林其文

（江蘇航天水力設(shè)備有限公司 高郵 225000）

1 電站概況

運(yùn)西分水閘電站位于灌溉總渠沿線，電站建成于20世紀(jì)80年代初，裝機(jī)10臺(tái)。水輪機(jī)為GD-160型豎井貫流式機(jī)組，葉輪直徑1.6m，轉(zhuǎn)速150r/min，配套SFW200-10型臥式水輪發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量200kW,轉(zhuǎn)速600r/min，發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)采用齒輪增速箱傳動(dòng)。電站進(jìn)、出水流道采用平直管流道，豎井布置在進(jìn)水流道內(nèi)，從豎井三側(cè)進(jìn)水。

運(yùn)西水電站自投入運(yùn)行以來(lái)，很好地發(fā)揮了工程效益。運(yùn)行30年來(lái)累計(jì)發(fā)電量已超過(guò)1.6億kW，在充分利用清潔能源、解決農(nóng)村電力供應(yīng)等方面發(fā)揮了重要作用。

2 電站存在的問(wèn)題及技術(shù)改造的思路

2.1 存在的問(wèn)題

發(fā)電機(jī)組經(jīng)多年運(yùn)行，水輪機(jī)老化、汽蝕、銹損嚴(yán)重，機(jī)組出力不足，效率低，發(fā)電機(jī)絕緣老化。

2.2 改造的思路

發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)固定通道部分均保持不變，水輪機(jī)的主要部件全部更換。為提高效率、增加出力、減輕空蝕、降低耗水率，特別要選用比轉(zhuǎn)速和最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速比較高的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪，使其更適合電站的運(yùn)行條件。發(fā)電機(jī)更換成新的發(fā)電機(jī)SFW200/8/400v，F(xiàn)級(jí)絕緣。齒輪箱為原來(lái)的齒輪箱。

水輪機(jī)改造范圍：進(jìn)水伸縮節(jié)、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室、擴(kuò)散管、尾水伸縮節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括轉(zhuǎn)輪和主軸，導(dǎo)軸承，主軸密封及推力軸承箱等。

3 水力模型改造

3.1 水力模型現(xiàn)狀

豎井貫流水輪機(jī)在國(guó)內(nèi)發(fā)展也有30多年，受技術(shù)方面的限制，并沒(méi)有研制專門適用于低水頭豎井水輪機(jī)的水力模型，仍是借用了軸流式和燈泡式水力模型，由于豎井的水力特性，上述模型的效率和抗汽蝕等主要性能參數(shù)較低。

3.2 轉(zhuǎn)輪研制

根據(jù)電站流道原始資料，在Gambit進(jìn)行全流道三維模型的建立，同時(shí)搭建待優(yōu)化的目標(biāo)轉(zhuǎn)輪，然后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)置，形成計(jì)算文件，運(yùn)用CFD計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS-Fluent讀入計(jì)算文件進(jìn)行全流道數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果反饋的流量、壓力、出力、效率、流態(tài)、各流段水力損失等參數(shù)情況，從葉片個(gè)數(shù)、葉片安放角、輪轂比、轉(zhuǎn)輪室喉部比、導(dǎo)葉個(gè)數(shù)、導(dǎo)葉開度、導(dǎo)葉尺寸、導(dǎo)葉與葉片間距、機(jī)組轉(zhuǎn)速以及葉片翼型等方面進(jìn)行控制變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，反復(fù)建模模擬計(jì)算，確定符合設(shè)計(jì)要求的較優(yōu)、最優(yōu)方案。

選用具有良好魯棒性和數(shù)值收斂性的Spalart-Allmaras模型作為湍流模型，采用SIMPLEC算法作為離散方法，進(jìn)行壓力和速度的耦合，研制出性能較為優(yōu)秀的水力模型。

3.3 水力模型具體性能

設(shè)計(jì)水頭Hr=2.5m、ηmax=86.72%，平均水頭下H=2.8m、ηmax=87.77%，最高水頭Hmax=3.6m、ηmax=87.09%，最低水頭Hmin=1.3m、ηmax=72.24%。

模型最優(yōu)效率點(diǎn)為單位轉(zhuǎn)速為173r/min，單位流量為1700L/s附近（水頭3.0m，導(dǎo)葉開度50°），效率88%。

其性能指標(biāo)高于招標(biāo)文件規(guī)定的在設(shè)計(jì)水頭，模型水輪機(jī)的效率不低于86.0%的要求。水力模型空蝕性能完全滿足招標(biāo)文件的要求。

3.4 機(jī)組出力也滿足招標(biāo)文件要求

在最大水頭工況時(shí)，水輪機(jī)的最大出力保證發(fā)電機(jī)出力不小于200kW。在大于最大水頭工況時(shí)有超發(fā)10%最大機(jī)組出力的能力；在設(shè)計(jì)水頭下工況時(shí)，水輪機(jī)的出力能保證發(fā)電機(jī)的出力不小于160kW。

