向家壩巨型水輪發(fā)電機組特點及安裝

林太舉

（三峽發(fā)展向家壩機電安裝監(jiān)理部，四川 宜賓 644612）

向家壩巨型水輪發(fā)電機組特點及安裝

林太舉

（三峽發(fā)展向家壩機電安裝監(jiān)理部，四川 宜賓 644612）

闡述了向家壩巨型水輪發(fā)電機組特點，并吸收了國內(nèi)外許多水輪發(fā)電機組設(shè)計、制造、安裝、運行的經(jīng)驗教訓(xùn)，論述一些重要技術(shù)問題，作為拋磚引玉，供水輪發(fā)電機組設(shè)計、制造、安裝、運行工程人員參考。

向家壩；巨型機組；特點；重要技術(shù)

1 向家壩水輪發(fā)電機組特點

1.1 容量特大

綜觀當(dāng)今世界，各國大機組如下表1：

表1

1.2 向家壩左右岸機組參數(shù)（見表2）

1.3 左右岸機組結(jié)構(gòu)特點

向家壩左右岸水輪機均為立軸混流式，帶有金屬蝸殼和彎肘型尾水管。水輪機主軸與發(fā)電機主軸剛性直聯(lián)，水輪機旋轉(zhuǎn)方向為俯視順時針。左岸壩后廠房采用單機單管引水，尾水管采用單機單管布置。右岸地下廠房進水口采用岸塔式進水口，單機單管引水，尾水管采用單機單管布置，城門洞型截面，兩洞合一后接兩條變頂高尾水隧洞。

座環(huán)：左右岸座環(huán)均為組焊結(jié)構(gòu)，由上環(huán)板、下環(huán)板、固定導(dǎo)葉、上過渡板、下過渡板、舌板、圓筒、上下密封環(huán)等部件組成。座環(huán)下部與基礎(chǔ)環(huán)連接，上部與機坑里襯連接，圓周方向與蝸殼相連。座環(huán)固定導(dǎo)葉28個（右岸）、24個（左岸）圓周均布。右岸+Y方向布置5個中心孔導(dǎo)葉，其內(nèi)部設(shè)有Φ60的排水管路；左岸+Y偏+X方向布置有5個中心孔導(dǎo)葉，其內(nèi)部設(shè)有Φ50的自流排水管路，用于頂蓋自流排水。固定導(dǎo)葉高2658mm（右岸）、2895mm（左岸）。座環(huán)總重約 290T（右岸）、450T（左岸），分四瓣（右岸）、六瓣（左岸）運往工地，在工地進行組圓焊接，然后整體吊入機坑。

表2

蝸殼：蝸殼為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，鋼板厚度從25～74mm不等。蝸殼共9節(jié)（左岸）、13節(jié)（右岸），進口直徑Ф12200（左岸）、Ф11400（右岸），厚度 54mm（左岸）、57mm（右岸），承受最大內(nèi)壓 1.58M P a（左岸）、1.54M P a（右岸）。左右岸均設(shè)有1個Ф800內(nèi)開式進人門，1個Ф800的下拆式蝸殼排水閥，技術(shù)取水口設(shè)置在蝸殼進口段（第一節(jié)上），自蝸殼腰線向下45°處，取水口尺寸D N 600，引水管D N 500，取水口設(shè)置不銹鋼攔污柵。

機坑里襯：為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，材料為 Q 235-B，鋼板厚度為20mm，右岸電站尺寸為Ф13400×8141、左岸為Ф13500×7467.5，分3節(jié)，每節(jié)分2瓣，工地組焊。機坑里襯上設(shè)有接力器坑襯、冷卻器坑襯、壁燈盒及穿線管、進人通道、排風(fēng)通道等。

