大型水轮机及其辅助设备

水力发电学报JOURNAL OFHYDROELECTRICENGINEERING1999年第1期No.11999大型水轮机及其辅助设备安装技术几点进展宋晶辉胡鹏程提要近几年来，大型水轮机及其辅助设备的安装技术有了较大发展，蜗壳工地水压试验、联轴螺栓火焰加热工艺、油系统管道氩弧焊封底技术。

不仅可以加快施工进度，节省工程投资，而且对提高安装质量，保障电站安全经济运行具有较现实的意义关键词水轮机及其辅助设备安装技术经济效果The New Progresses in Installation Technics of Large Hydraulic Lurbine and Auxiliary EquipmentSong JinghuiGezhouba Hyaroelectric Station Yichang 443002Hu PengchengMechanical and electrical co. Gezhouba Yichong 443002AbstractThe big develop ment was seen in installation technils for large hydraulic turbine and auxiliary equipment in recent years. Hydraulic pressure test of spiral case, flame process for conpling bolt, argon arc weld for oil circuit system. not only speed up construction project, but also high quality secure.Key Words Hydraulic turbine Auxiliary eqnipment Setting tachnical一、引言随着国民经济飞跃发展，我国水轮机行业的科研、设计和制造水平取得了长足的进步。

近年来，通过三峡、龙羊峡、岩滩、二滩、天生桥二级、李家峡、漫湾等大型水电机组的前期科研工作和引进技术、合作生产，水轮机向高水头、大容量、高比速和高效率趋势发展，先后研制出了一批比速系数和效率高、气蚀性能好的转轮。

如已投运的天生桥二级、岩滩、漫湾水电站，水轮机模型最高效率达92.72%(天生桥二级)，直机效率保证值达94.4%(天生桥二级为94.48%；岩滩为94.44%；漫湾为94.43%)；岩滩水电站，其单机容量为302.5MW，转轮直径达8m。

大容量水电站的建设，促进了大型水轮机及其辅助设备安装技术的发展。

经过全国各地科研、设计、制造和施工企业科技人员的艰辛努力，不断总结和改进，安装技术在理论上渐趋成熟，实践中日臻完善，取得了良好的经济效益和社会效益。

二、蜗壳工地水压试验1 蜗壳水压试验的目的鉴于蜗壳结构和使用上的特殊性，蜗壳工地水压试验的目的是：(1)直观而又全面地反映焊接质量；(2) 检验蜗壳和座环设计的合理性；(3)消除焊接残余应力，提高座环和蜗壳的承载能力和抗应力腐蚀开裂能力；(4)方便实施蜗壳打压埋置法，有效地削减内水压力引起的蜗壳外包混凝土中的拉应力，降低混凝土开裂的可能性。

图1 水压试验总体布置图图2 机坑内密封方式2 水压试验的总体布置和机坑内密封方式—6／20的三蜗壳水压试验的总体布置，如图1。

升压用型号为3DS2柱塞高压泵，压力大小由安全阀8进行调节。

蜗壳水压试验时，首先关闭闸阀9，利用厂房自来水管经闸阀10对蜗壳充水；待蜗壳内部充满水后，再关闭闸阀10，开启闸阀9，用水泵升压［1］。

蜗壳水压试验时机坑的密封方式，如图2。

座环的上环板和下法兰面处，均安装 φ16的耐油橡皮盘根，以利止水。

3 测试用仪器、仪表及测试原理蜗壳工地水压试验的监测项目有：座环变形、蜗壳胀量和座环蜗壳各部主要点的应力值。

座环变形和蜗壳胀量的测量仪表为千分表。

蜗壳和座环各部的应力，贴直角三轴型应变花用电测法测定，测试原理框图，如图3。

图3 测试原理框图将应变花粘贴于各监测点处，经应变仪读出各点0°、45°、90°三个方向的应变值，并由式1和式2算出该点的最大主应力值和主应力方向［2］。

式中σ—最大主应力值；—最大主应力与0°片方向夹角；φε0—测点0°片方向应变；ε45—测点45°片方向应变；ε90—测点90°片方向应变；E—拉、压弹性模量；μ—材料泊桑比。

