葛洲壩125 MW機組增容改造水輪機結構設計

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(東方電氣東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

葛洲壩125 MW機組增容改造水輪機結構設計

王紅曼，黃莉，羅遠紅

(東方電氣東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

葛洲壩水電站自1981年7月第1臺機組并網發電以來，至今運行已逾30年。為了充分利用水能，提高三峽水電站與葛洲壩水電站的綜合效益，中國長江電力股份有限公司對葛洲壩大江水電站機組實施增容改造，東方電氣東方電機有限公司對其中6臺套水輪機進行增容改造。

葛洲壩水電站；水輪機；增容改造；結構設計

0 引 言

葛洲壩水利樞紐是三峽水利樞紐的反調節水庫，用于改善長江航運條件和發電。葛洲壩水電站為徑流式水電站，總裝機容量為2 715 MW，保證出力768 MW，年發電量約15 700 GWh。水電站分為大江水電站和二江水電站，總裝機21臺，其中大江水電站裝設14臺單機容量125 MW的軸流轉槳式水輪發電機組，二江水電站裝設2臺單機容量170 MW和5臺單機容量125 MW的軸流轉槳式水輪發電機組。水電站自1981年7月第1臺機組并網發電以來，至今運行已逾30年。為了充分利用水能，提高三峽水電站與葛洲壩水電站的綜合效益，中國長江電力股份有限公司決定對葛洲壩大江水電站機組實施增容改造。

東方電氣東方電機有限公司(簡稱東方電機)與長江電力股份有限公司簽訂了葛洲壩水電站6臺125 MW軸流轉槳式水輪發電機組增容改造合同。合同要求在水力參數基本不變的前提下，水輪機單機容量從改造前的129 MW增容至153 MW，增幅近20%，難度巨大。葛洲壩水輪機增容改造的主要范圍包括轉輪裝配、主軸密封裝配及水導軸承裝配3部分。在水輪機改造結構設計過程中，始終堅持質量第一、用戶第一的設計思想，博采眾家之長，充分借鑒和利用之前在大型軸流式機組上成功的研制經驗，并將相關的最新研究成果運用于葛洲壩水輪機增容改造設計中，以保證機組改造后滿足合同要求，能安全、穩定運行。

1 基本數據和性能

1.1 水輪機基本參數

水輪機基本參數見表1。

1.2 水輪機改造增容后滿足的技術指標

1)空化系數

電站空化系數為0.93(原水輪機安裝高程36.6 m不變)。

2)出力保證

在額定水頭18.6 m下，水輪機在額定轉速62.5 r/min運行，水輪機額定出力不小于153 MW。

3)效率保證

水輪機最高效率不低于94.03%。

4)空蝕磨損破壞保證

水輪機運行8 000 h，賣方應保證不會因空蝕、磨損導致轉輪的金屬失重超0.5D12kg，單個葉片的空蝕面積、剝落質量不得大于全部葉片平均損壞量的兩倍。保證的先決條件是8 000 h內，功率小于35%功率保證值，運行的時間不超過800 h，超功率保證值運行時間不超過100 h。

表1 水輪機基本參數

2 改造后水輪機結構設計特點

水輪機改造關鍵技術有以下幾點：

1)機組主軸密封形式研究，在軸流轉槳機組上首次使用自補償型工作密封形式；

2)水導軸承支撐方式研究，由原有的頂瓦螺釘支撐考慮改為楔子塊式支撐方式；

3)轉輪結構及吊具的研究，合理的結構設計、控制轉輪及吊具的重量，使得在電站廠房起吊設備不變的情況下，對轉輪進行空中翻身。

葛洲壩小機增容改造采用東方電機新開發的D673轉輪。該轉輪經中國水利水電科學研究院模型中立試驗驗證，效率高，空化性能好，穩定性好。該機組涉及到的改造部件有轉輪裝配、軸承裝配、密封裝配、導流錐、相關工具部分及備品備件，見圖1。

2.1 轉輪裝配

1)轉輪型號為D673，轉輪直徑10.2 m，輪轂比0.415。在轉輪結構設計過程中，由于原水輪機主軸不更換，因此轉輪接力器仍布置于轉輪體上端的，采用傳統的“操作架”方案。但與原結構相比，新轉輪接力器缸與轉輪體整鑄為一體，此種結構布置簡單、緊湊，并可保證在轉輪輪轂比由0.44縮小為0.415后，且轉輪接力器缸直徑由原Φ 2 750 mm增加到Φ 2 850 mm的情況下，轉輪強度仍滿足設計要求。轉輪接力器缸結構改造前后對比見圖2和圖3。

圖1 葛洲壩小機改造后水輪機剖面

圖2 葛洲壩小機改造前轉輪

圖3 葛洲壩小機改造后轉輪

2)每個轉輪葉片的轉動是通過操作油管將最大為4.0 MPa的壓力油引入轉輪接力器上下腔操作活塞帶動活塞桿、操作架、連桿、轉臂、葉片軸的轉動來實現，葉片轉角為-15°～+15°，接力器行程為375 mm。連桿與操作架通過連桿銷直接連接，結構簡單，減少了加工量，方便安裝。加工時，將操作架把合在轉輪體上一次鏜孔，以保證精度。操作架由原來的整體鑄鋼件20Mn改為鋼板焊接與中心筒鑄鋼20Mn相結合的結構，該結構的重量比原來減輕了5.2 t，且產品質量更能得到保證，如圖4所示。

圖4 葛洲壩小機改造后操作架

3)改造前活塞桿與活塞一體整體鍛造，材質為鍛鋼20SiMn(見圖5)。由于該結構尺寸和重量過大，采購成本增加，所以新結構采用活塞桿與活塞通過卡環組裝結構，材質分別為鍛鋼20SiMn和鑄鋼20Mn。該結構材料、加工成本均有所降低，如圖6所示。

