巨型軸流轉槳式水輪機轉輪組裝工藝研究

李中杰，鄭 源，易 偉(.河海大學水利水電學院，南京 0098；.河海大學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的最末一級電站。壩址區有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4臺單機容量153.1 MW的軸流轉槳式水輪發電機組，額定水頭20 m。電站保證出力22.7萬kW，年利用小時數4 958 h，多年平均發電量29.75億kWh。電站正常蓄水位1 015 m，水庫總庫容9 120萬m3。桐子林水電站以發電任務為主，兼有下游防洪、灌溉等綜合利用效益，電站在電力系統中擔任基荷或峰荷，所發電能主要送入四川電網。水輪機由哈爾濱電機廠有限責任公司制造供貨，中國水電七局機電安裝分局負責安裝施工。

2 轉輪特點

2.1 轉輪結構特點

(1)立軸軸流轉槳式轉輪結構，主要由轉輪中心體、葉片、泄水錐及內部槳葉操作機構等部件組成。

(2)轉輪中心體采用ZG20SiMn整鑄而成，輪轂比0.42，最大外徑約Φ4 242 mm，高度約3 300 mm，質量約95 t，整體運輸到工地。

(3)轉輪中心體內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置有可更換的青銅導向瓦。

(4)轉輪有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控加工工藝，使過流面線型與葉片翼型設計高精度貼合，確保了轉輪葉片優良的水力學性能。葉片采用密封性好、結構簡單可靠、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構，與轉輪中心體之間采用螺栓預緊，徑向銷釘定位的聯接方式，并設有防脫落措施，與轉輪連接可靠。泄水錐質量約9 t，整體運輸到工地。

(6)轉輪和主軸采用法蘭螺栓聯接，銷釘傳遞扭矩。

2.2 轉輪吊裝主要參數

桐子林水電站裝設的4臺立軸軸流轉槳式水輪機為國產巨型機組，轉輪整體吊裝主要由轉輪裝配、主軸、導流錐、支持蓋等組成，其中轉輪裝配質量約320 t，主軸及操作油管重量約97 t，導流錐安裝質量約33 t，支持蓋約98 t。轉輪吊裝采用轉輪、主軸、支持蓋、導流錐四體聯吊的方式，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 轉輪組裝及試驗

3.1 轉輪組裝工藝流程

水輪機轉輪的組裝是水電站機電設備安裝任務中的節點性工序，其組裝質量至關重要[1]。由于桐子林水電站所裝設的水輪機為國產巨型機，其轉輪結構尺寸、重量都較大，且轉輪倒立組裝及其翻身等工序與傳統施工方法相比存在較大的不同。因此，施工技術人員根據該工程的具體特點編制分部分項工程施工組織設計，并擬定專項施工方案，確保轉輪的高質量組裝。

根據桐子林水電站水輪機轉輪結構特點和安裝技術質量要求，制定如下組裝流程：組裝前準備→支撐基礎的安裝→反裝轉輪體→轉輪體翻身→正裝泄水錐→ 操作油管等附件的安裝→槳葉吊裝→安裝轉輪試驗工具→進行轉輪試驗→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

轉輪組裝前對廠家到貨的設備進行開箱清點檢查，并如實記錄設備是否缺件、有缺陷等情況。設備清點核對無誤后，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測，并作好記錄。由于軸流轉槳式水輪機轉輪內部傳動機構構造復雜，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，其工作的質量將直接影響機組的投產運行，因此轉輪零部件的清理工作至關重要[2]。

3.3 支撐基礎的安裝

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

3.4 反裝轉輪體

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

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

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

(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緊，滿足伸長量及預緊力要求。活塞在轉輪翻身過程中一直處在接力器缸底部位置，并用限位環與活塞桿環形凹槽進行配合緊密，以確保轉輪體翻身時接力器內部系統的牢固。如圖1和圖2。