4 蜗壳工地水压试验的技术经济效果截止目前为止，我国已先后有潘家口、鲁布革、天生桥二级、广蓄、二滩等电站进行了蜗壳工地水压试验，并实施了蜗壳打压埋置法，除达到了水压试验的基本目的外，还取得了良好的技术经济效果。

其技术经济效果在于，金属蜗壳进行水压试验后，采用保压(一般为最大水头时的压力值)浇混凝土，减少了蜗壳弹性层的铺设和蜗壳内部加固支撑焊接两道工序，既节约了工程投资，又加快了厂房混凝土浇筑进度。

三、联轴螺栓火焰加热工艺1 火焰加热装置的基本结构和工作原理图4 火焰加热装置的基本结构及工作原理图联轴螺栓火焰加热工艺是利用氧－乙炔火焰加热装置在螺杆内孔对螺栓进行加热。

火焰加热装置由燃烧室、焊枪卡口夹套、加热管等部分组成。

由于加热时温度可达700～900℃，焊枪卡口夹套和燃烧室均用1 Cr18Ni9Ti不锈钢加工，加热管则用3Cr19Ni4SiN不锈钢加工。

0.2～0.5MPa的压缩空气空过燃烧室将氧－乙炔火焰带入联轴螺杆内孔深处；热空气再经螺杆内孔和加热管间间隙返回燃烧室下部，经排气、观察孔逸出，实现对螺杆的均匀加热［3］(参见图4)。

2 螺杆伸长值与螺母转角关系互换计算采用联轴螺栓火焰加热工艺紧固螺栓时，由于加热前后联轴螺杆的温差较大，无法准确测量螺杆紧固后的伸长值，所以通过测量螺母转角相对应的弦长来确定螺栓的紧固程度，待螺栓冷却到常温后再校核其伸长值。

设螺杆常温下未受力的长度为C1，预紧(用板手和大锤把紧)后的长度C2，则常温下预紧后螺母的转角α1为：α1=K(C2-C1) (3)K=ψ／ΔL (4)式中ψ—螺母旋转的总转角(通过试验确定)；ΔL—螺栓设计伸长值。

为：预紧后，螺母还须旋转的角度α2α2=ψ-α 1 (5)将α换算到螺母支承面外径上的弦长1为：2(6)式中 φ—螺母支承面外径。

联轴螺栓预紧后，在螺母外圆上任取一点A，用卡钳和直尺量取1，沿螺母旋转方向在螺母外圆附近的法兰平面上找一点B，A、B两点均作明显标记。

待螺栓加热伸长后，旋转螺母使其A点至法兰B点对应位置(参见图5)，螺母紧固即告结束。

图5 螺母转角示意图3 联轴螺栓火焰加热工艺的综合评价随着机组单机容量的增大，轴向水推力、转轮及主轴重量也随之增大；为保证机组的安全经济运行，联轴螺栓的伸长量已高达1.73mm(天生桥二级)。

联轴螺栓火焰加热工艺设备简单，操作方便，通过转角确定螺栓的紧固程度，伸长量误差小。

它不仅克服了电极加温法紧固应力相差较大的弱点，还提高了工作效率，降低了劳动强度。

四、油系统管道氩弧焊封底技术所谓油系统管道氩弧焊封底技术，就是管道接头在施工中采用手工钨极氩弧焊(TIG焊)封底，然后用电弧焊盖面的焊接技术。

1 手工钨极氩弧焊设备及材料手工钨极氩弧焊设备系统由焊接电源、焊炬、供气系统、冷却水路系统、高频引弧器等组成，其系统图如图6［4］。

图6 手工钨极氩弧焊设备系统图手工钨极氩弧焊用焊接材料包括钨极棒、氩气和填充材料。

其钨极棒型号可以选用铈钨极WXe20或钍钨极WTh－10、WTh－15；因水电站油管路材质一般为碳钢、不锈钢和铜及其合金，所以氩气纯度应大于99.7%(体积比)；其填充材料采用专用焊丝，依据焊件材质进行选择。

