楊家河水電站水輪機設(shè)計

林其文，陳濟茂

(1.江蘇航天水力設(shè)備有限公司，江蘇高郵 225600)

(2.江蘇省金鵬電站輸變電工程有限公司，江蘇南京 210037)

楊家河水電站水輪機設(shè)計

林其文1，陳濟茂2

(1.江蘇航天水力設(shè)備有限公司，江蘇高郵 225600)

(2.江蘇省金鵬電站輸變電工程有限公司，江蘇南京 210037)

楊家河一級水電站安裝3臺單機容量為12.5MW的立式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組。根據(jù)洮河流域的特點，對水輪機結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。機組自2007年投入運行至今，運行情況良好，各項指標均達到設(shè)計要求。

楊家河水電站;水輪機選型;水輪機結(jié)構(gòu)特點

楊家河一級水電站位于臨洮縣境內(nèi)，采用無壩引水式開發(fā)方式，是以發(fā)電為主的無調(diào)節(jié)小型水電工程。共裝3臺單機容量為12.5MW的軸流轉(zhuǎn)槳式機組。電站保證出力為7.93MW，年平均發(fā)電量1.376億kW·h，年利用小時數(shù)3 669h，額定水頭Hr16.20m，天然河道年平均含沙量1.06kg/m3，實測最大含沙量327kg/m3。招標文件要求在額定水頭16.20m時，水輪機出力保證值不小于13MW;在大于額定水頭運行時，能長期穩(wěn)定安全運行，其最大出力不低于15MW。

根據(jù)洮河流域的水文、水質(zhì)特點及招標要求，對水輪機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。采用新型密封結(jié)構(gòu);在水輪機的主要過流部件表面鋪焊不銹鋼或采用不銹鋼制造，以滿足機組使用要求。

1 選型設(shè)計

1.1 機型選擇

根據(jù)電站的水頭參數(shù)，可供選擇的機型有軸流式和燈泡貫流式。軸流定槳式水輪機只適合水頭和負荷變化較小的水電站，考慮到該電站出力完全受上游電站下泄流量的控制，負荷變化較大，因此不宜選用軸流定槳式水輪機。燈泡貫流式水輪機在低水頭電站上有較大的優(yōu)勢，與軸流式水輪機相比，具有較高的過流能力和大的比轉(zhuǎn)速。但是燈泡貫流式水輪機的不足之處是淹沒深度大、檢修空間小、設(shè)備制造要求高、工藝復雜等。甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院在電站設(shè)計之初已經(jīng)做過技術(shù)經(jīng)濟比較，確定該水電站選用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片開度和導葉開度可隨工況變化形成最優(yōu)的協(xié)聯(lián)關(guān)系，使水輪機水力損失最小，可提高水輪機的平均效率，擴大水輪機的運行范圍，獲得較寬闊的穩(wěn)定運行區(qū)域，因而適用于功率和水頭變化較大的水電站。

1.2 效率要求

水輪機效率關(guān)系到水電站的整體效益。招標文件要求水輪機在額定水頭16.20m、額定出力13MW時的效率保證值不低于92%;水輪機最高效率保證值不低于94.5%;水輪機的加權(quán)平均效率應大于92.8%。

1.3 穩(wěn)定性

造成機組運行不穩(wěn)定的原因是多方面的，主要是水力振動和機械振動。水力因素包括尾水管渦帶、卡門渦流、流道內(nèi)的不均勻流場及空化等。而尾水管渦帶將引起尾水管內(nèi)壓力的波動，有可能導致機組振動加劇，擺度與出力波動加大。

為保證該水電站機組的穩(wěn)定運行，合同文件規(guī)定:在17.86m～14.48m運行水頭范圍內(nèi)、負荷在35%～110%額定出力范圍內(nèi)，水輪機均可穩(wěn)定運行。尾水管進口管壁處壓力脈動值，在額定工況運行時△H/H(△H為混頻雙振幅外包絡線的峰－峰值，H為運行水頭)不大于3%，在部分負荷運行時△H/H最大不超過6%。

1.4 空化系數(shù)

