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1小型轴流定桨式水轮机的技术改造敏政刘有余齐学义（甘肃工业大学流体机械与流体动力工程系）摘要不适当地采用水润滑橡胶轴承、装机容量单机匹配不合理以及转轮型号与电站水力参数不相适应是造成多泥沙河流上小型轴流定桨式电站不能充分利用水能的3个主要因素。我们对几座该类电站的技术改造实例表明，蜗壳式电站中的水润滑橡胶轴承可以容易地改造为稀油润滑轴承；容量匹配不合理的电站可以把1台机组的转轮更换为适宜于小流量发电的低比速转轮；转轮型号不妥的电站应重新设计与水力参数相符的转轮。通过这些合理、简便、经济的手段，可大幅提高电站的发电量和经济效益。关键词：轴流定桨式水轮机；导轴承；蜗壳；转轮分类号：TK733在我省乃至全国的中小型水电站中，轴流定浆式水轮机是应用较广泛的机型,但因水轮机方面的问题不能正常发电的情况较普遍，经济效益差。该种机型单机容量小，不易引起有关部门的重视。近10年来老电站改造工作开展得如火如荼，但小型轴流定浆式机组的改造工作几乎成为一个不为人重视的死角。以经济、简便、合理的方法进行这类机组的改造，具有不可小视的社会和经济效益。本文通过作者对几座小型轴流定桨式电站水轮机的技术改造实例,介绍其因情况而异的实施方案、改造后的效果以及从中总结出的几点看法，供同行参考，不妥之处敬请予以指正。1西北地区小型轴流定桨式水轮机组常见问题1.1转轮型号与电站水力参数不相适应造成这种问题的主要原因，一方面是由于现有转轮型谱，特别是中小型型谱尚不完善，型谱中可供选择的转轮数目少,有些水头段还空缺，即便型谱中已有的转轮，性能也不能与电站水力参数相匹配，导致选型中迫于无奈只好选择性能相对接近实际需求的转轮；另一方面，由于考虑问题出发点的不同，也有选型不妥的情况存在。对于后者，最简单的应对措施是重新选择合适的转轮更换原有转轮，以这种手段解决其基本问题；而对于前者，就需有针对性的进行转轮设计了。2至于设计出的转轮性能如何、是否满足要求，能否在完成转轮设计后直接进行真机制造，这就只能凭设计者的经验和水平，或参考流场计算分析过程中给出的性能预估而定[1]。水轮机的模型试验费用较高，对于小型机组不可能进行专门的模型试验，但由于小型机组的转轮制造费用并不高，因而也不存在多大的风险。1.2装机容量单机匹配不合理问题由于小型轴流定桨式水轮机容量较小，在电站设计中很少有正规的设计部门参与，设计随意性较大，易出现选型设计方面的问题。比较常见的现象是所有机组容量都一样大，造成单机容量与不同季节的来流条件不相适应。由于定浆式机组的特点是对流量变化极为敏感，因而这种方式的选型设计就造成了电站在丰水季节能达到满负荷运行，但在枯水季节小流量时却发不了电的问题。为使机组能够有效利用小流量，有些电站的定浆式转轮叶片采取“可调”型式，叶片与轮毂间不予焊接，而是将叶片轴从轮毂内侧用卡环卡住，叶片角度调好后用销子来实现叶片和轮毂间的定位。从设计角度来说，这种结构在枯水季节可以通过调小叶片角度来部分解决小流量下发电的问题，但在实际应用中每调一次角度相当于机组一次大修；更重要的是，由于叶片与轮毂间没有焊接固死，在水力波动的作用下，销子与孔均不可避免地产生磨损而松动，从而也使叶片松动。叶片松动加剧了水机振动，水机振动反过来又加速销子与孔磨损，如此恶性循环直至机组因振动而无法运行。实际上近年生产的轴流定桨式转轮基本上都采取了叶片与轮毂焊接的结构。我们认为，对于已建成的装机容量单机匹配不合理的轴流定桨式水电站，可以装备一个与现有机组过流通道兼容的、适用于枯水期小流量的低比速转轮，来解决枯水季发不了电的问题，而不宜采用“可调”式转轮。1.3水润滑橡胶轴承结构与含沙水工作介质不相适应水润滑橡胶轴承要求清洁有压水作为润滑水源[2]。在水质较好的南方大部分电站，运行状况还算不错；但在西北多泥沙河流上采用这种轴承，虽可利用沉沙池或离心分离等手段获得一定程度上的清洁水，但因建造和维护运行费用太高而无实际价值。