峽水電站全面技術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改造的整體設計委托，制定實施方案，確定了8臺機組采用國內先進技術，實現#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。發電機和水輪機共用一根軸，發電機和大軸通過推力頭連接，發電機下部是推力支架結構，通過支持蓋和頂蓋將水推力和機組轉動部分的重量傳給座環與基礎。

3 水輪機改造結構設計

3.1 埋入部分

埋入部分是水輪機的基礎，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輪室(見圖1)。

圖1 轉輪室

轉輪室根據運輸要求分成兩瓣，接合面用不銹鋼螺栓把合。轉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。葉片活動范圍內的內表面加工成與葉片相配合曲面，在葉片轉角范圍內，轉輪室內壁與葉片外緣的間隙均勻。為提高抗磨蝕性能，轉輪室環面噴涂碳化鎢防護層。轉輪室設有一個窗口，便于葉片外圓的檢修。為保證轉輪室與混凝土接合牢固，配有足夠的基礎螺栓、安裝調整用的拉緊器、支撐等。

3.2 導水機構

導水機構是控制水輪機流量，調整機組負荷，保證機組正常啟動，事故狀態時緊急停機的控制機構，因此，必須操作靈活、可靠。導水機構在廠內進行預裝操作試驗，保證導葉最大可能開口。導水機構包括導葉、頂蓋、底環、導葉、支持蓋、控制環、套筒、傳動機構等(見圖2)。

圖2 導水機構裝配圖

導葉由不銹鋼電渣熔鑄而成。結合黃河流域泥沙含量多的特點，導葉上中下軸套均采用高分子材料，摩擦阻力小，抗腐蝕性好。導葉上、下端面和立面密封處設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 轉輪裝配

本水輪機為軸流轉槳式水輪機，其轉輪葉片角度可自調，導葉開度和葉片轉角按水輪機綜合特性曲線進行協聯調節，使機組運行時能達到高的平均效率，轉輪室裝配圖見附圖3。

轉輪體采用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。轉輪體接力器缸作水壓試驗。轉輪槳葉正、背面和輪轂噴涂碳化鎢防護涂層，以提高抗空蝕磨損性能。轉輪與水輪機主軸采用螺栓聯結，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構，可防滲漏油和水，亦可不拆葉片更換密封圈。

圖3 轉輪室裝配圖

3.4 主軸裝配

主軸由鍛鋼20SiMn材質整鍛而成。主軸為中空結構，主軸中心布置有兩根同心操作油管，即內油管和外油管。內管將調速器控制的壓力油通入轉輪接力器下腔，使葉片向關閉方向轉動；外管將調速器控制的壓力油通入轉輪接力器上腔，使葉片向開啟方向轉動。而外管和主軸內孔間的空腔則是轉輪內部涌油的排油腔，多余的油通過這腔排到調速器的回油箱。

3.5 軸承裝配

軸承為浸油式自循環潤滑的分塊瓦結構，自調性好，工地不需刮瓦，用斜楔調整瓦的間隙，調整好后用螺栓鎖緊。可根據瓦溫情況調整軸瓦間隙，保證機組運行穩定，軸承裝配圖見圖4。

#8機組是前蘇聯的設備，結構布置十分緊湊。發電機下部與支持蓋之間有推力軸承支架，致使水導軸承的裝拆極為不便。尤其電站工作人員結合多年的運行、檢修經驗，要求主軸密封應能在水輪機不排水和不拆卸主軸、水導軸承、導水機構和管路的情況下進行檢查、調整或更換密封元件。這給制造廠家在軸承上的設計帶來了極大的挑戰。為實現這一目標，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

密封裝配為可調水壓式端面密封，密封圈材質為高分子材料。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

受油器是將調速器操作葉片動作的4.0 MPa壓力油引至轉動操作油管和轉輪接力器，設有3個浮動密封環，能靈活自動調心，使密封間隙均勻，安裝方便，磨損小，密封性好。為防止軸電流，在與發電機連接部位設有絕緣墊和絕緣套。受油器設有觀察孔、轉輪接力器行程和葉片轉角指示板、壓力表和回復軸承等。

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、轉輪試驗工具、轉輪起吊翻身工具等以及水輪機安裝的常規工具。

由于水輪機葉片不開孔，需要制定一個轉輪、大軸和支持蓋三大件一起吊裝的方案。為此，設計人員專程到電站進行考察、復測，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。將轉輪、主軸、支持蓋連為一體，實現三件聯吊(見圖5)。

圖5 三件聯吊圖

3 結 語

青銅峽電站#8水輪機改造雖然結構上與普通的軸流轉槳式水輪機相似，但是由于電站的特殊性，各種既有條件的限制，其結構設計較新機組設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計制造，為該電站后續機組的改造積累了寶貴經驗。