雅砻江锦屏二级水电站水轮机性能与结构特点

李 军

（葛洲坝集团机电建设有限公司，四川 成都 610091）

雅砻江锦屏二级水电站水轮机性能与结构特点

李 军

（葛洲坝集团机电建设有限公司，四川 成都 610091）

雅砻江锦屏二级水电站共装设8台高水头（最大水头318.8m）、单机容量600M W的混流式水轮发电机组，其整体设计、制造与安装难度均达到了世界水平。该电站水轮机由上海福伊特西门子水电设备有限公司（以下简称V SS）制造，采用了蜗壳现场进行水压试验并保压浇筑混凝土，座环固定导叶与活动导叶间设置筒形阀，转轮采用长短叶片型技术,导轴承采用稀油润滑分块瓦结构，主轴密封采用恒压式自动补偿型结构等先进结构。详细介绍了锦屏二级水电站水轮机的性能与典型的结构特点。

水轮机性能；结构特点；锦屏二级水电站

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河湾上，是雅砻江上水头最高、装机规模最大的巨型水电站。坝址位于锦屏一级电站下游7.5km，利用雅砻江150km锦屏大河湾的天然落差，截弯取直开挖隧洞引水发电，其引水隧洞为世界上规模最大的水工隧洞工程。电站总装机容量4800MW，单机容量600MW，多年平均年发电量242.32亿kW·h，水库正常蓄水位1646m，总库容1920万m3，调节库容为502万m3。地下电站工程于2007年1月全面开工，计划2012年首台机组发电，2014年竣工。

锦屏二级水电站装机规模巨大,机组台数较多,水轮机运行水头高,机组部件尺寸较大,机组的整体设计、制造与安装难度达到了很高水平。本文根据锦屏二级水电站的工程特点,详细介绍了水轮机的性能与典型的结构特点。

1 水轮机技术参数

水轮机型式：竖轴混流式；最大水头：318.8m；最小水头：279.2m；额定水头：288.0m；额定流量：228.6m3/s；额定转速:166.7r／min；飞逸转速：275r／min；转轮叶片型式：长短型叶片（15＋15片）；转轮进口/出口直径：Φ6570/Φ4600mm；额定功率：610MW；吸出高度：-10.10m；圆筒阀阀体尺寸（外径 /内径）:Φ8625/Φ8175mm；圆筒阀接力器数量：6个/台套；旋转方向：俯视逆时针旋转。16

2 水轮机性能

2.1 出力保证

下列水头条件下，水轮机在额定转速运行。空蚀损坏在允许范围内，其出力保证值见表1:

表1 水轮机出力保证值

2.2 效率保证

（1）水轮机加权平均效率不低于95.01%。

（2）水轮机在额定水头288.0m、额定出力610MW时的效率保证值为94.90%。

（3）水轮机最高效率保证值为95.79%。

2.3 尾水管压力脉动频率与双振幅相对值△H／H

在全部相应水头下保证功率负荷范围内尾水管进口规定部位测得的压力脉动保证值不大于2.5%。

2.4 转轮无裂纹保证

在保证期内，转轮无裂纹。

2.5 空蚀磨损保证

水轮机在质量保证期内运行8000h但不超过机组投入试运行之日起2年，水轮机由于空化破坏引起的金属最大失重及最大剥蚀深度不超过以下值：转轮由于空蚀磨损损坏的金属失重量不超过10.0kg，过流部件因空蚀和磨损作用允许金属失重量不超过5.0kg。转轮上任一点允许最大剥落深度不超过5.0mm。

3 水轮机结构

水轮机采用立轴混流式结构（见图1），水轮机主轴与转轮的连接采用销套传递扭矩方式，转轮采用长短叶片型（15+15片）叶片，在座环固定导叶与活动导叶间设置筒形阀，水导轴承采用稀油润滑分块瓦式轴承，导叶用两个平行布置的接力器控制，机组设有中心孔补气装置。

3.1 尾水管

尾水肘管采用25mm厚的Q235B钢板制作，共分15节，其中第1～7节分成2瓣，第8～15节分成4瓣，均以瓦片交货，进口直径6244mm，出口宽度9500mm（高度4960mm），总高度10583mm，重约115.451t。

尾水锥管分4节，每节分两瓣交货，外形尺寸Φ7060×高 8447×Φ4902（mm）,管节重量 37.6t，单套总重量47.128t（含内支撑钢管），最重管节4.535t。其中锥管本体与加强板材料均为Q235B，板厚分别30mm、16mm。运输内支撑采用型号主管Φ140×4.5的钢管、支管Φ89×3.5的钢管组成。

3.2 基础环

基础环采用30mm厚的X3CrNiMo不锈钢板制作成锥形，分两瓣运输到工地，现场组装焊接，组装后尺寸为 φ4919/φ4744.5mm，高度 1053mm，总重量5.016t。基础环与座环环缝待混凝土浇筑与养生期合格后，进行焊接。

