巨型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪組裝工藝研究

李中杰，鄭 源，易 偉(.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 0098；.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，南京 0098；.中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，四川 眉山 60860)

1 工程概況

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)的雅礱江下游河段，距離上游二灘水電站18 km，距下游雅礱江與金沙江交匯處15 km，是雅礱江流域水電基地梯級開發(fā)的最末一級電站。壩址區(qū)有S214省道及成昆鐵路線通過，交通便利。電站為壩后式廠房，裝設(shè)4臺單機容量153.1 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，額定水頭20 m。電站保證出力22.7萬kW，年利用小時數(shù)4 958 h，多年平均發(fā)電量29.75億kWh。電站正常蓄水位1 015 m，水庫總庫容9 120萬m3。桐子林水電站以發(fā)電任務(wù)為主，兼有下游防洪、灌溉等綜合利用效益，電站在電力系統(tǒng)中擔(dān)任基荷或峰荷，所發(fā)電能主要送入四川電網(wǎng)。水輪機由哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司制造供貨，中國水電七局機電安裝分局負責(zé)安裝施工。

2 轉(zhuǎn)輪特點

2.1 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點

(1)立軸軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，主要由轉(zhuǎn)輪中心體、葉片、泄水錐及內(nèi)部槳葉操作機構(gòu)等部件組成。

(2)轉(zhuǎn)輪中心體采用ZG20SiMn整鑄而成，輪轂比0.42，最大外徑約Φ4 242 mm，高度約3 300 mm，質(zhì)量約95 t，整體運輸?shù)焦さ亍?/p>

(3)轉(zhuǎn)輪中心體內(nèi)接力器活塞采用鋼制活塞，活塞桿通過接力器活塞缸蓋的部位設(shè)置有可更換的青銅導(dǎo)向瓦。

(4)轉(zhuǎn)輪有5片槳葉，采用0Cr13Ni5Mo低碳馬氏體高強度不銹鋼材料通過真空氧氣脫碳法(VOD)精煉鑄造而成。葉片表面采用五軸數(shù)控加工工藝，使過流面線型與葉片翼型設(shè)計高精度貼合，確保了轉(zhuǎn)輪葉片優(yōu)良的水力學(xué)性能。葉片采用密封性好、結(jié)構(gòu)簡單可靠、檢修方便的雙向多層耐油耐壓密封，葉片密封能防止漏油和水進入裝輪中心體，并能在不拆卸葉片的情況下更換。

(5)泄水錐為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)輪中心體之間采用螺栓預(yù)緊，徑向銷釘定位的聯(lián)接方式，并設(shè)有防脫落措施，與轉(zhuǎn)輪連接可靠。泄水錐質(zhì)量約9 t，整體運輸?shù)焦さ亍?/p>

(6)轉(zhuǎn)輪和主軸采用法蘭螺栓聯(lián)接，銷釘傳遞扭矩。

2.2 轉(zhuǎn)輪吊裝主要參數(shù)

桐子林水電站裝設(shè)的4臺立軸軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機為國產(chǎn)巨型機組，轉(zhuǎn)輪整體吊裝主要由轉(zhuǎn)輪裝配、主軸、導(dǎo)流錐、支持蓋等組成，其中轉(zhuǎn)輪裝配質(zhì)量約320 t，主軸及操作油管重量約97 t，導(dǎo)流錐安裝質(zhì)量約33 t，支持蓋約98 t。轉(zhuǎn)輪吊裝采用轉(zhuǎn)輪、主軸、支持蓋、導(dǎo)流錐四體聯(lián)吊的方式，組合體起吊總重量約560 t(不含平衡梁)，吊裝最大尺寸為：Φ10 100×18 300(高)mm。

