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摘 要：针对安砂电站存在的空蚀、振动、主轴密封不严等问题，对1#机组进行增容改造。本次增容改造，主要优化设计了转轮、上、下止漏环、顶盖、主轴密封、导控部套和尾水管进口段等部件。通过增容改造，对机组性能进行了优化，不仅可以提高效率，还可以增加机组的稳定性，提高电站的收益。
关键词：安砂水电站;水轮机;结构改造
中图分类号：TV738 文献标识码：A
安砂水力发电厂位于闽江沙溪支流九龙溪中游的永安市安砂镇附近，现总装机容量115MW（1×75MW+2×20MW），年平均发电量5.3亿kw/h，是一座以发电为主、兼有防洪和灌溉效益的综合利用工程。
安砂水电站1号机组为70年代初国内设计、制造的悬式结构，机组已经过30年的运行和检修，已接近當时的水轮发电机组设计寿命。改造前机组主要存在以下问题[1]：
转轮叶片及尾水管空蚀现象严重且部分叶片有空蚀穿孔现象，每次检修都要进行大量的补焊工作，补焊工作量变得多了起来，且对机组的安全稳定运行带来极大的威胁。
转轮主轴密封不严，漏水严重，且水导瓦存在较大椭圆度，影响机组运行安全。
机组轴心吸力补气阀已在运行中脱落。
针对安砂水电厂运行中存在的问题，确定1#机组改造的基本思路为：保持原有的引水管道、埋入部件、额定转速不变的前提下，通过更换新研制的效率高、流量大、稳定性和空化性能好的转轮，加大水轮机转轮的过流能力、提高水轮机的运行效率、增加机组出力。同时，提高新转轮的抗空蚀能力，延长机组的大修周期，减小水轮机的水力振动区，提高机组的运行稳定性。
1 结构改造技术分析
安砂水电厂水轮机为立轴混流式水轮机，本次增容改造主要包含转轮、上、下止漏环、顶盖、底环、主轴密封、导控部套和尾水管进口段等部件。
1.1 转轮结构设计
转轮为13叶片，名义直径为2.034m，最大外径2.235m，高度1.085m，重5.6T。
转轮采用铸焊结构[2]。叶片材质为ZG00Cr13Ni5Mo，VOD精炼铸造，数控加工。上冠和下环的材质为ZG0Cr13Ni5Mo。选用与母材相配的不锈钢焊丝进行焊接，焊后退火出力，焊缝执行100%无损检测检查。
泄水锥材质为不锈钢板0Cr13Ni5Mo，现场点焊。止漏环和转轮做出一体。转轮和主轴采用法兰螺栓联接，摩擦传递力矩方式。
采用结构分析软件I-DEAS对转轮的刚强度及其动态特性进行了分析研究。转轮的刚强度分析共计算了最大水头工况和飞逸工况。在最大水头工况中考虑水压力、离心力以及重力的作用，在飞逸工况仅仅考虑重力和离心力。安砂电站转轮强度分析计算结果如表1所示。
由图1可以看出，在最大水头工况下，转轮的最大应力为51.5MPa，远远小于转轮材料的许用应力;如图2所示，在飞逸工况下，转轮的最大应力水平仅为101MPa，小于许用应力366MPa;转轮具有足够的强度，满足电站实际运行要求。
选取一个完整的转轮作为分析计算模型，对转轮的动态特性进行了分析研究。其计算结果如表2所示，其相应的振型如图3～图5所示。
从转轮的动态特性分析可知，转轮在水中的固有频率，很好地避开了转频与导叶个数、转频与叶片个数的乘积，转轮具有良好的动态特性的要求。
1.2 导水机构改造
1.2.1 顶盖、底环及控制环