3.3 座环

座环由上下环板、固定导叶、过渡板、导流板、上下筒体、顶盖连接法兰板、转轮支承法兰板、底环基础板组成，分成4瓣运输到工地，用螺栓及定位销钉把合后工地焊接，组装后最大外径Φ10558mm，高度3543mm，总重量约338t。座环采用7种异种钢板焊接制成，其中上、下环板板厚分别260mm、220mm，材质为进口S355J2G3Z35钢板；环板上设有上、下过渡板，材质为德国迪林根公司生产的高强度钢板S550Q。

该座环与传统混流式大型机组座环结构不同，具有如下结构特点：座环分瓣面为斜向且与机组轴线成15°角；座环最底端设有原属于基础环的一部分结构（转轮支承法兰板）；为了形成水流进入转轮前所必须的环量和固定导叶受力均匀，座环中23个固定导叶设计成7种规格形状，均采用厚钢板机加工型面的工艺，其中12个固定导叶出水边与上筒体内侧均设有圆筒阀阀体运动进行导向的不锈钢导轨；蜗壳尾节与大舌板在车间预装配割，在工地待座环完成4个分辨面的焊接后进行现场装焊；座环与顶盖、底环、圆筒阀阀体、转轮和固定止漏环等配合面在车间预留3～5mm的加工余量，混凝土浇注后，工地可进行上述配合面的机加工。

3.4 蜗壳

蜗壳分30节（包括6节进水管），除第19、22节整节交货外，其余各节（每节由三块瓦片组成）现场瓦片交货，进口直径Φ6050mm，板厚δmax=76mm,δmin=30mm，总重量310.473t。蜗壳采用钢板焊接结构，蜗壳和进水管材料为S500M钢板制作，过渡板材料为S550Q钢板制作。座环现场组焊完成后，将大舌板、蜗壳尾部两节与座环焊接成整体。蜗壳外表面不设置弹性层，现场焊接后进行水压试验 （见图2），用增压泵将压力升高至试验压力5.33MPa，并保压30min，然后将压力降低至4.1MPa，并保持30min，最后将压力降低至2.6MPa，保压浇筑混凝土。蜗壳混凝土浇筑采用常温保压，分层浇筑方式。

图2 蜗壳水压试验压力曲线图

3.5 导水机构

底环为钢板焊接结构，具有足够的强度和刚度。分成2瓣运输到工地，螺栓把合，底环外径Φ8400mm，高度 495mm，总重量 46t。

顶盖为钢板焊接结构，分成2瓣运输到工地，螺栓把合，顶盖外径Φ9400mm，高度2330mm，总重量260t。顶盖设有6根Φ273的泄压管，汇总至2根总管后连接到尾水管里衬上。

顶盖和底环上还预留了压缩空气补气管道及接口。顶盖和底环上的固定止漏环，在工地现场冷嵌到顶盖和底环上。

3.6 水导轴承

水轮机导轴承为稀油润滑、巴氏合金的分块瓦结构，采用楔子板调整轴瓦间隙。导轴承由轴瓦、轴瓦支承、带油槽的轴承箱（分2瓣）、箱盖和附件组成，导轴承置于油槽箱内。水轮机导轴承设有一个完整、独立的润滑冷却系统，设有2个冷却器，通过轴领泵进行循环冷却。冷却器及阀组布置在水轮机顶盖内。冷却水由电站技术供水系统提供。

3.7 主轴密封

主轴密封系统由工作密封和检修密封两部分组成。主轴工作密封型式为恒压式自动补偿型结构，采用水润滑和冷却，水源取自蜗壳进口前，经减压过滤装置减压并过滤后供给主轴工作密封。在机组停机和检修主轴密封时，为防止尾水溢出，在主轴工作密封的下方设置有主轴检修密封。主轴检修密封采用压缩空气充气膨胀式橡胶密封，由压缩空气系统提供工作压力为0.5～0.8MPa的压缩空气。检修密封能在不拆卸主轴、水轮机导轴承、导水机构和管路系统的情况下进行调整或更换密封件。

3.8 转轮

转轮由上冠、下环、叶片与泄水锥组成，材质为ASTMA743CA-6NM低碳优质不锈钢材料，在上海福伊特转轮制造车间组装焊接，然后精加工，最终静平衡试验合格后整体运输至工地。转轮的叶片采用主副叶片型（也称长短叶片型，15＋15片），直径D1/D2为6.57/4.60m。

3.9 主轴

水轮机主轴为中空结构，水轮机主轴与发电机主轴采用销钉螺栓传递扭矩与外法兰连接方式，与转轮采用销套传递扭矩与外法兰连接方式。水轮机主轴上端法兰与发电机轴下法兰直接连接，分界法兰面高程为1322.80m。水轮机轴与发电机轴的连接在现场直接连接，然后检查轴线；若现场连轴后轴线需校正，则采用在工地同轴钻铰工艺。