3 轉(zhuǎn)輪組裝及試驗

3.1 轉(zhuǎn)輪組裝工藝流程

水輪機轉(zhuǎn)輪的組裝是水電站機電設(shè)備安裝任務(wù)中的節(jié)點性工序，其組裝質(zhì)量至關(guān)重要[1]。由于桐子林水電站所裝設(shè)的水輪機為國產(chǎn)巨型機，其轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)尺寸、重量都較大，且轉(zhuǎn)輪倒立組裝及其翻身等工序與傳統(tǒng)施工方法相比存在較大的不同。因此，施工技術(shù)人員根據(jù)該工程的具體特點編制分部分項工程施工組織設(shè)計，并擬定專項施工方案，確保轉(zhuǎn)輪的高質(zhì)量組裝。

根據(jù)桐子林水電站水輪機轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點和安裝技術(shù)質(zhì)量要求，制定如下組裝流程：組裝前準備→支撐基礎(chǔ)的安裝→反裝轉(zhuǎn)輪體→轉(zhuǎn)輪體翻身→正裝泄水錐→ 操作油管等附件的安裝→槳葉吊裝→安裝轉(zhuǎn)輪試驗工具→進行轉(zhuǎn)輪試驗→槳葉螺栓蓋板的安裝→輔助支架的安裝→整體起吊零部件的安裝。

3.2 組裝前準備

轉(zhuǎn)輪組裝前對廠家到貨的設(shè)備進行開箱清點檢查，并如實記錄設(shè)備是否缺件、有缺陷等情況。設(shè)備清點核對無誤后，對各零部件進行清理，去除部件表面的油污、毛刺、氧化皮等，研磨部件局部高點符合要求，同時要對重要部件的尺寸進行復(fù)測，并作好記錄。由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部傳動機構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，相對運動部件之間的尺寸配合精度要求較高，因此，必須在組裝前對各零部件進行嚴格細致的清理，其工作的質(zhì)量將直接影響機組的投產(chǎn)運行，因此轉(zhuǎn)輪零部件的清理工作至關(guān)重要[2]。

3.3 支撐基礎(chǔ)的安裝

在安裝間轉(zhuǎn)輪組裝工位搭設(shè)轉(zhuǎn)輪安裝支架I。轉(zhuǎn)輪安裝支架I由5個鋼支墩沿圓周均勻布置。測量并調(diào)整轉(zhuǎn)輪安裝支架I節(jié)圓尺寸Φ3 200 mm，支墩底部與組裝工位預(yù)埋鋼筋連接牢固，并將尺寸位置標注在支架上平面上，以便于轉(zhuǎn)輪體吊放及位置調(diào)整。在各支墩上放上調(diào)整楔子板，并調(diào)整楔子板上平面在同一水平面上，調(diào)整好后點焊牢固。

3.4 反裝轉(zhuǎn)輪體

(1)由于廠家給出的部分轉(zhuǎn)輪組裝步驟不太合理，現(xiàn)場施工過程中有較大難度，且不利于后續(xù)工作的順利開展，施工單位根據(jù)現(xiàn)場具體施工條件，將轉(zhuǎn)輪翻身支架I的安裝選在轉(zhuǎn)輪吊至安裝支架之前進行，減小了轉(zhuǎn)輪翻身支架I的安裝難度，節(jié)省了安裝施工時間。

(2)將轉(zhuǎn)輪體吊至安裝間，倒放在轉(zhuǎn)輪安裝支架I上，調(diào)整轉(zhuǎn)輪體水平不大于0.05 mm/m。

(3)將小軸瓦套入轉(zhuǎn)臂樞軸，并將轉(zhuǎn)臂、連桿、耳柄、連桿銷等零部件在安裝間一一對應(yīng)組裝。組裝后檢查各連桿應(yīng)轉(zhuǎn)動靈活，無碰撞、發(fā)卡等現(xiàn)象。將組裝完畢的轉(zhuǎn)臂、連桿等對號吊入轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部，采用兩套鋼絲繩配合鏈條葫蘆調(diào)平安裝。利用專用定位工具調(diào)整轉(zhuǎn)臂中心與大銅瓦中心基本一致。組裝前大銅瓦表面應(yīng)涂抹潤滑油或潤滑劑，以便與安裝且避免研傷銅瓦表面。安裝就位后調(diào)整轉(zhuǎn)臂位置，確保葉片處于全關(guān)位置時轉(zhuǎn)臂中心線水平，并用轉(zhuǎn)臂卡環(huán)固定轉(zhuǎn)臂位置為全關(guān)。