水輪機在運行過程中常產(chǎn)生空化現(xiàn)象，會對水輪機過流部件特別是轉(zhuǎn)輪葉片表面造成損壞，該現(xiàn)象不僅會降低水輪機的運行效率，嚴重時甚至危及部件的結(jié)構(gòu)安全。因此水輪機的抗空化性能直接影響機組運行的安全可靠性和電站的經(jīng)濟性。一般用空化系數(shù)表征水輪機的空化性能。本水輪機模型的臨界空化系數(shù)δ為0．56，水電站空化系數(shù)的安全裕度系數(shù)kδ約為1．25。根據(jù)吸出高度的計算公式得到:Hs=10－kδ×δ×H－Δ/900+a=－3．5(m)，Δ為水輪機安裝高程，a為轉(zhuǎn)輪中心至導葉中心線的距離。滿足招標文件的要求。

1.5 水力模型選用

為滿足合同文件中對發(fā)電機組穩(wěn)定性、水輪機效率及空化要求，江蘇航天水力設(shè)備有限公司專門從國外引進了適用于該水頭段的水力模型Y130。該四葉片模型具有較大的過流量及良好的能量特性，其最高效率ηmax=92%;最高效率區(qū)涵蓋了單元流量Q'(0．9m3/s～1.55 m3/s)的整個區(qū)間，跨度大，高效區(qū)寬，空化性能優(yōu)越。選用該水力模型有較大的超發(fā)能力。整個模型綜合性能優(yōu)異，各項指標均滿足了效率、穩(wěn)定性及空化方面的要求。

1.6 水輪機參數(shù)

根據(jù)上述要求及計算結(jié)果，選擇的機型為軸流轉(zhuǎn)槳式，水輪機型號為ZZY130－LH－360。其主軸布置型式為豎軸，混凝土蝸殼，水輪機的旋轉(zhuǎn)方向為俯視順時針，轉(zhuǎn)輪標稱直徑φ 3 600mm。最大水頭Hmax為17.86m，加權(quán)平均水頭為16.85 m，額定水頭Hr為16.20m，最小水頭Hmin為14.48m，額定轉(zhuǎn)速166.7r/min，額定出力13MW，額定效率92.8%，額定工況時的比轉(zhuǎn)速585m·kW ，吸出高度(導葉中心線)－3.5m。水輪機導葉和槳葉都可調(diào)節(jié)，并可實現(xiàn)協(xié)聯(lián)動作。

2 水輪機結(jié)構(gòu)特點

2.1 埋入部分

原模型水輪機進水流道采用的是“T”型蝸殼，為便于機組布置，采用“Γ”型蝸殼，如圖1所示。圖1中R為流道壁至水輪機中心的距離，a為徑向尺寸，b為流道軸向高度，m為流道軸向高度減去固定導葉的高度。流道的改變，需對蝸殼進行水力換算，但換算必須滿足以下幾個條件:

a．蝸殼包角α不變。

b．蝸殼斷面面積不變，b/a=1．75，γ =15°。

圖1 “Γ”型蝸殼斷面

蝸殼進口寬度達10多m，因而在流道中間增加隔墩。為便于檢修，在蝸殼側(cè)面設(shè)有φ 600mm圓形門，并在蝸殼底部設(shè)置盤形排水閥，以便水輪機檢修時順利將蝸殼中的存水排出。

尾水管采用彎肘形，包含直錐管、肘形部分、擴散部分。尾水管承擔回收轉(zhuǎn)輪出口動能的作用，以提高水輪機效率。同時考慮到它對汽蝕和水力穩(wěn)定性的影響，所以要求和模型水輪機尾水管相似。直錐管里襯設(shè)置的位置，滿足流速不大于標書規(guī)定的額定工況下，平均流速小于或等于6m3/s的要求。為便于檢修，同樣設(shè)置了進人門和盤形排水閥。

轉(zhuǎn)輪室采用ZG230－450鑄造而成，內(nèi)壁呈半球加柱形，鋪焊不銹鋼板，提高了抗磨蝕性能;外壁焊有環(huán)筋和豎筋，以提高轉(zhuǎn)輪室整體剛性，同時進行退火處理，防止轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生較大變形，影響轉(zhuǎn)輪室與槳葉的間隙。

