格魯吉亞KHELVACHAURI 1水電站生態(tài)流量機(jī)組水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

史靖雯

（浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州311500）

1 工程概況

KHELVACHAURI 1水電站位于格魯吉亞巴統(tǒng)省境內(nèi)Chorokhi河上，是由土耳其EKISM公司投資建設(shè)的項(xiàng)目，緊鄰?fù)炼鋰?guó)境及黑海。工程設(shè)有5臺(tái)9.4 MW燈泡貫流式機(jī)組及1臺(tái)2.1 MW軸伸貫流式機(jī)組，其中軸伸貫流式機(jī)組為生態(tài)流量機(jī)組。

2 水輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)

軸伸貫流式水輪機(jī)是貫流式機(jī)組的一種，是一種適用于低水頭大流量的水力性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維護(hù)方便的機(jī)型。軸伸機(jī)有一彎曲的S形流道，水輪機(jī)通過(guò)較長(zhǎng)的軸從尾水彎管或進(jìn)水彎管中伸出，與布置在流道外部的發(fā)電機(jī)連接，本文提到的機(jī)組采用水輪機(jī)主軸從尾水彎管伸出的布置形式。同時(shí)，與傳統(tǒng)的立式軸流機(jī)相比，其減少了開(kāi)挖量和水工工作量，投資小，且能夠通過(guò)較大的過(guò)流量，有較高的水力效率。

水輪機(jī)各部分之間的裝配關(guān)系可由水輪機(jī)裝配圖（圖1）看出，水流經(jīng)閘門、管道、燈泡頭、座環(huán)固定導(dǎo)葉和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的活動(dòng)導(dǎo)葉后進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，在轉(zhuǎn)輪區(qū)域進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，水能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，轉(zhuǎn)輪同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，水流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪后流入尾水管，排至下游。本機(jī)可分為進(jìn)水埋入部分、軸承、內(nèi)主軸密封、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、轉(zhuǎn)輪室及尾水錐管、尾水肘管埋入部分，以下結(jié)合設(shè)計(jì)上的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)論述。

圖1 水輪機(jī)裝配圖

機(jī)組主要參數(shù)如下：水輪機(jī)型號(hào)GD－WZ－180；最大水頭12.71 m，額定水頭12.71 m，最小水頭8.31 m；額定出力2 100 k W；額定轉(zhuǎn)速300 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速800 r/min；允許吸出高度Hs≤－1.66 m；最大正向水推力250 k N，最大反向水推力250 k N；安裝高程27.2 m。

3 進(jìn)水埋入部分

本部分主要零件有進(jìn)水管里襯、基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)、錐環(huán)、燈泡頭、拉筋、調(diào)節(jié)螺栓等。具體如下：（1）基礎(chǔ)環(huán)及座環(huán)?；A(chǔ)環(huán)及座環(huán)是機(jī)組的主要?jiǎng)傂灾?，承受機(jī)組大部分重量及水壓力、浮力等，并將負(fù)荷傳遞至基礎(chǔ)混凝土?；A(chǔ)環(huán)上設(shè)有吊物孔，吊物孔為安裝檢修時(shí)安裝人員進(jìn)出上游流道之用，為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。座環(huán)是機(jī)組的安裝基準(zhǔn)，水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)把合在座環(huán)的法蘭面上，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行安裝。座環(huán)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，上有固定導(dǎo)葉連接座環(huán)內(nèi)外環(huán)。（2）錐環(huán)及燈泡頭。錐環(huán)、燈泡頭為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，它們之間通過(guò)螺栓連接在一起。錐環(huán)用螺栓把合在座環(huán)內(nèi)環(huán)上。錐環(huán)、燈泡頭與座環(huán)一起形成進(jìn)水流道。

4 250軸承裝配

徑向?qū)лS承為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分在機(jī)組內(nèi)部的支承體，軸瓦采用巴氏合金材料，軸承用油采取強(qiáng)迫循環(huán)，軸承支承在座環(huán)法蘭上?？紤]到水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及主軸的重量會(huì)使主軸彎曲，主軸將不斷改變撓度值及其變形方向，因此軸承采用球面支承結(jié)構(gòu)，起到自整位作用，使軸瓦能隨主軸作相應(yīng)調(diào)整。軸瓦下部設(shè)有2只電阻溫度計(jì)，測(cè)量軸瓦溫度，當(dāng)軸瓦溫度達(dá)到65℃時(shí)，發(fā)出信號(hào)指令機(jī)組事故報(bào)警。

5 內(nèi)主軸密封裝配

內(nèi)主軸密封是防止壓力水通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)與靜止部分間隙漏至軸承及燈泡體內(nèi)而設(shè)置的。內(nèi)主軸密封采用加水潤(rùn)滑填充式軸面密封結(jié)構(gòu)，自調(diào)節(jié)壓緊。填充材料耐磨，通入壓力水作潤(rùn)滑冷卻之用，密封漏水通過(guò)排水管排至集水井?？紤]到機(jī)組空間結(jié)構(gòu)小，不設(shè)置空氣圍帶，檢修時(shí)將流道內(nèi)的水排至集水井后檢修。更換填充材料時(shí)，不拆軸承即可更換。