導(dǎo)水機構(gòu)：由過流部件、導(dǎo)葉操作機構(gòu)和接力器及其附件等組成。過流部件包括基礎(chǔ)環(huán)、底環(huán)、座環(huán)、活動導(dǎo)葉、頂蓋及其附件。導(dǎo)葉操作機構(gòu)包括拐臂、連桿、控制環(huán)、推拉桿、連接銷及其附件?；顒訉?dǎo)葉采用不銹鋼鑄焊結(jié)構(gòu)，端部為金屬橡膠組合式密封，立面為剛性密封。導(dǎo)葉為3支點自潤滑軸承支承，1個在底環(huán)，另2個在頂蓋中。設(shè)置24個（左岸）、28個（右岸）導(dǎo)葉。導(dǎo)葉從全開到接近空載位置范圍內(nèi)具有水力矩自關(guān)閉特性。導(dǎo)葉保護裝置，均采用剪斷銷結(jié)構(gòu)。導(dǎo)葉限位裝置：（1）連接板與導(dǎo)葉臂之間設(shè)有摩擦裝置，摩擦裝置為銅套夾緊式，摩擦裝置產(chǎn)生的摩擦力矩大于導(dǎo)葉水力矩，它的作用是當(dāng)剪斷銷剪斷后，導(dǎo)葉在水流中不來回漂擺。如果在任何一對導(dǎo)葉之間有障礙物，該裝置不妨礙控制環(huán)向開或關(guān)方向運動；（2）每個導(dǎo)葉均設(shè)置全開全關(guān)限位塊，當(dāng)剪斷銷剪斷后，導(dǎo)葉不會碰到轉(zhuǎn)輪、固定導(dǎo)葉及相鄰導(dǎo)葉，限位塊焊在頂蓋上，限位塊上鑲有減震墊；（3）設(shè)置止推壓板，防止導(dǎo)葉上浮。導(dǎo)葉接力器均設(shè)有2個油壓操作、雙作用、液壓直缸接力器，通過導(dǎo)葉操作機構(gòu)來操作導(dǎo)葉。接力器位于水車室的接力器坑內(nèi)，操作接力器的壓力油由調(diào)速系統(tǒng)的油壓裝置供給，其額定工作油壓為6.3M P a。

頂蓋：均采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，左岸頂蓋外型尺寸為外徑Φ12900mm，最大高度2670mm；右岸頂蓋外型尺寸為外徑Φ13100mm，最大高度2288mm。頂蓋與座環(huán)采用法蘭把合（左岸，其配合面通過特制機床在現(xiàn)場加工）、調(diào)整墊（右岸，小圓墊片經(jīng)精密加工均勻分布在配合面圓周）結(jié)構(gòu)。頂蓋分4瓣制造，具有足夠的強度和剛度。頂蓋與轉(zhuǎn)輪上冠配合處設(shè)有焊接的可更換的固定止漏環(huán)，材料為0C r 13N i 5M o。為測量導(dǎo)葉及上冠處壓力設(shè)有測壓管；為安裝和檢修方便在頂蓋上止漏環(huán)處設(shè)有測量孔供測量止漏環(huán)間隙用。為減少轉(zhuǎn)輪上冠的向下推力及頂蓋的水壓力，在頂蓋上設(shè)有與水輪機轉(zhuǎn)輪上腔相通的平壓管，平壓管出口引至尾水管擴散段，左岸設(shè)有8-Φ377的平壓管；右岸設(shè)有6-Φ350的平壓管。頂蓋平壓管與機坑連接采用不銹鋼波紋管膨脹節(jié)型式，壓力等級為1.6M P a。頂蓋設(shè)置2臺用電動機驅(qū)動的排水泵（潛水泵）及其控制箱，以便在空心固定導(dǎo)葉排水受阻時排除頂蓋內(nèi)的積水，其中1臺工作，另1臺備用。

水導(dǎo)軸承：均采用無軸領(lǐng)、稀油潤滑、強迫外循環(huán)冷卻、具有巴氏合金表面的分塊瓦式結(jié)構(gòu)。導(dǎo)軸承能安全地承受在最大飛逸工況和各種極端工況下不小于5min所引起的溫度、應(yīng)力、振動和磨損。軸承間隙均采用斜楔調(diào)整，具有堅固、耐用，加工和調(diào)整方便，而且軸承間隙調(diào)好后，能保持穩(wěn)定不松動。軸承的潤滑油能在主軸旋轉(zhuǎn)的作用下通過軸瓦作自循環(huán)。水導(dǎo)軸承直徑4000mm，軸瓦12塊。軸承設(shè)計間隙為0.3mm（單邊），油槽油量3.5m3。軸承冷卻系統(tǒng)設(shè)置4個（右岸）、3個（左岸）冷卻器，布置在水輪機機坑里襯凹槽內(nèi)。冷卻器有足夠的備用冷卻容量，允許對其中的一個冷卻器進行保養(yǎng)或檢修，不致使溫度超過報警限制溫度。在冷卻水中斷的情況下，運行30min而不損壞軸瓦。

