ｓｎｅｊｊ ｕ Ｆｅｎｘ ：堡 量坌堑 某水电站水轮机结构设计 蒋昭 （浙江富春江水电设备股份有限公司，浙江杭州３１００１２） 摘要：介绍了水电站的基本情况及水轮机的基本性能要求，对水力设计进行了简要分析，重点阐述了水轮机结构设计的特点。 关键词：水电站；水轮机；结构设计 １ 电站概况 本文介绍的水电站位于西藏自治区山南地区加查县境内， 是雅鲁藏布江干流上开发的第一个水电站，共装设６台单机容 量８５ ＭＷ的水轮发电机组，其中３台机组由浙江富春江水电 设备股份有限公司供货。坝址距拉萨直线距离约１４０ ｋｍ，距加 查县城约１７ ｋｍ，距山南到林芝的省道（Ｓ３０６）７ ｋｍ，现有简易 ９６．９ ＭＷ；额定转速：１３６．４ ｒ／ｍｉｎ；飞逸转速：≤２５５ ｒ／ｍｉｎ；额 定流量：１７７．８ ｍ。／ｓ；最大水头：６７ ｍ；额定水头：５３．５ ｍ；最小 水头：４４．３ ｍ；机组安装高程：ＥＬ３ ２３７．２０ ｍ；允许吸出高度（至 导叶中心）：～６．３１ ｍ；轴向水推力≤５ ０００ ｋＮ。 ３水力设计简介 该机组由浙江富春江水电设备股份有限公司与挪威 道路与之相接，交通较方便。本工程为二等大（２）型工程，水库 具有日调节性能。该水电站的开发任务为发电，是西藏中部电 网的主力电源。另外，丰水期将作为羊湖电站的抽水电源，为 羊湖电站提供抽水电量；枯水期向西藏中部电网送电，满足西 藏中部电网负荷的需求。电站按“无人值班”（少人值守）原则 ＲａｉｎＰｏｗｅｒ公司联合开发，ＲＰ公司负责水力设计。主要性能保 证值如下：额定效率≥９３．８６ （加权平均效率９３．５７％）；最高 效率：９６．Ｏ４ ；额定出力：８７．２ Ｍｗ；最大出力：９６．９ ＭＷ；发最 大出力时最低水头：５９．１ ｍ；尾水管压力脉动双振幅值 △Ｈ／Ｈ≤１Ｏ％。 设计，采用计算机监控系统。 水轮机的空蚀磨损保证期为水轮机投入商业运行之日计 起运行８ ０００ ｈ或投入商业运行后２年（以先到为准）。保证期 内，水轮机从零功率至相应水头下可连续运行的最小功率之间 运行时间不超过８００ ｈ，在长期连续保证功率以上运行时间不 操作，需要３～４人配合完成，而且拆卸工作也需要重复上述动 作，每次操作约需要２５ ｈ。而大型圈式压型机由于夹头系统采 用３轴４连杆的特殊结构，使所有向下和向前的２个连续压紧 ２水轮机基本参数 型号：ＨＩ『ＬＪ一４５５．２；额定出力：８７．２ ＭＷｌ最大出力： 为了调整压紧螺钉１９对线圈的压紧位置，同时也为了适 应不同规格的线圈压型（主要是线圈截面尺寸不同，导致模具、 压铁尺寸也均不同），回转块１Ｏ和回转座１１的贴合面侧面设 计有顶紧螺钉，用于调整回转块和回转座的行程，从而改变压 块１７的回转角度和伸出量。 动作一起自动完成，只需１名操作人员在控制面板上按下启动 按钮即可，花费时间不到２ ｈ，效率提高了十几倍。而且圈式压 型机只需要更换简单的模具，就能对不同规格的线圈实现压 如图３所示，液压缸１１分８组，每组５个，通过三位四通电 磁换向阀４ＷＥ６Ｅ－６１Ｃｗ２２ＯＮ实施８组控制，即８个操作按钮 分别控制８组液压缸，这样可以根据线圈的校型需要对同一线 圈的不同段分别施压。 液压系统由柱销叶片泵Ｔ６Ｃ－００５供压，额定压力１４ ＭＰａ， 流量１７．１ ｍＬ／ｒ，油泵电机选用Ｙ１３２ＭＩ一６的４ ｋＷ电机；溢流 型，较之传统工艺，模具成本也大为降低。 大型圈式压型机目前成功装备在东方电机有限公司线圈 分厂，使用效果良好，压制后的线圈平直度、气密性等完全满足 ３００ ＭＷ、６００ ＭＷ、１ ０００ ＭＷ大型水轮发电机定子线圈的工 艺要求。 