XFJ4#水輪機結構改造設計

王 昊（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

XFJ4#水輪機結構改造設計

王 昊
（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

本文通過對電站提供的運行參數的分析，部件圖紙資料的深入研究，結合運用在水輪機科研設計方面的先進技術以及積累的豐富的電站改造經驗，水輪機做全面更新改造，實現機組質量的全面提升，滿足現代化電廠安全穩定運行的需要。

水輪機；結構；設計

1 電站現狀

XFJ4#機組水輪機原型號HL741-LJ-410，1976年12月投運，至今已經運行36年，已經接近設計使用壽命。

2 改造目標

（1）改善機組的空化性能。

（2）優化機組運行指標。

（3）加強水輪機頂蓋、底環等部件的剛強度，提高機組運行穩定性。

（4）解決轉輪氣蝕問題。

（5）提高水輪機抗氣蝕、抗磨損能力。

（6）提高水輪機效率。

（7）延長機組大修周期。

3 改造范圍

（1）更換轉輪，同時更換聯軸螺栓及主軸護罩。

（2）更換導水機構，包括頂蓋、底環、控制環、導葉及導葉的傳動零件。

（3）改造尾水錐管進口段。

（4）更換轉動部件主軸、水導軸承、主軸密封。

4 改造設計

（1）轉輪的改造設計。轉輪采用鑄焊結構：轉輪上冠、下環、葉片均采用ZG00Cr13Ni5Mo VOD精煉鑄造而成。上冠、下環、葉片分別制造加工后焊在一起。轉輪焊接后經退火熱處理消除殘余應力，所有焊縫進行100%無損檢測檢查。對轉輪開口、出水邊型線、出口角、節距、進水邊型線、進口角、進口高度、進水邊直徑、表面光潔度、波浪度等都要按國標GB/T10969—1996《水輪機通流部件技術條件》嚴格的檢查。精加工后，進行靜平衡試驗。

（2）導水機構的改造。導水機構包括頂蓋、底環、活動導葉及導葉傳動機構和控制環。機組原導水機構已經使用近40年，雖然部分易損件進行過更換，但主要部件已接近設計使用壽命，從安全角度出發，應進行更換。

①活動導葉及導葉傳動機構。導葉采用ZG06Cr13Ni5Mo材料整體鑄造，按CCH70-3標準進行檢查。導葉的設計保證從全開度位置至空載開度位置范圍內，導葉的水力矩特性具有自關閉的趨勢。導葉的水力設計充分考慮了導葉厚度與振動頻率的關系，避免產生水力共振。導葉端面密封采用自補償型金屬密封，即頂蓋和底環在導葉關閉位置上、下端面接觸處設有分段壓板式的自補償的銅條，銅條下面設有中硬橡膠彈性塊。導葉立面采用聚氨酯鑲嵌式彈性密封結構。良好的密封止水措施，使導葉漏水量很小。導葉采用剪斷銷式保護裝置，當剪斷銷破斷后，在頂蓋上焊接的全開和全關位置的限位塊，保證導葉不會碰撞轉輪和固定導葉。導葉采用螺桿調節的耳柄式傳動機構，方便工地調整。

②頂蓋。頂蓋采用優質鋼板焊接而成，與原來頂蓋相比，加厚了過流面的鋼板厚度，即提高了頂蓋的剛強度，也改善了端面密封的工作環境，減小了密封漏水量。在頂蓋過流面上設置有不銹鋼抗磨板，與轉輪上的止漏環相對應的位置設置不銹鋼止漏環。不銹鋼材料具有優異抗空蝕磨損能力，延長了機組的檢修周期，提高機組運行的可靠性。頂蓋上設有導葉套筒，套筒采用鑄鋼制造。導葉上、中、下軸瓦均采用FZ-6自潤滑復合材料。

③底環。底環采用鋼板焊接結構，具有足夠的強度和剛度。分瓣面進行精加工，配有定位銷，并采用螺栓把合。各分瓣件在工地把合后封焊。底環上設有導葉的下部軸承，軸承采用FZ-6自潤滑復合材料。底環上設置抗磨板，抗磨板采用抗空蝕性能好的不銹鋼材料制造，抗磨板采用塞焊方式固定。底環與轉輪下環相對應的位置設置不銹鋼止漏環。

④控制環。控制環采用鋼板焊接制造。控制環底面裝有環向導軌和抗磨板。控制環能把接力器的操作力和力矩同時均勻地分配給所有導葉。控制環的部件具有足夠的強度和剛度。

⑤導葉接力器。組原結構是布置在頂蓋上的環形接力器操縱控制環實現導葉的控制。因環形接力器存在加工尺寸保證困難，運行過程中容易漏油的缺陷。改造設計中采用兩個直缸接力器方案，接力器固定在機坑里襯的基礎內，電站對結構熟悉，備品可通用，運行維護簡單。

（3）尾水錐管的改造。改造后轉輪的下環加長，尾水管進口下移，需將基礎環和尾水管進口部分作改造。工地將原基礎環與尾水錐管相接的法蘭割去，并向下將原尾水錐管段割去約425mm，刨掉適當的混凝土后，裝焊新的尾水管進口改造段。新制的不銹鋼尾水管進口改造段分4辨制造。工地焊接組圓，并澆注混凝土。

（4）轉動部件的改造

①主軸。主軸是水輪機的主要部件，關乎機組的安全穩定運行，在國標GB/ T15468中對主軸材料許用應力選取要求提高到4倍安全系數，雖然機組轉速提高，但主軸的強度應需重新核算。水輪機軸中空結構，連接形式為外法蘭結構。法蘭與軸身整鍛結構。主軸具有足夠的強度及剛度，保證在任何轉速直至最大飛逸轉速都能安全運轉而沒有有害的振動和變形。

②水導軸承。導軸承采用筒式稀油自潤滑軸承，軸承的布置靠近轉輪處，以提高機組運行的穩定性。水導軸承由旋轉油盆、軸承體、油冷卻系統、軸承蓋等組成。軸承能容許大軸的軸向移動。水輪機導軸承的設計能夠在不被拆除的情況下，對主軸密封元件進行維護和更換，其結構可靠且便于檢修。導軸承運行時，保證不漏油，不甩油，機組從最大飛逸轉速慣性滑行直至停機（不加制動）的全部過程中，導軸承均能安全承受。潤滑油采用L-TSA-46汽輪機油。

③主軸密封。密封采用恒壓軸向自補償端面密封，此種密封結構可靠，具有自補償能力，可保證當密封腔壓力增高，密封副之間的壓力隨之增大，密封清潔水的壓力也同樣增高，密封副之間始終有清潔潤滑水，密封環和轉環之間沒有直接接觸，潤滑冷卻水水壓為0.2MPa～0.4MPa。機組停機和檢修主軸工作密封時，為防止水溢出頂蓋上，在工作密封下方設置了充氣圍帶檢修密封，工作壓力為0.5 MPa～0.8 MPa，檢修密封采用壓縮空氣膨脹式橡膠密封。

④部件剛強度計算（略）。

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