大型混流式水轮机导水机构厂内预装

1引言溪洛渡水轮机是我公司继三峡水轮机之后，自主研发制造的单机容量最大的混流式水轮机。

电站总装机18台770MW 混流式水轮发电机组，其中右岸9台机组由我公司供货。

按合同要求，水轮机首台导水机构需在厂内预装并进行拉开度试验。

这是我公司首次进行700MW 级大型水轮机导水机构的厂内预装及拉开度试验，其方案的探讨及成功实施具有重大意义。

厂内预装首先需要解决的是整个导水机构的支撑问题。

导水机构厂内预装一般采用工具座环进行支撑。

溪洛渡导水机构总重达530多吨，除去副底环不参加预装，底环直接由装配平台承重外，工具座环需承重近400t 。

支撑方案的制定不仅需要考虑工具座环支墩的数量、结构、强度，还要考虑整个系统的稳定性与安全性。

我公司水轮机导水机构厂内预装拉开度试验多年来一直采用传统吊车、滑轮组的拉开度方式，这种方式效率低、操作不便，安全性及稳定性都较差。

溪洛渡水轮机导水机构具有尺寸大、重量重、系统阻力大等特点，经初步计算，其导水机构拉开度试验的系统阻力达22t ，传统方式已不能很好地满足溪洛渡导水机构拉开度试验要求，迫切需要进行工艺创新。

针对溪洛渡导水机构预装的特殊性及重要性，我们一方面设计并制定出一套合理的支撑方案，在现有工具座环的基础上加以改制，既节约了成本，又达到了预期目的；另一方面，开发了一套用接力器取代吊车、滑轮组进行拉开度试验的新工艺。

该工艺在我公司属首次运用，即获得成功，为我公司大型水轮机导水机构预装拉开度试验开辟了一条新路。

2导水机构预装支撑方案2.1工具座环的选定工具座环为若干个工具支墩，预装时需用高支墩和矮支墩配合，一般交错均布。

高支墩直接与顶盖把合，起支撑作用；矮支墩上放置液压千斤顶，用于调平顶盖及调节开裆。

此前，我公司设计的最大工具座环为李家峡导水机构预装用工具座环，但其支墩高度仍无法满足溪洛渡导水机构预装要求。

要解决这个问题，只有两个方案可行：一是重新设计提制新工具座环；二是借用李家峡工具座环，但必须设计增高支座。

由于溪洛渡导水机构只有首台需要进行厂内预装，重新提制工具座环将造成很大浪费，经综合考虑，我们决定采取第二种方案，即借用李家峡工具座环。

2.2支撑方案的确定李家峡工具座环高支墩共12个，我们选用了8个。

经计算，能满足承重强度要求。

其中4个可直接放置液压千斤顶用于顶盖调平及调开裆，另外4个通过增高支座与顶盖把合，起支撑作用。

增高支座有两种布置方式：一是布置在支墩下方，二是布置在支墩上方。

支墩为楔形结构，上小摘要本文以溪洛渡机组为研究对象，从两方面介绍了大型混流式水轮机导水机构厂内预装：一是导水机构支撑方案，二是导水机构拉开度试验方案。

在传统工艺的基础上，注重技术改进与革新。

通过方案的探讨、制定及成功实施，解决了大型导水机构厂内预装的一系列难题，填补了我公司700MW 级混流式水轮机导水机构厂内预装的空白。

关键词混流式水轮机导水机构预装支撑接力器大型混流式水轮机导水机构厂内预装吴建杰付封旗王地召罗兰来稿时间：2012—03下大。

如果将增高支座布置在下方，需增大支座的外形尺寸，且系统稳定性不好，故宜采用上布置方式。

我们根据支墩与顶盖把合面的高度差来设计增高支座高度，根据支墩与顶盖的把合孔分布来设计增高支座的把合孔位置，同时考虑强度要求，在立面增设筋板。

其他还需用到的工装包括活动斜铁、压板、把合螺栓、螺母、垫圈、垫块等。

经方案的设计、评审，溪洛渡导水机构预装支撑方案最终制定如下：(1)布置若干活动垫铁于装配平台上，用于支撑及调节底环。

底环调平后，需用压板、拉杆等将底环与装配平台把紧压稳。

(2)跨导水机构X-Y 线均匀布置工具座环支墩，与装配平台把紧压稳。

其中一半支墩上装把增高支座用于支撑顶盖，其余支墩上布置液压千斤顶，用于调平顶盖、调整开裆以及用作辅助支撑。

溪洛渡电站水轮机导水机构预装支撑方案如图1所示。

图1溪洛渡电站水轮机导水机构预装支撑方案3导水机构预装拉开度方案3.1接力器拉开度方案的提出我公司过去一直沿用传统的吊车、滑轮组进行导水机构预装拉开度试验，即俗称手拉葫芦方式。