主軸密封：工作密封采用自補償型靜壓自調(diào)節(jié)式軸向密封。工作密封能在不拆卸主軸、水輪機導(dǎo)軸承、導(dǎo)水機構(gòu)和管路系統(tǒng)的情況下進行檢查、調(diào)整和更換密封元件。在整個使用期間，對磨損可以進行自動調(diào)整，并設(shè)置密封磨損位移傳感器，當(dāng)密封磨損量超量時可自動報警。工作密封由固定環(huán)和轉(zhuǎn)動環(huán)組成，固定環(huán)為高分子聚合物，轉(zhuǎn)動環(huán)采用不銹鋼抗磨環(huán)（安裝在轉(zhuǎn)輪上冠處，隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)）。工作密封元件保證至少能運行40000h或5年而不用更換。主軸密封主供水源為廠內(nèi)清潔水，備用水源來自于蝸殼取水，經(jīng)減壓、過濾后接入主軸密封。在機組停機時，為防止水進入頂蓋，在工作密封下方設(shè)置充氣圍帶檢修密封，密封型式為充氣圍帶式（橡膠）；密封氣壓為0.5～0.8M P a，金屬軟管供氣；檢修密封裝置上設(shè)置防止機組在密封充氣的情況下啟動的壓力開關(guān)。

轉(zhuǎn)輪：為組焊結(jié)構(gòu)，上冠、下環(huán)和葉片均采用抗空蝕、抗磨損并具有良好焊接性能的不銹鋼材料制造。上冠為整體鑄造；每個葉片采用鑄造，經(jīng)五軸數(shù)控車床加工；下環(huán)用鋼板卷焊或分瓣鑄造。向家壩水輪機轉(zhuǎn)輪均在制造廠整體組焊，靜平衡試驗合格后運至工地。轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)上部均設(shè)置有止漏環(huán)，止漏環(huán)為與上冠下環(huán)一體結(jié)構(gòu)，直接在上冠、下環(huán)外圓加工成型。轉(zhuǎn)輪上冠不設(shè)泄水孔，在頂蓋上設(shè)置平壓管。

補氣系統(tǒng)：為了滿足水輪機在部分負(fù)荷工況下穩(wěn)定運行的要求，通過發(fā)電機上端軸頂部向轉(zhuǎn)輪下方補入自然空氣的補氣系統(tǒng)；并在頂蓋、底環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)上預(yù)留補壓縮空氣的管道，供將來必要時采用。主軸中心孔自然補氣系統(tǒng)由進氣管、補氣閥、補氣管、逆止閥、消音裝置等組成。補氣閥為氣緩沖、自潤滑結(jié)構(gòu)；補氣管為插入式結(jié)構(gòu)，補氣管出口伸至轉(zhuǎn)輪下環(huán)底部，出口部分可以單獨抽出；補氣閥設(shè)有兩根D N 450補氣管和一根D N 300排水管。為防止高尾水位時尾水從大軸中心補氣管大量溢出，保證機組安全運行，在補氣系統(tǒng)設(shè)有浮球閥，浮球閥過流面積與補氣管相匹配，并設(shè)有緩沖裝置防止浮球閥在運行過程中快速上下串動。

上機架：帶有徑向支撐的斜支臂型機架，由中心體和20個斜支臂等部件組成。上導(dǎo)軸承采用自潤滑、油浸、分塊瓦、巴氏合金瓦，上導(dǎo)軸承共有10塊瓦，上導(dǎo)單邊間隙0.38±0.02mm。上導(dǎo)瓦固定方式為支撐板及瓦背徑向銷。上導(dǎo)油冷卻器采用管式冷卻器，位于上導(dǎo)油槽內(nèi)擋油桶底板上，由兩瓣組圓而成，每瓣由16根不銹鋼管組成，管內(nèi)通過上導(dǎo)冷卻水進水管注入冷卻水，對油槽的油進行冷卻。上導(dǎo)油槽底部和上部安裝有密封蓋板，形成密封腔，通過管路連接至上導(dǎo)油霧吸收裝置，形成上導(dǎo)油霧吸收系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)子：主要由圓盤支架、磁軛和磁極、制動環(huán)等部件組成。轉(zhuǎn)子上部與上端軸相連，下部與發(fā)電機軸相連，聯(lián)接方式均為法蘭連接，轉(zhuǎn)子支架為斜支臂結(jié)構(gòu)，由1個整體中心體和 14（右岸）、16（左岸）支臂組成。在安裝場進行轉(zhuǎn)子支架的組裝焊接、磁軛疊片組裝和磁極掛裝。轉(zhuǎn)子外徑為18940mm（右岸）、19342mm（左岸），轉(zhuǎn)子磁軛高度為3580±2mm（右岸）、3300±5mm（左岸），整體的轉(zhuǎn)子重量為1850t（右岸）、2015.96t（左岸）。磁軛由4mm厚的經(jīng)鈍化處理的高強度硅鋼片在現(xiàn)場疊裝而成，熱套在轉(zhuǎn)子支架外側(cè)，并用鍵固定，在磁軛下部設(shè)有制動環(huán)。轉(zhuǎn)子中心體由上下法蘭、加強筋廠家焊接、精加工而成。采用斜支臂結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子的重要特點，發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子中心體向外呈斜支臂結(jié)構(gòu)的支臂連接扇形轉(zhuǎn)子支架，組焊后形成斜支臂結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子支架。斜支臂結(jié)構(gòu)設(shè)計具體突出的優(yōu)點：分解支臂受力，將傳遞到基礎(chǔ)的熱膨脹力降低到最??；在圓周方向產(chǎn)生微小旋轉(zhuǎn)和彈性，補償拉伸應(yīng)力，避免應(yīng)力顯著增大。

