地洛電站50MW混流式水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計

張小剛，鄧佑林，王繼娥

（東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

地洛電站50MW混流式水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計

張小剛，鄧佑林，王繼娥

（東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

地洛電站裝設(shè)的2臺單機容量50MW的水輪發(fā)電機組，是東方電機設(shè)計制造的水頭較高的混流式機組。本文介紹了地洛水輪機的基本性能要求和結(jié)構(gòu)特點。

地洛電站；水輪機；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 概況

地洛水電站位于四川省涼山州布拖縣和金陽縣境內(nèi)的金沙江一級支流西溪河干流上，是西溪河干流梯級開發(fā)的第四個梯級電站，為閘壩引水式電站。水庫正常蓄水位1217.00m，總庫容272萬m3，調(diào)節(jié)庫容27萬m3，具有日調(diào)節(jié)能力。工程所在的西溪河為不通航河流，距離最近的火車站為西昌站，距離為171km，工程壩址區(qū)距布拖縣57km，布拖距西昌市114km。

電站設(shè)計水頭286.0m，水頭范圍為285.40～318.00m，額定引用流量39.3m3/s，裝設(shè)2臺50MW混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為100MW，多年平均年發(fā)電量為44557億kW·h，年利用小時數(shù)為4456h。

本電站按“無人值班”（集中監(jiān)控）原則設(shè)計，采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

2 水輪機的基本技術(shù)參數(shù)

3 水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

地洛水電站水輪機的最大特點就是水頭高，機組轉(zhuǎn)速高，在設(shè)計中重點要考慮由此帶來的可靠性和穩(wěn)定性問題。

地洛電站過機泥沙含量較大，泥沙硬度高，且由于電站水頭較高，使流道內(nèi)流速較高，因此，泥沙對通流部件的磨損不容忽視，鑒于此，水輪機在耐磨材料及耐磨護面層選擇、以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，采取了一系列有效的抗磨措施，以保證水輪機大修間隔不低于5年，并保證空蝕及磨損破壞程度低于合同要求。水輪機的空蝕及磨損破壞主要來源于轉(zhuǎn)輪和導葉等過流部件，這些部件正是我們設(shè)計中重點關(guān)注的，以下簡單介紹水輪機的結(jié)構(gòu)。

水輪發(fā)電機組為立軸混流式，旋轉(zhuǎn)方向為俯視順時針。水輪機軸與發(fā)電機軸通過聯(lián)軸螺栓直接聯(lián)接。水輪機主要部件有：金屬尾水管、金屬蝸殼和座環(huán)、導葉、頂蓋、底環(huán)、導葉操作機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、主軸、軸承裝配、密封裝配、接力器裝配、安裝工具及管路等水輪機剖面圖見圖1，水輪機平面圖見圖2。

圖1 水輪機剖面圖

圖2 水輪機平面圖

3.1 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪直徑1800mm，有17個葉片。采用鑄焊結(jié)構(gòu)，上冠、下環(huán)材質(zhì)均為不銹鋼ZG0Cr16Ni5Mo，采用VOD超低碳精煉的鑄造工藝，因此轉(zhuǎn)輪具有良好的抗空蝕和抗磨損性能，葉片為不銹鋼0Cr16Ni5Mo鋼板模壓后數(shù)控加工。上冠、葉片、下環(huán)出廠表面硬度不低于HB300，轉(zhuǎn)輪各過流表面粗糙度不超過1.6m、葉片根部表面粗糙度Ra≤3.2m。為減少機組容積損失，轉(zhuǎn)輪的上冠采用梳齒式止漏環(huán)，下環(huán)采用階梯式止漏環(huán)。通過這些設(shè)計及制造方面的控制措施，可以預期，轉(zhuǎn)輪在將來的運行中抵抗磨蝕的能力將大大提高。

