蒲石河水轮机新型泄水环的结构特点

谢明杰，刘世忠，陶迎新，谢文祥，任青旭



蒲石河水轮机新型泄水环的结构特点

谢明杰，刘世忠，陶迎新，谢文祥，任青旭

（国网新源辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁 丹东 118000）

蒲石河电站为抽水蓄能电站，因电站1号机组泄水环把合螺钉部分断裂，导致泄水环其中的3块掉落，影响了机组的稳定运行，需设计新的泄水环结构，避免泄水环再次脱落，保证机组的稳定性，本文介绍了新型泄水环的结构特点，并对电站原泄水环需改造的部件进行了具体说明，同时新型泄水环结构对后续蓄能电站的设计提供参考。

蒲石河电站；水轮机；结构特点；泄水环；强度计算

0 前言

蒲石河抽水蓄能电站，位于辽宁省宽甸县内，距离丹东市约60km，该电站是东北首座大型抽水蓄能电站，总装机容量为120万kW，按照国家发改委主机设备国产化发展战略部署，在电站承担住主机设备国产化试验田的重任，2012年9月，4台机组全部投入商业运行。

蒲石河抽水蓄能电站建成后，并入东北电网。主要担任系统的调峰、填谷、调频及事故备用任务，电闸年平均发电量为18.6´10kW·h，年发电小时数1550h，年平均抽水电量为24.09´10kW·h。

蒲石河抽水蓄能电站1号机组泄水环在2015年3月18日机组水泵工况运行时发生脱落现象，泄水环把合螺钉部分断裂，导致泄水环其中的1大块及2小块脱落（泄水环共分8块，4大块4小块），并击伤转轮叶片及导叶表面（如图1~2所示），同时由于机组振摆过大而停机，运维人员发现14个导叶剪断销发生断裂。

图1 把合螺栓折断

同时获悉，泄水环结构相似电站的张河湾、黑麋峰等电站，泄水环的把合螺钉也出现过螺栓松动个别螺栓断裂等现象。

图2 转轮

1 水轮机性能参数

机组台数 4台

最大净水头 330m

额定净水头 308m

最小净水头 304m

水轮机额定出力 300MW

额定转速 333r/min

2 蒲石河原泄水环结构介绍

蒲石河泄水环位于转轮下方，转轮出口位置，泄水环材料为不锈钢S135，共分8块，4大块4小块间隔布置，且在8道合缝面（焊接连接）每一道上均开有2-f12的均压孔，通过内六角螺钉把合在底环上，分上、下两层，其中两个泄水环小块位置内腔设有测量止漏环的测温电阻，对称布置，监测下固定止漏环的温度，下固定止漏环螺栓下把合螺栓，位于泄水环内腔中。

图3 原泄水环结构图

3 蒲石河泄水环的作用

泄水环结构设计的作用，主要考虑以下两个方面：一是在泄水环内部设置检查下固定止漏环与转动止漏环之间间隙的测孔；二是在泄水环内部设置测量下固定止漏环温度的RTD信号装置。