定子：由定子機座（包括定子鐵芯支撐環(huán)、20個垂直的斜元件、垂直筋板以及機座外壁等）、鐵芯（硅鋼片、齒壓板、齒壓條、壓緊螺栓等組成）定子繞組及空氣冷卻器等組成。定子為斜支臂的機座結(jié)構(gòu)，鐵芯由0.5mm厚的硅鋼片疊裝而成，并用穿心的壓緊螺桿進行壓緊，定子線棒為雙層布置嵌入鐵芯的槽中。定子的最大外徑為22028mm（右岸）、21800mm（左岸），定子機座高度為6325mm（右岸）、6315mm（左岸），定子鐵芯內(nèi)徑為19000mm（右岸）、19410mm（左岸），定子鐵芯的高度為 3490mm（右岸）、3250mm（左岸）。定子機座分成5瓣運至現(xiàn)場。機座共有八層環(huán)板組成，其中最下面一層環(huán)板為定子鐵芯的基礎(chǔ)板，其厚度為50mm，在該層環(huán)板上安裝定子下齒壓板，作為定子鐵芯的疊裝基礎(chǔ)面。定子機座圓周靠定子鐵芯環(huán)板側(cè)均勻布置189根（右岸）、210根（左岸）定子定位筋，定位筋為“鴿尾型”定位筋，定位筋將定子機座圓周均勻等分，定位筋通過托塊固定在定子機座上，其主要作用是定位定子鐵芯。鐵芯在工地以1/3的疊片方式交錯疊裝，以形成1個整體連續(xù)的鐵芯。頂部和底部的疊片組在工廠由5mm厚粘連在一起的硅鋼片疊成，形成一個堅固的圓環(huán)。鐵芯由0.5mm厚的優(yōu)質(zhì)硅鋼片疊裝而成，定子鐵芯共分為72小段（右岸）、70小段（左岸）。為了保證鐵芯受壓均勻，在疊片過程中，要對鐵芯進行中間壓緊。鐵芯的壓緊采用制造廠提供的液壓工具進行，壓力通過壓緊板、非磁性壓指、帶螺母和比利維爾墊圈的夾緊螺栓來維持整個鐵芯疊片受力均勻，鐵芯的最終夾緊壓力約為1.5M P a。

下機架：為荷重機架，其作用是承受水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部分的重量及軸向水推力。該機架由中心體和16個斜支臂（右岸）、12個徑向支臂（左岸）及導(dǎo)軸承和推力軸承部分組成。中心體整體到貨，各個支臂分開運輸?shù)焦さ兀c中心體焊接成整體后吊入機坑。下機架所含的設(shè)備主要包括推力軸承、下導(dǎo)軸承、推力與下導(dǎo)軸承油冷卻器，通常把推力軸承和下導(dǎo)軸承統(tǒng)稱為推導(dǎo)聯(lián)合軸承，二者公用一個油槽，稱為推導(dǎo)油槽，機組推導(dǎo)油槽額定用油量為36m3，其中下導(dǎo)軸承以推力頭為軸領(lǐng)，下導(dǎo)軸承有16塊巴氏合金下導(dǎo)瓦，其結(jié)構(gòu)型式采用浸油分塊瓦式導(dǎo)軸承，下導(dǎo)瓦與推力頭的設(shè)計間隙為1.2mm。鏡板通過32根M 20的連接螺桿與推力頭連接為整體。推力軸承采用雙層推力軸承瓦結(jié)構(gòu)，推力瓦為支柱式、偏心受力的兩層瓦結(jié)構(gòu)，機組運行時發(fā)生傾斜，以利形成油膜。上層瓦為60mm厚的薄層運行瓦（表面鑄有一層高標(biāo)準(zhǔn)的巴氏合金，厚度約為4mm），下層瓦為237mm厚的支撐托瓦，兩層瓦的中間按部位受力不同安裝有4種規(guī)格、彈性不同的垂直支柱銷。當(dāng)機組運行時，推力瓦受到的不均勻力由小支柱不同的彈性變形來調(diào)節(jié)，以適應(yīng)瓦的撓度變形。推力軸承托瓦的下部安裝有一個用螺栓固定的支撐圓盤，用以增加接觸面積，使其負(fù)荷分布更為廣泛。避免過大的負(fù)荷作用于托瓦的中心，從而減少推力軸瓦變形的傾向。帶支撐圓盤的托瓦分別放在抗重螺栓上，抗重螺栓由安裝在推力支架上的瓦座來支撐。推力軸瓦的受力調(diào)整是通過對抗重螺栓的高度調(diào)整來進行的?？怪芈菟ǖ膲嚎s量是通過安裝在抗重螺栓內(nèi)部的應(yīng)變儀（電子位移測量表）來測量的。在抗重螺栓下端有密封環(huán)，密封環(huán)下安裝有防旋轉(zhuǎn)裝置。推力軸瓦可在抗重螺栓的心軸上移動和傾斜，便于軸承瓦面的潤滑油能形成液體動力油楔。每塊薄瓦之間還裝有導(dǎo)油蓋板。推力擋油圈上裝有螺旋形密封，防止擋油筒甩油。

