白鶴灘右岸水電站水輪機轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙取值分析

魏立華，李海軍，吳繼兵

（1.哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2.三峽機電工程技術(shù)有限公司，成都 610041）

0 引言

白鶴灘水電站最大水頭為243.1 m，額定水頭為202 m，最小水頭為163.9 m，左、右岸地下廠房各布置8臺立軸混流式水輪發(fā)電機組，水輪機額定轉(zhuǎn)速為107.1 r/min，額定出力為1015 MW，是目前世界上單機容量最大的混流式水輪發(fā)電機組。白鶴灘水電站右岸8臺機組均由哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司研發(fā)制造，水輪機轉(zhuǎn)輪采用長短葉片結(jié)構(gòu)，15個長葉片和15個短葉片周向交替排列，這種轉(zhuǎn)輪實際上是一種比常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪具有更多葉片數(shù)的多葉片轉(zhuǎn)輪。這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪，由于葉柵稠密，其比傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)輪的能量、空化、壓力脈動、剛強度性能都具有明顯的優(yōu)點。當電站的水頭和流量變幅較大時，適應(yīng)性更好，能夠滿足機組高水頭發(fā)最大極限出力和低水頭超發(fā)的需要，哈電集團設(shè)計、制造的白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪綜合性能優(yōu)良，為電站的安全、穩(wěn)定、高效運行奠定了良好的基礎(chǔ)。白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪名義直徑D1=8720 mm，最大外形尺寸為φ8870×3795 mm，轉(zhuǎn)輪質(zhì)量為340 t。

水輪機止漏裝置的主要作用是減少機組的容積損失，目前常用的止漏環(huán)密封結(jié)構(gòu)有縫隙式、迷宮式、梳齒式、臺階式及雙塔或三塔式等。為了減小軸向水推力，同時能夠防止和避免反向水推力引起的抬機，轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)的位置、間隙及長度均需進行合理的搭配。白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪為中高水頭混流式轉(zhuǎn)輪，從減小容積損失及便于制造和檢修維護角度，轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)密封結(jié)構(gòu)采用臺階式，總計5節(jié)臺階，上止漏環(huán)總高度為300 mm，設(shè)置在上冠上端面偏外側(cè)位置。從減小水推力、減輕尾水壓力脈動的上傳和提高機組穩(wěn)定性的角度，將下止漏環(huán)設(shè)在轉(zhuǎn)輪下部，密封結(jié)構(gòu)采用迷宮式，總計5道迷宮，下止漏環(huán)總高度為340 mm。白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)均在轉(zhuǎn)輪本體上加工出來，上、下止漏環(huán)的布置位置基本對稱。這種結(jié)構(gòu)有利于上冠止漏環(huán)外側(cè)和下環(huán)止漏環(huán)外側(cè)兩腔的壓力均衡，還能夠有效抑制轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生水壓脈動和振動，減少容積損失、提高效率、降低軸向水推力。

1 白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙取值分析

圖1 白鶴灘轉(zhuǎn)輪

水輪機轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙的具體數(shù)值與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，原則上止漏環(huán)間隙數(shù)值需根據(jù)制造工藝的可行性盡量選取較小的數(shù)值[1,3]，以增強止水效果，減少容積損失，提高水輪機效率。但在工程實際中，止漏環(huán)間隙過小，將會增大固定止漏環(huán)與轉(zhuǎn)動止漏環(huán)相碰及導(dǎo)致止漏環(huán)損壞的可能性。因此轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙值還需綜合考慮轉(zhuǎn)輪制造偏差、安裝誤差和機組運行中止漏環(huán)處徑向變形、擺度等因素對間隙的影響，應(yīng)首先保證在各種運行工況下轉(zhuǎn)輪與固定止漏環(huán)之間不會刮擦接觸，再兼顧提高水輪機水力性能。

白鶴灘右岸水輪機轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，上止漏環(huán)采用臺階式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)，下止漏環(huán)采用迷宮式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖2 白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

白鶴灘右岸水輪機模型轉(zhuǎn)輪直徑D1m=426 mm，模型裝置上止漏環(huán)間隙（理論值）為0.20～0.25 mm，下止漏環(huán)間隙（實測值）為0.17～0.18 mm。真機轉(zhuǎn)輪直徑為D1=8723 mm，按照模型比例換算后[2]，白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪真機上止漏環(huán)間隙值應(yīng)不超過4.01～5.12 mm，下止漏環(huán)間隙應(yīng)不超過3.48～3.68 mm。

根據(jù)資料統(tǒng)計及參考相關(guān)標準，混流式水輪機轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)單側(cè)間隙一般取轉(zhuǎn)輪相應(yīng)直徑的0.5‰左右[3]。白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)外側(cè)名義直徑為φ7660 mm，下止漏環(huán)名義直徑為φ7660 mm，上止漏環(huán)設(shè)計間隙（單側(cè)）取為3.5～4.0 mm。由于模型裝置轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)間隙較小，致使按照模型比例換算后，真機轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)間隙較小。而工程實際中，真機設(shè)計時，考慮到機組運行時擺度及部件變形等因素的影響，轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)間隙一般應(yīng)比上止漏環(huán)間隙略大些。因此為滿足機組運行需求，白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)設(shè)計間隙（單側(cè)）取為4.0～4.5 mm。