(4)依次安裝活塞桿、接力器缸、活塞、接力器缸蓋、連接螺栓等。組裝時按廠家圖紙要求對各螺栓進行預(yù)緊，滿足伸長量及預(yù)緊力要求?；钊谵D(zhuǎn)輪翻身過程中一直處在接力器缸底部位置，并用限位環(huán)與活塞桿環(huán)形凹槽進行配合緊密，以確保轉(zhuǎn)輪體翻身時接力器內(nèi)部系統(tǒng)的牢固。如圖1和圖2。

圖1 反裝轉(zhuǎn)輪體Fig.1 The upside-down assembly of runner

(5)拆除轉(zhuǎn)臂、連桿固定工具，同時安裝全關(guān)位置固定工具，以固定轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部葉片操作機構(gòu)，避免轉(zhuǎn)輪翻身過程中內(nèi)部各部件上下竄動、碰撞。根據(jù)翻身要求，正確安裝轉(zhuǎn)輪起吊翻身工具Ⅱ、Ⅲ，并注意安裝方向和安裝位置。翻身吊具與轉(zhuǎn)輪體把合面止口應(yīng)貼合緊密，把緊固定螺栓。翻身吊具Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的布置形式和安裝方向如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)輪翻身吊具布置方位Fig.2 Distribution of runner turning-over devices

3.5 轉(zhuǎn)輪體翻身

連接翻身支架與翻身吊具I之間的銷軸，準備進行轉(zhuǎn)輪翻身。鑒于桐子林水電站水輪機組的超大尺寸和重量，經(jīng)過多方專家的咨詢與研究討論，最終確定了一套轉(zhuǎn)輪翻身專項施工方案。為了確保轉(zhuǎn)輪翻身的安全性和施工工效，該施工方案在傳統(tǒng)翻身方案的基礎(chǔ)上做了進一步優(yōu)化，采用200T汽車吊輔助廠房主吊鉤聯(lián)合吊裝的方式，并利用定制的倒圓角邊翻身吊具進行四吊點分布式協(xié)聯(lián)支撐。翻身過程如圖3所示，操作順序為a→b→c→d→e→f→g→h→i，具體施工過程如下。

(1)汽車吊掛裝翻身吊具Ⅲ，橋機下游主鉤掛裝翻身吊具Ⅱ，聯(lián)合吊至轉(zhuǎn)輪翻身支架上，聯(lián)接翻身支架與翻身吊具I之間的銷軸，如圖3(a)所示。保持汽車吊和下游主鉤都受力的情況下，同時移動橋機和汽車吊，使轉(zhuǎn)輪體緩慢、均勻、平穩(wěn)向下游傾斜，待橋機下游主鉤完全受力后，下落汽車吊鉤，使鋼絲繩不再受力。待轉(zhuǎn)輪翻身約至90°時，停止下落橋機下游主鉤并拆除汽車吊所掛鋼絲繩，在轉(zhuǎn)輪體下方適當位置墊以方木，并在方木兩側(cè)塞上木楔，以支撐和保護轉(zhuǎn)輪體，如圖3(d)所示。

(2)換用汽車吊掛裝翻身吊具Ⅱ，移動橋機下游主鉤使其掛裝在轉(zhuǎn)輪體底部，如圖3(e)所示。緩慢升起汽車吊和橋機下游主鉤，待兩者適當受力后拆除翻身吊具Ⅰ與翻身支架之間的軸銷。利用汽車吊和橋機下游主鉤將轉(zhuǎn)輪體向上游緩慢抬吊，聯(lián)接翻身吊具Ⅲ與翻身支架軸銷并固定，換用橋機上游主鉤掛裝翻身吊具Ⅰ，并拆除橋機下游主鉤與轉(zhuǎn)輪體底部之間的鋼絲繩，如圖3(g)所示。