高壓油減載裝置：其作用是當(dāng)機組啟動和停機前，在推力瓦和鏡板之間強行建立油膜，防止干摩擦或半干摩擦，降低啟動摩擦系數(shù)，確保機組在啟、停過程中推力軸承的安全和可靠性。當(dāng)探測到機組發(fā)生蠕動時，該系統(tǒng)能自動啟動。高壓油減載系統(tǒng)還具有另外兩個作用：當(dāng)進行機組盤車工作時，需要啟動高壓油減載系統(tǒng)，此時在推力瓦和鏡板間強行建立油膜，防止干摩擦或半干摩擦，降低啟動摩擦系數(shù)，確保機組在盤車過程中推力軸承的安全和可靠性；當(dāng)進行頂轉(zhuǎn)子工作時，需要啟動高壓油減載系統(tǒng)，此時在推力瓦和鏡板間產(chǎn)生壓力油，避免導(dǎo)致鏡板在升起過程中由于透平油的粘性而把推力瓦帶起，因而確保在機組轉(zhuǎn)動部頂起過程中保護推力瓦的安全。

制動裝置：左岸機組采用電氣制動和機械制動方式，在機組停機時，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速低至額定轉(zhuǎn)速的95%時，投入電氣制動，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速低至額定轉(zhuǎn)速的20%時，投入機械制動，直至機組停機。右岸機組采用機械制動方式，在機組停機時，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的20%時，投入機械制動，直至機組停機，沒有電氣制動。機組制動與頂起系統(tǒng)主要作用：通過低壓氣系統(tǒng)實現(xiàn)機組的停機；通過高壓油系統(tǒng)實現(xiàn)頂轉(zhuǎn)子功能。機組的風(fēng)閘采用“雙活塞三腔”結(jié)構(gòu)，“雙活塞”是指制動活塞和頂起活塞，“三腔”結(jié)構(gòu)是指兩個活塞從上至下依次隔離為復(fù)歸腔、制動腔、頂起腔，在機組正常制動過程中，頂起活塞不參與工作，制動腔注入壓縮空氣，制動活塞向上移動，從而起到制動作用；制動復(fù)歸時，在最上部的復(fù)歸腔注入壓縮空氣，制動活塞向下移動，實現(xiàn)活塞復(fù)歸；在頂轉(zhuǎn)子時，制動活塞不工作，在風(fēng)閘最底部的頂起腔中注入高壓油，頂起活塞被頂起，推動制動活塞一起向上運行，從而起到頂轉(zhuǎn)子的作用，高壓油泄壓后，頂轉(zhuǎn)子活塞緩慢回落。

空氣冷卻器：左右岸機組空氣冷卻器的冷卻管采用銅鎳合金，散熱部件為凸制鋁片。散熱部件焊接在冷卻管上，防止熱交換能力的損失和損耗，冷卻管與承管板采用脹管結(jié)構(gòu)，承管板兩端為水箱，冷卻器可雙向換向運行?？諝饫鋮s器按工作水壓0.2～0.5M P a設(shè)計，冷卻器管中水的流速不超過1.5m/s。在發(fā)電機定子機座周圍，圓周均勻地布置20個水冷式空氣冷卻器，形成一個密閉自循環(huán)的空氣冷卻系統(tǒng)?？諝獾难h(huán)通過發(fā)電機轉(zhuǎn)子的徑向氣流作用來實現(xiàn)，氣流經(jīng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝、通風(fēng)隙、氣隙、定子鐵芯和機座導(dǎo)入空氣冷卻器，通過空氣冷卻器的氣流再返回到轉(zhuǎn)子上下端。

