一、引言
湖南省东江水电站位于湖南郴州资兴市湘江支流耒水中上游，电站总装机容量4×125MW，电站原安装4套水轮发电机组。1987年运行以来，各台机组陆续出现叶片裂纹、机组振动明显、导叶漏水增大、密封损坏等问题。经国内外专家反复论证，提出减振改造建议及要求。
二、产品主要参数
改造后 改造前
型号：HLD312-LJ-423.1 HL160-LJ-410
最大水头Hmax=139m 139m
额定水头Hr=125m 118.5m
最小水头Hmin=91m 91m
吸出高度：Hs=-2.7m -2.55m
额定出力：N=145MW 127.6MW
转速：n=166.7r/min 166.7r/min
飞逸转速：n p=355r/min 365r/min
叶片数：Z=15 17
导叶数：Zo=24 24
改造后最高效率不低于 95.03%
改造后尾水管压力脉动 ：不补气时∆H/H不大于3%，部分负荷时∆H/H不大于6%
改造后水轮机顶盖上的垂直振动和径向振动的双振幅：应分别不大于0.10mm和0.12mm
改造后导叶漏水量：水头130m时不超过0.1m3/s
改造后密封漏水量：不超过3l /min
改造后转轮：叶片不产生裂纹，累计运行12000h，空蚀失重不超过6.5kg。
三、改造范围
（一）1#新主轴。2#，3#，4#机原轴改造。（二）转轮装配。（三）导水机构。（四）密封装配。（五）补气装置。（六）基础环。（七）尾水锥管。 （八） 推拉杆和活塞杆联接方式。 （九）接力器活塞及相关件。
四、结构特点
混流式，立轴布置、X形叶片转轮、主轴与转轮采用销套传递扭矩结构、主轴中心孔补气、备用压缩空气补气、导叶设摩擦装置、止漏装置、主轴采用端面密封结构、电站做调相运行，见水轮机剖面图。
（一）主轴与转轮的联接采用螺栓加销套结构
为满足互换性要求，并且安全可靠，主轴与转轮的联接采用联轴螺栓加销套结构。使联轴螺栓单独受拉力而销套单独受剪力，受力状态更为理想。
（二）转轮设计
转轮采用铸焊结构，叶片采用抗磨损、抗空蚀性能优秀的高强度马氏体不锈钢ZG06Cr13Ni5Mo。上冠、下环采用VOD精炼铸造，叶片采用AOD精炼铸造。数控加工保证叶片型线精度。
叶片与上冠、下环焊接坡口为全熔透清根焊缝，并执行严格的装焊工艺，在焊接过程中及最终进行无损检查（MT+PT+UT），确保转轮制造质量。
（三）顶盖和底环
顶盖采用钢板焊接结构，底环铸造结构，因运输需要分半。过流表面都设有15mm厚的不锈钢抗磨板及导叶端面密封结构，与转轮配合段设不锈钢止漏环。在顶盖上设有真空补气阀、测压接口、调相压气管接口，在顶盖上导叶后转轮进口前部位留压缩空气补气管接口。
（四）导叶
新设计负曲率导叶，材质也为具良好的抗磨损、抗空蚀性能的ZG06Cr13Ni5Mo不锈钢。采用电渣熔铸冶炼工艺。
（五）导叶摩擦装置
水轮机剖面图
为保证导叶间被异物卡住剪断销被剪断时，相应导叶不发生左右摆动，避免撞坏相邻导叶或使相邻导叶剪断销剪断，采用导叶摩擦装置。
（六）导叶止推及限位装置
为防止导叶上抬，在导叶臂下部设有端面双向止推自润滑轴承，保证导叶的固定位置。在导叶臂与顶盖上设导叶全关与全开位置限位块，确保导叶不碰叶片和相邻导叶。
（七）导叶端面和立面密封
导叶端面采用橡胶密封，用压板固定在顶盖或底环上，当导叶关闭时密封块向下运动，使橡胶压缩导叶顺利关闭。立面密封采用金属接触密封。
（八）导叶轴套和连杆机构轴套
导叶上、中、下轴颈和连杆机构均采用铜基自润滑轴套，确保导水机构操作更加灵活，使用寿命长，维护方便。
