XFJ4#水輪機(jī)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計

王 昊（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

XFJ4#水輪機(jī)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計

王 昊
（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

本文通過對電站提供的運行參數(shù)的分析，部件圖紙資料的深入研究，結(jié)合運用在水輪機(jī)科研設(shè)計方面的先進(jìn)技術(shù)以及積累的豐富的電站改造經(jīng)驗，水輪機(jī)做全面更新改造，實現(xiàn)機(jī)組質(zhì)量的全面提升，滿足現(xiàn)代化電廠安全穩(wěn)定運行的需要。

水輪機(jī)；結(jié)構(gòu)；設(shè)計

1 電站現(xiàn)狀

XFJ4#機(jī)組水輪機(jī)原型號HL741-LJ-410，1976年12月投運，至今已經(jīng)運行36年，已經(jīng)接近設(shè)計使用壽命。

2 改造目標(biāo)

（1）改善機(jī)組的空化性能。

（2）優(yōu)化機(jī)組運行指標(biāo)。

（3）加強(qiáng)水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)等部件的剛強(qiáng)度，提高機(jī)組運行穩(wěn)定性。

（4）解決轉(zhuǎn)輪氣蝕問題。

（5）提高水輪機(jī)抗氣蝕、抗磨損能力。

（6）提高水輪機(jī)效率。

（7）延長機(jī)組大修周期。

3 改造范圍

（1）更換轉(zhuǎn)輪，同時更換聯(lián)軸螺栓及主軸護(hù)罩。

（2）更換導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，包括頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)、導(dǎo)葉及導(dǎo)葉的傳動零件。

（3）改造尾水錐管進(jìn)口段。

（4）更換轉(zhuǎn)動部件主軸、水導(dǎo)軸承、主軸密封。

4 改造設(shè)計

（1）轉(zhuǎn)輪的改造設(shè)計。轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片均采用ZG00Cr13Ni5Mo VOD精煉鑄造而成。上冠、下環(huán)、葉片分別制造加工后焊在一起。轉(zhuǎn)輪焊接后經(jīng)退火熱處理消除殘余應(yīng)力，所有焊縫進(jìn)行100%無損檢測檢查。對轉(zhuǎn)輪開口、出水邊型線、出口角、節(jié)距、進(jìn)水邊型線、進(jìn)口角、進(jìn)口高度、進(jìn)水邊直徑、表面光潔度、波浪度等都要按國標(biāo)GB/T10969—1996《水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》嚴(yán)格的檢查。精加工后，進(jìn)行靜平衡試驗。

（2）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的改造。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)包括頂蓋、底環(huán)、活動導(dǎo)葉及導(dǎo)葉傳動機(jī)構(gòu)和控制環(huán)。機(jī)組原導(dǎo)水機(jī)構(gòu)已經(jīng)使用近40年，雖然部分易損件進(jìn)行過更換，但主要部件已接近設(shè)計使用壽命，從安全角度出發(fā)，應(yīng)進(jìn)行更換。

①活動導(dǎo)葉及導(dǎo)葉傳動機(jī)構(gòu)。導(dǎo)葉采用ZG06Cr13Ni5Mo材料整體鑄造，按CCH70-3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查。導(dǎo)葉的設(shè)計保證從全開度位置至空載開度位置范圍內(nèi)，導(dǎo)葉的水力矩特性具有自關(guān)閉的趨勢。導(dǎo)葉的水力設(shè)計充分考慮了導(dǎo)葉厚度與振動頻率的關(guān)系，避免產(chǎn)生水力共振。導(dǎo)葉端面密封采用自補(bǔ)償型金屬密封，即頂蓋和底環(huán)在導(dǎo)葉關(guān)閉位置上、下端面接觸處設(shè)有分段壓板式的自補(bǔ)償?shù)你~條，銅條下面設(shè)有中硬橡膠彈性塊。導(dǎo)葉立面采用聚氨酯鑲嵌式彈性密封結(jié)構(gòu)。良好的密封止水措施，使導(dǎo)葉漏水量很小。導(dǎo)葉采用剪斷銷式保護(hù)裝置，當(dāng)剪斷銷破斷后，在頂蓋上焊接的全開和全關(guān)位置的限位塊，保證導(dǎo)葉不會碰撞轉(zhuǎn)輪和固定導(dǎo)葉。導(dǎo)葉采用螺桿調(diào)節(jié)的耳柄式傳動機(jī)構(gòu)，方便工地調(diào)整。

②頂蓋。頂蓋采用優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成，與原來頂蓋相比，加厚了過流面的鋼板厚度，即提高了頂蓋的剛強(qiáng)度，也改善了端面密封的工作環(huán)境，減小了密封漏水量。在頂蓋過流面上設(shè)置有不銹鋼抗磨板，與轉(zhuǎn)輪上的止漏環(huán)相對應(yīng)的位置設(shè)置不銹鋼止漏環(huán)。不銹鋼材料具有優(yōu)異抗空蝕磨損能力，延長了機(jī)組的檢修周期，提高機(jī)組運行的可靠性。頂蓋上設(shè)有導(dǎo)葉套筒，套筒采用鑄鋼制造。導(dǎo)葉上、中、下軸瓦均采用FZ-6自潤滑復(fù)合材料。

