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一、引言
湖南省東江水電站位于湖南郴州資興市湘江支流耒水中上游，電站總裝機容量4×125MW，電站原安裝4套水輪發電機組。1987年運行以來，各臺機組陸續出現葉片裂紋、機組振動明顯、導葉漏水增大、密封損壞等問題。經國內外專家反復論證，提出減振改造建議及要求。
二、產品主要參數
改造后 改造前
型號：HLD312-LJ-423.1 HL160-LJ-410
最大水頭Hmax=139m 139m
額定水頭Hr=125m 118.5m
最小水頭Hmin=91m 91m
吸出高度：Hs=-2.7m -2.55m
額定出力：N=145MW 127.6MW
轉速：n=166.7r/min 166.7r/min
飛逸轉速：n p=355r/min 365r/min
葉片數：Z=15 17
導葉數：Zo=24 24
改造后最高效率不低于 95.03%
改造后尾水管壓力脈動 ：不補氣時?H/H不大于3%，部分負荷時?H/H不大于6%
改造后水輪機頂蓋上的垂直振動和徑向振動的雙振幅：應分別不大于0.10mm和0.12mm
改造后導葉漏水量：水頭130m時不超過0.1m3/s
改造后密封漏水量：不超過3l /min
改造后轉輪：葉片不產生裂紋，累計運行12000h，空蝕失重不超過6.5kg。
三、改造范圍
（一）1#新主軸。2#，3#，4#機原軸改造。（二）轉輪裝配。（三）導水機構。（四）密封裝配。（五）補氣裝置。（六）基礎環。（七）尾水錐管。 （八） 推拉桿和活塞桿聯接方式。 （九）接力器活塞及相關件。
四、結構特點
混流式，立軸布置、X形葉片轉輪、主軸與轉輪采用銷套傳遞扭矩結構、主軸中心孔補氣、備用壓縮空氣補氣、導葉設摩擦裝置、止漏裝置、主軸采用端面密封結構、電站做調相運行，見水輪機剖面圖。
（一）主軸與轉輪的聯接采用螺栓加銷套結構
為滿足互換性要求，并且安全可靠，主軸與轉輪的聯接采用聯軸螺栓加銷套結構。使聯軸螺栓單獨受拉力而銷套單獨受剪力，受力狀態更為理想。
（二）轉輪設計
轉輪采用鑄焊結構，葉片采用抗磨損、抗空蝕性能優秀的高強度馬氏體不銹鋼ZG06Cr13Ni5Mo。上冠、下環采用VOD精煉鑄造，葉片采用AOD精煉鑄造。數控加工保證葉片型線精度。
葉片與上冠、下環焊接坡口為全熔透清根焊縫，并執行嚴格的裝焊工藝，在焊接過程中及最終進行無損檢查（MT+PT+UT），確保轉輪制造質量。
（三）頂蓋和底環
頂蓋采用鋼板焊接結構，底環鑄造結構，因運輸需要分半。過流表面都設有15mm厚的不銹鋼抗磨板及導葉端面密封結構，與轉輪配合段設不銹鋼止漏環。在頂蓋上設有真空補氣閥、測壓接口、調相壓氣管接口，在頂蓋上導葉后轉輪進口前部位留壓縮空氣補氣管接口。
（四）導葉
新設計負曲率導葉，材質也為具良好的抗磨損、抗空蝕性能的ZG06Cr13Ni5Mo不銹鋼。采用電渣熔鑄冶煉工藝。
（五）導葉摩擦裝置
水輪機剖面圖
為保證導葉間被異物卡住剪斷銷被剪斷時，相應導葉不發生左右擺動，避免撞壞相鄰導葉或使相鄰導葉剪斷銷剪斷，采用導葉摩擦裝置。
（六）導葉止推及限位裝置
為防止導葉上抬，在導葉臂下部設有端面雙向止推自潤滑軸承，保證導葉的固定位置。在導葉臂與頂蓋上設導葉全關與全開位置限位塊，確保導葉不碰葉片和相鄰導葉。
（七）導葉端面和立面密封
導葉端面采用橡膠密封，用壓板固定在頂蓋或底環上，當導葉關閉時密封塊向下運動，使橡膠壓縮導葉順利關閉。立面密封采用金屬接觸密封。
（八）導葉軸套和連桿機構軸套
