大型轴流转桨式水轮机桨叶把合超级螺母安装工艺

李传法，杨 飞，张 浩

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

1 前言

轴流转桨式水轮机转轮叶片由叶片和枢轴两部分组成，枢轴端面设置螺栓和剪切销孔，与安装在转轮内的转臂通过螺栓、螺母把合在一起，靠枢轴与转臂接触面的摩擦力传送力矩，带动桨叶旋转。转轮的叶片一方面承受其正背面水压差所形成的弯曲力矩，另一方面承受水流的扭转力矩，同时还要承受离心力作用，因此桨叶把合螺母起着尤为重要的关键作用。根据不同厂家设计，叶片与转臂把合螺母分常规圆螺母把合和超级螺母把合两种：常规圆螺母把合是在螺栓中间通入加热装置，使螺栓受热伸长，然后用专用工具把紧螺母，当螺栓冷却收缩后使叶片与转臂紧紧贴合在一起，该螺母把合方法操作简单，并且可以同时对多根螺栓进行加热，质量和工期容易保证。另一种为把合超级螺母，它是在叶片与转臂把合螺栓的螺母上均布较多的预紧螺栓，通过专用工具多次不同力矩把紧预紧螺栓，从而使叶片与转臂之间产生压应力。由于每个叶片与转臂把合的超级螺母较多，每个超级螺母上又布置较多的高强压紧螺栓。受结构限制，超级螺母与叶片枢轴孔的径向空间较小，至枢轴孔轴向边缘距离较长，力矩扳手头无法伸入枢轴孔内施工作业，只有加长专用工具，使专用工具露出枢轴孔边缘，此时专用工具力臂较长，没有辅助工装固定较长的作用力臂，当力矩扳手在作周向转动驱动专用工具时，无法保证力矩扳手与专用工具垂直，施工中极易造成专用工具的损坏，使工程质量、进度受影响，因此需要采取一些特殊方法来完成超级螺母的安装。

2 施工工艺原理

针对大型轴流转桨式水轮机转轮叶片与转臂把合螺母为超级螺母结构的，自行研制及应用一套辅助装置来固定专用工具，辅助装置布置多个导孔，导孔与超级螺母上的预紧螺栓同心，直径大于预紧螺栓0.15~0.20 mm，安装在超级螺母上的预紧螺栓后起定位作用。当专用工具驱动预紧螺栓时，周向剪切力由其他预紧螺栓来承受，较大程度保证大力矩工具与专用工具的垂直度，实现长阻力臂预紧螺栓的安全施工。为减少预紧螺栓施工的人工劳动强度，选择一套液压力矩工具，对液压力矩工具作用力点进行改进，在相邻的超级螺母上设置一个液压力矩工具辅助受力支臂，支臂伸出枢轴上的凹孔，与超级螺母的螺栓为丝扣连接，将液压力矩工具作用力臂（即支点）改长，当液压力矩工具驱动每个超级螺母上的预紧螺栓时，靠后一个超级螺母上的辅助受力支臂为支撑受力点，使液压工具受力均匀，有效保证了超级螺母预紧螺栓施工专用工具的完好率。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

大型轴流转桨式水轮机桨叶把合超级螺母安装工艺流程图见图1。

图1 超级螺母安装施工工艺流程图

3.2 操作要点

3.2.1 施工准备

（1）技术准备。安装前，根据设计图纸及上报批复的桨叶安装专项方案对现场人员进行技术交底。

根据超级螺母的外径尺寸以及每个预紧螺栓的规格、分布圆，设计一套辅助装置，在该装置与叶片枢轴凹孔边缘最低位置平齐，外径小于超级螺母1~2 mm。并根据预紧螺栓的分布设置多个导孔，导孔尺寸大于预紧螺栓0.15~0.20 mm。

根据超级螺母的预紧螺栓力矩值，选择一套液压力矩工具，并对受力作用支点进行改进。

根据超级螺母把合螺栓外径，设计一个液压力矩工具辅助受力支臂，与叶片把合螺栓为螺纹连接，支臂长度满足伸出枢轴孔最高边缘100 mm为易。

（2）生产准备。桨叶超级螺母的安装、拆除施工准备，主要包括施工布置、手动力矩工具的选型、辅助装置工装制作、液压力矩工具的选型，液压力矩工具“辅助受力支臂”的加工等，做好各个相应施工工序的准备工作。

