大藤峡水利枢纽工程200MW轴流转桨式水轮机安装关键技术研究

大藤峡水利枢纽工程200MW轴流转桨式水轮机安装关键技术研究

王志会1，蔡科2

(1.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410004；

2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西南宁 530200)

摘要:轴流转桨式水轮机为低水头电站常用的大型机组。由于可以适应各种不同水头，并且运行效率高，可以频繁启动参与电网调峰等诸多优点，被广泛应用于低水头大容量水电站中。但是限于加工、制造精度要求，目前国内最大的轴流转桨式水轮机为大藤峡水利枢纽工程200MW机组。本文以该工程的水轮机安装为例，进行深入剖析其安装工艺，质量控制要点，转轮试验的方法和检查项目。大藤峡水利枢纽工程左岸的8号机组顺利投产稳定运行，目前已连续稳定运行1000天，被评南方电网为金牌机组，不仅仅证明了大型轴流转桨式水轮机国产化后的产品质量，同时也离不开安装队伍良好的安装工艺。200MW轴流转桨式水轮机安装关键技术研究的主要目的是为后续国内、外水电行业轴流转桨式水轮安装提供借鉴、参考、指导依据。

关键词:转轮；水轮机；叶片枢轴；密封试验；活塞；接力器

中图分类号：***       文献标识码：A       文章编号：***

Assemble Key Technologyof 200MW KaplanTurbine

WANG Zhihui,，CAI Ke

(1.Sinohydro Engineering Bureau 8Co., LTD，Hunan Changsha 410004，China;

2.Guangxi Datengxia Gorge water Conservancy Development Co.，Ltd.,Nanning 530200，China)

Abstract: Kaplan turbine is used in the low head hydro power station.Because it have high efficiency adapt different water head. Often start-up for power grid peak regulation,etc.,hence，It is widely used in the wold.Because it is limited processing and manufacturing, Until now the biggest Kaplan turbine in world is 200MW .This article takes the installation of Kaplan turbine in Da teng xia hydro power station for example,Analysis installation process and quality control points deeply, Method of the runner pressure test and inspection method be state in detail.The left bank unit 8 of Da teng xia hydro power station was stable running for 1000 days, It was rated as the gold medal unit of China Southern Power Grid.It not only proves the product ability of the biggest turbine in the world, But also witnesses the exquisite craftsmanship of the installation team.The purpose of Research on key assemble technology of 200MW Kaplan turbine is provide for Reference and guidance in the world.

Key words：runner；turbine；Blade pivot；pressure test；plunger；servomotor

大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，坝址在广西桂平市黔江彩虹桥上游6.6km处，地理坐标为东经110°01′，北纬23°28′，是红水河梯级规划中最末一个梯级［1］。水库正常蓄水位为61.0m,汛期洪水起调水位和死水位均为47.6m，设计洪水位为61.0m，防洪库容和调节库容均为1.5×109m3，电站装装有8台200MW轴流转桨式水轮机(左岸厂房3台机组,右岸厂房布置5台机组）［2］。目前该转轮为轴流转桨式家族史上之最，由浙江富春江水电设备有限公司设计制造，中国水利水电第八工程局有限公司负责机组安装工作,下文针对转轮的组装工艺进行深入分析和研究。

1.技术特性

（1）转轮体特性

转轮采用活塞结构，油压力带动活塞和活塞杆推动操作架，通过操作架带动拐臂操作桨叶转动。转轮体内接力器活塞采用钢制活塞，活塞杆通过接力器活塞缸的部位设置成可更换的青铜导向瓦。转轮由六只桨叶、转轮体、桨叶操作机构及泄水锥等组成，结构简单，安装时转轮不用翻身。转轮体采用良好焊接性能的ZG20SiMn整体铸造而成，其过流面铺焊不锈钢，加工完成后不锈钢层不小于5mm［3］。转轮体的活塞缸上、下腔设有放气和排油孔。转轮和主轴采用法兰螺栓连接，键传递扭矩，螺栓和螺母具有可靠防松动措施。

（2）桨叶特性

桨叶采用五轴数控加工外缘设抗空蚀裙边。转轮叶片采用抗空化性能好的ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢精练整铸而成。桨叶采用双向多道密封、结构简单可靠，可以在不拆除桨叶的情况下进行密封件更换。

2.主要工程量

主要工程量包括以下内容：轮毂体运输及吊装、轮毂体清扫检查、轮毂内活塞及活塞杆等接力器部件组装、叶片等附件组装、试验密封板及转轮盖组装、转轮动作试验和叶片密封试验、放油拆除试验装置、安装泄水锥、转轮联轴、转轮联轴吊装、转轮安装调整及验收。