圖3 轉(zhuǎn)輪體翻身過程示意圖Fig.3 Turning process of runner

(3)緩慢下落汽車吊鉤，起吊上游主鉤，在上游主鉤升起至轉(zhuǎn)輪體重心即將越過翻身支架支撐點向下游傾斜前，使汽車吊鋼絲繩進行輔助受力，同時緩慢移動汽車吊和上游主鉤，將轉(zhuǎn)輪體重量逐漸轉(zhuǎn)移至上游主鉤，如圖3(h)所示。拆除汽車吊鋼絲繩與轉(zhuǎn)輪體以及翻身支架與轉(zhuǎn)輪體間的連接，完成轉(zhuǎn)輪中心體翻身。用上游主鉤將轉(zhuǎn)輪體吊至轉(zhuǎn)輪安裝支架上，即可進行下一步泄水錐、葉片安裝以及連軸等操作。

與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪翻身方案相比，該技術(shù)方案具有明顯的優(yōu)點：①設(shè)計簡單，操作易于實現(xiàn)，可以很好地控制轉(zhuǎn)輪翻身的速度，保證了翻身動作的均勻性和平穩(wěn)性；②配合倒圓角邊設(shè)計的翻身吊具，使得鋼絲繩與翻身吊具及轉(zhuǎn)輪體之間無多余不良受力點，鋼絲繩受力均勻，很好地避免或減小了鋼絲繩與吊具邊角之間的有害磨損和割傷；③由于轉(zhuǎn)輪體尺寸和重量都非常大，重心大幅度傾斜時用汽車吊輔助受力，有效規(guī)避了翻身時轉(zhuǎn)輪體重心越過支撐點后突然傾倒而將橋機小車甩向下游造成事故的風(fēng)險，大幅提高了大型水輪機轉(zhuǎn)輪體組裝工效和施工的安全性。

3.6 正裝泄水錐、操作油管及其附件

由于廠家給出的泄水錐安裝方案在現(xiàn)場施工時，回復(fù)桿與對應(yīng)銷孔的對準配合難度較大，故采取如下改進的施工方案。

(1)在安裝支架Ⅰ上安裝轉(zhuǎn)輪安裝支架Ⅱ，復(fù)測并調(diào)整支架II的節(jié)圓尺寸滿足要求。吊裝泄水錐至安裝支架II上，此時泄水錐底部離安裝間地面高約800 mm，便于施工人員進出腔體，進行泄水錐回復(fù)桿與對應(yīng)銷孔的對準安裝。

(2)吊起翻身后的轉(zhuǎn)輪放置在轉(zhuǎn)輪安裝支架Ⅱ上，并與泄水錐聯(lián)接。為使支撐穩(wěn)固，部分泄水錐與轉(zhuǎn)輪體把合螺栓暫不安裝。拆除轉(zhuǎn)輪翻身起吊工具Ⅰ，進行轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的中間操作油管和內(nèi)操作油管的套裝。套裝操作油管時動作要緩慢、均勻，避免速度太快或者忽快忽慢造成操作油管與轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成碰撞損傷。

3.7 葉片安裝

(1)每片葉片起吊質(zhì)量約26 t，按廠家編號，用橋機及導(dǎo)鏈吊裝葉片。葉片掛裝應(yīng)對稱進行；葉片螺栓擰緊應(yīng)先擰上面，后擰下面，分兩次擰緊；通過滑輪導(dǎo)向，用液壓扳手擰緊，利用廠家提供的測量伸長值的專用工具進行螺栓伸長值測量，緊力達到圖紙要求按圖紙要求進行葉片螺栓的預(yù)緊。

