运西电站水轮机组增效改造

林其文

（江苏航天水力设备有限公司 高邮 225000）

1 电站概况

运西分水闸电站位于灌溉总渠沿线，电站建成于20世纪80年代初，装机10台。水轮机为GD-160型竖井贯流式机组，叶轮直径1.6m，转速150r/min，配套SFW200-10型卧式水轮发电机，单机容量200kW,转速600r/min，发电机与水轮机采用齿轮增速箱传动。电站进、出水流道采用平直管流道，竖井布置在进水流道内，从竖井三侧进水。

运西水电站自投入运行以来，很好地发挥了工程效益。运行30年来累计发电量已超过1.6亿kW，在充分利用清洁能源、解决农村电力供应等方面发挥了重要作用。

2 电站存在的问题及技术改造的思路

2.1 存在的问题

发电机组经多年运行，水轮机老化、汽蚀、锈损严重，机组出力不足，效率低，发电机绝缘老化。

2.2 改造的思路

发电机和水轮机固定通道部分均保持不变，水轮机的主要部件全部更换。为提高效率、增加出力、减轻空蚀、降低耗水率，特别要选用比转速和最优单位转速比较高的优秀转轮，使其更适合电站的运行条件。发电机更换成新的发电机SFW200/8/400v，F级绝缘。齿轮箱为原来的齿轮箱。

水轮机改造范围：进水伸缩节、座环、导水机构、转轮室、扩散管、尾水伸缩节，转动部分包括转轮和主轴，导轴承，主轴密封及推力轴承箱等。

3 水力模型改造

3.1 水力模型现状

竖井贯流水轮机在国内发展也有30多年，受技术方面的限制，并没有研制专门适用于低水头竖井水轮机的水力模型，仍是借用了轴流式和灯泡式水力模型，由于竖井的水力特性，上述模型的效率和抗汽蚀等主要性能参数较低。

3.2 转轮研制

根据电站流道原始资料，在Gambit进行全流道三维模型的建立，同时搭建待优化的目标转轮，然后进行网格的划分和边界条件的设置，形成计算文件，运用CFD计算流体力学软件ANSYS-Fluent读入计算文件进行全流道数值模拟。根据数值模拟结果反馈的流量、压力、出力、效率、流态、各流段水力损失等参数情况，从叶片个数、叶片安放角、轮毂比、转轮室喉部比、导叶个数、导叶开度、导叶尺寸、导叶与叶片间距、机组转速以及叶片翼型等方面进行控制变量优化设计，反复建模模拟计算，确定符合设计要求的较优、最优方案。

选用具有良好鲁棒性和数值收敛性的Spalart-Allmaras模型作为湍流模型，采用SIMPLEC算法作为离散方法，进行压力和速度的耦合，研制出性能较为优秀的水力模型。

3.3 水力模型具体性能

设计水头Hr=2.5m、ηmax=86.72%，平均水头下H=2.8m、ηmax=87.77%，最高水头Hmax=3.6m、ηmax=87.09%，最低水头Hmin=1.3m、ηmax=72.24%。

模型最优效率点为单位转速为173r/min，单位流量为1700L/s附近（水头3.0m，导叶开度50°），效率88%。

其性能指标高于招标文件规定的在设计水头，模型水轮机的效率不低于86.0%的要求。水力模型空蚀性能完全满足招标文件的要求。

3.4 机组出力也满足招标文件要求

在最大水头工况时，水轮机的最大出力保证发电机出力不小于200kW。在大于最大水头工况时有超发10%最大机组出力的能力；在设计水头下工况时，水轮机的出力能保证发电机的出力不小于160kW。

4 水轮机部件改造

4.1 转轮

桨叶是水轮机能量置换的重要部件，采用抗空蚀好的ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢整铸而成。在承受重量、水压力以及在最大负载或飞逸工况下，桨叶的材料应力不超过材料最小屈服应力的2/3。

桨叶型面采用五轴数控加工中心加工，采用三坐标测量仪进行测量，可确保转轮体和叶片表面型线与验收后的水力模型几何相似。因此桨叶的几何型面完全满足设计要求，表面精度大幅度提高，同组叶片重量误差大大降低，从而保证水轮机的能量指标和抗汽蚀性能及转轮的旋转平稳性完全满足要求。

4.2 主轴

主轴与转轮采用止口配合、法兰连接。主轴与转轮原来采用锥度配合，由于电站后期经常拆卸检修，主轴表面的锥度严重磨损，与转轮内孔的配合接触面达不到70%的要求，造成锥度配合易松动，转轮与主轴的同心度达不到要求，引起机组振动，影响机组运行，所以电站运行管理单位建议改成法兰连接。

4.3 导水机构

由于机组水工流道不变，导水机构依然采用原来的轴向导水机构（又称圆盘式导水机构），活动导叶转动轴心布置在座环与导叶外环之间结合面在上，导叶外环的内壁设置成凹球面，座环的中心设有与活动导叶相匹配的凸球体，导叶短轴装在座环凸球体上的孔，活动导叶轴穿过座环与导叶结合面上的圆孔，两个支点支撑活动导叶。