③底環(huán)。底環(huán)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。分瓣面進(jìn)行精加工，配有定位銷，并采用螺栓把合。各分瓣件在工地把合后封焊。底環(huán)上設(shè)有導(dǎo)葉的下部軸承，軸承采用FZ-6自潤滑復(fù)合材料。底環(huán)上設(shè)置抗磨板，抗磨板采用抗空蝕性能好的不銹鋼材料制造，抗磨板采用塞焊方式固定。底環(huán)與轉(zhuǎn)輪下環(huán)相對應(yīng)的位置設(shè)置不銹鋼止漏環(huán)。

④控制環(huán)?？刂骗h(huán)采用鋼板焊接制造?？刂骗h(huán)底面裝有環(huán)向?qū)к壓涂鼓グ濉？刂骗h(huán)能把接力器的操作力和力矩同時均勻地分配給所有導(dǎo)葉?？刂骗h(huán)的部件具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

⑤導(dǎo)葉接力器。組原結(jié)構(gòu)是布置在頂蓋上的環(huán)形接力器操縱控制環(huán)實現(xiàn)導(dǎo)葉的控制。因環(huán)形接力器存在加工尺寸保證困難，運行過程中容易漏油的缺陷。改造設(shè)計中采用兩個直缸接力器方案，接力器固定在機(jī)坑里襯的基礎(chǔ)內(nèi)，電站對結(jié)構(gòu)熟悉，備品可通用，運行維護(hù)簡單。

（3）尾水錐管的改造。改造后轉(zhuǎn)輪的下環(huán)加長，尾水管進(jìn)口下移，需將基礎(chǔ)環(huán)和尾水管進(jìn)口部分作改造。工地將原基礎(chǔ)環(huán)與尾水錐管相接的法蘭割去，并向下將原尾水錐管段割去約425mm，刨掉適當(dāng)?shù)幕炷梁螅b焊新的尾水管進(jìn)口改造段。新制的不銹鋼尾水管進(jìn)口改造段分4辨制造。工地焊接組圓，并澆注混凝土。

（4）轉(zhuǎn)動部件的改造

①主軸。主軸是水輪機(jī)的主要部件，關(guān)乎機(jī)組的安全穩(wěn)定運行，在國標(biāo)GB/ T15468中對主軸材料許用應(yīng)力選取要求提高到4倍安全系數(shù)，雖然機(jī)組轉(zhuǎn)速提高，但主軸的強(qiáng)度應(yīng)需重新核算。水輪機(jī)軸中空結(jié)構(gòu)，連接形式為外法蘭結(jié)構(gòu)。法蘭與軸身整鍛結(jié)構(gòu)。主軸具有足夠的強(qiáng)度及剛度，保證在任何轉(zhuǎn)速直至最大飛逸轉(zhuǎn)速都能安全運轉(zhuǎn)而沒有有害的振動和變形。

②水導(dǎo)軸承。導(dǎo)軸承采用筒式稀油自潤滑軸承，軸承的布置靠近轉(zhuǎn)輪處，以提高機(jī)組運行的穩(wěn)定性。水導(dǎo)軸承由旋轉(zhuǎn)油盆、軸承體、油冷卻系統(tǒng)、軸承蓋等組成。軸承能容許大軸的軸向移動。水輪機(jī)導(dǎo)軸承的設(shè)計能夠在不被拆除的情況下，對主軸密封元件進(jìn)行維護(hù)和更換，其結(jié)構(gòu)可靠且便于檢修。導(dǎo)軸承運行時，保證不漏油，不甩油，機(jī)組從最大飛逸轉(zhuǎn)速慣性滑行直至停機(jī)（不加制動）的全部過程中，導(dǎo)軸承均能安全承受。潤滑油采用L-TSA-46汽輪機(jī)油。

③主軸密封。密封采用恒壓軸向自補(bǔ)償端面密封，此種密封結(jié)構(gòu)可靠，具有自補(bǔ)償能力，可保證當(dāng)密封腔壓力增高，密封副之間的壓力隨之增大，密封清潔水的壓力也同樣增高，密封副之間始終有清潔潤滑水，密封環(huán)和轉(zhuǎn)環(huán)之間沒有直接接觸，潤滑冷卻水水壓為0.2MPa～0.4MPa。機(jī)組停機(jī)和檢修主軸工作密封時，為防止水溢出頂蓋上，在工作密封下方設(shè)置了充氣圍帶檢修密封，工作壓力為0.5 MPa～0.8 MPa，檢修密封采用壓縮空氣膨脹式橡膠密封。

④部件剛強(qiáng)度計算（略）。

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