大藤峽水利樞紐左岸廠房巨型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機設(shè)計

蒙長征，凌成震

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，530200，南寧；2.浙富控股集團(tuán)股份有限公司，310012，杭州）

一、概 述

大藤峽水輪機為目前中國自主研發(fā)的單機容量及制造難度系數(shù)最大的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，并且水頭變幅較大，給水力設(shè)計帶來考驗。 為此，在水輪機研制過程中進(jìn)行了大量調(diào)研， 系統(tǒng)分析總結(jié)歷史經(jīng)驗教訓(xùn)，采取了各種妥善措施，采用全三維設(shè)計及有限元分析等先進(jìn)的設(shè)計手段，以保證水輪機研制成功。

大藤峽左岸水輪機主要參數(shù)：水輪機型號為ZZ—LH—1040，額定出力204.1 MW，最大出力233.3 MW，發(fā)電機最大容量228.57MVA， 最大水頭37.79 m， 加權(quán)平均水頭26.96 m， 額定水頭25.0 m，最小水頭12.91 m，極限最小水頭10.07 m，額定點比轉(zhuǎn)速519.28 mkW，飛逸轉(zhuǎn)速195.1rpm，吸出高度-8.7 m，最高效率95.67%，額定點效率93.87%，水輪機軸向水推力21.0 MN， 轉(zhuǎn)輪直徑10.4 m， 額定轉(zhuǎn)速68.2 rpm， 額定流量890.3m3/s。

二、水力設(shè)計和模型試驗

根據(jù)招標(biāo)文件要求，大藤峽水輪機需進(jìn)行3 次模型試驗，即投標(biāo)前完成初步模型試驗，評標(biāo)階段在同一試驗臺進(jìn)行各水輪機模型的同臺復(fù)核試驗，以及合同簽訂后在中標(biāo)單位進(jìn)行模型驗收試驗。 浙富控股集團(tuán)股份有限公司 （以下簡稱浙富公司）于2015 年5 月開始進(jìn)行新模型的研發(fā)，結(jié)合工程的水力特性及實際特點，通過總結(jié)已投產(chǎn)的大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機水力設(shè)計經(jīng)驗，進(jìn)行包括軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機水力損失分析、轉(zhuǎn)輪間隙空化優(yōu)化設(shè)計等大量的分析研究工作， 開發(fā)出適合大藤峽工程FI076 模型轉(zhuǎn)輪。 模型轉(zhuǎn)輪直徑為350 mm，葉片數(shù)為6，活動導(dǎo)葉數(shù)為28。

試驗臺最高試驗水頭40.0 m，試驗臺效率綜合誤差≤±0.20%，壓力脈動試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率可達(dá)每通道2 kHz 以上， 壓力脈動傳感器分辨率小于0.1kPa。

2015 年下半年至2016 年1 月在浙富公司進(jìn)行了初步模型試驗。 2016年3—4 月在中國水利水電科學(xué)研究院進(jìn)行了各水輪機模型同臺對比試驗。 2016 年7 月進(jìn)行了模型驗收試驗。 效率試驗表明，模型水輪機最優(yōu)效率達(dá)93.5%， 原型水輪機最優(yōu)效率達(dá)95.67%，原型水輪機加權(quán)平均效率達(dá)93.68%，均高于合同保證值。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計

水輪機從蝸殼進(jìn)口至尾水管出口流道根據(jù)模型水輪機按相似理論設(shè)計。

水輪機為立式軸流轉(zhuǎn)槳式， 主軸與發(fā)電機直接連接， 俯視順時針方向旋轉(zhuǎn)。 主要由混凝土蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室、彎肘形尾水管、受油器及操作油管、主軸、軸承、轉(zhuǎn)輪等組成。

水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計采用全三維設(shè)計， 確保零部件間有足夠安裝空間，不發(fā)生互相干涉現(xiàn)象；零部件強度計算采取經(jīng)典算法，主要部件采取有限元計算方法進(jìn)行應(yīng)力與變形分析，確保安全可靠。 水輪機重要零部件采取數(shù)控機床加工，并進(jìn)行工廠預(yù)裝和試驗。 水輪機總剖面見圖1。

1.轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)輪體、6 只葉片、 樞軸、槳葉操作機構(gòu)、槳葉接力器和泄水錐等組成。

轉(zhuǎn)輪采用活塞動作結(jié)構(gòu)，葉片操作機構(gòu)采用帶操作架的斜連桿結(jié)構(gòu)。油壓力帶動活塞和活塞桿，推動操作架， 通過斜連桿操作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)拐臂，操作槳葉轉(zhuǎn)動。 本水輪機轉(zhuǎn)輪直徑10.4 m，重約450 t，直徑大、重量重，翻身難度極大，故設(shè)計了活塞位于轉(zhuǎn)輪葉片樞軸下方的新型結(jié)構(gòu)及一系列的專用安裝工具，直接采用立式裝配并吊裝的解決方案，成功地解決了缸動式結(jié)構(gòu)和常規(guī)活塞式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪在裝配后需要翻身再進(jìn)行吊裝的技術(shù)難題，為轉(zhuǎn)輪安裝和檢修帶來巨大的便利，節(jié)省了工期，保證了施工安全。

