探究水電站設備的改造技術

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1改造轉輪水力設計介紹

1.1背景分析

HL683轉輪是當時最高水頭段可以使用的唯一轉輪。(1)HL683轉輪主要參數如下:曾用名:HL133;導葉相對高度(B0):0.1;最優(yōu)單位轉速(n10):61r/min;限制工況點單位流量:228L/s;汽蝕系數σ:0.035(限制工況點);使用水頭:250～400m;(2)電站主要參數如下:最大水頭(Hmax):331m;最小水頭(Hmin):295m;設計水頭(Hp):305m;額定轉速(n):750r/min;水輪機額定出力(N水):15630kW;吸出高度(Hs):－1m;單位轉速(n'):60r/min;單位流量(Q'):0.218;汽蝕安全系數(K):1.024。從上述數據可以看出3號機組水輪機選型基本不合理，單位轉速略偏低，汽蝕安全余量嚴重不足，按現在技術要求，汽蝕安全系數應大于1.5，故電站4號水輪機汽蝕嚴重在預料之中。電站2號、3號機組改造時采用D261轉輪，汽蝕系數為0.025，汽蝕安全系數為1.98，完全滿足電站安裝高程。本次改造任務技術要求出力由15MW增容到18MW，在電站水頭不變情況下，流量增加20%，流速基本增加20%，同時，需滿足汽蝕性能不下降和流道基本不變的要求。由于導葉高度和轉輪出口尺寸不能改變，能量指標、汽蝕性能和穩(wěn)定性同時滿足要求的現有轉輪基本不存在，只能在各項指標接近的轉輪基礎上設計新轉輪。高水頭機組水力損失有50%左右由導水機構產生，為此，本次設計充分考慮了導葉和轉輪的匹配問題，對改造后的水輪機進行了CFD仿真計算。

1.2葉片設計

1.2.1參數確定

設計水頭:Hp=305m;額定轉速:n=750r/min;水輪機出力:N水=18000kW/η發(fā)=18000/0.95=18947kW;額定流量:QP=N水/(9.81Hp×η水)=18947/(9.81×305×0.91)=6.96m3/s;最優(yōu)點流量:Q優(yōu)=QP/1.15=6.96/1.15=6.05m3/s;尾水管進口直徑:D=951mm;轉輪出口直徑確定:D2=945mm;轉輪出口軸面流速:Cm2=Q優(yōu)/(πD22/4)=8.59m/s;轉輪出口旋轉流速:U2=nD2π/60=37.11m/s;轉輪最優(yōu)出口角:β2=arctan(Cm2/U2)=13°;為設計方便，將轉輪直徑D1調整為1420mm。導葉高度:B0=140mm;轉輪直徑:D1=1420mm;轉輪進口軸面流速:Cm1=Q優(yōu)/(πD1B0)=9.689m/s;根據歐拉公式:ηh=U1Cu1－U2Cu2gHηh=2(u1cu1－u2cu2)假設轉輪最優(yōu)效率為96%，且cu2=0，則u1cu1=0.48轉輪進口處旋轉速度:U1=nD1π/60=750×1.42×3.1415926/60=55.76m/s;轉輪進口處無量綱旋轉速度:u1=U1/(2gH)0.5=55.76/(2×9.81×305)0.5=0.72081;圓周方向無量綱速度分量:cu1=0.48/u1=0.66591;圓周方向速度分量:Cu1=cu1(2gH)0.5=0.66591×(2×9.81×305)0.5=51.51m/s;轉輪最優(yōu)進口角:β1=arctan(Cm1/(U1－Cu1))=66.3°。汽蝕性能初步校核:Hs=10-NPSHNPSH=(aCm22+bU22)/(2g)=(1.12×8.592+0.055×37.112)/(2×9.81)=8.2mHs=10-NPSH=1.8m上述參數基本滿足汽蝕要求。

1.2.2CFD仿真計算

在確定了轉輪上述參數后，進行轉輪CFD仿真優(yōu)化設計，圖1為最終計算成果。為使設計樣機盡可能與真機工況接近，在進行CFD仿真計算時將導葉與轉輪進行了聯合仿真計算，分別計算了導葉開度在8°、10°、13°、15°、20°的5種工況，導葉在小開度8°、10°時，葉片進水邊低壓產生，同時，中可以清晰看出不同開度下水流出流狀況，在個工況下葉片壓力分布合理，機組的出力和額定點效率完全可以保證。