座環(huán)作為水輪機的承重部件，應有足夠的強度和剛度，以保證當蝸殼充水或放空時支承傳遞到其上部的所有重量(例如機組重力荷載、機墩混凝土重力荷載、水輪機水推力等)，在水輪機所有運行工況時的最大水壓力下，無有害變形。固定導葉的設(shè)計充分注意到偏心負載所引起彎曲的影響，所有固定導葉外形采用流線形并和模型水輪機相似。固定導葉數(shù)考慮到與活動導葉數(shù)組合對水力脈動和振動的影響，設(shè)計時兩者數(shù)量均確定為24只，并且在圓周方向上兩者之間采用合適的相互位置關(guān)系，以保證在任何運行工況下水中固定導葉的自然頻率與旋渦頻率不發(fā)生共振，或固定導葉的自然頻率不小于渦流頻率的3倍。

2.2 轉(zhuǎn)動部分

轉(zhuǎn)輪由槳葉和輪轂組成。槳葉采用強度高、耐磨蝕性能好的ZG0Cr13Ni4Mo。槳葉型面采用5坐標加工中心加工，保證型面與水力模型一致。槳葉采用多層“X+V”密封，具有雙向密封性能，既可防止?jié)櫥蜐B出，又可防止外面的水進入輪轂。從使用效果看，此結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于“λ”密封。輪轂采用ZG20SiMn鑄造而成，油缸設(shè)在輪轂中心上方。輪轂球面堆焊不銹鋼，以提高葉片與輪轂體之間的抗汽蝕性能。

轉(zhuǎn)輪在裝配結(jié)束時做動作試驗、槳葉密封油壓試驗和轉(zhuǎn)輪接力器活塞竄油試驗。其中槳葉密封油壓試驗的要求較高:試驗油壓0.5MPa，16h，試驗過程中槳葉全程動作，每小時操作槳葉全程開關(guān)2～3次，每只槳葉的漏油量不超過4.5ml。

主軸作為傳遞扭矩的重要零件，具有足夠的強度和剛度，能在包括最高飛逸轉(zhuǎn)速在內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速下運行而不產(chǎn)生有害的振動和擺動。其尺寸能適應發(fā)電機功率因數(shù)cosφ=1.0時最大出力的扭矩傳遞要求。設(shè)計時充分考慮到水輪機和發(fā)電機的軸承支座位置和剛度、發(fā)電機尺寸和發(fā)電機的飛輪效應。所計算的臨界轉(zhuǎn)速不小于最大非協(xié)聯(lián)工況飛逸轉(zhuǎn)速的120%。

主軸內(nèi)腔為槳葉操作油管的通道，主軸的內(nèi)、外表面最后精加工在車床上加工，保證同心便于操作油管順利滑動。

2.3 導水機構(gòu)

導葉相對高度b/D1=0．4，24個正曲率，整鑄導葉通過導葉臂、連桿由控制環(huán)控制，導葉采用三支點支撐，導葉軸承采用自潤滑軸承。導葉保護裝置采用限位桿+剪斷銷結(jié)構(gòu)，簡單實用。導葉臂上裝有限位桿件，剪斷銷內(nèi)裝有剪斷銷信號器。當導葉卡有異物時，剪斷銷被剪斷，導葉在限位桿限制的范圍內(nèi)活動，以保護其他零件不被連續(xù)破壞。同時剪斷銷信號器被破壞并發(fā)出信號，提醒工作人員做出相應處理。在導葉端面、立面和頂蓋底環(huán)的過流面鋪焊不銹鋼，可減緩水輪機工作時水流和泥沙對過流面的磨損，以及水輪機停機時因間隙漏水發(fā)生汽蝕而引起的損害。導葉轉(zhuǎn)動部分軸套采用FZ新型自潤滑軸承，減少銅材的使用，取消潤滑油和潤滑裝置，實現(xiàn)無油潤滑，改善了工作環(huán)境。

頂蓋、支持蓋和底環(huán)是導水機構(gòu)的重要部件，構(gòu)成導水機構(gòu)的過流通道，并承受相應的流體壓力。在頂蓋上設(shè)有4個φ 250mm真空破壞閥，保證機組突然關(guān)閉時自動向?qū)畽C構(gòu)內(nèi)補入空氣，減緩抬機。

