運西電站水輪機組增效改造

林其文

（江蘇航天水力設備有限公司 高郵 225000）

1 電站概況

運西分水閘電站位于灌溉總渠沿線，電站建成于20世紀80年代初，裝機10臺。水輪機為GD-160型豎井貫流式機組，葉輪直徑1.6m，轉速150r/min，配套SFW200-10型臥式水輪發電機，單機容量200kW,轉速600r/min，發電機與水輪機采用齒輪增速箱傳動。電站進、出水流道采用平直管流道，豎井布置在進水流道內，從豎井三側進水。

運西水電站自投入運行以來，很好地發揮了工程效益。運行30年來累計發電量已超過1.6億kW，在充分利用清潔能源、解決農村電力供應等方面發揮了重要作用。

2 電站存在的問題及技術改造的思路

2.1 存在的問題

發電機組經多年運行，水輪機老化、汽蝕、銹損嚴重，機組出力不足，效率低，發電機絕緣老化。

2.2 改造的思路

發電機和水輪機固定通道部分均保持不變，水輪機的主要部件全部更換。為提高效率、增加出力、減輕空蝕、降低耗水率，特別要選用比轉速和最優單位轉速比較高的優秀轉輪，使其更適合電站的運行條件。發電機更換成新的發電機SFW200/8/400v，F級絕緣。齒輪箱為原來的齒輪箱。

水輪機改造范圍：進水伸縮節、座環、導水機構、轉輪室、擴散管、尾水伸縮節，轉動部分包括轉輪和主軸，導軸承，主軸密封及推力軸承箱等。

3 水力模型改造

3.1 水力模型現狀

豎井貫流水輪機在國內發展也有30多年，受技術方面的限制，并沒有研制專門適用于低水頭豎井水輪機的水力模型，仍是借用了軸流式和燈泡式水力模型，由于豎井的水力特性，上述模型的效率和抗汽蝕等主要性能參數較低。

3.2 轉輪研制

根據電站流道原始資料，在Gambit進行全流道三維模型的建立，同時搭建待優化的目標轉輪，然后進行網格的劃分和邊界條件的設置，形成計算文件，運用CFD計算流體力學軟件ANSYS-Fluent讀入計算文件進行全流道數值模擬。根據數值模擬結果反饋的流量、壓力、出力、效率、流態、各流段水力損失等參數情況，從葉片個數、葉片安放角、輪轂比、轉輪室喉部比、導葉個數、導葉開度、導葉尺寸、導葉與葉片間距、機組轉速以及葉片翼型等方面進行控制變量優化設計，反復建模模擬計算，確定符合設計要求的較優、最優方案。

選用具有良好魯棒性和數值收斂性的Spalart-Allmaras模型作為湍流模型，采用SIMPLEC算法作為離散方法，進行壓力和速度的耦合，研制出性能較為優秀的水力模型。

3.3 水力模型具體性能

設計水頭Hr=2.5m、ηmax=86.72%，平均水頭下H=2.8m、ηmax=87.77%，最高水頭Hmax=3.6m、ηmax=87.09%，最低水頭Hmin=1.3m、ηmax=72.24%。

模型最優效率點為單位轉速為173r/min，單位流量為1700L/s附近（水頭3.0m，導葉開度50°），效率88%。

其性能指標高于招標文件規定的在設計水頭，模型水輪機的效率不低于86.0%的要求。水力模型空蝕性能完全滿足招標文件的要求。

3.4 機組出力也滿足招標文件要求

在最大水頭工況時，水輪機的最大出力保證發電機出力不小于200kW。在大于最大水頭工況時有超發10%最大機組出力的能力；在設計水頭下工況時，水輪機的出力能保證發電機的出力不小于160kW。

4 水輪機部件改造

4.1 轉輪

槳葉是水輪機能量置換的重要部件，采用抗空蝕好的ZG06Cr13Ni5Mo不銹鋼整鑄而成。在承受重量、水壓力以及在最大負載或飛逸工況下，槳葉的材料應力不超過材料最小屈服應力的2/3。

槳葉型面采用五軸數控加工中心加工，采用三坐標測量儀進行測量，可確保轉輪體和葉片表面型線與驗收后的水力模型幾何相似。因此槳葉的幾何型面完全滿足設計要求，表面精度大幅度提高，同組葉片重量誤差大大降低，從而保證水輪機的能量指標和抗汽蝕性能及轉輪的旋轉平穩性完全滿足要求。

4.2 主軸

主軸與轉輪采用止口配合、法蘭連接。主軸與轉輪原來采用錐度配合，由于電站后期經常拆卸檢修，主軸表面的錐度嚴重磨損，與轉輪內孔的配合接觸面達不到70%的要求，造成錐度配合易松動，轉輪與主軸的同心度達不到要求，引起機組振動，影響機組運行，所以電站運行管理單位建議改成法蘭連接。

4.3 導水機構

由于機組水工流道不變，導水機構依然采用原來的軸向導水機構（又稱圓盤式導水機構），活動導葉轉動軸心布置在座環與導葉外環之間結合面在上，導葉外環的內壁設置成凹球面，座環的中心設有與活動導葉相匹配的凸球體，導葉短軸裝在座環凸球體上的孔，活動導葉軸穿過座環與導葉結合面上的圓孔，兩個支點支撐活動導葉。