导叶的传动机构采用球铰连杆式，改变了原来的滑块式结构，在有效的行程内减小机构传动死区，增加连杆传动的灵活性，同时减少了原传动部件的数量，采用较多的标准件，节省了铜材的使用，减低了制造成本，更便于设备维护。

导叶轴承采用自润滑轴承，减少不必要的润滑系统；增设了剪断销信号装置，保证导叶一个或几个被卡时剪断销在关闭方向上力的作用下破坏或变形，以保护传动机构的其他部件免遭破坏。

4.4 转轮室

转轮室采用半球形结构，径向分成两瓣，转轮室设合适的竖向环向筋板，提高了转轮室的整体刚度，抵消了转轮室内表面为提高抗磨蚀性能堆焊不锈钢层而引起的变形。堆焊不锈钢是在药型焊丝通过焊剂和电弧的共同作用下，形成高硬度的不锈钢，其硬度达HRC42，极大地提高了转轮室的抗磨蚀性能。

4.5 轴承和主轴密封

水轮机改造前的结构：导轴承采用圆柱滚子轴承，径向组合轴承采用一对圆锥滚子轴承。导轴承与径向组合轴承共同承担径向载荷，径向组合轴承还承受正反向水推力。导轴承下游端即靠近转轮处设置填料密封，保护两处轴承；径向组合轴承布置在竖井内。

填料密封主要是依靠填料受轴向压紧时能填料变形产生的径向压紧力以获得密封。但是径向压紧力会增大填料与轴套之间的摩擦，加剧填料的磨损，因而需要经常拧紧填料压盖上的螺栓来补偿填料磨损。填料密封设置的部位靠近转轮，水轮机的运行是连续的，不可能经常拆开转轮室来拧紧调节螺栓，在维修后机组运行一段时间水就会从主轴密封处渗漏出来浸满主轴两端的轴承室，造成轴承的损坏，为保证机组的正常运行，经常需要停机更换轴承，直接影响电站的经济效益。

考虑到水轮机原结构的缺点，在研究原水轮机的结构形式后，对水轮机的轴承形式和密封位置做调整，决定把靠近转轮的导轴承设计成高分子材料制成的滑动轴承，径向组合轴承仍采用一对圆锥滚子轴承，在主轴与电机井交界处设置填料密封。为利用有限的空间，设置了填料函座，一端安装于原竖井内壁上的径向组合轴承基础板上，另一端装配径向组合轴承，内部则安装填料密封座，筒壁上开有窗口，用来调节填料。

导轴承采用的是一种树脂基功能聚合物合金材料，兼具橡胶的弹性和塑料的刚韧性，内建高效长效润滑微晶，具有优越的磨润性能，是极为理想的滑动轴承材料。

该材料具有低摩擦、支持干启动，极限PV值高的特点。由于其内建高效润滑微晶，使其具有低摩擦耐磨特性，降低了启动转矩，免除胶着磨损，保证2～3min时间内干运转，不需启动前预通及关机后续通润滑水，避免启动及运行时因润滑缺失而导致损坏轴承。在水润滑条件下，极限PV值达101MPa·m/s，适用于多数水轮机工况，并有足够裕量。总之综合性能，优于大多数传统的轴承材料，如青铜、尼龙、聚四氟乙烯、橡胶等。

根据运西电站的水质及含沙量，导轴承采用机组过流水润滑，简化机组密封结构。

填料密封布置在竖井内，方便了填料调节，但是增加了水轮机主轴长度。与水轮机联接的增速用齿轮箱，由于箱体下方的齿轮油冷却水箱布置在竖井底板上已浇筑好的凹坑中不能移动，造成轴向布置困难。在电站实际测量时发现齿轮箱的输入轴伸部分较长，决定车短输入轴，腾出空间，并重新设计了联轴器。为防止填料密封漏水无处排，还在竖井底板钻出排水孔，用不锈钢管直接把填料密封渗漏水排到集水井，以保护竖井内的齿轮箱、发电机及水轮机径向组合轴承的安全。

5 电站改造的局限性

（1）由于电站水工设施不变、流道不变、导水机构结构形式也没变，仍旧采用原来的轴向导水机构，导叶布置在与转轮直径相同的管路上，导叶的排挤使流速大为增加，造成较大的水力损失，性能反不如斜向式导水机构，因而卧式水轮机优秀成果不能应用。

（2）在改造时竖井中下游侧径向组合箱基座处混泥土尺寸不统一，添加的填料函座与原轴承基座的联接螺栓有的能拧紧，有的因空间小无法拧紧，因而需要设计专用扳手，有的还需要采用了液压扳手来拧紧螺栓，增加了安装难度，延长了工期。

（3）调速器采用手电动结构，虽然节省了成本，但调节效果不如现在电站普遍采用的成熟的微机液压调速器，使机组性能受到些许限制。

6 结语

运行电站已于2014年8月投入试运行，效果良好，各项性能指标均已到达招标文件的要求。由于结构上的优化，更利于电站的运行维护