2 若干重要技術(shù)問題

2.1 防止葉道渦、卡門渦對水輪機部件的破壞

水輪機設(shè)計、制造、安裝的核心技術(shù)就是要最大程度地減少葉道渦、卡門渦、尾水管渦帶的破壞作用，把水能最大限度地轉(zhuǎn)化為機械能。

對混流式水輪機來說，引水管道、蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、水輪機轉(zhuǎn)輪、尾水管就是水輪機流道部件。其中葉道渦、卡門渦、渦帶破壞力強大，因此要采取各種措施消除或減緩這些渦流、渦帶對各部件的破壞作用。國內(nèi)外許多水電站對于水輪機轉(zhuǎn)輪葉片、固定導(dǎo)葉部位產(chǎn)生的卡門渦的原因分析及處理對策是行之有效的。向家壩水輪機在設(shè)計階段通過模型試驗選擇了在正常運行范圍無卡門渦、無高負(fù)荷高頻壓力脈動帶、無大流量工況下水力激振的葉型并采用帶特殊結(jié)構(gòu)泄水錐，在安裝中嚴(yán)格檢查、核算轉(zhuǎn)輪葉片尾部以及固定/活動導(dǎo)葉尾部尺寸，防范卡門渦、葉道渦、渦帶的產(chǎn)生引起的破壞作用。

2.2 減少轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力和減緩轉(zhuǎn)輪空蝕破壞

水輪機轉(zhuǎn)輪葉片斷裂的原因，除了卡門渦引起葉片振動斷裂外，轉(zhuǎn)輪葉片焊接引起的殘余應(yīng)力大也是引起斷裂事故的重要原因。因此對水輪機轉(zhuǎn)輪焊接熱處理工藝進行嚴(yán)密監(jiān)控，關(guān)鍵是執(zhí)行最大限度減少焊接殘余應(yīng)力的工藝措施及應(yīng)用精確測量殘余應(yīng)力的測試手段測出殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，并加以分析處理。

對于水輪機轉(zhuǎn)輪空蝕和磨損破壞，關(guān)鍵是：1）確保有優(yōu)良的水輪機轉(zhuǎn)輪葉型。因此研制高質(zhì)量的葉片翼型以及安裝中嚴(yán)格檢查實際葉型是否符合設(shè)計葉型，使所有葉片各個斷面的葉型誤差控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，至關(guān)重要；2）不銹鋼材質(zhì)（ZG06Cr13Ni4Mo）轉(zhuǎn)輪材質(zhì)抗空蝕、磨損性能特好。因此安裝時要對其實際材質(zhì)進行分析檢驗，檢查其是否符合這種鋼種材質(zhì)；3）提高葉片表面光潔度可以極大地減緩轉(zhuǎn)輪空蝕磨損破壞，因此轉(zhuǎn)輪流道光潔度應(yīng)盡量使其達到或接近鏡面水平。

2.3 防止水導(dǎo)軸承燒瓦事故

水輪機水導(dǎo)軸承瓦燒瓦事故，在水電站是屢見不鮮。其主要原因：水導(dǎo)瓦間隙調(diào)整不當(dāng)（包括間隙值及各瓦間隙分配）、水導(dǎo)擺度大（軸線曲折、機械及磁力不平衡、尾水管渦帶壓力脈動大等）、水導(dǎo)瓦材質(zhì)不好、水導(dǎo)軸領(lǐng)銹蝕、水導(dǎo)油槽油位偏低、水導(dǎo)冷卻器漏水、水導(dǎo)甩油等。

向家壩安裝中針對上述可能引起燒瓦的因素逐一嚴(yán)格加以把關(guān)處理，防范了燒瓦事故的發(fā)生。

2.4 防止過速停機過程中發(fā)生水力共振

三峽26號機組在過速停機過程中，機組劇烈振動，導(dǎo)致剪斷銷斷裂。原因分析：在機組過速停機的過程中，導(dǎo)葉關(guān)閉至6.4%左右的開度時，機組轉(zhuǎn)速為設(shè)計額定轉(zhuǎn)速的110%，通過導(dǎo)水機構(gòu)的水流由順流變成逆流的瞬間，流道內(nèi)產(chǎn)生強烈的水力振動，其頻率與機組機械部件的固有頻率接近，從而使機組發(fā)生水力共振。處理：根據(jù)調(diào)保計算，調(diào)整三段關(guān)閉規(guī)律為接力器行程100%～65%、關(guān)閉時間4.5s；接力器行程65%～16%關(guān)閉時間15s；接力器行程16%～0、關(guān)閉時間90s。通過調(diào)整改變了第三段接力器行程的拐點、延長關(guān)閉時間，使機組在過速關(guān)機過程中避開共振區(qū)，機組異常振動消失。