阀４调整系统压力，同时作安全阀泄压用；采用回油节流方式， 单向节流阀８（型号ＤＲＶ１２—１—１０／２）用于调整４０个液压缸的速 度，以免压紧瞬间速度过大，对线圈造成损坏；工作时通过单向 ４结语 大型圈式压型机以其自动实现压型、调整方便、操作简单、 高效、低成本、低故障等诸多优点满足了东方电机有限公司线 圈分厂的产品生产需要，已成功地为三峡、瀑布沟、盐锅峡等多 阀９保压；当压力为１０ ＭＰａ线圈处于压紧状态时，电接点压力 表５（型号 １００，量程１０ ＭＰａ）到达１０ ＭＰａ，表内接点接通， 电机控制回路上的继电器上电，接入主回路的控制触点断开， 个水电机组制造出合格的线圈产品。大型圈式压型机的开发 和运用为今后专机设备的开发和设计提供了良好的范例。 ［参考文献］ ［１］成大先．机械设计手册ＥＭ３．北京：化学工业出版社，２００８ 电机３停转，通过蓄能器７补压，保证１０ ＭＰａ压力不变，如果 压力低于１０ ＭＰａ，电接点压力表控制的主回路再次接通，油泵 电机再次启动，打压到１０ ＭＰａ后重复前述动作；三位四通电磁 换向阀控制液压缸的进退，保压期间图３左侧全部电磁铁均上 电，接通液压回路，以备油泵补压。 ３应用效果 大型圈式压型机开发以前的传统压型工艺为：设计专用大 Ｅ２３赵周礼．液压技术实用手册［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１１ Ｅ３７王建华．电气工程师手册ＥＭ３．北京：机械工业出版社，２００６ 收稿日期：２０１３—０２—２０ 型模具，将线圈镶入模具内，再采用专用压紧定位工装，用４ｏ 个螺栓紧固，放在平台上用立式油压机压型。以上全部为手工 作者简介：王昕（１９７Ｏ一），男，四川人，工程师，研究方向：机械 设计与自动控制技术。 机电信息２０１３年第１５期总第３６９期 １３７ 主坌 ｓｎｅｊｉ ｖｕ Ｆｅｎ× 超过ｉ００ ｈ。保证值如下：（１）因空蚀和磨损作用，转轮的金属 剥落重量不超过６ ｋｇ。（２）转轮金属剥落最大深度不超过 ５ ｍｍ。（３）转轮一个叶片上某一连续的剥落面积不大于 压板，用螺钉把合在顶盖上，防止接力器不平衡力矩导致的控制 环跳动。 接力器：为２台摇摆式接力器，缸径３８０ ｍｉＩ１，活塞杆径 ０．０３ ｒｎ２，转轮剥落总面积不大于０．３５ ｒｎ２。（４）转轮单个叶片 剥落量或剥落面积不超过全部叶片平均剥落量或面积的２倍。 （５）导水机构和尾水管及顶盖和顶盖减压板、转轮泄水锥等空 蚀损坏量之和（金属剥落量和面积）允许值不大于转轮允许值 的１／４，深度为１／２。（６）止漏环间隙增大值不超过设计间隙的 ０．５倍，导叶上下端面间隙增大值不超过设计间隙的１．０倍。 １６０ ｍｍ，行程８００ ｍｍ。其额定操作油压为６．３ ＭＰａ。接力器 上、下部设有排气、排油的丝堵。接力器操作油采用Ｌ ＴＳＡ４６ 汽轮机油。一台接力器设置液压锁锭装置和行程变送器，导叶 全关时锁住接力器；另一台接力器设置手动机械锁锭装置，主 要用于检修时将导叶锁定在全开位置，便于检修透气，正常运 行时不得使用。接力器设置缓冲装置，以便在导叶快到全关位 置时放慢关闭速度。 在空蚀保证期内，不满足以上６项标准中任何一项均构成 转轮不满足空蚀磨损保证。金属剥落的数值由磨光补焊后表 面复原到它的原来状态所需的体积来确定。 ４水轮机结构设计特点 该水电站位于西藏境内，海拔很高，自然条件恶劣，交通运 输条件较差。这些情况对机组的设计、制造、运输、安装均带来 了很大困难。设计中需要重点考虑由此带来的可靠性和稳定 性问题。该水电站过机泥沙含量较大，且大部分为硬质矿物， 泥沙对过流部件的磨损不容忽视。故水轮机在水力设计、耐磨 材料、抗磨层的选择以及结构设计等方面采取了一系列有效措 施，以保证水轮机大修间隔不低于９年。以下简要介绍水轮机 结构设计特点：该水轮发电机组为立轴混流式，旋转方向为俯 视顺时针。水轮机与发电机通过联轴螺栓直接连接。水轮机 主要部件有转动部件、埋人部件、导水机构、主轴密封 水导轴 承和辅助设备等。 ４．１转动部件 转轮直径４ ５５２ ｍｍ，最大外径４ ６６１ ｍｍ，高２ ５５５ ｍｒｆｌ。 