3.2.2 超级螺母结构布置

大型轴流转桨式桨叶靠多颗把合螺栓与转轮臂把合在一起，每个超级螺母及预紧螺栓其结构见图2。

图2 超级螺母及预紧螺栓布置图

3.2.3 预紧螺栓专用工具

根据超级螺母上的预紧螺栓，检查校核专用工具是否满足螺栓强度要求。

3.2.4 辅助装置设计、制作

根据超级螺母把紧“专用工具”的结构尺寸，如采用力矩工具直接套在超级螺母预紧螺栓上来把紧预紧螺栓，专用工具阻力臂较长，在施工过程中一旦力矩工具与专用工具不垂直，瞬间极有可能损坏“专用工具”，因此需要自行设计一套“辅助固定装置”，用来固定阻力臂较长的“专用工具”，已减小力矩工具在旋转预紧螺栓施工过程中的不垂直力矩，辅助固定装置结构详见下图3。

图3 辅助固定装置

3.2.5 液压力矩工具选择

根据超级螺母上的预紧螺栓力矩值要求，选择合适力矩的液压力矩工具。

3.2.6 液压力矩工具改装

（1）液压力矩工具支撑点改进。由于桨叶把合螺栓表面成弧形，而液压力矩工具作用力点为圆周方向，因此需要将圆周方向的作用力臂改成轴向方向受力，将液压力矩工具的作用力点拆除，根据柄上的齿轮结构，配其加工一根套筒，并将尾部用钢管加长延伸，其改装后的结构详见图4。

图4 液压力矩工具作用力点工具改装图

（2）液压力矩工具作用力点转移。由于液压力矩工具作用力臂改成轴向方向后，而相邻的螺栓孔为球面，作用力臂伸长后无周向作用受力支撑点，因此需要设计一个轴向支撑工具作为周向作用受力支撑点。根据桨叶把合螺栓的结构尺寸，设计一套轴向支撑，中空钢结构，把合在超级螺栓的螺纹上，以作为液压力矩工具周向作用受力支撑点。

3.2.7 超级螺母及预紧螺栓安装

（1）超级螺母安装。安装前，先将超级螺母的螺纹和桨叶把合螺栓裸露的螺纹用清洗剂清洗干净，并用细油石清理螺纹表面的毛刺，然后在螺纹上涂抹二硫化钼或凡士林，同时将转轮体内的转臂把合螺栓孔用清洗剂清洗干净，用细油石清理丝扣表面的毛刺。安装完所有把合螺栓后将桨叶吊入对正定位销后安装超级螺母。

（2）超级螺母预紧螺栓安装。当所有桨叶安装完成后开始把紧超级螺母上的预紧螺栓。预紧前首先将“辅助装置”安装在超级螺母上的预紧螺栓上，然后将超级螺母预紧螺栓的“专用工具”从“辅助装置”的导孔内装入，接着在相邻的桨叶把合螺栓上安装“轴向支撑工具”，最后安装“液压力矩工具”，通过液压力矩工具对称、分多次将各个超级螺母上的预紧螺栓把紧，最终达到设计预紧力矩值，详细见图5。

图5 超级螺母及预紧螺栓安装

4 结束语

本工艺通过研制固定阻力臂较长的超级螺母预紧螺栓专用工具的“辅助装置”及采用电动液压力矩工具及改变作用力点等方式，提高了施工效率，保证了力矩工具垂直受力，将专用工具的损耗降到最低，节约了施工成本，为超级螺母预紧螺栓的安装、拆除及检修维护积累了宝贵经验。本工艺已在金沙、草街水电站成功运用，与“专用工具+力矩扳手”紧固工艺相比，保证了螺栓紧固过程中垂直受力且力矩均匀，做到专用工具无损坏，同时大幅提高施工效率，可为类似项目施工提供借鉴经验。