3.转轮组装准备工作

对水轮机转轮各组装部件进行清理，确保不残留污垢、毛刺等，如果对零部件清理不彻底，配合尺寸存在误差，有可能在桨叶调整过程中造成卡阻现象，影响机组的正常运行［4］。转轮装配人员提前熟悉图纸，了解各零部件之间的装配关系，提前做好转轮装配的准备工作。检查装配的吊具、工具、测量工具，清洗转轮装配的所有零部件，去除毛刺、油污、高点、同时对重要的尺寸进行复测并做好记录。清点转轮装配中的各种橡胶密封件，进行分类整理，以便安装时使用。转轮装配前，叶片枢轴的摩擦面、销栓、键、控制杆、轴及所有支撑的青铜表面涂上润滑脂，所有大型螺栓在正式安装之前都进行试装。布置好转轮组装支撑座，调整支座水平、水平偏差不大于0.15mm,把紧支座与基础板之间的连接螺栓。

4.转轮组装工作

（1）转轮及连杆安装

水轮机转轮的组装是水电站机电设备安装任务中的节点性工序，其组装质量至关重要［5］。首先把转轮体吊装至转轮组装支座上面，把紧支座与转轮体之间的螺栓，安装拐臂支撑工具。在装配现场将耳柄螺栓、连接板、连杆销和拐臂等部件组成连杆机构，每套连杆机构根据工厂预装结果选择补偿垫的厚度。将连杆机构根据场内预装结果按编号吊入转轮体内，用拐臂固定工具、耳柄螺栓固定工具固定住连杆机构、拐臂，并用拐臂支撑工具上面的顶紧螺钉把拐臂顶紧。连杆机构就位以后利用拐臂上的螺孔安装柱头螺栓，准备安装叶片枢轴。

（2）叶片枢轴安装

叶片挂装应对称进行，安装叶片螺栓，在此期间不可使用蛮力进行安装，避免出现螺栓粘牙问题，若在安装期间出现卡阻现象，则需完全退出螺栓，清理螺孔及螺栓后再次安装，安装过程中需注意调节叶片螺栓，以此确保叶片螺栓能够顺畅无卡阻的完成安装工作［6］。叶片螺栓拧紧应先拧上面后拧下面，分两次拧紧。通过滑轮导向，用液压扳手拧紧，利用厂家提供的测量伸长值的专用工具进行螺栓伸长值测量，按图纸要求进行叶片螺栓的预紧［7］。测量并记录叶片枢轴和外侧大铜套之间的间隙并记录，测量叶片轴的台阶与内侧小铜套的轴向间隙。此时检查连杆机构与拐臂应转动灵活性。

（3）活塞杆、操作架安装

将活塞杆、键、操作架、操作架卡环、操作架压环，导向瓦组成一体，测量操作架与活塞杆、卡环之间的间隙并记录结果。在转轮体装配中，活塞杆下轴套的密封槽内按转轮装配要求分别装入O型密封圈和Y型密封圈。在转轮体上安装导向块、圆柱销、拆除拐臂固定工具。用桥机吊入活塞杆和操作架的组合架。使连杆机构的耳柄螺栓穿过操作架的螺孔并拧上螺母。在操作架落下后检查导向块与轨道垫板之间是否有卡阻现象，活塞杆运动应灵活。

（4）活塞杆、接力器缸盖安装

活塞杆材料采用锻钢35CrMo制作而成，机械强度比锻钢20SiMn机械强度高一个等级，综合性能与锻钢20SiMn相当，因此活塞杆抗疲劳强度良好［8］。活塞密封和导向环安装在活塞上面，然后将其安放至转轮体接力器缸下面。活塞与桨叶接力器滑动面涂润滑油，提升活塞与活塞杆连接处，安装活塞卡环固定活塞。安装活塞压环、螺栓、止动垫固定活塞卡环，测量并记录活塞与缸体的间隙。活塞组装完成后利用安装活塞的柱头螺栓及压盖安装桨叶接力器缸盖，清洗缸盖与转轮体把合面的密封槽，将密封条安装固定好。

（5）转轮操作油管安装

密封圈套入转轮操作油管末端密封槽，从活塞杆上端吊入转轮操作油管，检查转轮操作油管的安装质量，进行操作油管的密闭性试验，待桨叶接力器缸盖安装完成以后，向操作油管外腔充压缩空气并检查上、下出油孔是否漏气。

（6）桨叶安装

使用桨叶吊装工具，进行叶片对称安装，如图1所示。叶片螺栓拧紧程度应相同，也就是叶片螺栓预紧前，叶片螺栓初始状态是相同的，做好初始位置标记并确保转角相同。

图1桨叶安装示意图

（7）桨叶密封安装

检查桨叶密封、表面不得有起层伤痕、裂纹、毛边、凹凸等缺陷。安装前清洗密封圈、安装部位组装前在叶片轴与密封圈结合处涂润滑脂。密封安装时应严格按相关作业指导书进行,如图2所示为叶片密封的安装状态，通过耐压试验、动作试验以及后续的正常运行中证明该密封结构性能良好，满足设计要求［9］。