转轮采用铸焊结构，上冠、下环、叶片材质均为 ｚＧＯｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ，采用ＶＯＤ精炼。转轮叶片为“Ｘ”型，每台转 轮共１３只叶片，数控加工成型。转轮过流面表面粗糙度Ｒａ≤ １．６，叶片根部表面粗糙度Ｒａ≤３．２。转轮上冠、下环与顶盖、 底环、止漏环采用间隙式密封。转轮与主轴采用螺栓连接，摩 擦传递扭矩，法兰组合面在工地喷涂摩擦剂，摩擦系数≥ｏ．５。 联轴螺栓采用液压拉伸器预紧，并精确测量其伸长值。值得一 提的是，转轮泄水锥采用了长圆筒式结构，这样做的主要目的 是降低尾水管中的压力脉动。 主轴为双法兰空心厚壁轴，轴领直径１ ４００ ｍｔｉ１，轴身内外 径５５０ ａｒｍ／１ ０５０ ｍｍ。主轴与转轮采用２Ｏ—Ｍ１１０×６的螺栓联 接，摩擦传递扭矩；与发电机轴联接采用２Ｏ—Ｍｌ１０×６的销钉螺 栓形式。 ４．２导水机构 顶盖、底环：均采用Ｑ３４５ｃ钢板焊接而成。过流面堆焊 ６ ｍｍ厚的不锈钢层。顶盖上设有２台潜水泵，互为备用，用于 排出机组渗漏水。顶盖、底环对应转轮进口间隙处设有可更换 的不锈钢止漏环。在蜗壳末端设置２根ＤＮ１５０的自流排水管。 顶盖上设有１２个压缩空气的补气接口，底环上设有６个压缩空 气的补气接１：３，在需要时可强迫补气。在顶盖上设有４根 ＤＮ２００平压管，引至尾水管，以减轻转轮轴向水推力。底环导叶 轴孔内钻有小孔，在座环相应位置设有排水管，防止导叶上浮。 控制环：采用Ｑ２３５Ｂ钢板焊接成整体。在接触面装有自润 滑抗磨板，用螺钉把合在顶盖上。控制环内侧周向均布有８块 １３８ 导叶操作机构：由活动导叶、导叶摩擦装置、剪断销、偏心 销等组成。活动导叶数量２４件，瓣体高１ ３０４ ｍｍ，分布圆直径 ５ ２５０ ｍｍ。导叶为对称型结构，具有自关闭趋势。导叶开口有 一定的余量。导叶为三支点结构，采用ＺＧＯＣｒｌ６Ｎｉ５Ｍｏ整体电 渣熔铸，有极好的抗空蚀、抗磨损性能；导叶轴套采用具有自润 滑性能的复合材料。导叶立面密封为金属线接触密封；导叶端 面密封为铜块加橡胶条密封，此处橡胶条只起到弹簧作用，通 过压环安装在顶盖、底环上；导叶轴颈密封为Ｙ型＋（）型密封 圈的组合密封，能可靠防止导叶轴颈漏水及泥沙进入导叶轴 套。每个导叶上设置有２个止推压板，能防止由于水力或其他 力的作用，引起导叶和抗磨板之间的过分挤压。每个导叶设置 １个剪断销，导水机构中设置有剪断销装置，当剪断销剪断时， 能自动报警。每个导叶设有１个摩擦限位装置。 ４．３水导轴承 水导轴承为稀油润滑、巴氏合金的分块瓦，水导瓦采用楔 子板支撑方式，便于安装和调整导轴瓦与滑转子之间的间隙。 轴瓦共１２块，瓦高２７５ ｍｍ，与主轴总间隙为０．４６～Ｏ．５３ ｍｉｌｌ。 水导轴承结构设计可靠且便于检修。轴承润滑采用Ｌ￣ＴＳＡ４６ 汽轮机油，在连续运行的情况下，轴瓦温度小于６５℃，油温小于 ５５℃；在额定转速、最大负荷正常运行且冷却水中断的情况下 运行１０ ｍｉｎ，能安全停机并不损坏轴瓦。轴承的冷却器采用内 置式，冷却水量为９０ Ｌ／ｍｉｎ，组合螺栓采用不锈钢材料。轴承 设有２只电加热器。当机组停运时，检测到油温低于１Ｏ℃即 自动启动，以保持油温不降低，当油温加热至２５℃时（此温度 可现场调整）即停止加热，从而保证机组能随时启动。轴承润 滑油在主轴旋转的作用下通过轴瓦作自循环，无甩油、无油气 逸出。轴承上设有２个观察窗和１个油位信号器，可观察轴承 的运行情况和油位。 ５结语 该水电站地处西藏偏远地区，自然环境恶劣。在水轮机结 构设计期间，针对电站的特点和设计中遇到的难点及疑点，我 们参考了类似机组的设计经验。本机组的设计采用了一些新 结构，对我公司以后设计类似水头段的机组有一定的借鉴作 用。 收稿日期：２０１３—０３—０５ 作者简介：蒋昭（１９８４一），男，浙江金华人，助理工程师，研究 方向：水轮发电机组水力设计。