这种方式存在以下弊端：(1)手拉葫芦一端固定在控制环大耳孔位置，另一端一般固定在平台上，工作时对于导水机构系统来说，为外力作用，影响导水机构的稳定性及安全性。

(2)手拉葫芦为人力作用，也可采用吊车代替人力。

由于滑轮组的特点是以牺牲速度来弥补出力，所以这种方式效率非常低，通常从一个行程拉至另一个行程需要几十分钟。

(3)由于钢丝绳自身有一定的弹性变形范围，刚开始拉动手拉葫芦时，外力未能克服系统的静摩擦力，使得钢丝绳发生一定弹性变形，即使一直在拉动手拉葫芦，控制环也不发生转动。

当外力刚好能够克服系统静摩擦力时，这时控制环开始转动，但动摩擦力比静摩擦力要小，钢丝绳自身产生急速收缩，所以控制环会突然发生急剧转动。

这种状况非常不利于对行程点，通常尚需借助千斤顶来调行程。

同时，换向拉开度时往往还要重新布置安装手拉葫芦，因此这种拉开度方式极不平稳，操作极为不便。

(4)手拉葫芦方式一般只适用于中小型机组导水机构预装拉开度试验。

对于大型水轮机导水机构而言，由于拉开度时系统阻力较大，这种方式无法满足试验要求。

针对上述情况，要想顺利完成溪洛渡导水机构厂内预装，迫切需要工艺创新。

结合国内外使用接力器进行导水机构拉开度试验的成功例子，一种新的方案孕育而生。

3.2系统摩擦阻力的计算及边界条件的确定为了确定接力器相关参数，首先需对导水机构系统摩擦力进行计算。

经过分析，导水机构拉开度时，系统有以下部位存在摩擦力：导叶上中下轴颈与顶盖、底环上中下轴孔配合段；导叶止推环与止推轴承配合面；控制环立抗磨板、底抗磨板与顶盖配合面；连杆装配中偏心销与销套配合面以及其他一些相对运动的配合面等。

由于每个部件的加工及预装时的一些不确定因素，系统摩擦阻力的计算将变得十分复杂。

经与研试中心讨论，为了简化计算，对相关边界条件明确如下：(1)导叶上中下轴颈与导叶轴孔设计为间隙配合。

由于目前先进的数控加工技术已经能够很好地保证导叶上中下轴颈的同轴度及顶盖与底环导叶轴孔的同轴度，同时导水机构预装时顶盖与底环严格调平、调同心，在导叶轴孔内壁采取涂抹润滑油脂等措施，装入导叶后可保证每个导叶转动灵活，无卡阻现象，因此我们在计算时可以忽略该部分的摩擦阻力。

(2)导叶止推环处的摩擦力为系统的一个主要阻力。

导叶通过顶部调节螺栓提升后呈悬空状态，导叶、导叶臂、连接板、盖板的重量都通过该配合面传递给止推轴承。

(3)控制环底抗磨板处的摩擦力为系统的另一个主要阻力，该配合面承受控制环本身的重量。

(4)控制环立抗磨板处以及其余配合面摩擦力均忽略不计。

简化后，只需要计算上述(2)及(3)部位的摩擦力。

查阅得知，止推轴承及控制环底抗磨板材料与钢的摩擦系数范围为0.15mm~0.25mm ，再经相关力矩关系分析，可粗略计算得出导水机构预装拉开度时在控制环大耳孔位置需克服的系统阻力大致为13t~22t 之间。