顶盖采用Q235钢板整体焊接结构，具有足够的强度和刚度。顶盖上对应转轮上部止漏环处装有不锈钢的固定止漏环，该止漏环硬度比转轮上部止漏环低，选用1Cr18Ni9Ti材料。
底环和控制环材质均为Q235钢板，整体焊接，具有足够的强度和刚度。底环上对应转轮下部止漏环处装有与顶盖处同一材料的固定止漏环。
1.2.2 活动导叶
活动导叶材料选用抗空蚀、抗磨蚀性能及焊接性能均良好的0Cr13Ni4Mo，采用整体铸造结构。导叶立面及端面设有密封装置，采用三支点轴承结构，采用自润滑式。
1.3 其他部件改造
1.3.1 锥管的改造
机组改造流道设计不涉及尾水管锥管，但考虑原来尾水管空蚀比较严重，在尾水管里衬顶端（转轮出口开始）设有300mm高度的不锈钢锥管段，上面和基础环法兰焊接，下面和原锥管焊接，焊后打磨，焊缝探伤。
1.3.2 中心孔补气改造
机组运行以中心孔自然补气为主，对尾水管十字架补气装置进行改造，采用不锈钢材料，联接处加固。补气管与新锥管焊接，焊后打磨，焊缝探伤。
1.3.3 主轴密封
主轴工作密封装置设置在导轴承下方，主轴穿过顶盖的部位。采用水压自调节式端面密封。主要密封元件采用中硬橡胶制造，为自补偿型，在使用年限内，对磨损可进行自动调整。在主轴工作密封下方设置检修密封，采用压缩空气充气的橡胶密封形式，并可在不吊出顶盖的条件下更换。检修密封充气压力为0.5～0.8Mpa，试验压力为1.2MPa。
2 结语
安砂水电厂1#机改造后，机组额定出力增加了15%以上，高水头时的出力增加更多。可以增加电站调峰容量，多获电能，增加电站收益。同时，改造后水轮机的效率也大大提高，改造后的水轮机加权平均效率也有较大的提高，这将提高电站收益。
参考文献
[1] 庞立军，吕桂萍，钟苏，等.水轮机固定导叶的涡街模拟与振动分析[J].机械工程学报，2011（22）：23-25.
[2] 庞立军，吕桂平.高水头水泵水轮机转轮的抗振防裂纹设计[J].机械工程学报，2013（04）：140-147.
关键词：安砂水电站;水轮机;结构改造
中图分类号：TV738 文献标识码：A
安砂水力发电厂位于闽江沙溪支流九龙溪中游的永安市安砂镇附近，现总装机容量115MW（1×75MW+2×20MW），年平均发电量5.3亿kw/h，是一座以发电为主、兼有防洪和灌溉效益的综合利用工程。
安砂水电站1号机组为70年代初国内设计、制造的悬式结构，机组已经过30年的运行和检修，已接近當时的水轮发电机组设计寿命。改造前机组主要存在以下问题[1]：
转轮叶片及尾水管空蚀现象严重且部分叶片有空蚀穿孔现象，每次检修都要进行大量的补焊工作，补焊工作量变得多了起来，且对机组的安全稳定运行带来极大的威胁。
转轮主轴密封不严，漏水严重，且水导瓦存在较大椭圆度，影响机组运行安全。
机组轴心吸力补气阀已在运行中脱落。
针对安砂水电厂运行中存在的问题，确定1#机组改造的基本思路为：保持原有的引水管道、埋入部件、额定转速不变的前提下，通过更换新研制的效率高、流量大、稳定性和空化性能好的转轮，加大水轮机转轮的过流能力、提高水轮机的运行效率、增加机组出力。同时，提高新转轮的抗空蚀能力，延长机组的大修周期，减小水轮机的水力振动区，提高机组的运行稳定性。
1 结构改造技术分析
安砂水电厂水轮机为立轴混流式水轮机，本次增容改造主要包含转轮、上、下止漏环、顶盖、底环、主轴密封、导控部套和尾水管进口段等部件。
1.1 转轮结构设计
