蒲石河水輪機新型泄水環的結構特點

謝明杰，劉世忠，陶迎新，謝文祥，任青旭

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蒲石河水輪機新型泄水環的結構特點

謝明杰，劉世忠，陶迎新，謝文祥，任青旭

（國網新源遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118000）

蒲石河電站為抽水蓄能電站，因電站1號機組泄水環把合螺釘部分斷裂，導致泄水環其中的3塊掉落，影響了機組的穩定運行，需設計新的泄水環結構，避免泄水環再次脫落，保證機組的穩定性，本文介紹了新型泄水環的結構特點，并對電站原泄水環需改造的部件進行了具體說明，同時新型泄水環結構對后續蓄能電站的設計提供參考。

蒲石河電站；水輪機；結構特點；泄水環；強度計算

0 前言

蒲石河抽水蓄能電站，位于遼寧省寬甸縣內，距離丹東市約60km，該電站是東北首座大型抽水蓄能電站，總裝機容量為120萬kW，按照國家發改委主機設備國產化發展戰略部署，在電站承擔住主機設備國產化試驗田的重任，2012年9月，4臺機組全部投入商業運行。

蒲石河抽水蓄能電站建成后，并入東北電網。主要擔任系統的調峰、填谷、調頻及事故備用任務，電閘年平均發電量為18.6′10kW·h，年發電小時數1550h，年平均抽水電量為24.09′10kW·h。

蒲石河抽水蓄能電站1號機組泄水環在2015年3月18日機組水泵工況運行時發生脫落現象，泄水環把合螺釘部分斷裂，導致泄水環其中的1大塊及2小塊脫落（泄水環共分8塊，4大塊4小塊），并擊傷轉輪葉片及導葉表面（如圖1~2所示），同時由于機組振擺過大而停機，運維人員發現14個導葉剪斷銷發生斷裂。

圖1 把合螺栓折斷

同時獲悉，泄水環結構相似電站的張河灣、黑麋峰等電站，泄水環的把合螺釘也出現過螺栓松動個別螺栓斷裂等現象。

圖2 轉輪

1 水輪機性能參數

機組臺數 4臺

最大凈水頭 330m

額定凈水頭 308m

最小凈水頭 304m

水輪機額定出力 300MW

額定轉速 333r/min

2 蒲石河原泄水環結構介紹

蒲石河泄水環位于轉輪下方，轉輪出口位置，泄水環材料為不銹鋼S135，共分8塊，4大塊4小塊間隔布置，且在8道合縫面（焊接連接）每一道上均開有2-f12的均壓孔，通過內六角螺釘把合在底環上，分上、下兩層，其中兩個泄水環小塊位置內腔設有測量止漏環的測溫電阻，對稱布置，監測下固定止漏環的溫度，下固定止漏環螺栓下把合螺栓，位于泄水環內腔中。

圖3 原泄水環結構圖

3 蒲石河泄水環的作用

泄水環結構設計的作用，主要考慮以下兩個方面：一是在泄水環內部設置檢查下固定止漏環與轉動止漏環之間間隙的測孔；二是在泄水環內部設置測量下固定止漏環溫度的RTD信號裝置。

圖5 檢查下止漏環間隙

4 蒲石河優化后結構

4.1 泄水環優化后結構方案

圖6示出了泄水環的結構。

圖6 新型泄水環結構

4.2 原蒲石河泄水環結構形式需改動位置

（1）原止漏環的支撐法蘭需割除，更換新的支撐法蘭。

（2）原止漏環的固定把合方式由下把合螺栓更改為上把合螺栓。

（3）原止漏環的測溫電阻取消。

（4）原泄水環的固定方式由螺釘把合更改為焊接結構形式。

4.3 優化后泄水環結構特點

（1）止漏環仍然采用鑄鋁青銅材料，結構更為上把合固定方式。

（2）支撐法蘭與泄水環材料采用鋼板Q345B，內圓鋪設不銹鋼材料，加工后厚度不小于5mm

（3）泄水環的材料為不銹鋼S135，與支撐法蘭廠內焊接加工。

（4）泄水環下部廠內加工止口，與原底環尺寸配合2840H8。

（5）支撐法蘭上的止漏環支撐面需工地打磨，以保證止漏環原安裝位置，需現場提供打磨工具。圖7示出了打磨范圍。

圖7 打磨范圍

（6）泄水環與底環形成的空腔工地用混凝土澆筑填充。圖8示出了壓力灌漿孔的位置及尺寸。

圖8 壓力灌漿孔

（7）止漏環與支撐法蘭之間的定位銷（如圖9所示），需工地同鉆鉸，防止止漏環圓周轉動。

圖9 定位銷

（8）止漏環固定螺栓的防松措施，施工螺紋鎖骨膠、環氧樹脂、螺紋旋套等，如圖10所示。

圖10 螺栓放松措施

（9）下固定止漏環間隙扔采用“L”型測量工具測量，保證安裝質量。

4.4 對改造后的泄水環結構進行有限元分析

圖11示出了泄水環的模型。

圖11 泄水環模型

圖12 泄水環綜合應力

圖13 泄水環總體變形

結論：泄水環的最大變形為0.0057mm，最大綜合應力為9.69MPa，剛強度滿足要求。

4.5 新型泄水環結構與原泄水環結構特點對比

新型泄水環結構與原泄水環結構特點對比見表1。

表1 新型泄水環結構與原泄水環結構特點對比

從表1中可以看出，新型泄水環與底環為焊接形式，并且新型泄水環與底環形成的腔體使用混凝土壓力灌漿，而原結構中泄水環與底環為螺栓把合結構，并且原泄水環與底環形成的為空腔，空腔內含有水，在機組首次充水以及水泵工況充氣壓水結束排氣回水過程中，始終會有部分氣體遺留在泄水環與底環組成的腔體中，在機組運行過程中，此部分殘留的空氣會在壓力脈動的作用下，使泄水環把合螺釘承受附加的交變載荷，致使螺栓松動直至斷裂，而新結構為焊接結構，完全避免了此問題，新型泄水環結構完全能解決蒲石河泄水環脫落問題。