用过机含泥沙水略作过滤后引入轴承，不可避免地使橡胶轴承快速磨损，导致转轮与转3轮室互相接触引起碰撞、磨擦，经一段运行时间后转轮间隙变得很大，容积损失大大增加。对轴流定浆式水轮机而言，由于其特性曲线陡窄，决定了其对流量变化极为敏感的特点,当转轮室间隙变得很大后，在容积损失增加到一定程度时，因经过转轮的有效流量大量减少而使转轮运行工况点远离其有效工作区域，出力即急剧下降乃至带不上负荷。这是运行多年后水润滑橡胶轴承机组普遍存在的问题。采用水润滑橡胶轴承的小型轴流定桨式水轮机按引水室的不同分为明槽式和蜗壳式两种类型。蜗壳式水电站水轮机导轴承与过机水流是隔离的，具备采用稀油润滑导轴承的条件，但因稀油润滑导轴承设计制做较水润滑橡胶轴承复杂、成本高,同时还需妥善解决主轴密封问题，所以迄今转轮直径在1.2m以下的小型机组，用户在厂家定货时依然采用橡胶轴承结构。明槽式水电站水工建筑物简单，其水轮机水导轴承完全浸泡在工作水流中,由于其工程造价低廉，有很多电站采用了这种型式以减少投资，但水轮机导轴承的润滑问题尚需妥善解决，特别是对多泥沙河流上的电站。我们认为以油润滑水导轴承取代水润滑橡胶轴承是解决问题的根本途径，并在蜗壳式电站上进行了成功的尝试。但在明槽式水电站，如果要改用稀油润滑水导轴承，先要使水轮机导轴承与过机水流隔绝，必须对水工建筑做一些相应的改造，相对来说麻烦一些、费用较高，是否进行轴承改造需依据经济和社会效益分析而定。2水轮机改造实例2.1甘肃省武威市西营河水管处电站西营水管处电站水头H=6m,机组转速nr=428.6r/min,发电机额定功率为160kW,选用的水轮机型号ZD560-LM-100（0°）。该机型在本电站的水力条件下，导叶全开时其最大流量仅为3.2m3/s，机组出力只有105kW,存在大量弃水和发电机容量不能充分利用的弊端。按该电站的水力参数计算，其机组的最优单位转速应为175r/min，而ZD560-100（0°）转轮的最优单位转速才140r/min，但型谱[3]中的ZD760-100（5°）转轮的最优单位转速为165r/min，相对于ZD560-100（0°）更接近于机组应具有的最优单位转速,且最大过流能力可达4.3m3/s,比ZD560-100（0°）要大得多。显然，ZD760-100（5°）转轮更4合适。若水轮机整体更换为ZD760-LM-100（+5°），机组出力最大可达190kW。2002年4月份我们制造了ZD760-LM-100（+5°）转轮用以取代ZD560-LM-100（0°）转轮，而过流通道未予改动，虽然其导叶高度较ZD760-LM-100（+5°）型水轮机短了50㎜，存在转轮与导水机构不匹配、效率略低的问题，却依然在4m3/s流量下达到了160kW的额定出力，充分利用了发电机容量和电站的水能潜力。此次改造仅通过更换1个转轮便使机组出力增加了52.4%，取得了显著的效益。如果对过流通道再做相应的改造，其效果会更佳是不言而喻的。2.2武威市南营梯级电站南营电站始建于1979年，8个梯级小站，每站两台ZD760－LM－100（+5°），每梯级站的水头均为5m，单机额定出力160kW，机组转速428.6r/min。建站之初9m3/s流量就可使双机满负荷运行，4m3/s流量就可使单机满负荷运行。由于水润滑橡胶轴承不适应多泥沙水流，几年运行后转轮和转轮室在碰撞、磨擦和磨蚀作用下间隙达20mm,造成很大的容积损失，从而使通过转轮的流量偏离有效运行区较远，以致于机组带不上负荷。近几年来要使双机满负荷运行，必须有10.5～11m3/s流量，4m3/s的流量只能使单机带30kW负荷。2000年4月在南营电站的支持下完成了该梯级站的改造工作。由于铸铁制的原装转轮和转轮室无法补焊修复，重新制造了铸焊结构的铸钢转轮和转轮室;原有水导轴承座与顶盖的配合方式不佳，在几年磨蚀作用下已无法准确定位和固定，对此也进行了加工处理。改造后该梯级站的带负荷能力恢复到了建站之初的水平，与未改造相比，平均每一梯级站增加发电量20万kWH，增幅达47％，取得了很好的效益。