槳葉接力器布置在葉片樞軸的下方，操作架及連桿機構(gòu)布置在葉片樞軸上方， 接力器缸與轉(zhuǎn)輪合為一體， 使轉(zhuǎn)輪的剛性強度大幅度提高，轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力以及變形與相同輪轂比較顯著縮小。

槳葉采用抗空化性能優(yōu)良的ZG06Cr13Ni4Mo 不銹鋼VOD 精練整鑄而成。轉(zhuǎn)輪采用ZG20SiMn 整鑄，過流面鋪焊不銹鋼保護(hù)層，加工后厚度不小于5 mm，保證了槳葉和轉(zhuǎn)輪有良好耐磨及防空化性能。 槳葉采取有限元分析，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)有效消除應(yīng)力集中，防止葉片產(chǎn)生裂紋甚至引起斷裂。

槳葉密封采用雙向多道“X·V”組合密封結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠、耐用，能有效防止輪轂油外泄，避免環(huán)境污染， 同時防止流道中水進(jìn)入轉(zhuǎn)輪內(nèi)破壞油品。 此結(jié)構(gòu)可以在不拆除葉片情況下更換密封元件，方便維護(hù)與檢修。轉(zhuǎn)輪的安裝采用轉(zhuǎn)輪、主軸、支持蓋整體吊裝方式，不在槳葉上開孔。

圖1 水輪機總剖面圖

2.主軸

主軸采用20SiMn 鍛鋼制造，為中空結(jié)構(gòu)，兩端采取外法蘭結(jié)構(gòu)。 轉(zhuǎn)輪和主軸采用法蘭螺栓連接，銷套傳遞扭矩，水輪機軸與發(fā)電機軸采用鉸制螺栓傳遞扭矩，連接螺栓全部采用液壓拉伸器預(yù)緊。

由于水輪機軸與發(fā)電機軸分別在不同工廠加工， 為了保證聯(lián)軸質(zhì)量， 發(fā)電機軸聯(lián)軸螺栓孔留1mm 余量，運至水輪機軸加工廠采用同一數(shù)控機床進(jìn)行聯(lián)軸螺栓孔精鏜加工。

3.主軸密封

在導(dǎo)軸承下方設(shè)置主軸工作密封。 針對常規(guī)主軸密封漏水量大的問題，本機主軸工作密封采用“恒壓自調(diào)節(jié)浮動式端面密封”， 密封裝置嚴(yán)密、耐磨，結(jié)構(gòu)簡單、漏水量小、便于檢修，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)的情況下可以進(jìn)行檢查、調(diào)整和密封元件更換。 工作密封元件采用國際知名品牌，為自補償型。 密封采用水潤滑和水冷卻，潤滑冷卻水水壓為0.3～0.5 MPa。

主軸工作密封的下方設(shè)置空氣圍帶式檢修密封，防止機組停機和檢修主軸工作密封時漏水。

4.水導(dǎo)軸承

水導(dǎo)軸承采用稀油潤滑的巴氏合金分塊瓦自潤滑軸承，由拋物線曲面分塊瓦和可拆卸的分瓣軸承體組成。 軸承體為整體焊接結(jié)構(gòu)，有足夠的剛度，內(nèi)置水冷式軸承冷卻器，結(jié)構(gòu)可靠，便于安裝、調(diào)整和檢修。

水導(dǎo)軸承設(shè)置在離轉(zhuǎn)輪盡可能近的位置以提高轉(zhuǎn)動部件運行穩(wěn)定性，同時又留有足夠空間供檢修主軸密封，以便在不拆卸水輪機軸承座的情況下， 更換主軸密封的工作密封件，縮短檢修時間，提高工作效率。

5.導(dǎo)水機構(gòu)

導(dǎo)水機構(gòu)主要由28 個活動導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、支持蓋、控制環(huán)及導(dǎo)葉操作機構(gòu)等組成。

活動導(dǎo)葉由葉片和軸焊接而成，葉片采用S135 不銹鋼板彎制， 軸采用ZG06Cr13Ni4Mo 不銹鋼鑄造。導(dǎo)葉為三支點結(jié)構(gòu)，上、中、下軸套及連桿軸套為DEVA 自潤滑材料。 導(dǎo)葉端面密封采用聚氨酯材料；導(dǎo)葉立面密封采用剛性接觸式密封；通過偏心銷來調(diào)整導(dǎo)葉立面間隙。 本機采用有限元分析，全關(guān)閉狀態(tài)時導(dǎo)葉立面上端設(shè)置合適小間隙，取得停機狀態(tài)立面最佳密封效果，可克服機組停機時的蠕動現(xiàn)象。 導(dǎo)葉中、下軸頸處設(shè)有可靠的密封圈。