轉(zhuǎn)輪與主軸采用銷套方式傳遞扭矩，具有互換性。聯(lián)軸螺栓用液壓拉伸器進行預緊，可比較精確地控制預緊力。

轉(zhuǎn)輪上部裝有可更換的不銹鋼材質(zhì)的泵板裝置轉(zhuǎn)輪設(shè)計特點：

（1）合理選取上冠、下環(huán)厚度。上冠、下環(huán)厚度的選取值太厚，浪費昂貴的不銹鋼材料；太薄，則影響剛度，裝焊時會產(chǎn)生較大變形；

（2）合理設(shè)計泵板關(guān)系到無接觸金屬密封的成敗考慮到泵板是一個易磨損件，采用螺釘把合結(jié)構(gòu)以方便更換；

（3）止漏環(huán)的設(shè)計關(guān)系到水輪機的穩(wěn)定運行，是高水頭轉(zhuǎn)輪的重點之一。必須仔細考慮止漏環(huán)梳齒的數(shù)量、寬度、長度（深度）、位置、間隙等。為使上冠下環(huán)受力基本平衡，上、下止漏環(huán)的位置應基本位于同一圓柱面上。

3.2 主軸

水輪機主軸采用雙法蘭空心薄壁軸，材質(zhì)為20SiMn低合金鋼整鍛。水輪機軸與發(fā)電機軸采用螺栓連接，用4個徑向銷傳遞扭矩；水輪機軸與轉(zhuǎn)輪亦采用螺栓連接，靠銷套傳遞扭矩。上下兩組聯(lián)軸螺栓均不承受剪切力。為簡化結(jié)構(gòu)，本機未設(shè)置法蘭護罩，但為了保護聯(lián)軸螺栓的外露螺紋免受泥沙磨損（此段螺紋供預緊拉伸用），在每個螺栓上端配有尼龍護套。

主軸設(shè)計特點：

（1）本機主軸與轉(zhuǎn)輪采用銷套傳遞扭距，可以滿足主軸與轉(zhuǎn)輪的互換性要求。

（2）聯(lián)軸螺栓采用液壓拉伸器預緊，以避免在高預緊應力下發(fā)生螺紋咬死現(xiàn)象。

（3）聯(lián)軸螺栓材質(zhì)為鍛鋼34CrNiMo，屈服極限Ts≥800MPa，預緊應力取400MPa，此時圓螺母對主軸法蘭面的擠壓應力（σg）為255MPa，即可以可靠地預緊，又不致使主軸法蘭局部產(chǎn)生永久塑性變形

（4）由于法蘭結(jié)合面摩擦力只與正壓力和摩擦系數(shù)有關(guān)，因此本機主軸法蘭結(jié)合面與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比明顯偏小，這樣既可以使螺栓分布圓兩側(cè)把合面受力均勻，又可以減少把合面加工難度。另外適當加大了螺栓分布圓直徑，在相同的摩擦力下，可以獲得更大的摩擦扭矩。

3.3 頂蓋、底環(huán)

頂蓋采用Q235B鋼板焊接結(jié)構(gòu)，其剛度可以保證頂蓋在水輪機充水運行時，導葉分布圓處頂蓋上抬量小于合同規(guī)定值。安裝檢修時可整體從機坑上方吊入。

底環(huán)采用厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)，以增大其整體剛度，防止充水后變形。

頂蓋、底環(huán)過流面堆焊8mm不銹鋼抗磨層，頂蓋、底環(huán)上設(shè)有鎳鋁青銅鑄造的固定止漏環(huán)，頂蓋止漏環(huán)為梳齒式，底環(huán)止漏環(huán)為階梯式，均為螺栓把合。導葉軸套采用進口的ThorPlas非金屬自潤滑軸承；導葉中、下軸頸處設(shè)有防泥沙保護裝置及O型橡膠密封圈防止漏水。采用嵌入式導葉端面密封，結(jié)構(gòu)簡單。

頂蓋設(shè)有降低頂蓋下腔壓力的排水結(jié)構(gòu)，排水腔設(shè)置在止漏環(huán)后面，通過轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)梳齒的漏水，由5根φ80排水管引出至尾水管，以減輕轉(zhuǎn)輪的軸向水推力。

底環(huán)的導葉軸孔設(shè)有排水管路，防止導葉上浮。頂蓋、底環(huán)設(shè)計特點：

（1）頂蓋、底環(huán)剛度大。

（2）底環(huán)止漏環(huán)設(shè)計為自上而下把合結(jié)構(gòu)，更方便加工和裝拆。

（3）頂蓋、底環(huán)止漏環(huán)大致位于同一直徑上，因此作用在頂蓋、底環(huán)上的水壓力近似相等，使座環(huán)受力平衡。

（4）為減小水推力，同時也為了給轉(zhuǎn)輪上的泵板讓出空間，頂蓋止漏環(huán)比底環(huán)止漏環(huán)稍向外偏移了一定距離。最多可減少水推力約50t。