導葉上、中、下軸頸和連桿機構均采用銅基自潤滑軸套，確保導水機構操作更加靈活，使用壽命長，維護方便。
（九）基礎環及尾水錐管的修復
為滿足新的流道結構要求并修復錐管，要擴開原混凝土基礎部位，將原基礎環從座環上割去，并部分拆去原錐管。新的基礎環分三瓣設計，吊入后與座環對接組圓，在現場焊接并打磨光滑 。新錐管采用16mm厚不銹鋼板分瓣制成，，吊入后上與基礎環對接組圓焊接，下與原錐管焊接并光滑過渡。
（十）主軸密封
為在較長的運行周期內確保密封工作可靠，并滿足調相要求， 工作密封采用水潤滑端面密封結構， 具有磨損后自動補償能力。工作水壓0.1～0.3MPa，密封塊為耐水耐磨橡膠制成。轉環密封面上把合不銹鋼板，方便更換，其上設有異形水溝，以滿足調相運行時不燒密封的要求。圍帶檢修密封工作壓力0.5～0.8MPa。
（十一）主軸中心孔補氣.頂蓋調相壓氣管及預留壓縮空氣補氣管
為降低尾水管壓力脈動的影響， 新結構在主軸中心設補氣管并將補氣閥移至發電機頂部，實現自然補氣，并設有溢流管。接至集水井。
在頂蓋上配有調相壓氣管接口，在頂蓋導葉后及轉輪進口前留壓縮空氣補氣管接口，必要時電站可根據情況進行強迫補氣。保證機組在各種工況穩定運行。
（十二）接力器
由于導葉翼型及開口變化，電廠需在接力器零部件上作局部修改，以滿足要求。
（十三）電機端
補氣裝置需放至在電機頂端，電廠需在排水管和把合面上作局部改動，以滿足要求。
五、實施過程
本機組為改造設計，東江電廠經過論證后提出改造要求，我廠中標前后均作了大量的調查研究工作，并到電廠了解有關設備的情況，但技術資料不全等諸多不確定因素仍影響產品的設計施工，為滿足交貨周期短的要求。采取的措施主要為：實施同步工程，在模型驗收試驗尚未完成的前提下，綜合運用我公司大中型水電機組成熟經驗，查閱相關圖紙資料，預出大型鑄鍛件圖供物資采購部門訂購鑄鍛件，按照合同文件和技術協議的要求配合生產制造有計劃分階段實施設計，最終圓滿的完成了改造設計的任務。
六、經濟效果
電站改造設計是一項技術含量高的，極具挑戰性的工作。在滿足用戶要求的前提下，綜合運用成熟經驗才能做到快速反應，設計經濟合理。本次設計在充分吸取各類機型及各方面建議上作了足夠多的工作，在較短的時間內完成了設計任務。高技術含量的設計必將贏來好的收益。同時在電站改造業務上也確立了東方電機的優勢和品牌。技術設計時每個分裝配都經過優化，主要從以下幾方面作了細致的工作：
（一）針對東江電站改造要求研究開發出D312轉輪。采用全不銹鋼材料，上冠下環VOD鑄件，葉片AOD鑄件，葉片數控加工。
（二）增加主軸中心孔補氣裝置。
（三）預留頂蓋減振壓縮空氣補氣接口以改善其運行穩定性。
（四）水輪機出力增加至145MW。
（五）對傳統主軸密封結構做了改進。
（六）頂蓋底環過流表面鋪不銹鋼抗磨板。
（七）增加了導葉端面密封。
（八）采用導葉止推裝置。
（九）采用導葉摩擦裝置。
（十）更換了加長的基礎環。
（十一）變更了尾水錐管等。
（十二）重新設計聯軸方式，充分利用電廠現有資源，將運輸和工地加工費用降至最低。
七、結語
本次設計在充分吸取各類機型及各方面建議的基礎上作了足夠多的工作，圓滿的完成了設計任務。目前，所有改造機組均已并網發電，用戶反映改造效果良好，為以后改造機組的設計、生產提供了一定的指導依據。
參考文獻：
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[2]聞邦椿主編 .機械設計手冊第5版[M].北京：機械工業出版社，2010.
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