转轮为13叶片，名义直径为2.034m，最大外径2.235m，高度1.085m，重5.6T。
转轮采用铸焊结构[2]。叶片材质为ZG00Cr13Ni5Mo，VOD精炼铸造，数控加工。上冠和下环的材质为ZG0Cr13Ni5Mo。选用与母材相配的不锈钢焊丝进行焊接，焊后退火出力，焊缝执行100%无损检测检查。
泄水锥材质为不锈钢板0Cr13Ni5Mo，现场点焊。止漏环和转轮做出一体。转轮和主轴采用法兰螺栓联接，摩擦传递力矩方式。
采用结构分析软件I-DEAS对转轮的刚强度及其动态特性进行了分析研究。转轮的刚强度分析共计算了最大水头工况和飞逸工况。在最大水头工况中考虑水压力、离心力以及重力的作用，在飞逸工况仅仅考虑重力和离心力。安砂电站转轮强度分析计算结果如表1所示。
由图1可以看出，在最大水头工况下，转轮的最大应力为51.5MPa，远远小于转轮材料的许用应力;如图2所示，在飞逸工况下，转轮的最大应力水平仅为101MPa，小于许用应力366MPa;转轮具有足够的强度，满足电站实际运行要求。
选取一个完整的转轮作为分析计算模型，对转轮的动态特性进行了分析研究。其计算结果如表2所示，其相应的振型如图3～图5所示。
从转轮的动态特性分析可知，转轮在水中的固有频率，很好地避开了转频与导叶个数、转频与叶片个数的乘积，转轮具有良好的动态特性的要求。
1.2 导水机构改造
1.2.1 顶盖、底环及控制环
顶盖采用Q235钢板整体焊接结构，具有足够的强度和刚度。顶盖上对应转轮上部止漏环处装有不锈钢的固定止漏环，该止漏环硬度比转轮上部止漏环低，选用1Cr18Ni9Ti材料。
底环和控制环材质均为Q235钢板，整体焊接，具有足够的强度和刚度。底环上对应转轮下部止漏环处装有与顶盖处同一材料的固定止漏环。
1.2.2 活动导叶
活动导叶材料选用抗空蚀、抗磨蚀性能及焊接性能均良好的0Cr13Ni4Mo，采用整体铸造结构。导叶立面及端面设有密封装置，采用三支点轴承结构，采用自润滑式。
1.3 其他部件改造
1.3.1 锥管的改造
机组改造流道设计不涉及尾水管锥管，但考虑原来尾水管空蚀比较严重，在尾水管里衬顶端（转轮出口开始）设有300mm高度的不锈钢锥管段，上面和基础环法兰焊接，下面和原锥管焊接，焊后打磨，焊缝探伤。
1.3.2 中心孔补气改造
机组运行以中心孔自然补气为主，对尾水管十字架补气装置进行改造，采用不锈钢材料，联接处加固。补气管与新锥管焊接，焊后打磨，焊缝探伤。
1.3.3 主轴密封
主轴工作密封装置设置在导轴承下方，主轴穿过顶盖的部位。采用水压自调节式端面密封。主要密封元件采用中硬橡胶制造，为自补偿型，在使用年限内，对磨损可进行自动调整。在主轴工作密封下方设置检修密封，采用压缩空气充气的橡胶密封形式，并可在不吊出顶盖的条件下更换。检修密封充气压力为0.5～0.8Mpa，试验压力为1.2MPa。
2 结语
安砂水电厂1#机改造后，机组额定出力增加了15%以上，高水头时的出力增加更多。可以增加电站调峰容量，多获电能，增加电站收益。同时，改造后水轮机的效率也大大提高，改造后的水轮机加权平均效率也有较大的提高，这将提高电站收益。
参考文献
[1] 庞立军，吕桂萍，钟苏，等.水轮机固定导叶的涡街模拟与振动分析[J].机械工程学报，2011（22）：23-25.
[2] 庞立军，吕桂平.高水头水泵水轮机转轮的抗振防裂纹设计[J].机械工程学报，2013（04）：140-147.