图5 检查下止漏环间隙

4 蒲石河优化后结构

4.1 泄水环优化后结构方案

图6示出了泄水环的结构。

图6 新型泄水环结构

4.2 原蒲石河泄水环结构形式需改动位置

（1）原止漏环的支撑法兰需割除，更换新的支撑法兰。

（2）原止漏环的固定把合方式由下把合螺栓更改为上把合螺栓。

（3）原止漏环的测温电阻取消。

（4）原泄水环的固定方式由螺钉把合更改为焊接结构形式。

4.3 优化后泄水环结构特点

（1）止漏环仍然采用铸铝青铜材料，结构更为上把合固定方式。

（2）支撑法兰与泄水环材料采用钢板Q345B，内圆铺设不锈钢材料，加工后厚度不小于5mm

（3）泄水环的材料为不锈钢S135，与支撑法兰厂内焊接加工。

（4）泄水环下部厂内加工止口，与原底环尺寸配合2840H8。

（5）支撑法兰上的止漏环支撑面需工地打磨，以保证止漏环原安装位置，需现场提供打磨工具。图7示出了打磨范围。

图7 打磨范围

（6）泄水环与底环形成的空腔工地用混凝土浇筑填充。图8示出了压力灌浆孔的位置及尺寸。

图8 压力灌浆孔

（7）止漏环与支撑法兰之间的定位销（如图9所示），需工地同钻铰，防止止漏环圆周转动。

图9 定位销

（8）止漏环固定螺栓的防松措施，施工螺纹锁骨胶、环氧树脂、螺纹旋套等，如图10所示。

图10 螺栓放松措施

（9）下固定止漏环间隙扔采用“L”型测量工具测量，保证安装质量。

4.4 对改造后的泄水环结构进行有限元分析

图11示出了泄水环的模型。

图11 泄水环模型

图12 泄水环综合应力

图13 泄水环总体变形

结论：泄水环的最大变形为0.0057mm，最大综合应力为9.69MPa，刚强度满足要求。

4.5 新型泄水环结构与原泄水环结构特点对比

新型泄水环结构与原泄水环结构特点对比见表1。

表1 新型泄水环结构与原泄水环结构特点对比

从表1中可以看出，新型泄水环与底环为焊接形式，并且新型泄水环与底环形成的腔体使用混凝土压力灌浆，而原结构中泄水环与底环为螺栓把合结构，并且原泄水环与底环形成的为空腔，空腔内含有水，在机组首次充水以及水泵工况充气压水结束排气回水过程中，始终会有部分气体遗留在泄水环与底环组成的腔体中，在机组运行过程中，此部分残留的空气会在压力脉动的作用下，使泄水环把合螺钉承受附加的交变载荷，致使螺栓松动直至断裂，而新结构为焊接结构，完全避免了此问题，新型泄水环结构完全能解决蒲石河泄水环脱落问题。

5 工地专用打磨设备介绍

5.1 设备结构

为保证泄水环工地焊接后支撑法兰的平面度，需提供专用打磨工具，打磨设备主要由支撑座、水平顶丝、垂直顶丝、支撑臂、中心体、主轴、磨头、滑座、磨头座、旋转臂、接长臂和配重等组成。如图14所示。

该加工设备有一个旋转臂，安装在设备底部，旋转臂一端安装一个接长臂，接长臂上安装磨头座，磨头座上安装滑座和磨头。旋转臂与主轴连接在一起，主轴转动，带动旋转臂和磨头旋转，完成磨削进给。磨头电机功率3kW，人工推动旋转。

5.2 加工范围

该设备为蒲石河泄水环工地安装专门设计，只加工泄水环安装面f2750～f3028之间的尺寸，即止漏环的安装在支撑法兰上的平面，支撑法兰工地需打磨的范围如图15所示。

图15 支撑法兰工地需打磨范围

6 总结

蒲石河泄水环优化后整体焊接结构形式，完全解决了蒲石河电站泄水环的脱落及螺钉断裂问题，同时避免了水力振动导致泄水环脱落现象的发生，提高机组运行可靠性，为新源公司系统内运行及未来的抽水蓄能同类型的水泵水轮机泄水环结构提供参考。

建议后续新设计的机组，取消下固定止漏环测温电阻元件，改用监控下固定止漏环冷却水流量的方式进行监控下固定止漏环的温度，同时固化泄水环结构，将泄水环与底环固定方式改为焊接形式，即与底环为整体结构，取消泄水环螺栓的把合方式，完全避免泄水环因压力脉动致使螺钉断裂而影响机组安全运行，彻底解决泄水环脱落的隐患。

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The Structure Features of Pushihe Turbine Discharge Ring

XIE Mingjie, LIU Shizhong, TAO Yingxin, XIE Wenxiang, REN Qingxu

(Liaoning Pushihe Pumped Storage Company LTD., State Grid Xinyuan Company, Dandong 118000, China)

Pushihe is pumped storage power station, due to the fracture of the screw joint of the 1# unit of the power plant, the 3 pieces of the discharge ring fall off, which affects the stable operation of the unit, new discharge ring structure should be designed to prevent the discharge ring from falling off again to ensure the stability of the unit, In this paper, the structure features of the new type of discharge ring are introduced, and the parts that need to be reformed for the original discharge ring of the power station are described in detail. Meanwhile, the structure of the new type provides reference for the design of the subsequent storage power station.

Pushihe power station; turbine; structure features; discharge ring; mechanical calculation

TK730.3+24

A

1000-3983(2018)03-0042-05

2017-07-25

谢明杰（1964-），1987年7月毕业于华北水利水电学院，现主要研究方向为水电站经营管理，高级工程师。