杨家河水电站水轮机设计

林其文，陈济茂

(1.江苏航天水力设备有限公司，江苏高邮 225600)

(2.江苏省金鹏电站输变电工程有限公司，江苏南京 210037)

杨家河水电站水轮机设计

林其文1，陈济茂2

(1.江苏航天水力设备有限公司，江苏高邮 225600)

(2.江苏省金鹏电站输变电工程有限公司，江苏南京 210037)

杨家河一级水电站安装3台单机容量为12.5MW的立式轴流转桨式水轮机组。根据洮河流域的特点，对水轮机结构进行了优化。机组自2007年投入运行至今，运行情况良好，各项指标均达到设计要求。

杨家河水电站;水轮机选型;水轮机结构特点

杨家河一级水电站位于临洮县境内，采用无坝引水式开发方式，是以发电为主的无调节小型水电工程。共装3台单机容量为12.5MW的轴流转桨式机组。电站保证出力为7.93MW，年平均发电量1.376亿kW·h，年利用小时数3 669h，额定水头Hr16.20m，天然河道年平均含沙量1.06kg/m3，实测最大含沙量327kg/m3。招标文件要求在额定水头16.20m时，水轮机出力保证值不小于13MW;在大于额定水头运行时，能长期稳定安全运行，其最大出力不低于15MW。

根据洮河流域的水文、水质特点及招标要求，对水轮机结构进行优化。采用新型密封结构;在水轮机的主要过流部件表面铺焊不锈钢或采用不锈钢制造，以满足机组使用要求。

1 选型设计

1.1 机型选择

根据电站的水头参数，可供选择的机型有轴流式和灯泡贯流式。轴流定桨式水轮机只适合水头和负荷变化较小的水电站，考虑到该电站出力完全受上游电站下泄流量的控制，负荷变化较大，因此不宜选用轴流定桨式水轮机。灯泡贯流式水轮机在低水头电站上有较大的优势，与轴流式水轮机相比，具有较高的过流能力和大的比转速。但是灯泡贯流式水轮机的不足之处是淹没深度大、检修空间小、设备制造要求高、工艺复杂等。甘肃省水利水电勘测设计研究院在电站设计之初已经做过技术经济比较，确定该水电站选用轴流转桨式水轮机。轴流转桨式水轮机的转轮叶片开度和导叶开度可随工况变化形成最优的协联关系，使水轮机水力损失最小，可提高水轮机的平均效率，扩大水轮机的运行范围，获得较宽阔的稳定运行区域，因而适用于功率和水头变化较大的水电站。

1.2 效率要求

水轮机效率关系到水电站的整体效益。招标文件要求水轮机在额定水头16.20m、额定出力13MW时的效率保证值不低于92%;水轮机最高效率保证值不低于94.5%;水轮机的加权平均效率应大于92.8%。

1.3 稳定性

造成机组运行不稳定的原因是多方面的，主要是水力振动和机械振动。水力因素包括尾水管涡带、卡门涡流、流道内的不均匀流场及空化等。而尾水管涡带将引起尾水管内压力的波动，有可能导致机组振动加剧，摆度与出力波动加大。

为保证该水电站机组的稳定运行，合同文件规定:在17.86m～14.48m运行水头范围内、负荷在35%～110%额定出力范围内，水轮机均可稳定运行。尾水管进口管壁处压力脉动值，在额定工况运行时△H/H(△H为混频双振幅外包络线的峰－峰值，H为运行水头)不大于3%，在部分负荷运行时△H/H最大不超过6%。

1.4 空化系数

水轮机在运行过程中常产生空化现象，会对水轮机过流部件特别是转轮叶片表面造成损坏，该现象不仅会降低水轮机的运行效率，严重时甚至危及部件的结构安全。因此水轮机的抗空化性能直接影响机组运行的安全可靠性和电站的经济性。一般用空化系数表征水轮机的空化性能。本水轮机模型的临界空化系数δ为0．56，水电站空化系数的安全裕度系数kδ约为1．25。根据吸出高度的计算公式得到:Hs=10－kδ×δ×H－Δ/900+a=－3．5(m)，Δ为水轮机安装高程，a为转轮中心至导叶中心线的距离。满足招标文件的要求。