圖5 改造前活塞和活塞桿

圖6 改造后活塞和活塞桿

圖7 改造后轉輪接力器缸活塞組合密封

4)轉輪接力器缸活塞采用孔用方形圈加導向環的組合密封。導向環的主要作用是為液壓缸的活塞和活塞桿提供精確的導向支撐，并可以吸收徑向負載；同時防止油缸內金屬運動部件之間的接觸。 較以前鑄鐵活塞環結構，轉輪接力器缸串油量由原來5～10 L/min降為最大0.09 L/min。圖7為改造后轉輪接力器缸活塞組合密封。

2.2 軸承裝配

1)水輪機導軸承為稀油潤滑、非同心分瓦塊自潤滑軸承，軸承未設專門的冷卻裝置，利用導流錐上下環板與立筋形成4個環形外油箱。運行時，油通過4組連通管與外油箱進行循環，依靠導流錐外流過的水自行冷卻。該結構可以較方便地從上部對導軸承進行檢查、調整和更換一部分導軸承部件。軸瓦采用巴氏合金瓦襯，并采用非同心瓦，工地不需刮瓦，軸瓦間隙調節靠楔塊完成，易調整且可靠。未設冷卻裝置，具有結構簡單、增加機組檢修維護的空間位置等優點。

2)軸承中設有10塊軸瓦，每塊瓦上裝有1只電阻測溫計監測瓦溫，另有2只電阻測溫計用于測量油溫。軸承最高運行溫度為60℃，報警溫度為65℃，停機溫度為70℃。軸承油箱上設有油位計，以監測軸承油箱內的油位， 見圖8和圖9。

2.3 主軸密封裝配

1)主軸密封由工作密封和檢修密封組成，安裝在主軸聯軸螺栓護蓋上。

2)工作密封為恒壓式向下端面密封。其工作原理為：不銹鋼密封滑環固定在主軸轉輪端法蘭背面上，復合材料制成的密封圈把合在密封環上，密封環安裝在支持環內側，滑動接觸面設有密封圈。工作時依靠密封環的自重力、密封環與支持環間的彈簧力、密封腔內的水壓力，將密封圈與密封環貼合，達到密封效果。

3)密封彈簧及密封件均采用國外先進產品，密封元件為端面自補償型，在使用年限內，對磨損可進行自動調整。

圖8 改造后軸承裝配在廠內預裝

圖9 改造后軸承裝配廠內預裝

4)密封環與密封圈設有通水孔，依靠清潔水潤滑、冷卻密封圈和密封滑環間的接觸面，防止干摩擦燒損密封圈，可以通過該傳感器進行測量并報警；同時，因密封環可上下移動，故可保證密封圈逐漸磨損和機組抬機時的正常密封。密封環上裝有位移傳感器，用于測量密封圈的磨損量。

圖10 改造后主軸密封裝配

5)主軸密封冷卻水壓為0.2～0.6 MPa，密封正常潤滑水量約為2～3 L/s。

6)檢修密封采用空氣圍帶式密封，空氣壓力為0.5～0.8 MPa，當機組停機時，圍帶充氣膨脹與主軸轉輪端法蘭外圓緊密貼合，達到密封的目的，見圖10和圖11。

圖11 改造后主軸密封裝配廠內預裝

2.4 轉輪裝配翻身工具

1)由于增容改造后參加轉輪裝配翻身重量有所增加，而電站現有吊車的起吊能力不能超260 t。以前還存在起吊鋼絲繩打滑現象，見圖12。針對這種情況，設計了獨特的轉輪裝配翻身吊具。新吊具使轉輪裝配翻身工具由原來結構重量20 t減輕到10 t,材料由鑄鋼20SiMn改為鋼板Q235B焊接結構。

圖12 改造前電站轉輪裝配翻身

2)新吊具在轉輪裝配翻身過程中，能夠有效防止鋼絲繩打滑，減少對電站吊車的沖擊載合，滿足葛洲壩水電站的使用要求，確保機組順利安裝。該工具可運用到接力器缸不動而活塞動的軸流轉槳式的轉輪裝配翻身，見圖13。

圖13 改造后轉輪裝配翻身過程

3 結 語

葛洲壩125 MW機組增容改造是目前東方電機自主設計和制造的軸流轉槳式水輪發電機組，通過此次改造，成功使得葛洲壩大江水電站單機容量從125 MW增容至150 MW，機組增容幅度達到20%，其技術難度是世界罕見的。機組在設計過程中，充分吸收東方電機和國外已運行機組的設計經驗，謹慎反復計算確定了最優結構方案。該機組結構合理，工藝性、經濟性良好，其結構設計技術水平處于國際一流水平。為此，于2016年12月獲得德陽市科學技術進步一等獎，2015年9月獲得東方電氣集團科學技術進步二等獎，轉輪翻身工具已獲得國家專利。

Gezhouba hydropower station has been operating for 30 years since its first generating unit was combined to the grid in July 1981. In order to make full use of hydropower and improve the comprehensive benefits of Three Gorges hydropower station and Gezhouba hydropower station, China Yangtze power co., LTD tries to increase the capacity of the generating units of Gezhouba Dajiang hydropower station. Dongfang Electric Machinery Co., Ltd. carries out the capacity expansion of 6 sets of water turbines.

Gezhouba hydropower station; water turbine; capacity expansion; structure design

TM312

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1003-6954(2017)06-0053-05

王紅曼(1969)，高級工程師，長期從事水輪機結構設計工作。

2017-09-15)