向家壩安裝調(diào)整過程中，嚴(yán)密監(jiān)控調(diào)速系統(tǒng)三段關(guān)閉規(guī)律，特別是第三段關(guān)閉時間控制，防范了水力共振的發(fā)生。

2.5 導(dǎo)葉端面、立面間隙的調(diào)整

導(dǎo)葉端面間隙的控制與分配，對導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動的靈活性及導(dǎo)葉關(guān)閉時的漏水量至關(guān)重要。

在三峽5號機導(dǎo)葉端部間隙的調(diào)整過程中，發(fā)現(xiàn)總間隙變動大的現(xiàn)象，主要原因有：一是頂蓋在導(dǎo)葉掛裝后產(chǎn)生下沉，頂蓋剛度不夠；二是夏天與冬天溫度不同引起部件變形；三是部件制造偏差及基礎(chǔ)混凝土沉陷等。因此向家壩水輪機導(dǎo)葉端面間隙和立面間隙進行調(diào)整時，考慮了上述若干因素變化規(guī)律，通過計算確定首次調(diào)整數(shù)據(jù)，使之最終數(shù)據(jù)在質(zhì)量允許范圍內(nèi)，避免了運行中由于導(dǎo)葉間隙調(diào)整不當(dāng)引起在運行中卡死或漏水量過大引起停機不下或突然誤開機。

2.6 防止發(fā)電機定子鐵芯振動過大及噪音

三峽18號機組運行時定子鐵芯振動偏大，人站在蓋板上麻腳，聽到“嗡嗡”的沉悶噪音。對定子鐵芯的水平振動（650M W時）進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)振動主要分為兩類：一類是低頻振動，為1倍、2倍和3倍轉(zhuǎn)頻；另一類為高頻100Hz振動。原因分析及處理：定子鐵芯的低頻振動特別是轉(zhuǎn)頻、2倍轉(zhuǎn)頻和3倍轉(zhuǎn)頻振動，主要是由于定轉(zhuǎn)子圓度較差造成氣隙不均，對氣隙磁導(dǎo)進行傅立葉展開時存在一系列轉(zhuǎn)頻和倍頻分量，在勵磁磁勢作用下將會產(chǎn)生轉(zhuǎn)頻和倍頻頻率的不平衡磁拉力，從而引發(fā)低頻電磁振動。對于低頻振動，通過對定轉(zhuǎn)子圓度的調(diào)整能夠使其降低到適度水平。

因此，向家壩發(fā)電機安裝中嚴(yán)格控制好發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子圓度，使發(fā)電機空氣間隙的不均勻度控制在小于4%設(shè)計空氣間隙。實踐證明，空氣間隙不均勻引起磁力不平衡往往是引起發(fā)電機振動的禍根。

2.7 防止發(fā)電機定子磁化試驗時發(fā)生共振

小灣水電站1號、2號定子在磁化試驗時發(fā)生強烈振動和異常噪聲，并導(dǎo)致定子機座焊縫裂紋等異常情況。通過ALSTO M計算分析，定子（不包含線圈）的0節(jié)點固有頻率接近100Hz，在磁化試驗工況下存在100Hz0節(jié)點激振源，引起共振，出現(xiàn)振幅、噪音大的異?，F(xiàn)象。處理：采用降低磁通密度由1T降至0.6T左右進行磁化試驗，這樣振動噪聲降低，振動強度降低，完成了磁化試驗。

向家壩發(fā)電機在設(shè)計上使定子機座固有頻率與激振源頻率錯開，并在試驗時采取了防范措施，確保了磁化試驗順利通過。

2.8 防止發(fā)電機上下導(dǎo)軸承、推力軸承燒瓦

三峽5臺ALSTO M機組，每臺機推力瓦間溫差普遍在5℃左右，危及推力軸承安全運行。處理：采用調(diào)整受力，使瓦溫差減少，運行穩(wěn)定。向家壩推力軸承、上下導(dǎo)軸承安裝時控制好機組軸線調(diào)整、軸瓦間隙調(diào)整、推力瓦受力調(diào)整，使所有瓦的瓦溫溫差降至最小，確保各瓦溫均勻（受力均勻），特別是推力瓦支撐是采用彈性小支柱，這些小支柱的調(diào)整至關(guān)重要，各推力瓦受力抗重螺栓壓縮量偏差均控制在±0.01mm。