2改造部件結構設計

電站為高水頭電站，水輪機為兩段軸型式中拆結構，在檢修水輪機轉輪時，不用拆發(fā)電機，在水機層，拆除中段軸、副頂蓋、軸承、控制環(huán)等后就可以直接取出水輪機轉輪。本次改造轉輪與原轉輪在結構尺寸中略有變化，主要體現在轉輪最大外徑和轉輪出口到底環(huán)平面距離增加。為在結構設計中盡量按原結構設計，將局部尺寸進行了修改，保證在不拆除頂蓋的情況下可以取出水輪機轉輪。將原下密封梳齒結構改為臺階密封結構，這樣可以防止發(fā)生密封處自激現象，原尾水管未改動。在解決頂蓋變形方面電站積累了豐富經驗，將最初的鑄件頂蓋改為實心鑄件頂蓋，將套筒結構改為無套筒結構，將頂蓋法蘭由原來85mm加厚為135mm。經過改造，頂蓋變形量由2mm左右減小到接近0mm，克服了導葉運行中發(fā)卡現象，頂蓋變形問題得到解決，保證了軸承和密封的安全可靠運行。本次改造沿用該方案。導葉采用表面相對流速較低的帶有偏心的負曲率導葉，提高導葉本體的抗磨蝕性能。活動導葉選用16只，采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼整體鑄造而成?；顒訉~翼型與一般水輪機導葉不同，有較大偏心，使負壓面平順光滑，上、下軸徑的過渡凸肩偏置于正壓面，從而避免凸肩在背壓面誘發(fā)磨蝕。

3改造部件加工工藝

3.1轉輪加工

轉輪采用19個葉片，轉輪全不銹鋼材料(ZG06Cr13Ni4Mo)。為保證型線要求，葉片正背面采用數控設備加工，上冠、下環(huán)過流面采用數控車床加工，轉輪葉片型線及焊接剖口為三維造型數控加工，保證了葉片型線與設計型線完全相符，同時也保證了裝焊轉輪時葉片進口角度，以及葉片間開口誤差遠小于設計手冊要求值。

3.2導葉加工

導葉數為16個，材料ZG06Cr13Ni4Mo，導葉板體型面在數控加工中心完成，導葉板體型線、軸頸尺寸、密封面完全達到設計要求，在導水機構裝配時一次檢查合格。

3.3頂蓋加工

本次改造由于頂蓋沒有套筒，軸套為銅基石墨自潤滑，頂蓋導葉孔的加工非常重要。首先，在頂蓋半精加工時需采用數控設備，分度圓精度達到0.03mm/m以內，把16個導葉孔加工好，軸套位置的尺寸全部進入公差，再將軸套冷凍后放入，保證軸套與軸套孔有一定緊量，防止軸套滑動。頂蓋抗磨板在軸套裝入后才能裝焊。為防止高壓水進入抗磨板和頂蓋的間隙，將每一塊抗磨板和頂蓋焊實，保證高壓水不能進入。將每個靠近軸套的抗磨板作為一個環(huán)形部件與頂蓋和抗磨板焊牢。最后將軸套內孔在車序完成后，重新找正加工。軸套與導葉軸頸間隙0.06mm左右，以改善導葉受力狀況，銅基石墨自潤滑軸套具有摩擦系數低、承載能力高等特點，可以減少導葉與軸套配合面的磨損，軸套按十年使用壽命設計。

3.4其他改造

頂蓋上原有控制環(huán)導向環(huán)為鑄鐵材料，本次改造更換為銅基石墨自潤滑環(huán)，能減少摩擦阻力，提升產品品質。導葉軸套本次改造更換為銅基石墨自潤滑軸套，為內藏式結構，大修時不用更換。

4實際運行效果

本次更換設備制造質量較好，安裝順利。機組在空轉24h后，帶負荷運行，對各個開度進行了試驗，沒有發(fā)現振動區(qū)域，機組出力達到設計要求，業(yè)主非常滿意。2012年3月，4號水輪機改造后投入運行，至今效果良好。

5總結

筆者從實際運行維護中取得了寶貴經驗，對高水頭、高轉速及中拆結構有了更進一步的認識。本次改造經驗可為同類型電站水輪機改造所借鑒。

作者：長金全 蘭舟 單位：四川國眾發(fā)電設備有限公司