圖1 反裝轉輪體Fig.1 The upside-down assembly of runner

(5)拆除轉臂、連桿固定工具，同時安裝全關位置固定工具，以固定轉輪體內部葉片操作機構，避免轉輪翻身過程中內部各部件上下竄動、碰撞。根據翻身要求，正確安裝轉輪起吊翻身工具Ⅱ、Ⅲ，并注意安裝方向和安裝位置。翻身吊具與轉輪體把合面止口應貼合緊密，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 轉輪翻身吊具布置方位Fig.2 Distribution of runner turning-over devices

3.5 轉輪體翻身

連接翻身支架與翻身吊具I之間的銷軸，準備進行轉輪翻身。鑒于桐子林水電站水輪機組的超大尺寸和重量，經過多方專家的咨詢與研究討論，最終確定了一套轉輪翻身專項施工方案。為了確保轉輪翻身的安全性和施工工效，該施工方案在傳統翻身方案的基礎上做了進一步優化，采用200T汽車吊輔助廠房主吊鉤聯合吊裝的方式，并利用定制的倒圓角邊翻身吊具進行四吊點分布式協聯支撐。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，聯合吊至轉輪翻身支架上，聯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，使轉輪體緩慢、均勻、平穩向下游傾斜，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，在轉輪體下方適當位置墊以方木，并在方木兩側塞上木楔，以支撐和保護轉輪體，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輪體向上游緩慢抬吊，聯接翻身吊具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輪體底部之間的鋼絲繩，如圖3(g)所示。

圖3 轉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，將轉輪體重量逐漸轉移至上游主鉤，如圖3(h)所示。拆除汽車吊鋼絲繩與轉輪體以及翻身支架與轉輪體間的連接，完成轉輪中心體翻身。用上游主鉤將轉輪體吊至轉輪安裝支架上，即可進行下一步泄水錐、葉片安裝以及連軸等操作。

與傳統的轉輪翻身方案相比，該技術方案具有明顯的優點：①設計簡單，操作易于實現，可以很好地控制轉輪翻身的速度，保證了翻身動作的均勻性和平穩性；②配合倒圓角邊設計的翻身吊具，使得鋼絲繩與翻身吊具及轉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，有效規避了翻身時轉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險，大幅提高了大型水輪機轉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場施工時，回復桿與對應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上安裝轉輪安裝支架Ⅱ，復測并調整支架II的節圓尺寸滿足要求。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，進行泄水錐回復桿與對應銷孔的對準安裝。

(2)吊起翻身后的轉輪放置在轉輪安裝支架Ⅱ上，并與泄水錐聯接。為使支撐穩固，部分泄水錐與轉輪體把合螺栓暫不安裝。拆除轉輪翻身起吊工具Ⅰ，進行轉輪體內的中間操作油管和內操作油管的套裝。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輪體內部結構造成碰撞損傷。

3.7 葉片安裝

(1)每片葉片起吊質量約26 t，按廠家編號，用橋機及導鏈吊裝葉片。葉片掛裝應對稱進行；葉片螺栓擰緊應先擰上面，后擰下面，分兩次擰緊；通過滑輪導向，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緊。

(2)在進行4號葉片掛裝時，大銅瓦內徑出現了橢圓現象，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。施工技術人員通過分析問題產生的原因，并測量數據偏差，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，保證了施工的質量和進度。

圖4 正裝轉輪體Fig.4 The assembly of runner

3.8 轉輪試驗

(1)試驗前檢查并確保轉輪體各部件的密封正確安裝，轉輪試驗工具、設備等準備就緒。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，還需檢查槳葉的轉動情況[3]。向接力器缸內注油時，確保腔體內空氣排盡后安裝耐壓試驗蓋。根據試驗操作管路進行轉輪動作試驗，分別向接力器上、下腔體內注油推動活塞移動，動作試驗油壓控制在0.5 MPa以內，檢查葉片和傳動機構的平穩性、靈活性滿足要求，無不良動作故障。

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

4 結 語

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

□

[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.沙灣水電站軸流轉槳式機組轉輪組裝[J].四川水利，2012，(6)：17-18.

[3] 于蘭階.水輪發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，水輪發電機組安裝技術規范[S].