楊衛(wèi)彬 程宇坤

摘 要：針對(duì)安砂電站存在的空蝕、振動(dòng)、主軸密封不嚴(yán)等問題，對(duì)1#機(jī)組進(jìn)行增容改造。本次增容改造，主要優(yōu)化設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)輪、上、下止漏環(huán)、頂蓋、主軸密封、導(dǎo)控部套和尾水管進(jìn)口段等部件。通過(guò)增容改造，對(duì)機(jī)組性能進(jìn)行了優(yōu)化，不僅可以提高效率，還可以增加機(jī)組的穩(wěn)定性，提高電站的收益。

關(guān)鍵詞：安砂水電站;水輪機(jī);結(jié)構(gòu)改造

中圖分類號(hào)：TV738 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

安砂水力發(fā)電廠位于閩江沙溪支流九龍溪中游的永安市安砂鎮(zhèn)附近，現(xiàn)總裝機(jī)容量115MW（1×75MW+2×20MW），年平均發(fā)電量5.3億kw/h，是一座以發(fā)電為主、兼有防洪和灌溉效益的綜合利用工程。

安砂水電站1號(hào)機(jī)組為70年代初國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、制造的懸式結(jié)構(gòu)，機(jī)組已經(jīng)過(guò)30年的運(yùn)行和檢修，已接近當(dāng)時(shí)的水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)壽命。改造前機(jī)組主要存在以下問題[1]：

轉(zhuǎn)輪葉片及尾水管空蝕現(xiàn)象嚴(yán)重且部分葉片有空蝕穿孔現(xiàn)象，每次檢修都要進(jìn)行大量的補(bǔ)焊工作，補(bǔ)焊工作量變得多了起來(lái)，且對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的威脅。

轉(zhuǎn)輪主軸密封不嚴(yán)，漏水嚴(yán)重，且水導(dǎo)瓦存在較大橢圓度，影響機(jī)組運(yùn)行安全。

機(jī)組軸心吸力補(bǔ)氣閥已在運(yùn)行中脫落。

針對(duì)安砂水電廠運(yùn)行中存在的問題，確定1#機(jī)組改造的基本思路為：保持原有的引水管道、埋入部件、額定轉(zhuǎn)速不變的前提下，通過(guò)更換新研制的效率高、流量大、穩(wěn)定性和空化性能好的轉(zhuǎn)輪，加大水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的過(guò)流能力、提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率、增加機(jī)組出力。同時(shí)，提高新轉(zhuǎn)輪的抗空蝕能力，延長(zhǎng)機(jī)組的大修周期，減小水輪機(jī)的水力振動(dòng)區(qū)，提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 結(jié)構(gòu)改造技術(shù)分析

安砂水電廠水輪機(jī)為立軸混流式水輪機(jī)，本次增容改造主要包含轉(zhuǎn)輪、上、下止漏環(huán)、頂蓋、底環(huán)、主軸密封、導(dǎo)控部套和尾水管進(jìn)口段等部件。

1.1 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)輪為13葉片，名義直徑為2.034m，最大外徑2.235m，高度1.085m，重5.6T。

轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)[2]。葉片材質(zhì)為ZG00Cr13Ni5Mo，VOD精煉鑄造，數(shù)控加工。上冠和下環(huán)的材質(zhì)為ZG0Cr13Ni5Mo。選用與母材相配的不銹鋼焊絲進(jìn)行焊接，焊后退火出力，焊縫執(zhí)行100%無(wú)損檢測(cè)檢查。

泄水錐材質(zhì)為不銹鋼板0Cr13Ni5Mo，現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)焊。止漏環(huán)和轉(zhuǎn)輪做出一體。轉(zhuǎn)輪和主軸采用法蘭螺栓聯(lián)接，摩擦傳遞力矩方式。