導葉的傳動機構采用球鉸連桿式，改變了原來的滑塊式結構，在有效的行程內減小機構傳動死區，增加連桿傳動的靈活性，同時減少了原傳動部件的數量，采用較多的標準件，節省了銅材的使用，減低了制造成本，更便于設備維護。

導葉軸承采用自潤滑軸承，減少不必要的潤滑系統；增設了剪斷銷信號裝置，保證導葉一個或幾個被卡時剪斷銷在關閉方向上力的作用下破壞或變形，以保護傳動機構的其他部件免遭破壞。

4.4 轉輪室

轉輪室采用半球形結構，徑向分成兩瓣，轉輪室設合適的豎向環向筋板，提高了轉輪室的整體剛度，抵消了轉輪室內表面為提高抗磨蝕性能堆焊不銹鋼層而引起的變形。堆焊不銹鋼是在藥型焊絲通過焊劑和電弧的共同作用下，形成高硬度的不銹鋼，其硬度達HRC42，極大地提高了轉輪室的抗磨蝕性能。

4.5 軸承和主軸密封

水輪機改造前的結構：導軸承采用圓柱滾子軸承，徑向組合軸承采用一對圓錐滾子軸承。導軸承與徑向組合軸承共同承擔徑向載荷，徑向組合軸承還承受正反向水推力。導軸承下游端即靠近轉輪處設置填料密封，保護兩處軸承；徑向組合軸承布置在豎井內。

填料密封主要是依靠填料受軸向壓緊時能填料變形產生的徑向壓緊力以獲得密封。但是徑向壓緊力會增大填料與軸套之間的摩擦，加劇填料的磨損，因而需要經常擰緊填料壓蓋上的螺栓來補償填料磨損。填料密封設置的部位靠近轉輪，水輪機的運行是連續的，不可能經常拆開轉輪室來擰緊調節螺栓，在維修后機組運行一段時間水就會從主軸密封處滲漏出來浸滿主軸兩端的軸承室，造成軸承的損壞，為保證機組的正常運行，經常需要停機更換軸承，直接影響電站的經濟效益。

考慮到水輪機原結構的缺點，在研究原水輪機的結構形式后，對水輪機的軸承形式和密封位置做調整，決定把靠近轉輪的導軸承設計成高分子材料制成的滑動軸承，徑向組合軸承仍采用一對圓錐滾子軸承，在主軸與電機井交界處設置填料密封。為利用有限的空間，設置了填料函座，一端安裝于原豎井內壁上的徑向組合軸承基礎板上，另一端裝配徑向組合軸承，內部則安裝填料密封座，筒壁上開有窗口，用來調節填料。

導軸承采用的是一種樹脂基功能聚合物合金材料，兼具橡膠的彈性和塑料的剛韌性，內建高效長效潤滑微晶，具有優越的磨潤性能，是極為理想的滑動軸承材料。

該材料具有低摩擦、支持干啟動，極限PV值高的特點。由于其內建高效潤滑微晶，使其具有低摩擦耐磨特性，降低了啟動轉矩，免除膠著磨損，保證2～3min時間內干運轉，不需啟動前預通及關機后續通潤滑水，避免啟動及運行時因潤滑缺失而導致損壞軸承。在水潤滑條件下，極限PV值達101MPa·m/s，適用于多數水輪機工況，并有足夠裕量?？傊C合性能，優于大多數傳統的軸承材料，如青銅、尼龍、聚四氟乙烯、橡膠等。

根據運西電站的水質及含沙量，導軸承采用機組過流水潤滑，簡化機組密封結構。

填料密封布置在豎井內，方便了填料調節，但是增加了水輪機主軸長度。與水輪機聯接的增速用齒輪箱，由于箱體下方的齒輪油冷卻水箱布置在豎井底板上已澆筑好的凹坑中不能移動，造成軸向布置困難。在電站實際測量時發現齒輪箱的輸入軸伸部分較長，決定車短輸入軸，騰出空間，并重新設計了聯軸器。為防止填料密封漏水無處排，還在豎井底板鉆出排水孔，用不銹鋼管直接把填料密封滲漏水排到集水井，以保護豎井內的齒輪箱、發電機及水輪機徑向組合軸承的安全。

5 電站改造的局限性

（1）由于電站水工設施不變、流道不變、導水機構結構形式也沒變，仍舊采用原來的軸向導水機構，導葉布置在與轉輪直徑相同的管路上，導葉的排擠使流速大為增加，造成較大的水力損失，性能反不如斜向式導水機構，因而臥式水輪機優秀成果不能應用。

（2）在改造時豎井中下游側徑向組合箱基座處混泥土尺寸不統一，添加的填料函座與原軸承基座的聯接螺栓有的能擰緊，有的因空間小無法擰緊，因而需要設計專用扳手，有的還需要采用了液壓扳手來擰緊螺栓，增加了安裝難度，延長了工期。

（3）調速器采用手電動結構，雖然節省了成本，但調節效果不如現在電站普遍采用的成熟的微機液壓調速器，使機組性能受到些許限制。

6 結語

運行電站已于2014年8月投入試運行，效果良好，各項性能指標均已到達招標文件的要求。由于結構上的優化，更利于電站的運行維護