由于導水機構(gòu)本身的最大外徑接近5.1m，安裝導水機構(gòu)的座環(huán)最大外徑已接近6.2m，設(shè)備無法整體運輸?shù)诫娬?，頂蓋底環(huán)及座環(huán)必須分半。導水機構(gòu)在工廠內(nèi)預裝配，調(diào)整導葉端面間隙和立面間隙，檢查導葉開度與控制環(huán)行程之間的關(guān)系是否與設(shè)計要求相符，打上定位銷，再拆卸散件發(fā)運到工地組裝。

2.4 導軸承

導軸承采用稀油潤滑的筒式軸承。為降低主軸的擺度，保證水輪機的穩(wěn)定運行，軸承應盡可能靠近轉(zhuǎn)輪。軸承設(shè)有鉑熱電阻監(jiān)控軸瓦溫度，液位變送控制器監(jiān)控軸承油位，油混水監(jiān)視儀監(jiān)控軸承潤滑油中混入水的含量，防止混入的水超過一定比例時引起潤滑油的乳化，破壞潤滑條件。軸承還設(shè)有冷卻水管，對軸承潤滑油進行冷卻，在冷卻水管路上設(shè)有流量開關(guān)、壓力表、溫度變送器，保證冷卻水以一定的壓力、溫度不間斷對軸承進行冷卻，保證軸承最高運行溫度不超過65℃。

2.5 主軸密封

主軸密封分為工作密封和檢修密封。工作密封采用活塞密封，通過潤滑壓力水，保證橡膠密封環(huán)緊貼襯板，實現(xiàn)端面密封。橡膠密封環(huán)端面上開有合適的圓孔，壓力水可對橡膠端面進行潤滑冷卻。潤滑壓力水管路中間段并聯(lián)2只Y型過濾器，對水進行過濾，保證水的清潔。管路上還設(shè)有發(fā)電信號的流量開關(guān)、壓力開關(guān)、現(xiàn)地顯示壓力表。

檢修密封采用空氣圍帶式，管路上同樣設(shè)有壓力開關(guān)、壓力表，同時還設(shè)有雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，保證開機前空氣圍帶排氣和停機時充氣。

2.6 受油器

受油器設(shè)在發(fā)電機頂端，分配來自調(diào)速器的轉(zhuǎn)輪操作壓力油，并與主軸中操作油管相連。受油器采用浮動瓦結(jié)構(gòu)。安裝在受油器里的浮動瓦承擔上下壓力腔(葉片開啟腔、關(guān)閉腔)之間及壓力腔與上下排油腔之間的密封、導向作用。浮動瓦具有自調(diào)節(jié)功能，可適應操作油管的允許擺動，將漏油量控制在最小。受油器與發(fā)電機及其他連接件采取可靠的絕緣結(jié)構(gòu)，以防止軸電流。

在水輪機軸與發(fā)電機軸內(nèi)孔裝有操作油管，操作油管為兩根同心鋼管，與水輪機軸(發(fā)電機軸)的內(nèi)孔構(gòu)成3條油道，分別輸送槳葉開、關(guān)腔的壓力油和轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力油。在受油器頂部裝有槳葉直線位移傳感器和反映主軸轉(zhuǎn)速的離心開關(guān)。

3 機組防飛逸及抬機措施

電站運行過程中，常會遇到各種事故，比如機組突然與系統(tǒng)解列，把負荷甩掉，引起機組轉(zhuǎn)速瞬間急速上升，產(chǎn)生強大的離心力，對機組造成破壞或引起機組劇烈振動。

電站防飛逸措施:一是電站設(shè)置快速閘門，當機組發(fā)生事故時，閘門快速落下，切斷水源，初步保護機組，防止機組飛逸的發(fā)生;二是設(shè)置過速限制器和離心開關(guān)，當機組甩負荷、調(diào)速系統(tǒng)主配壓閥拒動不能關(guān)閉導水機構(gòu)，且機組轉(zhuǎn)速升高到115%額定轉(zhuǎn)速，或機組電氣過速達到140%額定轉(zhuǎn)速時，過速限制器動作，直接把調(diào)速器里的壓力油送至導葉接力器，導水機構(gòu)迅速關(guān)閉，從而防止機組的飛逸，保護機組。