1.5 水力模型选用

为满足合同文件中对发电机组稳定性、水轮机效率及空化要求，江苏航天水力设备有限公司专门从国外引进了适用于该水头段的水力模型Y130。该四叶片模型具有较大的过流量及良好的能量特性，其最高效率ηmax=92%;最高效率区涵盖了单元流量Q'(0．9m3/s～1.55 m3/s)的整个区间，跨度大，高效区宽，空化性能优越。选用该水力模型有较大的超发能力。整个模型综合性能优异，各项指标均满足了效率、稳定性及空化方面的要求。

1.6 水轮机参数

根据上述要求及计算结果，选择的机型为轴流转桨式，水轮机型号为ZZY130－LH－360。其主轴布置型式为竖轴，混凝土蜗壳，水轮机的旋转方向为俯视顺时针，转轮标称直径φ 3 600mm。最大水头Hmax为17.86m，加权平均水头为16.85 m，额定水头Hr为16.20m，最小水头Hmin为14.48m，额定转速166.7r/min，额定出力13MW，额定效率92.8%，额定工况时的比转速585m·kW ，吸出高度(导叶中心线)－3.5m。水轮机导叶和桨叶都可调节，并可实现协联动作。

2 水轮机结构特点

2.1 埋入部分

原模型水轮机进水流道采用的是“T”型蜗壳，为便于机组布置，采用“Γ”型蜗壳，如图1所示。图1中R为流道壁至水轮机中心的距离，a为径向尺寸，b为流道轴向高度，m为流道轴向高度减去固定导叶的高度。流道的改变，需对蜗壳进行水力换算，但换算必须满足以下几个条件:

a．蜗壳包角α不变。

b．蜗壳断面面积不变，b/a=1．75，γ =15°。

图1 “Γ”型蜗壳断面

蜗壳进口宽度达10多m，因而在流道中间增加隔墩。为便于检修，在蜗壳侧面设有φ 600mm圆形门，并在蜗壳底部设置盘形排水阀，以便水轮机检修时顺利将蜗壳中的存水排出。

尾水管采用弯肘形，包含直锥管、肘形部分、扩散部分。尾水管承担回收转轮出口动能的作用，以提高水轮机效率。同时考虑到它对汽蚀和水力稳定性的影响，所以要求和模型水轮机尾水管相似。直锥管里衬设置的位置，满足流速不大于标书规定的额定工况下，平均流速小于或等于6m3/s的要求。为便于检修，同样设置了进人门和盘形排水阀。

转轮室采用ZG230－450铸造而成，内壁呈半球加柱形，铺焊不锈钢板，提高了抗磨蚀性能;外壁焊有环筋和竖筋，以提高转轮室整体刚性，同时进行退火处理，防止转轮室产生较大变形，影响转轮室与桨叶的间隙。

座环作为水轮机的承重部件，应有足够的强度和刚度，以保证当蜗壳充水或放空时支承传递到其上部的所有重量(例如机组重力荷载、机墩混凝土重力荷载、水轮机水推力等)，在水轮机所有运行工况时的最大水压力下，无有害变形。固定导叶的设计充分注意到偏心负载所引起弯曲的影响，所有固定导叶外形采用流线形并和模型水轮机相似。固定导叶数考虑到与活动导叶数组合对水力脉动和振动的影响，设计时两者数量均确定为24只，并且在圆周方向上两者之间采用合适的相互位置关系，以保证在任何运行工况下水中固定导叶的自然频率与旋涡频率不发生共振，或固定导叶的自然频率不小于涡流频率的3倍。

2.2 转动部分

转轮由桨叶和轮毂组成。桨叶采用强度高、耐磨蚀性能好的ZG0Cr13Ni4Mo。桨叶型面采用5坐标加工中心加工，保证型面与水力模型一致。桨叶采用多层“X+V”密封，具有双向密封性能，既可防止润滑油渗出，又可防止外面的水进入轮毂。从使用效果看，此结构明显优于“λ”密封。轮毂采用ZG20SiMn铸造而成，油缸设在轮毂中心上方。轮毂球面堆焊不锈钢，以提高叶片与轮毂体之间的抗汽蚀性能。

转轮在装配结束时做动作试验、桨叶密封油压试验和转轮接力器活塞窜油试验。其中桨叶密封油压试验的要求较高:试验油压0.5MPa，16h，试验过程中桨叶全程动作，每小时操作桨叶全程开关2～3次，每只桨叶的漏油量不超过4.5ml。