（5）頂蓋排水管以前的設(shè)計是直接焊在頂蓋過流面環(huán)板上，這樣在機組運行過程中，由于水力振動，可能造成排水管因焊縫疲勞破壞而漏水，久而久之可能會影響機組的安全運行。在本機設(shè)計中，改為在頂蓋上設(shè)置排水箱，排水管焊在排水箱上。通過排水箱減振后，可以有效地保護排水管的焊縫。

3.4 控制環(huán)

控制環(huán)采用Q235B鋼板焊接而成，整體直接放置在頂蓋上。利用水導軸承法蘭作為控制環(huán)壓板，防止控制環(huán)在操作時跳動?？刂骗h(huán)的導向抗磨板采用具有自潤滑性能的復合材料，用螺釘把合在控制環(huán)上。

3.5 導水機構(gòu)裝配

導葉數(shù)量為20個，采用負曲率偏心大圓盤結(jié)構(gòu)，具有自關(guān)閉趨勢。導葉開口設(shè)計了一定的裕量，以便水輪機運行后有一定超功率發(fā)電能力。導葉采用不銹鋼ZG06Cr16Ni5Mo整體鑄造，有較好的抗空蝕、抗磨損性能。導葉采用三支點結(jié)構(gòu)，導葉軸瓦采用具有自潤滑性能的復合材料，分別置于底環(huán)和頂蓋導葉軸孔內(nèi)。導葉立面密封為金屬線接觸密封，導葉端面密封為嵌入在導葉瓣體端面內(nèi)的青銅塊加橡膠條密封，這里的橡膠條僅起到彈簧的作用。為減少關(guān)機時的漏水量和空蝕磨損，因此要求導葉端面密封間隙足夠小。

每個導葉均設(shè)有剪斷銷裝置，剪斷銷裝有電氣信號報警裝置，當剪斷銷剪斷時，能自動報警。

導葉臂與導葉之間采用圓錐銷傳遞扭矩。導葉臂設(shè)有全關(guān)、全開位置限位裝置，當剪斷銷剪斷時導葉不會互撞或碰撞轉(zhuǎn)輪。

導葉連桿采用平板式結(jié)構(gòu)。控制環(huán)與接力器聯(lián)接的推拉桿采用M80X3螺紋聯(lián)接。導水機構(gòu)在廠內(nèi)預裝。

導水機構(gòu)設(shè)計特點：

（1）新型導葉軸頸防沙結(jié)構(gòu)。導葉軸頸根部泥沙磨損是高水頭多泥沙機組的常見現(xiàn)象，此處的磨損甚至比導葉瓣體的磨損更為嚴重。本機采用O型橡膠圈和密封壓板組合方式以期解決這一難題。其中Φ8mm的橡膠圈相當于一根彈簧的作用，將密封壓板壓向?qū)~，使密封壓板緊緊地壓在導葉端面，從而阻止泥沙的進入。O型橡膠圈的壓縮量不宜太大，如果太大，將引起導葉關(guān)閉困難。密封壓板與導葉軸孔的配合公差很重要，既要使壓板上下滑動，又要防止泥沙進入。壓板的材料在以前的機組中曾使用了高強度耐磨尼龍，實踐證明該材料吸水率大，尺寸難以控制。本機采用的是合成稀土金屬化合物通過特殊的合成工藝制造而成的均質(zhì)聚合物（華-MGE），其吸水率小于0.03%，這種材料具有低摩擦系數(shù)（0.05～0.10）、高的耐磨性、良好的彈性及自恢復性等特點。