4 水輪機(jī)部件改造

4.1 轉(zhuǎn)輪

槳葉是水輪機(jī)能量置換的重要部件，采用抗空蝕好的ZG06Cr13Ni5Mo不銹鋼整鑄而成。在承受重量、水壓力以及在最大負(fù)載或飛逸工況下，槳葉的材料應(yīng)力不超過(guò)材料最小屈服應(yīng)力的2/3。

槳葉型面采用五軸數(shù)控加工中心加工，采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，可確保轉(zhuǎn)輪體和葉片表面型線與驗(yàn)收后的水力模型幾何相似。因此槳葉的幾何型面完全滿足設(shè)計(jì)要求，表面精度大幅度提高，同組葉片重量誤差大大降低，從而保證水輪機(jī)的能量指標(biāo)和抗汽蝕性能及轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性完全滿足要求。

4.2 主軸

主軸與轉(zhuǎn)輪采用止口配合、法蘭連接。主軸與轉(zhuǎn)輪原來(lái)采用錐度配合，由于電站后期經(jīng)常拆卸檢修，主軸表面的錐度嚴(yán)重磨損，與轉(zhuǎn)輪內(nèi)孔的配合接觸面達(dá)不到70%的要求，造成錐度配合易松動(dòng)，轉(zhuǎn)輪與主軸的同心度達(dá)不到要求，引起機(jī)組振動(dòng)，影響機(jī)組運(yùn)行，所以電站運(yùn)行管理單位建議改成法蘭連接。

4.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

由于機(jī)組水工流道不變，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)依然采用原來(lái)的軸向?qū)畽C(jī)構(gòu)（又稱圓盤式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)），活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)軸心布置在座環(huán)與導(dǎo)葉外環(huán)之間結(jié)合面在上，導(dǎo)葉外環(huán)的內(nèi)壁設(shè)置成凹球面，座環(huán)的中心設(shè)有與活動(dòng)導(dǎo)葉相匹配的凸球體，導(dǎo)葉短軸裝在座環(huán)凸球體上的孔，活動(dòng)導(dǎo)葉軸穿過(guò)座環(huán)與導(dǎo)葉結(jié)合面上的圓孔，兩個(gè)支點(diǎn)支撐活動(dòng)導(dǎo)葉。

導(dǎo)葉的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用球鉸連桿式，改變了原來(lái)的滑塊式結(jié)構(gòu)，在有效的行程內(nèi)減小機(jī)構(gòu)傳動(dòng)死區(qū)，增加連桿傳動(dòng)的靈活性，同時(shí)減少了原傳動(dòng)部件的數(shù)量，采用較多的標(biāo)準(zhǔn)件，節(jié)省了銅材的使用，減低了制造成本，更便于設(shè)備維護(hù)。

導(dǎo)葉軸承采用自潤(rùn)滑軸承，減少不必要的潤(rùn)滑系統(tǒng)；增設(shè)了剪斷銷信號(hào)裝置，保證導(dǎo)葉一個(gè)或幾個(gè)被卡時(shí)剪斷銷在關(guān)閉方向上力的作用下破壞或變形，以保護(hù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的其他部件免遭破壞。

4.4 轉(zhuǎn)輪室

轉(zhuǎn)輪室采用半球形結(jié)構(gòu)，徑向分成兩瓣，轉(zhuǎn)輪室設(shè)合適的豎向環(huán)向筋板，提高了轉(zhuǎn)輪室的整體剛度，抵消了轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面為提高抗磨蝕性能堆焊不銹鋼層而引起的變形。堆焊不銹鋼是在藥型焊絲通過(guò)焊劑和電弧的共同作用下，形成高硬度的不銹鋼，其硬度達(dá)HRC42，極大地提高了轉(zhuǎn)輪室的抗磨蝕性能。

4.5 軸承和主軸密封

水輪機(jī)改造前的結(jié)構(gòu)：導(dǎo)軸承采用圓柱滾子軸承，徑向組合軸承采用一對(duì)圓錐滾子軸承。導(dǎo)軸承與徑向組合軸承共同承擔(dān)徑向載荷，徑向組合軸承還承受正反向水推力。導(dǎo)軸承下游端即靠近轉(zhuǎn)輪處設(shè)置填料密封，保護(hù)兩處軸承；徑向組合軸承布置在豎井內(nèi)。