2.9 防止發(fā)電機定子線棒耐壓試驗時發(fā)生閃絡(luò)放電

三峽右岸15號機組在下層線棒耐壓試驗時，線棒的L彎處防暈層閃絡(luò)放電，試驗未通過。在對線棒加熱烘干48h后，試驗仍未通過；按廠家要求將2槽～154槽線棒下端的防暈層扒掉，再進行烘干，對線棒烘干60h后，耐壓試驗時仍有放電現(xiàn)象。原因分析：1）線棒的防暈材料及處理工藝有缺陷；2）制造廠采用相應(yīng)防潮措施不當(dāng)，使線棒在運輸、倉儲過程中受潮。處理：對所有下層線棒直線段的L處采用Von Roll高壓防暈帶包扎，并進行烘干處理，烘干48h后，耐壓試驗通過。

向家壩發(fā)電機定子下線時，嚴(yán)格控制好下線工藝，做好防潮措施，確保了絕緣良好，因此各臺定子下線均順利通過耐壓試驗。

2.10 發(fā)電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的監(jiān)控

空氣冷卻的特點是定子繞組絕緣內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱量必須經(jīng)過絕緣外表向空氣散熱，或者再經(jīng)過鐵芯傳導(dǎo)后向空氣散熱的冷卻方式，它必然導(dǎo)致導(dǎo)體溫升高。當(dāng)機組立體性尺寸增大，繞組的高溫升還會引起定子鐵芯的熱變形以及過大的熱應(yīng)力。電機啟停過程時的冷熱循環(huán)造成繞組伸縮而使絕緣疲勞脫殼以及定子槽的相對滑動等，已經(jīng)成為特大型發(fā)電機的至關(guān)重要問題而影響電機的可靠性。

向家壩巨型機組是當(dāng)前最大全空冷機組，問題關(guān)鍵是在探討全空冷克服上述缺點方面，設(shè)計廠家作了那些努力和優(yōu)化措施，是否能確保將來向家壩巨型機組安全穩(wěn)定運行？

全空冷方式由于結(jié)構(gòu)簡單、運行維護方便，備受歡迎。近年來，許多70萬千瓦機組都先后采用全空冷方式，對向家壩巨型機組來說，其可靠性和工作壽命尤其令人關(guān)注，有待進一步探討和監(jiān)控。

3 結(jié)語

（1）向家壩水輪發(fā)電機組特點是容量大；水輪機上冠、下環(huán)和葉片均采用抗空蝕、抗磨損并具有良好焊接性能的不銹鋼材料制造；發(fā)電機上下機架、轉(zhuǎn)子、定子普遍采用斜支臂結(jié)構(gòu)；推力軸承采用彈性小支柱式結(jié)構(gòu)，推力軸承與下導(dǎo)軸承合用一個油槽，并布置在轉(zhuǎn)子下方；發(fā)電機軸與水輪機軸在工地同鏜、聯(lián)結(jié)，并與轉(zhuǎn)輪聯(lián)結(jié)；水導(dǎo)軸承采用無軸領(lǐng)、稀油潤滑、強迫外循環(huán)冷卻、具有巴氏合金表面的分塊瓦式結(jié)構(gòu)，并采用斜楔調(diào)整瓦間隙；發(fā)電機冷卻方式采用全空冷結(jié)構(gòu)。

（2）水輪機安裝運行關(guān)鍵在于對葉道渦、卡門渦、渦帶破壞的防控；對水輪機轉(zhuǎn)輪葉型、材質(zhì)、表面光潔度的監(jiān)控；對水導(dǎo)軸承、導(dǎo)水機構(gòu)安裝、調(diào)整的監(jiān)控；對水輪機水力穩(wěn)定性運行的監(jiān)控等；

（3）發(fā)電機安裝運行關(guān)鍵在于對產(chǎn)生磁力不平衡的諸多因素的防控；預(yù)防磁化試驗時產(chǎn)生共振現(xiàn)象并應(yīng)有防范措施；對影響上下導(dǎo)軸承、推力瓦穩(wěn)定性運行的諸多因素的監(jiān)控；對定子線棒絕緣、定子鐵芯溫度、線棒溫度的監(jiān)控；對機械不平衡的諸多因素的監(jiān)控；對機組軸線進行細(xì)致的調(diào)整處理；對發(fā)電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的監(jiān)控等。

TK 730.6

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1672-5387（2013）01-0001-06

2012-04-25

林太舉（1935-），男，高級工程師，從事機電安裝、監(jiān)理工作。