探究水电站设备的改造技术

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1改造转轮水力设计介绍

1.1背景分析

HL683转轮是当时最高水头段可以使用的唯一转轮。(1)HL683转轮主要参数如下:曾用名:HL133;导叶相对高度(B0):0.1;最优单位转速(n10):61r/min;限制工况点单位流量:228L/s;汽蚀系数σ:0.035(限制工况点);使用水头:250～400m;(2)电站主要参数如下:最大水头(Hmax):331m;最小水头(Hmin):295m;设计水头(Hp):305m;额定转速(n):750r/min;水轮机额定出力(N水):15630kW;吸出高度(Hs):－1m;单位转速(n'):60r/min;单位流量(Q'):0.218;汽蚀安全系数(K):1.024。从上述数据可以看出3号机组水轮机选型基本不合理，单位转速略偏低，汽蚀安全余量严重不足，按现在技术要求，汽蚀安全系数应大于1.5，故电站4号水轮机汽蚀严重在预料之中。电站2号、3号机组改造时采用D261转轮，汽蚀系数为0.025，汽蚀安全系数为1.98，完全满足电站安装高程。本次改造任务技术要求出力由15MW增容到18MW，在电站水头不变情况下，流量增加20%，流速基本增加20%，同时，需满足汽蚀性能不下降和流道基本不变的要求。由于导叶高度和转轮出口尺寸不能改变，能量指标、汽蚀性能和稳定性同时满足要求的现有转轮基本不存在，只能在各项指标接近的转轮基础上设计新转轮。高水头机组水力损失有50%左右由导水机构产生，为此，本次设计充分考虑了导叶和转轮的匹配问题，对改造后的水轮机进行了CFD仿真计算。

1.2叶片设计

1.2.1参数确定

设计水头:Hp=305m;额定转速:n=750r/min;水轮机出力:N水=18000kW/η发=18000/0.95=18947kW;额定流量:QP=N水/(9.81Hp×η水)=18947/(9.81×305×0.91)=6.96m3/s;最优点流量:Q优=QP/1.15=6.96/1.15=6.05m3/s;尾水管进口直径:D=951mm;转轮出口直径确定:D2=945mm;转轮出口轴面流速:Cm2=Q优/(πD22/4)=8.59m/s;转轮出口旋转流速:U2=nD2π/60=37.11m/s;转轮最优出口角:β2=arctan(Cm2/U2)=13°;为设计方便，将转轮直径D1调整为1420mm。导叶高度:B0=140mm;转轮直径:D1=1420mm;转轮进口轴面流速:Cm1=Q优/(πD1B0)=9.689m/s;根据欧拉公式:ηh=U1Cu1－U2Cu2gHηh=2(u1cu1－u2cu2)假设转轮最优效率为96%，且cu2=0，则u1cu1=0.48转轮进口处旋转速度:U1=nD1π/60=750×1.42×3.1415926/60=55.76m/s;转轮进口处无量纲旋转速度:u1=U1/(2gH)0.5=55.76/(2×9.81×305)0.5=0.72081;圆周方向无量纲速度分量:cu1=0.48/u1=0.66591;圆周方向速度分量:Cu1=cu1(2gH)0.5=0.66591×(2×9.81×305)0.5=51.51m/s;转轮最优进口角:β1=arctan(Cm1/(U1－Cu1))=66.3°。汽蚀性能初步校核:Hs=10-NPSHNPSH=(aCm22+bU22)/(2g)=(1.12×8.592+0.055×37.112)/(2×9.81)=8.2mHs=10-NPSH=1.8m上述参数基本满足汽蚀要求。

1.2.2CFD仿真计算

在确定了转轮上述参数后，进行转轮CFD仿真优化设计，图1为最终计算成果。为使设计样机尽可能与真机工况接近，在进行CFD仿真计算时将导叶与转轮进行了联合仿真计算，分别计算了导叶开度在8°、10°、13°、15°、20°的5种工况，导叶在小开度8°、10°时，叶片进水边低压产生，同时，中可以清晰看出不同开度下水流出流状况，在个工况下叶片压力分布合理，机组的出力和额定点效率完全可以保证。