5 工地專用打磨設備介紹

5.1 設備結構

為保證泄水環工地焊接后支撐法蘭的平面度，需提供專用打磨工具，打磨設備主要由支撐座、水平頂絲、垂直頂絲、支撐臂、中心體、主軸、磨頭、滑座、磨頭座、旋轉臂、接長臂和配重等組成。如圖14所示。

該加工設備有一個旋轉臂，安裝在設備底部，旋轉臂一端安裝一個接長臂，接長臂上安裝磨頭座，磨頭座上安裝滑座和磨頭。旋轉臂與主軸連接在一起，主軸轉動，帶動旋轉臂和磨頭旋轉，完成磨削進給。磨頭電機功率3kW，人工推動旋轉。

5.2 加工范圍

該設備為蒲石河泄水環工地安裝專門設計，只加工泄水環安裝面f2750～f3028之間的尺寸，即止漏環的安裝在支撐法蘭上的平面，支撐法蘭工地需打磨的范圍如圖15所示。

圖15 支撐法蘭工地需打磨范圍

6 總結

蒲石河泄水環優化后整體焊接結構形式，完全解決了蒲石河電站泄水環的脫落及螺釘斷裂問題，同時避免了水力振動導致泄水環脫落現象的發生，提高機組運行可靠性，為新源公司系統內運行及未來的抽水蓄能同類型的水泵水輪機泄水環結構提供參考。

建議后續新設計的機組，取消下固定止漏環測溫電阻元件，改用監控下固定止漏環冷卻水流量的方式進行監控下固定止漏環的溫度，同時固化泄水環結構，將泄水環與底環固定方式改為焊接形式，即與底環為整體結構，取消泄水環螺栓的把合方式，完全避免泄水環因壓力脈動致使螺釘斷裂而影響機組安全運行，徹底解決泄水環脫落的隱患。

[1] 劉貴人, 張永會, 喬木, 欒春林, 胡海平. 白山發電廠5號機組的水輪機改造[J]. 大電機技術, 2017(5): 63-67.

[2] 鄭小波. 水輪機過流部件的優化設計和振動特性分析[D]. 西安理工大學博士論文. 2006, 24-41.

[3] 紀興英, 劉勝柱. 混流式導葉水力矩計算[J]. 大電機技術, 2008(3): 38-41.

[4] 鄭源, 陳德新. 水輪機[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2011: 163-165。

[5] 劉貴人. 白山發電廠5號機組的水輪機改造[J]. 大電機技術, 2017(5): 63-67。

[6] 翟建平, 廖煥華. 水輪機主軸密封漏水的故障分析及處理[J]. 潤滑與密封, 2011,36(12): 104-107.

[7] 朱宏, 聶治學, 吳封奎, 官鵬. 巨型混流式水輪機導軸承結構特點及運行安裝可靠分析[J]. 水力發電-機電與金屬結構, 2015,41(10): 42-47.

[8] 孟令元. 立式水輪機分塊瓦導軸承潤滑機構的試驗研究[J]. 大電機技術, 1982(2): 46-52.

[9] 鄭源, 陳德新. 水輪機[M]. 北京水利水電出版社, 2011: 163-165.

[10] 劉光寧, 陶星明, 劉詩琪. 水輪機泥沙磨損的綜合治理[J]. 大電機技術, 2008(1): 31-37.

[12] 楊斌, 黃波, 劉興何. 柳洪水電站水輪機結構特點及存在問題分析[J]. 四川水力發電，2010（增2）:212-214.

[13] 李鶴, 王天任, 韓萍, 聞邦椿. 考慮流體影響的水輪機葉輪固有頻率[J]. 東北大學學報（自熱科學版）, 2016(9): 175-1277.

[14] 王志高. 我國水輪機磨蝕的現狀和保護措施的進展[C]. 水機磨蝕2002-2003年論文集：13-18.

[15] 武彬, 王利, 宋會民. 三門峽水電站1#機組技術改造的工程實踐[J]. 大電機技術, 2008(1): 45-48.

[16] 桂中華, 常玉紅, 柴小龍, 王勇. 混流式水輪機壓力脈動與振動穩定性研究進展[J]. 大電機技術, 2014(6): 61-65.

The Structure Features of Pushihe Turbine Discharge Ring

XIE Mingjie, LIU Shizhong, TAO Yingxin, XIE Wenxiang, REN Qingxu

(Liaoning Pushihe Pumped Storage Company LTD., State Grid Xinyuan Company, Dandong 118000, China)

Pushihe is pumped storage power station, due to the fracture of the screw joint of the 1# unit of the power plant, the 3 pieces of the discharge ring fall off, which affects the stable operation of the unit, new discharge ring structure should be designed to prevent the discharge ring from falling off again to ensure the stability of the unit, In this paper, the structure features of the new type of discharge ring are introduced, and the parts that need to be reformed for the original discharge ring of the power station are described in detail. Meanwhile, the structure of the new type provides reference for the design of the subsequent storage power station.

Pushihe power station; turbine; structure features; discharge ring; mechanical calculation

TK730.3+24

A

1000-3983(2018)03-0042-05

2017-07-25

謝明杰（1964-），1987年7月畢業于華北水利水電學院，現主要研究方向為水電站經營管理，高級工程師。