3.10 导叶操作机构

控制环采用钢板焊接结构，分2瓣运输到工地。控制环底面装有环向导轨和抗磨板，抗磨板具有自润滑性能，不需要润滑油系统。导叶采用ASTMA743CA6NM不锈钢整体铸造，每台机共布置24个导叶。每个导叶设有3个自润滑支承导轴承，1个布置在底环中，另2个布置在顶盖中。导叶操作机构由自润滑轴承、偏心销、拐臂、连杆、控制环和推拉杆等部件组成，将导叶与接力器相连接。

每台水轮机设有2个油压操作双作用液压直缸接力器，左、右2个接力器上安装有接力器锁定装置、导叶开度位移传感器等元器件。接力器设置于水轮机室的接力器坑衬内，操作接力器的压力油由调速系统的油压装置供给，额定工作油压6.3MPa。

3.11 筒形阀装置

圆筒阀由阀体、导向机构、密封、接力器（或液压缸）、同步控制装置、油压装置、监测系统仪表、自动化元件、盘柜及控制装置、阀门、管道、导线、电缆等组成。圆筒阀为可动水关机的隔断阀，安装在水轮机的固定导叶和活动导叶之间。圆筒阀只处于全开或全关位置，不作流量调节用。阀体应与导水机构严格地保持同心和一致，活动导叶在任何位置时或脱离控制情况下，均不干扰阀体的启闭。阀体在运输时分2瓣，现场组圆，阀体分瓣面采用高强度螺栓联接，外部采用封焊防止漏水和变形。

圆筒阀操作控制机构包括：压力油源、接力器、行程测量与反馈装置、同步控制装置、锁定装置、盘柜、仪表和显示、信号、管路、电缆等。圆筒阀在90s内完成紧急关闭和60s内完成正常开启，并且启、闭时间分别在40s至80s和60s至120s内可调。圆筒阀设置6个油压操作、双作用、液压直缸接力器，保证圆筒阀在开启和关闭过程中不会卡死。操作接力器的压力油额定工作压力6.3MPa。

4 结语

（1）锦屏二级水电站座环结构极其复杂，其分瓣面为斜向且与机组轴线成15°角，蜗壳尾节与大舌板在车间预装配后工地装焊，座环结构设计时将原属于基础环的一部分结构（转轮支承法兰板）移到了座环最底端，使基础环的结构变得相对简单。在厂内整体制造组装后，对座环进行机加工，预留3～5mm的加工余量；工地浇筑混凝土后，现场进行二次机加工。

（2）锦屏二级水电站水轮机埋件（肘管、锥管、蜗壳与机坑里衬）均为瓦片交货，现场组装。蜗壳组装后现场进行水压试验，常温保压浇筑混凝土。

（3）水轮机上止漏环布置在顶盖上，下止漏环布置在基础环上，均现场冷嵌固定。

（4）锦屏二级水电站水轮机运行水头高（最大水头为318.8m），为避免转轮叶片正、背面压差较大,叶片背面沿叶片长度方向压力下降快,叶片背面出现空蚀现象发生，该电站转轮的叶片采用主副叶片型（也称长短叶片型，15＋15片），整体交货。这种长短叶片型转轮有利于均匀转轮进口处的流速,提高水轮机的平均效率,改善转轮的空化性能,减小尾水管进口处的压力脉动。

（5）与三峡、龙滩、二滩、拉西瓦等大型水电站水轮机相比较，锦屏二级水电站在座环固定导叶与活动导叶间增设了筒形阀结构，每个筒形阀单独设置一台油压装置。其主要作用是减少机组停机状态的漏水量，缩短事故停机后重新启动的时间，提高水能利用率和机组工作效率。

（6）锦屏二级水电站水轮机采用了近几年来国内外大型水轮机较为先进而又成熟的一系列技术，又借鉴了三峡、龙滩、二滩、拉西瓦、小湾等电站大型水轮机的一些成功设计和制造经验，故锦屏二级水电站水轮机在设计、结构和制造工艺等方面都达到了世界先进水平，目前正在制造和安装过程中，其运行性能的优劣还有待机组投产运行后实践验证。

Performances and structural characteristics of turbine in Yalong River JinpingⅡHydropower Station

LI Jun

（Gezhouba Group Mechanical and Electrical Construction Co.，Ltd., Chengdu 610091, China）

Eight high head （maximum head of 318.8m） Francis turbine-generator units each with 600MW are installed in Yalong River JinpingⅡHydropower Station. Its overall design, manufacture and installation difficulty reach the world level. The turbines are made by Voith-Siemens Hydro Power Generation Shanghai （VSS）. The spiral case hydraulic test is made in site and the pressure is kept during concrete pouring. There is a cylinder valve between the stay vanes and the guide vanes. The runner is with length-short blades. The guide bearing is of dilute oil-lubricated bearing block tile structure. The main shaft seal is of constant pressure automatic compensation structure. This paper introduces the performances and typical structural characteristics of the turbines in Jinping ⅡHydropower Station.

turbine performance; Structural characteristics; Jinping Ⅱ Hydropower Station

TK733+.1

B

1672-5387（2010）02-0015-04

2010-02-04

李军（1978-），男，工程师，从事水电站机电安装、检修与技术管理工作。