2改造部件结构设计

电站为高水头电站，水轮机为两段轴型式中拆结构，在检修水轮机转轮时，不用拆发电机，在水机层，拆除中段轴、副顶盖、轴承、控制环等后就可以直接取出水轮机转轮。本次改造转轮与原转轮在结构尺寸中略有变化，主要体现在转轮最大外径和转轮出口到底环平面距离增加。为在结构设计中尽量按原结构设计，将局部尺寸进行了修改，保证在不拆除顶盖的情况下可以取出水轮机转轮。将原下密封梳齿结构改为台阶密封结构，这样可以防止发生密封处自激现象，原尾水管未改动。在解决顶盖变形方面电站积累了丰富经验，将最初的铸件顶盖改为实心铸件顶盖，将套筒结构改为无套筒结构，将顶盖法兰由原来85mm加厚为135mm。经过改造，顶盖变形量由2mm左右减小到接近0mm，克服了导叶运行中发卡现象，顶盖变形问题得到解决，保证了轴承和密封的安全可靠运行。本次改造沿用该方案。导叶采用表面相对流速较低的带有偏心的负曲率导叶，提高导叶本体的抗磨蚀性能。活动导叶选用16只，采用ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢整体铸造而成。活动导叶翼型与一般水轮机导叶不同，有较大偏心，使负压面平顺光滑，上、下轴径的过渡凸肩偏置于正压面，从而避免凸肩在背压面诱发磨蚀。

3改造部件加工工艺

3.1转轮加工

转轮采用19个叶片，转轮全不锈钢材料(ZG06Cr13Ni4Mo)。为保证型线要求，叶片正背面采用数控设备加工，上冠、下环过流面采用数控车床加工，转轮叶片型线及焊接剖口为三维造型数控加工，保证了叶片型线与设计型线完全相符，同时也保证了装焊转轮时叶片进口角度，以及叶片间开口误差远小于设计手册要求值。

3.2导叶加工

导叶数为16个，材料ZG06Cr13Ni4Mo，导叶板体型面在数控加工中心完成，导叶板体型线、轴颈尺寸、密封面完全达到设计要求，在导水机构装配时一次检查合格。

3.3顶盖加工

本次改造由于顶盖没有套筒，轴套为铜基石墨自润滑，顶盖导叶孔的加工非常重要。首先，在顶盖半精加工时需采用数控设备，分度圆精度达到0.03mm/m以内，把16个导叶孔加工好，轴套位置的尺寸全部进入公差，再将轴套冷冻后放入，保证轴套与轴套孔有一定紧量，防止轴套滑动。顶盖抗磨板在轴套装入后才能装焊。为防止高压水进入抗磨板和顶盖的间隙，将每一块抗磨板和顶盖焊实，保证高压水不能进入。将每个靠近轴套的抗磨板作为一个环形部件与顶盖和抗磨板焊牢。最后将轴套内孔在车序完成后，重新找正加工。轴套与导叶轴颈间隙0.06mm左右，以改善导叶受力状况，铜基石墨自润滑轴套具有摩擦系数低、承载能力高等特点，可以减少导叶与轴套配合面的磨损，轴套按十年使用寿命设计。

3.4其他改造

顶盖上原有控制环导向环为铸铁材料，本次改造更换为铜基石墨自润滑环，能减少摩擦阻力，提升产品品质。导叶轴套本次改造更换为铜基石墨自润滑轴套，为内藏式结构，大修时不用更换。

4实际运行效果

本次更换设备制造质量较好，安装顺利。机组在空转24h后，带负荷运行，对各个开度进行了试验，没有发现振动区域，机组出力达到设计要求，业主非常满意。2012年3月，4号水轮机改造后投入运行，至今效果良好。

5总结

笔者从实际运行维护中取得了宝贵经验，对高水头、高转速及中拆结构有了更进一步的认识。本次改造经验可为同类型电站水轮机改造所借鉴。

作者：长金全 兰舟 单位：四川国众发电设备有限公司