采用結(jié)構(gòu)分析軟件I-DEAS對(duì)轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度及其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析研究。轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度分析共計(jì)算了最大水頭工況和飛逸工況。在最大水頭工況中考慮水壓力、離心力以及重力的作用，在飛逸工況僅僅考慮重力和離心力。安砂電站轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由圖1可以看出，在最大水頭工況下，轉(zhuǎn)輪的最大應(yīng)力為51.5MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)輪材料的許用應(yīng)力;如圖2所示，在飛逸工況下，轉(zhuǎn)輪的最大應(yīng)力水平僅為101MPa，小于許用應(yīng)力366MPa;轉(zhuǎn)輪具有足夠的強(qiáng)度，滿足電站實(shí)際運(yùn)行要求。

選取一個(gè)完整的轉(zhuǎn)輪作為分析計(jì)算模型，對(duì)轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析研究。其計(jì)算結(jié)果如表2所示，其相應(yīng)的振型如圖3～圖5所示。

從轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)特性分析可知，轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率，很好地避開了轉(zhuǎn)頻與導(dǎo)葉個(gè)數(shù)、轉(zhuǎn)頻與葉片個(gè)數(shù)的乘積，轉(zhuǎn)輪具有良好的動(dòng)態(tài)特性的要求。

1.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)改造

1.2.1 頂蓋、底環(huán)及控制環(huán)

頂蓋采用Q235鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。頂蓋上對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)輪上部止漏環(huán)處裝有不銹鋼的固定止漏環(huán)，該止漏環(huán)硬度比轉(zhuǎn)輪上部止漏環(huán)低，選用1Cr18Ni9Ti材料。

底環(huán)和控制環(huán)材質(zhì)均為Q235鋼板，整體焊接，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。底環(huán)上對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)輪下部止漏環(huán)處裝有與頂蓋處同一材料的固定止漏環(huán)。

1.2.2 活動(dòng)導(dǎo)葉

活動(dòng)導(dǎo)葉材料選用抗空蝕、抗磨蝕性能及焊接性能均良好的0Cr13Ni4Mo，采用整體鑄造結(jié)構(gòu)。導(dǎo)葉立面及端面設(shè)有密封裝置，采用三支點(diǎn)軸承結(jié)構(gòu)，采用自潤(rùn)滑式。

1.3 其他部件改造

1.3.1 錐管的改造

機(jī)組改造流道設(shè)計(jì)不涉及尾水管錐管，但考慮原來(lái)尾水管空蝕比較嚴(yán)重，在尾水管里襯頂端（轉(zhuǎn)輪出口開始）設(shè)有300mm高度的不銹鋼錐管段，上面和基礎(chǔ)環(huán)法蘭焊接，下面和原錐管焊接，焊后打磨，焊縫探傷。

1.3.2 中心孔補(bǔ)氣改造

機(jī)組運(yùn)行以中心孔自然補(bǔ)氣為主，對(duì)尾水管十字架補(bǔ)氣裝置進(jìn)行改造，采用不銹鋼材料，聯(lián)接處加固。補(bǔ)氣管與新錐管焊接，焊后打磨，焊縫探傷。

1.3.3 主軸密封

主軸工作密封裝置設(shè)置在導(dǎo)軸承下方，主軸穿過(guò)頂蓋的部位。采用水壓自調(diào)節(jié)式端面密封。主要密封元件采用中硬橡膠制造，為自補(bǔ)償型，在使用年限內(nèi)，對(duì)磨損可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。在主軸工作密封下方設(shè)置檢修密封，采用壓縮空氣充氣的橡膠密封形式，并可在不吊出頂蓋的條件下更換。檢修密封充氣壓力為0.5～0.8Mpa，試驗(yàn)壓力為1.2MPa。

2 結(jié)語(yǔ)

安砂水電廠1#機(jī)改造后，機(jī)組額定出力增加了15%以上，高水頭時(shí)的出力增加更多?？梢栽黾与娬菊{(diào)峰容量，多獲電能，增加電站收益。同時(shí)，改造后水輪機(jī)的效率也大大提高，改造后的水輪機(jī)加權(quán)平均效率也有較大的提高，這將提高電站收益。

參考文獻(xiàn)

[1] 龐立軍，呂桂萍，鐘蘇，等.水輪機(jī)固定導(dǎo)葉的渦街模擬與振動(dòng)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011（22）：23-25.

[2] 龐立軍，呂桂平.高水頭水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的抗振防裂紋設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013（04）：140-147.