主轴作为传递扭矩的重要零件，具有足够的强度和刚度，能在包括最高飞逸转速在内的任何转速下运行而不产生有害的振动和摆动。其尺寸能适应发电机功率因数cosφ=1.0时最大出力的扭矩传递要求。设计时充分考虑到水轮机和发电机的轴承支座位置和刚度、发电机尺寸和发电机的飞轮效应。所计算的临界转速不小于最大非协联工况飞逸转速的120%。

主轴内腔为桨叶操作油管的通道，主轴的内、外表面最后精加工在车床上加工，保证同心便于操作油管顺利滑动。

2.3 导水机构

导叶相对高度b/D1=0．4，24个正曲率，整铸导叶通过导叶臂、连杆由控制环控制，导叶采用三支点支撑，导叶轴承采用自润滑轴承。导叶保护装置采用限位杆+剪断销结构，简单实用。导叶臂上装有限位杆件，剪断销内装有剪断销信号器。当导叶卡有异物时，剪断销被剪断，导叶在限位杆限制的范围内活动，以保护其他零件不被连续破坏。同时剪断销信号器被破坏并发出信号，提醒工作人员做出相应处理。在导叶端面、立面和顶盖底环的过流面铺焊不锈钢，可减缓水轮机工作时水流和泥沙对过流面的磨损，以及水轮机停机时因间隙漏水发生汽蚀而引起的损害。导叶转动部分轴套采用FZ新型自润滑轴承，减少铜材的使用，取消润滑油和润滑装置，实现无油润滑，改善了工作环境。

顶盖、支持盖和底环是导水机构的重要部件，构成导水机构的过流通道，并承受相应的流体压力。在顶盖上设有4个φ 250mm真空破坏阀，保证机组突然关闭时自动向导水机构内补入空气，减缓抬机。

由于导水机构本身的最大外径接近5.1m，安装导水机构的座环最大外径已接近6.2m，设备无法整体运输到电站，顶盖底环及座环必须分半。导水机构在工厂内预装配，调整导叶端面间隙和立面间隙，检查导叶开度与控制环行程之间的关系是否与设计要求相符，打上定位销，再拆卸散件发运到工地组装。

2.4 导轴承

导轴承采用稀油润滑的筒式轴承。为降低主轴的摆度，保证水轮机的稳定运行，轴承应尽可能靠近转轮。轴承设有铂热电阻监控轴瓦温度，液位变送控制器监控轴承油位，油混水监视仪监控轴承润滑油中混入水的含量，防止混入的水超过一定比例时引起润滑油的乳化，破坏润滑条件。轴承还设有冷却水管，对轴承润滑油进行冷却，在冷却水管路上设有流量开关、压力表、温度变送器，保证冷却水以一定的压力、温度不间断对轴承进行冷却，保证轴承最高运行温度不超过65℃。

2.5 主轴密封

主轴密封分为工作密封和检修密封。工作密封采用活塞密封，通过润滑压力水，保证橡胶密封环紧贴衬板，实现端面密封。橡胶密封环端面上开有合适的圆孔，压力水可对橡胶端面进行润滑冷却。润滑压力水管路中间段并联2只Y型过滤器，对水进行过滤，保证水的清洁。管路上还设有发电信号的流量开关、压力开关、现地显示压力表。

检修密封采用空气围带式，管路上同样设有压力开关、压力表，同时还设有双稳态电磁阀，保证开机前空气围带排气和停机时充气。

2.6 受油器

受油器设在发电机顶端，分配来自调速器的转轮操作压力油，并与主轴中操作油管相连。受油器采用浮动瓦结构。安装在受油器里的浮动瓦承担上下压力腔(叶片开启腔、关闭腔)之间及压力腔与上下排油腔之间的密封、导向作用。浮动瓦具有自调节功能，可适应操作油管的允许摆动，将漏油量控制在最小。受油器与发电机及其他连接件采取可靠的绝缘结构，以防止轴电流。

在水轮机轴与发电机轴内孔装有操作油管，操作油管为两根同心钢管，与水轮机轴(发电机轴)的内孔构成3条油道，分别输送桨叶开、关腔的压力油和转轮内部压力油。在受油器顶部装有桨叶直线位移传感器和反映主轴转速的离心开关。