图2 桨叶密封结构图

5.转轮动作试验及叶片密封试验

转轮试验主要包括转轮叶片操作试验和严密性耐压试验［10］，额定油压下做活塞杆与转轮体间密封的串油试验，串油量不超过0.1L/min，试验时间10分钟。额定油压下做活塞与活塞缸之间密封的串油试验，开、关腔分别注入额定压力油，串油量不超过1.1L/min，试验时间10分钟。然后进行转轮体耐压试验，在转轮操作架腔内注满透平油，操作试压工装将压力升至0.5MPa保持24h，转轮桨叶密封处、各法兰结合处无漏油渗油现象［11］。用压力油操作叶片使之转动，每小时全行程转动3次，在周围温度不低于5°C的情况下，12小时内不得渗漏。转轮接力器动作应平稳，开启和关闭的油压不得超过额定油压的15%。转轮操作试验要求叶片转动平稳，无卡阻现象，传动机构动作灵活［12］。依次向转轮回油腔、活塞下腔、活塞充油，检查转轮接力器动作平稳，开关最低油压不超过设计要求，绘制转轮活塞行程和叶片转角的关系曲线,同时检查转轮叶片在不同转角的位置时叶片与叶片密封压环、转轮体的间隙是否符合图纸要求［13］。转轮动作试验叶片密封试验的油泵、阀门、管路系统连接，详如图3所示。

图3 油压试验系统图

6.转轮附件组装

转轮试验合格后，将管路油排出，拆除试验用管路和阀门、拆下转轮盖和封板。重新将转轮盖装到转轮体上，拧紧螺栓。螺栓用的电加热器加热和预紧力、伸长量满足设计和规范要求。安装转轮盖顶部螺孔盖板，注意要求螺纹上涂乐泰密封胶水。焊接叶片螺栓防松挡块，安装叶片法兰螺栓孔不锈钢堵板，堵板应与叶片表面平滑过渡，焊接螺栓孔堵板，焊后焊缝要磨平。配制环氧树脂，填平叶片密封装置的压环螺栓孔。转轮盖组装完成之后，用300t桥机将转轮吊离工位，放置转轮整体吊装支撑架上。把泄水锥安置在转轮整体吊装支撑架中心位置，再把转轮吊装至泄水锥上部。把紧转轮与泄水锥连接螺栓，组合缝进行封焊。

7.转轮连轴及吊装

主轴与转轮联接前，应将主轴与转轮盖、销套进行预装，并打上对应标记。再将水轮机联轴螺栓与转轮盖、螺母进行试装，若在旋动过程中遇到卡阻现象，应立即停止旋动，并退出，进行研磨，直至合格后方可进行装配。在钻销孔前调整操作油管与活塞杆法兰面的垂直度控制在0.02mm/m以内，调整合格后均匀对称拧紧联接螺栓，并钻铰销孔。钻铰时注意封堵，防止铁屑进入转轮内。需注意主轴提起的高度，防止提起过高导致操作油管脱离支撑。提前在活塞杆上安装各密封圈。在操作油管放于活塞杆法兰面上，应将操作油管顶起螺栓顶到底，利用顶起螺栓的高度拆除操作油管固定工具，然后用顶起螺栓放下操作油管。下落时注意对准联接法兰止口和锥销孔。主轴与转轮组装前，装上主轴与转轮盖之间的密封条，将水轮机联轴螺栓装在转轮盖上；在主轴上装入销套后缓慢下落主轴，主轴落入转轮止口后安装螺母，用塞尺检查转轮、主轴的配合情况应符合设计要求。用液压拉伸器对称预紧水轮机联轴螺栓，预紧分三次拉伸到位，第一次拉伸按设计值的50%进行，第二次按设计值的80%进行，第三次时拉伸到位，允许偏差±5%。在转轮、主轴、支持盖、导流锥、操作油管整体转轮吊装如图4所示，需调整主轴垂直度，偏差不大于0.05mm/m。拆除吊具后，检查操作油管上部支撑装配，确保支撑装配与操作油管配合滑动面四周间隙均匀，上、下滑动灵活。转轮在机坑内，叶片处于全关位置，检查转轮叶片与转轮室间隙应均匀，间隙值应符合设计要求。施工期间对水轮机转轮和锥管安装工艺进行了二次优化，优化后的安装工艺更加方便施工，同时确保了安装质量［14］。

图4 大藤峡转轮整体吊装照片

8.结束语

大藤峡水利枢纽工程200MW巨型轴流转桨式水轮发电机组已全部实现国产化，水轮机转轮直径10.4m，额定转速68.2r/min［15］，转轮体总重为440t，机组结构尺寸及各项指标均处于国内先进水平，转轮接力器具有良好的调节品质和控制适应能力［16］。轴流转桨式机组的零部件采用现场组装方式、大大降低了道路的运输难度。各种零部件的吊装均设计有专用吊具确保转轮装配时设备的顺利就位，利用专业的活塞提升工具进行活塞就位，有效的避免了设备在组装时造成二次局部损伤。转轮动作及密封试验效果良好，该机组现已成功投产发电、水能转换效率高并且运行稳定性良好，对大型轴流转桨式水轮机组的安装、调试具有很好的借鉴和指导作用。

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作者简介：

王志会（1989—），男，黑龙江哈尔滨人，本科，工程师，主要从事水电站水轮发电机组安装、调试技术工作。

蔡科（1987—），男，重庆市人，本科，工程师，主要从事水电站运行维护管理工作。