6 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配主要零件有外導(dǎo)環(huán)、內(nèi)導(dǎo)環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉外軸承座、導(dǎo)葉臂、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制環(huán)等。具體如下：（1）外導(dǎo)環(huán)。外導(dǎo)環(huán)為鋼板焊接而成，其上游為座環(huán)、下游為轉(zhuǎn)輪室。外導(dǎo)環(huán)上均勻分布16只導(dǎo)葉外軸承座孔，并裝有導(dǎo)葉外軸承座和16只導(dǎo)葉，導(dǎo)葉外軸承采用球軸承，導(dǎo)葉中心線與機(jī)組水平中心線呈60°夾角，外導(dǎo)環(huán)與導(dǎo)葉配合處為球面，并有16只限位塊，以防拉斷銷拉斷后導(dǎo)葉相互碰撞。外導(dǎo)環(huán)上游端法蘭外圓設(shè)有支承控制環(huán)的鋼球槽。（2）內(nèi)導(dǎo)環(huán)。內(nèi)導(dǎo)環(huán)為焊接結(jié)構(gòu)，是導(dǎo)葉下軸頸的支承部件，與導(dǎo)葉配合處為球面。（3）導(dǎo)葉。導(dǎo)葉共16只，是形成轉(zhuǎn)輪前所需環(huán)量的部件，它具有空間曲面結(jié)構(gòu)，調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)度即可調(diào)整機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率，全關(guān)時(shí)切斷水流使機(jī)組停機(jī)，導(dǎo)葉間采用金屬接觸式密封。（4）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由導(dǎo)葉臂、拉斷銷與控制環(huán)、導(dǎo)葉組成為一空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。導(dǎo)葉保護(hù)機(jī)構(gòu)采用拉斷銷帶摩擦環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)葉間有雜物卡住不能關(guān)閉時(shí)，拉斷銷被拉斷，并由信號(hào)器自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，保證機(jī)組正常關(guān)機(jī)。導(dǎo)葉與內(nèi)、外導(dǎo)環(huán)的間隙可通過(guò)修磨調(diào)整環(huán)加以保證。（5）控制環(huán)?？刂骗h(huán)為單耳結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成，其上均勻分布16只小耳板，它將調(diào)速器油壓推動(dòng)的接力器的力傳遞至導(dǎo)葉臂從而控制導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)。控制環(huán)與外導(dǎo)環(huán)之間采用滾動(dòng)摩擦副以減少摩擦力，鋼珠槽內(nèi)裝有35鋼球，采用干油潤(rùn)滑。

7 轉(zhuǎn)動(dòng)部分裝配

轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要包括小軸、轉(zhuǎn)輪、外伸主軸。轉(zhuǎn)輪是機(jī)組的關(guān)鍵部件，通過(guò)它將水能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并經(jīng)外伸主軸傳給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。轉(zhuǎn)輪包括轉(zhuǎn)輪體、葉片等，本機(jī)組有4個(gè)葉片。轉(zhuǎn)輪體采用鑄鋼材料，有一段是球形，葉片為鑄鋼，采用螺栓把合形式把葉片裝在轉(zhuǎn)輪體上形成轉(zhuǎn)輪。外伸主軸一端與轉(zhuǎn)輪體相連，另一端連接在徑向止推軸承的軸法蘭上，將轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)。由圓柱銷傳遞扭矩。

8 轉(zhuǎn)輪室及尾水錐管裝配

本部分主要由轉(zhuǎn)輪室、尾水錐管、活法蘭、壓環(huán)、進(jìn)人門等零件組成。具體如下：（1）轉(zhuǎn)輪室。轉(zhuǎn)輪室為分半焊接結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼板材料，兩端法蘭分別與外導(dǎo)環(huán)、尾水錐管相連。（2）尾水錐管。尾水錐管為分半鋼板焊接結(jié)構(gòu)，兩端法蘭分別與轉(zhuǎn)輪室、活法蘭相連，尾水錐管設(shè)有支座，支承在基礎(chǔ)混凝土上。為方便檢修，尾水錐管上還設(shè)有600進(jìn)人門，活法蘭為方便裝拆尾水錐管等部件使用。

9 尾水肘管埋入部分裝配

本部分主要由肘管、預(yù)埋方尾水管及外伸主軸密封組成。肘管、預(yù)埋方尾水管均由鋼板焊接而成，共同形成機(jī)組的尾水流道。由于外伸主軸穿過(guò)流道，所以肘管上設(shè)有外伸主軸密封，采用盤根密封，盤根的松緊可通過(guò)盤根壓環(huán)上的螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

10 結(jié)語(yǔ)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算，比如水力計(jì)算、主要承重部件的有限元受力分析計(jì)算、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水量計(jì)算、軸系計(jì)算、軸承計(jì)算等均滿足合同要求，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，精益求精，進(jìn)行了大量的優(yōu)化改進(jìn)，既滿足了合同和業(yè)主的要求，又保證了制造質(zhì)量及安裝方便，同時(shí)，在不破壞電站建設(shè)原有生態(tài)環(huán)境的前提下，為提高泄放生態(tài)流量的利用率創(chuàng)造了有利條件。

［1］劉國(guó)選.燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行與檢修［M］.中國(guó)水利水電出版社，2006

［2］哈爾濱大電機(jī)研究所.水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1976