(2)在進行4號葉片掛裝時，大銅瓦內(nèi)徑出現(xiàn)了橢圓現(xiàn)象，橢圓度測量值為0.15 mm。當葉片進入大銅瓦約30 mm時，葉片軸與大銅瓦配合間隙逐漸減小，槳葉軸進入大銅瓦80 mm時，葉片軸再也無法進入大銅瓦。施工技術(shù)人員通過分析問題產(chǎn)生的原因，并測量數(shù)據(jù)偏差，對問題部件的橢圓部分進行了高精度的修磨處理，很好地解決了問題，保證了施工的質(zhì)量和進度。

圖4 正裝轉(zhuǎn)輪體Fig.4 The assembly of runner

3.8 轉(zhuǎn)輪試驗

(1)試驗前檢查并確保轉(zhuǎn)輪體各部件的密封正確安裝，轉(zhuǎn)輪試驗工具、設(shè)備等準備就緒。在做滲漏試驗時，除需檢查各止漏裝置和各組合縫處的滲漏情況外，還需檢查槳葉的轉(zhuǎn)動情況[3]。向接力器缸內(nèi)注油時，確保腔體內(nèi)空氣排盡后安裝耐壓試驗蓋。根據(jù)試驗操作管路進行轉(zhuǎn)輪動作試驗，分別向接力器上、下腔體內(nèi)注油推動活塞移動，動作試驗油壓控制在0.5 MPa以內(nèi)，檢查葉片和傳動機構(gòu)的平穩(wěn)性、靈活性滿足要求，無不良動作故障。

(2)向轉(zhuǎn)輪體和泄水錐腔體內(nèi)注油排氣，安裝耐壓試驗蓋進行轉(zhuǎn)輪密封漏油試驗。試驗壓力分別保持在0.05 MPa和0.5 MPa，相應(yīng)試驗時間分別為1 h和8 h。試驗過程中，葉片每小時轉(zhuǎn)動2～3次。檢查轉(zhuǎn)輪體各部位及密封不得有滲漏油現(xiàn)象。最后一次轉(zhuǎn)動葉片結(jié)束時，確保葉片處于全關(guān)位置。試驗完成后復(fù)測轉(zhuǎn)輪葉片直徑，再次校核葉片位置的變化情況符合規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

桐子林水電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組全部為國內(nèi)自主生產(chǎn)，轉(zhuǎn)輪直徑達10 100 mm，定子最大外徑D17 600 mm，機組各項參數(shù)均居世界先進水平。電站巨型機組在結(jié)構(gòu)設(shè)計及組裝施工方面克服了許多新的技術(shù)難題，特別是轉(zhuǎn)輪翻身采用橋機主吊鉤配合汽車吊聯(lián)合吊裝的方法，并且利用定制的翻身吊具進行四吊點分布式協(xié)聯(lián)支撐，吊裝方法較以往有較大改進，安裝工藝也有所提升和創(chuàng)新，很好地保證了轉(zhuǎn)輪體安裝工效和施工的安全性。轉(zhuǎn)輪動作及密封試驗進展順利，取得了很好的預(yù)期效果。該機組成功的設(shè)計、制造及安裝實踐對于其他電站的大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組具有很好的借鑒和指導(dǎo)作用。同時，桐子林水電站的建成投產(chǎn)，對于優(yōu)化四川電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改善電力系統(tǒng)運行條件等具有重要意義。

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[1] 周厚全,汪俊.水輪機機組的安裝與檢修[M].鄭州：黃河水利出版社，2009：23-46.

[2] 徐慶賀，馬利芳.沙灣水電站軸流轉(zhuǎn)槳式機組轉(zhuǎn)輪組裝[J].四川水利，2012，(6)：17-18.

[3] 于蘭階.水輪發(fā)電機組的安裝與檢修[M].北京：水利電力出版社，1986：56-58.

[4] GB/T 8564-2003，水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范[S].