（2）導葉軸套采用進口的ThorPlas非金屬自潤滑軸承。這種軸承有下述優(yōu)點：

a.吸振性能好，吸振性能是金屬軸承的21倍對于高水頭機組，這點尤為重要；

b.均質(zhì)環(huán)保，在高沖擊情況下不產(chǎn)生脫層；

c.摩擦系數(shù)低，具有自潤滑功能，動摩擦系數(shù)0.10～0.15；

d.耐磨性好，使用壽命是金屬復合瓦、層壓板的2倍以上；

e.耐腐蝕，在大部分腐蝕性溶液中不腐蝕。

（3）底環(huán)導葉軸孔設(shè)置排水措施，防止導葉上浮，取消了導葉止推裝置。導葉臂厚度減薄，同時也減短了導葉軸的長度。

（4）在導葉中軸頸上部設(shè)置了單向一個防塵圈，此舉可有效防止臟水、泥沙等進入導葉中軸孔，損壞軸套。

3.6 軸承裝配

水導軸承采用稀油潤滑油浸式筒式軸承。軸瓦分兩瓣。水導軸承采用L-TSAAR32透平油。

軸瓦合金采用巴氏合金材料，軸瓦內(nèi)徑在廠內(nèi)與主軸配加工間隙，在電站安裝不需刮瓦，軸瓦中裝有4只WZP-269型單支鉑熱電阻測溫計，軸瓦報警溫度為70℃，停機溫度為75℃。另有1只相同型號的測溫電阻用于監(jiān)測油溫，油溫不超過60℃。

軸承冷卻器冷卻水管為雙金屬擠片式，位于軸承體下面。軸承冷卻器為雙向進水式，并能正、反向工作。冷卻水壓為0.15～0.30MPa，試驗壓力0.8MPa。軸承上設(shè)有二個觀察窗和一個目測油位計，可觀察軸承的運行情況和油位。

3.7 主軸密封

主軸密封由工作密封和檢修密封兩部分組成。

工作密封采用轉(zhuǎn)輪泵板加金屬無接觸間隙密封形式，結(jié)構(gòu)簡單可靠，不需要潤滑和冷卻。其動環(huán)為不銹鋼材料，具有較好的抗磨損和抗腐蝕性能。動環(huán)裝在主軸上，一般不再拆卸；定環(huán)把合在密封座上，為防止運行中動環(huán)、定環(huán)相碰研傷，定環(huán)密封面澆注一層巴氏合金材料。在定環(huán)上開有四道迷宮槽，其中最上部兩道迷宮槽分別與2根排水管道連通，保證將少量泄漏水自流排至集水井。在密封面下段設(shè)有起到減壓作用的鋸齒狀迷宮環(huán)。該套密封裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可保證頂蓋內(nèi)基本無漏水。

檢修密封為置于主軸工作密封下方的空氣圍帶，充、放氣自動控制，氣壓為0.5～0.7MPa。在機組檢修時使用。

主軸密封設(shè)計特點：

（1）本機主軸密封為應用于高水頭、多泥沙電站水輪機的成熟結(jié)構(gòu)，運行效果比較理想，在機組運行時工作密封基本無漏水。

（2）檢修密封空氣圍帶采用了在中小型高水頭機組常用的心型結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的圓斷面結(jié)構(gòu)相比，由于密封面相當于一個圓錐面，其密封效果更好。

3.8 接力器裝配

水輪機裝有兩臺直缸液壓接力器，操作油壓6.3MPa。接力器缸為厚壁無縫鋼管。活塞采用球墨鑄鐵材料，以有效防止安裝及運行過程中偶發(fā)的研缸現(xiàn)象，活塞上設(shè)置兩道GSF孔用方形圈，該孔用方形圈由一個抗磨的聚四氟乙烯（PTFE）環(huán)和O型密封圈組成。經(jīng)過實踐證明，其密封效果遠遠好于以前的鑄鐵活塞環(huán)，可有效防止接力器內(nèi)兩腔之間的竄油。接力器采用推拉式對稱布置形式。

其中一個接力器上設(shè)置有一套液壓機械鎖錠裝置，在導葉處于關(guān)閉位置時，鎖錠閘頭依靠自重可自由落下鎖住接力器，以防止導葉被水沖開或誤動作機組啟動前，鎖錠閘頭的拔出通過在鎖錠缸下腔通入壓力油來實現(xiàn)。