填料密封主要是依靠填料受軸向壓緊時(shí)能填料變形產(chǎn)生的徑向壓緊力以獲得密封。但是徑向壓緊力會(huì)增大填料與軸套之間的摩擦，加劇填料的磨損，因而需要經(jīng)常擰緊填料壓蓋上的螺栓來(lái)補(bǔ)償填料磨損。填料密封設(shè)置的部位靠近轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)的運(yùn)行是連續(xù)的，不可能經(jīng)常拆開轉(zhuǎn)輪室來(lái)擰緊調(diào)節(jié)螺栓，在維修后機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間水就會(huì)從主軸密封處滲漏出來(lái)浸滿主軸兩端的軸承室，造成軸承的損壞，為保證機(jī)組的正常運(yùn)行，經(jīng)常需要停機(jī)更換軸承，直接影響電站的經(jīng)濟(jì)效益。

考慮到水輪機(jī)原結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，在研究原水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)形式后，對(duì)水輪機(jī)的軸承形式和密封位置做調(diào)整，決定把靠近轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)成高分子材料制成的滑動(dòng)軸承，徑向組合軸承仍采用一對(duì)圓錐滾子軸承，在主軸與電機(jī)井交界處設(shè)置填料密封。為利用有限的空間，設(shè)置了填料函座，一端安裝于原豎井內(nèi)壁上的徑向組合軸承基礎(chǔ)板上，另一端裝配徑向組合軸承，內(nèi)部則安裝填料密封座，筒壁上開有窗口，用來(lái)調(diào)節(jié)填料。

導(dǎo)軸承采用的是一種樹脂基功能聚合物合金材料，兼具橡膠的彈性和塑料的剛韌性，內(nèi)建高效長(zhǎng)效潤(rùn)滑微晶，具有優(yōu)越的磨潤(rùn)性能，是極為理想的滑動(dòng)軸承材料。

該材料具有低摩擦、支持干啟動(dòng)，極限PV值高的特點(diǎn)。由于其內(nèi)建高效潤(rùn)滑微晶，使其具有低摩擦耐磨特性，降低了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，免除膠著磨損，保證2～3min時(shí)間內(nèi)干運(yùn)轉(zhuǎn)，不需啟動(dòng)前預(yù)通及關(guān)機(jī)后續(xù)通潤(rùn)滑水，避免啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)因潤(rùn)滑缺失而導(dǎo)致?lián)p壞軸承。在水潤(rùn)滑條件下，極限PV值達(dá)101MPa·m/s，適用于多數(shù)水輪機(jī)工況，并有足夠裕量。總之綜合性能，優(yōu)于大多數(shù)傳統(tǒng)的軸承材料，如青銅、尼龍、聚四氟乙烯、橡膠等。

根據(jù)運(yùn)西電站的水質(zhì)及含沙量，導(dǎo)軸承采用機(jī)組過(guò)流水潤(rùn)滑，簡(jiǎn)化機(jī)組密封結(jié)構(gòu)。

填料密封布置在豎井內(nèi)，方便了填料調(diào)節(jié)，但是增加了水輪機(jī)主軸長(zhǎng)度。與水輪機(jī)聯(lián)接的增速用齒輪箱，由于箱體下方的齒輪油冷卻水箱布置在豎井底板上已澆筑好的凹坑中不能移動(dòng)，造成軸向布置困難。在電站實(shí)際測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)齒輪箱的輸入軸伸部分較長(zhǎng)，決定車短輸入軸，騰出空間，并重新設(shè)計(jì)了聯(lián)軸器。為防止填料密封漏水無(wú)處排，還在豎井底板鉆出排水孔，用不銹鋼管直接把填料密封滲漏水排到集水井，以保護(hù)豎井內(nèi)的齒輪箱、發(fā)電機(jī)及水輪機(jī)徑向組合軸承的安全。

5 電站改造的局限性

（1）由于電站水工設(shè)施不變、流道不變、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式也沒(méi)變，仍舊采用原來(lái)的軸向?qū)畽C(jī)構(gòu)，導(dǎo)葉布置在與轉(zhuǎn)輪直徑相同的管路上，導(dǎo)葉的排擠使流速大為增加，造成較大的水力損失，性能反不如斜向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，因而臥式水輪機(jī)優(yōu)秀成果不能應(yīng)用。

（2）在改造時(shí)豎井中下游側(cè)徑向組合箱基座處混泥土尺寸不統(tǒng)一，添加的填料函座與原軸承基座的聯(lián)接螺栓有的能擰緊，有的因空間小無(wú)法擰緊，因而需要設(shè)計(jì)專用扳手，有的還需要采用了液壓扳手來(lái)擰緊螺栓，增加了安裝難度，延長(zhǎng)了工期。

（3）調(diào)速器采用手電動(dòng)結(jié)構(gòu)，雖然節(jié)省了成本，但調(diào)節(jié)效果不如現(xiàn)在電站普遍采用的成熟的微機(jī)液壓調(diào)速器，使機(jī)組性能受到些許限制。

6 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)行電站已于2014年8月投入試運(yùn)行，效果良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均已到達(dá)招標(biāo)文件的要求。由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，更利于電站的運(yùn)行維護(hù)