若導水機構(gòu)關(guān)閉過快，水輪機的過流量會急劇變化，在水輪機壓力過水系統(tǒng)內(nèi)就會產(chǎn)生水擊，此時產(chǎn)生的最大壓力會對壓力過水系統(tǒng)的強度產(chǎn)生影響。同時由于水流慣性，導致尾水管中的真空度加大，水流在下游水壓力作用下減速停止并反向運動撞擊轉(zhuǎn)輪葉片，引起向上的水力沖擊，產(chǎn)生反水錘，造成抬機現(xiàn)象。因此，導葉的關(guān)閉必須分兩階段完成，以滿足兩方面的要求。(1)在甩負荷開始階段導葉關(guān)閉速度快，保證機組轉(zhuǎn)速升高值減低。(2)當壓力上升值達到規(guī)定值時，緩慢關(guān)閉，使后面發(fā)生的壓力不會比折點的壓力高［2］。

合同文件要求調(diào)節(jié)保證值:導葉前最大壓力上升率ξ不大于60%;機組最大速率上升值β不大于50%。因機組在最大水頭Hmax17.86m發(fā)額定出力(工況1)和額定水頭Hr16.20m發(fā)額定出力(工況2)甩負荷所表現(xiàn)出來的導葉前最大壓力上升率和機組最大速率上升值具有一定的代表性，所以對這兩個工況按圖2和圖3表達的導葉和槳葉關(guān)閉規(guī)律進行計算，計算結(jié)果完全滿足合同文件的要求，見表1。

表1 調(diào)保計算結(jié)果

圖2 導葉關(guān)閉開度與時間曲線

圖3 槳葉關(guān)閉開度與時間曲線

電站實際運行結(jié)果證明，圖2和圖3表達的導葉和槳葉關(guān)閉方式是可行的。同時機組還設(shè)置了動作靈活、補氣量大的真空破壞閥，有效地防止了機組甩負荷過程中的抬機現(xiàn)象。

4 機組排水

軸流水輪機的頂蓋排水是否及時，直接關(guān)系到機組的運行安全。頂蓋上設(shè)置2臺自吸式水泵(1臺工作，1臺備用)和2臺潛水泵，并設(shè)有浮球液位信號器。信號器設(shè)置4段水位報警點，分別是最低水位、警戒水位、最高水位和超高水位。當頂蓋滲水水位達到警戒水位時，1臺自吸泵和1臺潛水泵投入運行;達到最高水位時，所有泵全部投入運行;如果水位仍上抬，就上傳信號至中控室執(zhí)行事故停機，防止淹沒水導軸承及水車室。座環(huán)設(shè)有自流排水孔。水泵控制箱設(shè)人工控制與自動控制兩種方式，且兩種方式可切換。

在實際運行中，由于浮球液位信號器外未裝防浪管，導軸承上的轉(zhuǎn)動油盆在運轉(zhuǎn)時帶動水流不停地跳動，引起浮球液位信號器上的浮球誤動作，造成排水泵反復開啟，將電動機燒毀。在浮球液位信號器上裝上防浪管后，效果明顯好轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語

楊家河電站已于2007年投入商業(yè)運行，整個機組運行平穩(wěn)、技術(shù)性能良好，實踐證明水輪機性能和質(zhì)量完全達到了招標文件的要求。機組大量采用自動化元器件，提升了電站的自動化程度;運用計算機對機組進行監(jiān)控，提高了電站運行的安全性和可靠性。

［1］ 哈爾濱大電機研究所.水輪機設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1976.

［2］ 沈祖詒.水輪機調(diào)節(jié)［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.

The Turbine Design of Yangjiahe Hydropower Station

LIN Qiwen1，CHEN Jimao2
(1.Jiangsu Aerospace Hydraulic Equipment Co.，Ltd.，Jiangsu Yangzhou，225600，China)
(2.Jiangsu Jinpeng Power Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Jiangsu Nanjing，210037，China)

In order to install 3 single capacity of 12.5 MW of vertical axial flow turbine units in Yangjiahe hydropower station，it designs and optimizes turbine structure based on the characteristics of the basin.Since these 3 turbines put into operation in 2007，they have been operating in good condition，all the indexes meet the design requirements.

Yangjiahe Hydropower Station;Turbine Selection;Turbine Structure Feature

TH122

B

2095－509X(2013)12－0077－05

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.12.019

2013－09－10

林其文(1968—)，男，江蘇高郵人，江蘇航天水力設(shè)備有限公司高級工程師，主要從事水輪機設(shè)計工作。