另外，该梯级电站运行期间几乎有一半时间，引水流量在3m3/s或者7m3/s。在3m3/s引水流量时，从停机的另一台机组关闭的导叶和水导轴承等处缝隙间漏损了部分流量，实际运行机组通过的流量约只有2m3/s左右，这样，偏离机组有效运行区域太远，致使效率太低而发不了电，只能维持空载运行；在7m3/s左右，当一台机满负荷运行时，通过另一台机的流量也就约在2.5m3/s左右了，同样也带不上负荷。如果能设计制造出最优单位转速为190r/min最优单位流量为1.12m3/s左右、现型谱上没有的转轮，则可能会大大增加南营电站发电量，5提高其经济效益。我们根据多年积累的经验，自行设计、制造了该转轮，于2002年4月20日安装于5级站。目前，电站水库放水量仅为3m3/s，此次更换转轮的机组可带负荷70kW，而其上、下游其他没有改造的7个电站中的机组却无法发电。可见，新转轮的运行效果是令人满意的。2.3青海省同仁县多哇电站多哇电站建于1999年10月，水头13.5m,机组转速750r/min，装机350kW×2，水轮机型号ZD560-LH-80（Ф=+5°）。该电站建于多泥沙的隆务河上，水轮机水润滑橡胶导轴承需要的清洁润滑水无法解决。该电站在机组采购阶段就向若干厂家提出水导轴承采用稀油润滑型式的要求，但对1.2m以下水轮机制造厂家不采用稀油润滑轴承结构[4]，只好被迫接受现行产品。在安装阶段，该电站就委托我们将其水导轴承改造为稀油润滑轴承。在狭小的顶盖空间内，我们采用自行研制的主轴密封结构[5]，解决了主轴密封问题;在此基础上，根据顶盖上现有的配合面，设计了大小高低适宜的稀油润滑分块瓦水导轴承，主轴上加装了挡油筒、轴领等；在轴领与水轮机轴焊接时，采取了切实可行的焊接工艺，尽可能的避免了水轮机轴的焊接变形，使其径向摆度没有超过0.05mm。该轴承投运至今已近3年，温度从未超过450C，性能稳定可靠，使用方便，保证了机组高效、长寿、稳定可靠的运行。2.4青海省河南县优干宁电站优干宁电站水头12m,装机250kW×2，机组转速n=600r/min。水轮机型号为ZD560-LH-80（+5°）。该站转轮采用“可调”式结构，而电站在发电季节流量并不存在大的波动，不需要调整叶片角度，实际上也从未调过。经过几年运行后转轮室间隙太大，使机组出力降至200kW。由于转轮叶片定位销孔磨大，使叶片松动导致机组水力振动太大无法继续运行。我们根据电站并不需要“可调”转轮的实际，在校正好叶片位置后将其与轮毂焊死，并对转轮叶片进行补焊，车削、打磨处理,恢复至设计水平，机组出力达到了额定的250kW，同时振动消失。3结论及建议63.1西北地区多泥沙河流上不宜采用水润滑橡胶瓦水导轴承，更不宜采用明槽轴流定桨式机组。从长期效益来考虑近期投资节省得不偿失;制造厂家应根据实际水质和运行条件的需要在小型机组上亦应采用油润滑水导轴承结构，以满足多泥沙水质的西北地区电站的要求；3.2具有蜗壳式引水室的机组，其水导橡胶轴承可以很方便地改造成性能良好的油润滑轴承；3.3在轴流定桨式水电站中，容积损失对发电能力的影响非常显著，及时维修转轮，恢复转轮室设计间隙值，可以大大提高水能利用率、增加发电量，将获得良好的效益回报。3.4对于已建成的装机容量单机匹配不合理的轴流定桨式水电站，可以装备1个与现有机组过流通道兼容的、适用于枯水期小流量的低比速转轮，来解决枯水季节发不了电的问题，而不宜采用“可调”式转轮。参考文献：1.齐学义吴萍.水力机械轴面流场计算的研究[J].动力工程,1999,19(2):61~642.天津电气传动设计研究所编.水轮机结构图册[M].北京:科学出版社,1978.79~833.哈尔滨大电机研究所编.水轮机设计手册[M].北京:机械工业出版社,1976.30~314.张维张淑英等译.机械工程手册(第一卷)[M].北京:清华大学出版社,1991.106~1095.敏政唐建波.HL160-WJ-84水轮机的增容