2 氩弧焊封底技术的操作工艺手工钨极氩弧焊操作工艺与气焊有类似的地方，但也有它本身的特点。

(1) 焊前准备。

检查电源线路、水路、气路是否正常。

钨极棒直径一般为0.5～2.5mm，其端部磨成园锥形，顶部稍留0.5～1mm直径的小圆台为宜。

电极的外伸长度为3～5mm左右。

工件被焊处按规定开成坡口。

两侧距坡口边缘25～30mm处及焊丝要进行清理，并用丙酮擦拭。

引弧前应提前5～10s输送氩气，借以排除管中及工件被焊处的空气。

(2) 焊接。

按工件材料及结构形式选择好合适的参数。

起弧方法两种：一种是借高频引弧器引弧；一种是钨极与工件接触或在碳块上接触引弧。

在不妨碍视线的情况下，应尽量采用短弧，以增强保护效果，同时减少热影响区宽度和防止工件变形。

焊嘴应尽量垂直或保持与工件表面较大的夹角。

焊接手法可采用左向焊、右向焊。

为了得到必要的宽度，焊枪除作直线运动外，允许作横向摆动。

(3) 熄弧。

焊接完毕，切断焊接电源后，不应立刻将焊枪抬起，必须在3～5s内继续送出保护气体，直到钨极及熔池区域稍稍冷却以后，停止送气抬起焊枪。

若电磁气阀关闭过早，则引起炽热的钨极外伸部分及焊缝表面氧化。

3 油系统管道氩弧焊封底技术评价水轮机及其辅助设备用油均为透平油。

透平油在设备中的主要作用是润滑、散热和液压操作。

如果油中的机械杂质超过规定值，透平油在摩擦表面的流动便遭受阻碍，破坏油膜，使润滑系统的油管或滤网堵塞和使摩擦部件过热，加大零件的磨损率。

此外，还促使油质劣化，减低油的抗乳化性能［5］。

如果油中的金属屑进入以透平油作为工作介质的设备(如调速系统、进水阀、调压阀、液压阀等)，将导致操作系统失灵，影响水电站的安全经济运行。

氩弧焊封底技术利用隋性气体氩气作为保护气体，因氩气不与金属发生化学作用，且不溶于金属，所以焊缝既无焊渣、也无气孔；从而有效地控制了油中的机械杂质浓度。

油系统管道氩弧焊封底技术，采用冲压弯头加直管段进行焊接，取代了现场弯制管道弯头工艺，不仅省去了一套弯管设备，而且能加快施工进度；因而倍受青睐。

漫湾、天生桥二级、二滩等电站已将此项技术应用于油系统管道施工，取得了良好的施工效果。

五、结束语1.近几年，随着水轮机及其辅助设备的技术进步，还衍生了一些新的安装技术，如导叶摩擦装置和圆筒阀的应用［6，7］就衍生了导叶摩擦装置和圆筒阀的安装技术，限于篇幅，本文不再赘述；有兴趣的读者请查阅文献［6］和文献［7］。

2.本文所阐述的三项技术都有以下两个显剧特点：(1)节省投资；(2)缩短工期。

天生桥二级(坝索)水电站在＃3水轮发电机组总装中，在总结＃1、＃2机安装经验的基础上，成功的应用联轴螺栓火焰加热工艺和油系统管道氩弧焊封底技术，辅之以施工工艺的优化，创造了大型水轮发电机组总装工期12天的全国新纪录；其＃4机的安装，面对设备缺陷和缺件较多两大困难，仍取得了总装工期14天的好成绩。

3.安装技术的进步依赖于全社会的关心、支持与合作；笔者建议全国各地科研单位、高等院校和施工企业在确保科研经费的同时，建立健全信息网络，增强相互间的交流与协作，以加快新技术、新工艺的研制、开发和推广应用。