1.1 白鶴灘右岸機組運行時轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)極端最小間隙值的復(fù)核分析

根據(jù)水輪機整體結(jié)構(gòu)布置和機組運行各結(jié)構(gòu)部件受力變形、振動及擺度等特點，轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)極端最小間隙設(shè)計時一般需考慮：在各種運行工況下轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)處由于離心力作用產(chǎn)生的最大徑向變形值，轉(zhuǎn)輪制造偏差，安裝累積誤差及轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)處運行擺度等。綜合上述因素計算出轉(zhuǎn)動止漏環(huán)與固定止漏環(huán)的最大偏心量（計算中所有的變形、偏差及擺度均按同方向考慮），進而計算出機組運行過程中固定止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)不會發(fā)生刮擦故障的極端最小間隙值。實際上真機運行中由于各工況作用力方向、各部件尺寸偏差及結(jié)構(gòu)變形等方向一般并不完全是同一方向，因此機組運行過程中，轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)與固定止漏環(huán)的實際最小間隙會比按上述方法計算的結(jié)果略大一些。

根據(jù)白鶴灘右岸電站相關(guān)轉(zhuǎn)輪、頂蓋、基礎(chǔ)環(huán)剛強度計算和主軸撓度的計算結(jié)果，轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)及上、下固定止漏環(huán)的徑向變形分別如表1～表3所示。由于下固定止漏環(huán)的徑向變形方向沿半徑向外，因此計算轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙時下固定止漏環(huán)處的徑向變形不做考慮。

表1 白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪上下止漏環(huán)處徑向變形 mm

表2 白鶴灘右岸頂蓋徑向變形計算結(jié)果 mm

表3 白鶴灘右岸基礎(chǔ)環(huán)徑向變形計算結(jié)果 mm

參考相關(guān)標準內(nèi)容[4]，在計算機組運行止漏環(huán)極端最小間隙時還綜合考慮了轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)處的擺度（含主軸撓度），上、下固定止漏環(huán)同軸度，轉(zhuǎn)輪、主軸同軸度及軸線安裝偏差等因素對止漏環(huán)間隙數(shù)值的影響。

白鶴灘右岸水輪機安裝允許偏差及運行時止漏環(huán)極限最小間隙取值分析如表4所示。

由表4可以看出，正常運行工況時，白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)極端最小間隙值分別為1.856 mm和2.43 mm；異常運行工況時，白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)極端最小間隙值分別為0.787 mm和1.18 mm，因此白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)最小間隙的理論設(shè)計值分別取為3.5 mm和4.0 mm，當安裝出現(xiàn)極限偏差時[4]，轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)處實際的最小安裝間隙應(yīng)分別為3.15 mm和3.6 mm，此間隙值仍大于各工況下轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)極端最小間隙的計算值，因此白鶴灘轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)最小間隙的設(shè)計值是安全、合理的。

表4 白鶴灘右岸水輪機安裝允許偏差及止漏環(huán)極限最小間隙值 mm

1.2 白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙最大值的取值

關(guān)于混流式水輪機轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)最大間隙的取值，我們首先根據(jù)IEC標準相關(guān)內(nèi)容[2]，并參照真機止漏環(huán)間隙不超過按模型比例換算間隙的原則[3]來設(shè)計轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)最大間隙，同時根據(jù)轉(zhuǎn)輪、頂蓋及基礎(chǔ)環(huán)結(jié)構(gòu)的工藝性和制造廠生產(chǎn)能力確定轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)和固定止漏環(huán)的設(shè)計公差，最終按照轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)和固定止漏環(huán)的實際制造公差核算上、下止漏環(huán)的最大間隙和最小間隙。

由于制造和安裝工藝不同，模型裝置轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)間隙比上止漏環(huán)間隙小，致使按照模型比例換算后，真機轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)間隙也很小。而實際上機組運行時，轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)處擺度大于上止漏環(huán)的擺度，因此設(shè)計時，為滿足機組運行要求，需考慮運行中上、下止漏環(huán)擺度及變形等因素的影響，轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)設(shè)計間隙一般比上止漏環(huán)設(shè)計間隙略大些。

綜上，白鶴灘右岸水輪機按照止漏環(huán)最大間隙不超過按模型比例換算后真機轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)間隙值的原則，并在上文介紹的止漏環(huán)最小間隙取值基礎(chǔ)上，結(jié)合轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)及上、下固定止漏環(huán)的制造公差，設(shè)計轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)最大單側(cè)間隙為4.0 mm，下止漏環(huán)最大單側(cè)間隙為4.5 mm。

2 結(jié)語

白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)單側(cè)間隙設(shè)計為3.5～4.0 mm，下止漏環(huán)單側(cè)間隙設(shè)計為4.0～4.5 mm。通過本文的分析可見，轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)的最小設(shè)計間隙值均可以保證機組運行中出現(xiàn)極端狀況時，固定止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)之間仍然具有足夠的安全距離。同時，轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)的最大間隙值也均小于按模型比例換算的上止漏環(huán)間隙值。因此，白鶴灘右岸轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)間隙的取值是合理的。