3 机组防飞逸及抬机措施

电站运行过程中，常会遇到各种事故，比如机组突然与系统解列，把负荷甩掉，引起机组转速瞬间急速上升，产生强大的离心力，对机组造成破坏或引起机组剧烈振动。

电站防飞逸措施:一是电站设置快速闸门，当机组发生事故时，闸门快速落下，切断水源，初步保护机组，防止机组飞逸的发生;二是设置过速限制器和离心开关，当机组甩负荷、调速系统主配压阀拒动不能关闭导水机构，且机组转速升高到115%额定转速，或机组电气过速达到140%额定转速时，过速限制器动作，直接把调速器里的压力油送至导叶接力器，导水机构迅速关闭，从而防止机组的飞逸，保护机组。

若导水机构关闭过快，水轮机的过流量会急剧变化，在水轮机压力过水系统内就会产生水击，此时产生的最大压力会对压力过水系统的强度产生影响。同时由于水流惯性，导致尾水管中的真空度加大，水流在下游水压力作用下减速停止并反向运动撞击转轮叶片，引起向上的水力冲击，产生反水锤，造成抬机现象。因此，导叶的关闭必须分两阶段完成，以满足两方面的要求。(1)在甩负荷开始阶段导叶关闭速度快，保证机组转速升高值减低。(2)当压力上升值达到规定值时，缓慢关闭，使后面发生的压力不会比折点的压力高［2］。

合同文件要求调节保证值:导叶前最大压力上升率ξ不大于60%;机组最大速率上升值β不大于50%。因机组在最大水头Hmax17.86m发额定出力(工况1)和额定水头Hr16.20m发额定出力(工况2)甩负荷所表现出来的导叶前最大压力上升率和机组最大速率上升值具有一定的代表性，所以对这两个工况按图2和图3表达的导叶和桨叶关闭规律进行计算，计算结果完全满足合同文件的要求，见表1。

表1 调保计算结果

图2 导叶关闭开度与时间曲线

图3 桨叶关闭开度与时间曲线

电站实际运行结果证明，图2和图3表达的导叶和桨叶关闭方式是可行的。同时机组还设置了动作灵活、补气量大的真空破坏阀，有效地防止了机组甩负荷过程中的抬机现象。

4 机组排水

轴流水轮机的顶盖排水是否及时，直接关系到机组的运行安全。顶盖上设置2台自吸式水泵(1台工作，1台备用)和2台潜水泵，并设有浮球液位信号器。信号器设置4段水位报警点，分别是最低水位、警戒水位、最高水位和超高水位。当顶盖渗水水位达到警戒水位时，1台自吸泵和1台潜水泵投入运行;达到最高水位时，所有泵全部投入运行;如果水位仍上抬，就上传信号至中控室执行事故停机，防止淹没水导轴承及水车室。座环设有自流排水孔。水泵控制箱设人工控制与自动控制两种方式，且两种方式可切换。

在实际运行中，由于浮球液位信号器外未装防浪管，导轴承上的转动油盆在运转时带动水流不停地跳动，引起浮球液位信号器上的浮球误动作，造成排水泵反复开启，将电动机烧毁。在浮球液位信号器上装上防浪管后，效果明显好转。

5 结束语

杨家河电站已于2007年投入商业运行，整个机组运行平稳、技术性能良好，实践证明水轮机性能和质量完全达到了招标文件的要求。机组大量采用自动化元器件，提升了电站的自动化程度;运用计算机对机组进行监控，提高了电站运行的安全性和可靠性。

［1］ 哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1976.

［2］ 沈祖诒.水轮机调节［M］.北京:中国水利水电出版社，1998.

The Turbine Design of Yangjiahe Hydropower Station

LIN Qiwen1，CHEN Jimao2
(1.Jiangsu Aerospace Hydraulic Equipment Co.，Ltd.，Jiangsu Yangzhou，225600，China)
(2.Jiangsu Jinpeng Power Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Jiangsu Nanjing，210037，China)

In order to install 3 single capacity of 12.5 MW of vertical axial flow turbine units in Yangjiahe hydropower station，it designs and optimizes turbine structure based on the characteristics of the basin.Since these 3 turbines put into operation in 2007，they have been operating in good condition，all the indexes meet the design requirements.

Yangjiahe Hydropower Station;Turbine Selection;Turbine Structure Feature

TH122

B

2095－509X(2013)12－0077－05

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.12.019

2013－09－10

林其文(1968—)，男，江苏高邮人，江苏航天水力设备有限公司高级工程师，主要从事水轮机设计工作。