導(dǎo)葉保護(hù)裝置采用摩擦套加剪斷銷結(jié)構(gòu)。 每個活動導(dǎo)葉均設(shè)有此保護(hù)裝置，并在全關(guān)和全開位置設(shè)有限位止動塊。 導(dǎo)葉關(guān)閉時，如相鄰導(dǎo)葉之間有異物阻礙卡住，因?qū)~阻力大于摩擦力，連接導(dǎo)葉臂和連桿之間的剪斷銷會剪斷，同時剪斷銷信號器發(fā)出信號；摩擦套處產(chǎn)生滑動，不影響其他導(dǎo)葉正常關(guān)閉；限位止動塊保證活動導(dǎo)葉不會與固定導(dǎo)葉或相鄰的活動導(dǎo)葉發(fā)生碰撞。

每臺水輪機設(shè)置2 個油壓操作的直缸接力器， 操作油壓為6.3MPa?？刂骗h(huán)上設(shè)有油壓鎖定裝置，在機組關(guān)閉，活動導(dǎo)葉處在全關(guān)位置時鎖住控制環(huán)，以免誤開機。 接力器上設(shè)置手動操作的機械鎖定裝置，檢修導(dǎo)水機構(gòu)時能可靠地鎖定水輪機活動導(dǎo)葉于全開位置。

為保證質(zhì)量，導(dǎo)水機構(gòu)在工廠進(jìn)行整體預(yù)裝，并驗收合格。

6.轉(zhuǎn)輪室及座環(huán)

轉(zhuǎn)輪室由鋼板焊接而成， 由上、下兩環(huán)組成。 上、下環(huán)各分4 瓣，分瓣面用螺栓把合。 轉(zhuǎn)輪室具有足夠的強度和剛度， 過流面采取不銹鋼材料（S135）并精加工，上、下環(huán)用螺栓把合，轉(zhuǎn)輪室下環(huán)與尾水錐管里襯之間設(shè)有不銹鋼段。

座環(huán)采用有上環(huán)、 下環(huán)和24 個固定導(dǎo)葉組成的整體式結(jié)構(gòu)。 座環(huán)分8 瓣， 分瓣件消除內(nèi)力后進(jìn)行機械加工，組合面配有定位銷，分瓣件在現(xiàn)場用預(yù)應(yīng)力螺栓把合后封焊。 固定導(dǎo)葉采用軋制鋼板制作，上、下環(huán)板采用抗撕裂鋼板制作。

7.蝸殼

蝸殼為不對稱T 形斷面混凝土蝸殼，包角215°。 整個蝸殼頂部、內(nèi)側(cè)立面和外側(cè)立面均設(shè)有金屬防滲襯板，以防廠房滲水。

蝸殼上設(shè)置尺寸為800 mm（寬）×900 mm（高）蝸殼進(jìn)入門，向內(nèi)開啟。進(jìn)入門設(shè)有O 形密封條，內(nèi)表面與蝸殼內(nèi)表面齊平，并設(shè)置有檢查積水的不銹鋼球閥。

8.受油器及主軸操作油管

受油器采用浮動瓦結(jié)構(gòu)， 磨損小，漏油量小，便于安裝，運行穩(wěn)定。受油器及其裝配部件有絕緣材料與軸隔離開，以防止軸電流。 受油器的轉(zhuǎn)動與固定部分留有足夠的抬機裕量，排油管接至調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置回油箱。 受油器上設(shè)置轉(zhuǎn)輪接力器活塞行程和槳葉轉(zhuǎn)角指示裝置，同時設(shè)置轉(zhuǎn)輪接力器位移傳感器。

主軸中心孔內(nèi)裝有操作油管，操作油管與主軸內(nèi)孔構(gòu)成3 腔，中心兩腔分別接受調(diào)速器開啟、關(guān)閉腔壓力油，與轉(zhuǎn)輪活塞上、下腔連通以控制轉(zhuǎn)輪葉片，外層一腔為回油腔與輪轂相通， 供轉(zhuǎn)輪葉片操作機構(gòu)潤滑使用。 操作油管采用內(nèi)外管相套，內(nèi)外管均采用無縫鋼管制造，各段操作油管之間采用法蘭連接。 為增加操作油管的剛度，在內(nèi)、外管之間，外管與主軸中心孔之間均設(shè)置足夠的徑向支撐和導(dǎo)向瓦，確保運行時操作油管不發(fā)生共振，提高穩(wěn)定性。

四、結(jié) 語

水輪機模型的研發(fā)和模型試驗成果，是大藤峽水輪機設(shè)計的重要基礎(chǔ)和依據(jù)。 大藤峽水輪機的設(shè)計，對今后巨型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機研制有指導(dǎo)意義。