3.3接力器的定制根据计算出的系统阻力，综合考虑各方面因素，我们对接力器参数提出了相关要求：(1)共定制两个接力器，每个接力器所能提供的推、拉力不小于20t 。

(2)接力器行程需满足溪洛渡导水机构拉开度行程要求。

(3)接力器缸径不能过大，否则会影响接力器布置。

(4)接力器各部件由制造厂作强度校核。

接力器出厂前作压力试验，确保活塞密封不窜油，接力器不变形。

经过我方与承制厂家多次协调沟通及技术交流，最终确定了接力器的结构及参数，其结构如图2所示。

图2溪洛渡电站水轮机导水机构预装拉开度用接力器结构3.4接力器布置方式3.4.1内布置与外布置采用接力器内布置的方式进行导水机构拉开度试验，接力器布置在控制环内圆，如图3所示。

内布置方式虽然简单，成本较低，但有以下几方面缺点：(1)力臂小由于控制环内圆比大耳孔分布圆直径小很多，甚至比小耳孔分布圆直径还小，所以这种方式接力器出力的力臂很小，在同样系统阻力的条件下，对接力器的出力及整体强度要求都要高很多。

(2)接力器行程较小由于是内布置，接力器结构尺寸不能过大，也就决定了接力器行程不会太大，对于大型导水机构预装拉开度，有可能满足不了行程要求。

(3)接力器出力方向与控制环转动方向的夹角较大该因素一方面增加了接力器的出力要求，另一方面有可能将控制环顶变形，如图4所示。

综上，接力器内布置方式仅适用于小型水轮机导水机构预装拉开度。

溪洛渡导水机构拉开度接力器布置方式只能另辟蹊径，即采用外布置方式，但这种方式接力器生根较难，需设计一套配套使用的工装。

3.4.2同侧布置与异侧布置外布置方式两个接力器可以布置在导水机构同一侧(＋Y 侧或－Y 侧，如图5所示)，也可布置在不同侧(一个布置在＋Y 侧，另一个布置在－Y 侧，如图6所示)。

这两种布置方式接力器的工作状态不一样，前者为一推一拉，后者为同时推或同时拉。

一方面，由于接力器推和拉所能提供的最大出图3接力器内布置方式图4接力器内布置出力分析图5接力器同侧布置图6接力器异侧布置力不同；另一方面，推的时候活塞杆会产生微量的挠度，故有可能发生卡阻现象。

经综合考虑，一推一拉的方式相对较好，两个接力器采取同侧布置的方式。

3.5接力器配套工装设计根据接力器的布置方式，需要设计出一套工装用于接力器与导水机构的连接、装把。

该套工装需满足以下要求：(1)工装应包括接力器支座，支座直接或间接固定在顶盖上，满足拉开度时出力为系统内力的要求。

支座与顶盖可通过顶盖环板外圆把合孔把合。

(2)接力器尾部耳孔与支座通过圆柱销连接，支座与接力器连接部位在高度方向上应有一定的调节量，用以装配时调节接力器水平。

(3)在拉开度过程中，工装任一部件不得与导水机构各动作部件发生碰撞干涉。

(4)工装与接力器及控制环连接部位由于存在相对运动，因此必须保证拉开度时转动灵活，不发生卡阻现象，可增加表面摩擦系数小的销套。

(5)工装需具有一定的通用性。

(6)工装各零部件必须满足强度要求，装配后整体的稳定性要好。

经过对溪洛渡导水机构整体结构、相关尺寸及接力器行程的分析研究，最终设计出一套较为合理的用于接力器布置的工装，如图7所示。

工装各受力部件均经过严格的强度校核，尤其是各把合螺栓、圆柱销、推拉杆等，都选择机械性能较好的材料，确保拉开度试验顺利、安全地进行。

图7溪洛渡电站水轮机导水机构拉开度接力器工装该套工装主要包括以下零部件：(1)底座：通过3个M100螺柱与顶盖把合。

(2)过渡板：鉴于接力器座的特殊结构，以及底座上与M100螺柱把合孔的特殊位置，接力器座不便直接与底座相把，故设置过渡板。

过渡板通过8个内六角螺钉与底座把合。

(3)接力器座：其底部通过11个双头螺柱与过渡板把合。

上端立面与调整座把合，该部位把合孔为腰形孔结构，使得调整座上下均有一定调节量。