（九）基础环及尾水锥管的修复
为满足新的流道结构要求并修复锥管，要扩开原混凝土基础部位，将原基础环从座环上割去，并部分拆去原锥管。新的基础环分三瓣设计，吊入后与座环对接组圆，在现场焊接并打磨光滑 。新锥管采用16mm厚不锈钢板分瓣制成，，吊入后上与基础环对接组圆焊接，下与原锥管焊接并光滑过渡。
（十）主轴密封
为在较长的运行周期内确保密封工作可靠，并满足调相要求， 工作密封采用水润滑端面密封结构， 具有磨损后自动补偿能力。工作水压0.1～0.3MPa，密封块为耐水耐磨橡胶制成。转环密封面上把合不锈钢板，方便更换，其上设有异形水沟，以满足调相运行时不烧密封的要求。围带检修密封工作压力0.5～0.8MPa。
（十一）主轴中心孔补气.顶盖调相压气管及预留压缩空气补气管
为降低尾水管压力脉动的影响， 新结构在主轴中心设补气管并将补气阀移至发电机顶部，实现自然补气，并设有溢流管。接至集水井。
在顶盖上配有调相压气管接口，在顶盖导叶后及转轮进口前留压缩空气补气管接口，必要时电站可根据情况进行强迫补气。保证机组在各种工况稳定运行。
（十二）接力器
由于导叶翼型及开口变化，电厂需在接力器零部件上作局部修改，以满足要求。
（十三）电机端
补气装置需放至在电机顶端，电厂需在排水管和把合面上作局部改动，以满足要求。
五、实施过程
本机组为改造设计，东江电厂经过论证后提出改造要求，我厂中标前后均作了大量的调查研究工作，并到电厂了解有关设备的情况，但技术资料不全等诸多不确定因素仍影响产品的设计施工，为满足交货周期短的要求。采取的措施主要为：实施同步工程，在模型验收试验尚未完成的前提下，综合运用我公司大中型水电机组成熟經验，查阅相关图纸资料，预出大型铸锻件图供物资采购部门订购铸锻件，按照合同文件和技术协议的要求配合生产制造有计划分阶段实施设计，最终圆满的完成了改造设计的任务。
六、经济效果
电站改造设计是一项技术含量高的，极具挑战性的工作。在满足用户要求的前提下，综合运用成熟经验才能做到快速反应，设计经济合理。本次设计在充分吸取各类机型及各方面建议上作了足够多的工作，在较短的时间内完成了设计任务。高技术含量的设计必将赢来好的收益。同时在电站改造业务上也确立了东方电机的优势和品牌。技术设计时每个分装配都经过优化，主要从以下几方面作了细致的工作：
（一）针对东江电站改造要求研究开发出D312转轮。采用全不锈钢材料，上冠下环VOD铸件，叶片AOD铸件，叶片数控加工。
（二）增加主轴中心孔补气装置。
（三）预留顶盖减振压缩空气补气接口以改善其运行稳定性。
（四）水轮机出力增加至145MW。
（五）对传统主轴密封结构做了改进。
（六）顶盖底环过流表面铺不锈钢抗磨板。
（七）增加了导叶端面密封。
（八）采用导叶止推装置。
（九）采用导叶摩擦装置。
（十）更换了加长的基础环。
（十一）变更了尾水锥管等。
（十二）重新设计联轴方式，充分利用电厂现有资源，将运输和工地加工费用降至最低。
七、结语
本次设计在充分吸取各类机型及各方面建议的基础上作了足够多的工作，圆满的完成了设计任务。目前，所有改造机组均已并网发电，用户反映改造效果良好，为以后改造机组的设计、生产提供了一定的指导依据。
参考文献：
[1]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].北京：机械工业出版社，1976.
[2]闻邦椿主编 .机械设计手册第5版[M].北京：机械工业出版社，2010.
[3]黄莉，李立，金守迁.老挝赛德水电站39MW水轮机设计[R].四川成都：东方电气评论，2013.