接力器還設(shè)有一套節(jié)流裝置（單向節(jié)流閥），以便在導葉接近關(guān)閉位置時放慢關(guān)閉速度，防止導葉撞擊。

在另一個接力器上設(shè)置有一套手動插板式機械鎖錠裝置，在機組檢修時手動投入，可將接力器鎖在全開位置，此時導葉處于全開狀態(tài)，以便檢修時流道內(nèi)通風透氣。

3.9 尾水管裝配

尾水管分為錐管上段、錐管下段、肘管、擴散段等4段。錐管上、下段為圓形斷面，肘管為橢圓形斷面，擴散段為圓方形斷面。尾水管均采用Q235B鋼板。外部焊有足夠強度的加強筋，且布置在分節(jié)焊縫處，既可以作為焊縫的背板，又可以起到加強焊縫的作用。在肘管的上部+X、-X兩側(cè)各布置有一套支架，可以將肘管架設(shè)在正確的位置上，比以往的旋套拉桿更牢固、可靠。

在其它安全穩(wěn)定的作用下，無其它尾水管錐管分為上段和下段，借鑒了國內(nèi)外高水頭機組的典型結(jié)構(gòu)形式，即錐管懸空結(jié)構(gòu)，所謂懸空就是電站安裝后，錐管周圍不與混凝土接觸，而是留有一定距離的間隙。錐管下段的下游側(cè)帶有伸縮節(jié)，與肘管采用浮動式聯(lián)接。在機組運行中隨著負荷變化及水流擾動能夠自由伸縮，因此有效減小了傳遞到尾水管肘管及地基上的來自水輪機垂直方向的作用力。

采用這種浮動式錐管結(jié)構(gòu)更適合高水頭電站這種結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點：

（1）如果以后尾水管磨損嚴重，可以方便更換。

（2）可以在底環(huán)軸孔下部布置平壓排水結(jié)構(gòu)（以往是底環(huán)把合孔處布置），防止導葉上浮，進而減少一套導葉止推裝置，簡化結(jié)構(gòu)。

（3）可以方便測量下止漏環(huán)間隙。

3.10 蝸殼與座環(huán)

蝸殼采用全圓形斷面。設(shè)計時按蝸殼能單獨承受機組運行時的最大可能壓力考慮。在廠內(nèi)制造時，蝸殼與座環(huán)組焊后進行水壓試驗。蝸殼與座環(huán)在廠內(nèi)焊接加工完畢，整體運往工地。蝸殼在工地采用保壓方式澆灌混凝土。

座環(huán)采用無蝶形邊的平行式焊接結(jié)構(gòu)，其上、下環(huán)板采用Q345B-Z35抗層狀撕裂鋼板，20個固定導葉材料采用高強度鋼板NK-HITEN610U。

蝸殼與座環(huán)的設(shè)計特點：

（1）在有限元剛強度計算分析時發(fā)現(xiàn)：在蝸殼打壓工況下，座環(huán)固定導葉頭部應力偏高；在最大水頭運行工況下，座環(huán)固定導葉尾部應力偏高，為保證運行的安全性同時考慮到抗磨蝕性能，將固定導葉的材料確定為高強度鋼板NK-HITEN610U。

（2）蝸殼厚度是按ASME規(guī)程給出的公式進行計算，計算條件為在最大水頭318m下，蝸殼應力不超過1/3材料屈服極限，且厚度包含了2mm的銹蝕裕量。

4 結(jié)語

地洛電站地處少數(shù)民族偏遠地區(qū)，電站水頭高機組轉(zhuǎn)速高，在水輪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，針對電站的具體情況和設(shè)計中遇到的難點和疑點，我們參考了國內(nèi)外有關(guān)機組的設(shè)計經(jīng)驗，收到了一定的效果。

地洛電站的兩臺機于2009年12月先后投入商業(yè)運行，機組的各部位振動、擺度及溫度等各項指標均達到國標規(guī)范及設(shè)計要求。

隨著目前國內(nèi)高水頭水電站的開發(fā)，高水頭混流式水輪發(fā)電機組的應用市場會越來越大，作為一個水頭較高的混流式水輪發(fā)電機組，地洛機組的成功投運定會為我國的電力建設(shè)事業(yè)做出更大的貢獻。

TV734.1

B

1672-5387（2013）05-0012-05

2013-04-10

張小剛（1979-），男，工程師，從事水輪機設(shè)計工作。