韩国党津海洋灯泡贯流式水轮机设计探析

祝继文，李士军

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150000)

1 概 述

贯流式水轮发电机组因转轮过流能力强，效率高，且电站土建开挖量少、建设周期短、总体投资省，是开发利用30m以下低水头水力资源和潮汐能的良好机型，而灯泡贯流式是贯流式机组的常用布置型式。哈电机在灯泡贯流式水轮机设计制造方面有丰富的经验，先后为国内外数十个电站如江口、凌津滩、洪江、株洲、红花、大顶子山、蜀河、马里费卢、竹拉兰等提供了成套的灯泡贯流式水轮发电机组。

哈电机设计生产制造的韩国党津灯泡贯流式海洋水力发电机组位于韩国西部的唐津郡，与中国烟台、青岛隔海相望。机组发电水源为火电厂排出的火电机组冷却用海水，尾水直接与海岸相连。由于海洋的潮汐特性，机组的运行水头每天随潮汐变化而变化。该机组水轮机转轮直径仅有3.1m，是哈电机生产制造的最小灯泡贯流式水轮机。由于过机介质为海水，因此在结构设计、材料选取和海水防腐方面与常规机组有明显区别。

2 水轮机基本参数

水轮机型号： GZ(A969a)-WP-310；

水轮机转轮直径： 3.1m；

转轮叶片数： 3；

水轮机额定出力： 2240KW；

最大水头： 6.37m；

额定水头： 4.38m；

最小水头： 1.69m；

额定转速： 150r/min；

机组旋转方向：顺时针旋转(从上游向下游方向看)。

3 结构特点

韩国党津水轮发电机组剖面图见图1。

图1 韩国党津水轮发电机组剖面图

3.1 埋入部分

埋入部分装配包括尾水管、转轮室、伸缩节、管型座、流道盖板、导流板及拉锚、垫板、埋管等，其中转轮室、伸缩节、流道盖板、导流板非埋件，按哈电设计惯例归入埋入部分装配。管型座分为内壳体、外壳体，内壳体为整体结构，外壳体为分瓣结构。整个管型座在厂内进行预装。尾水管的进口段设有进人门，方便检修维护人员进入流道[1]。

3.2 导水机构

导水机构装配包括导叶内配水环、外配水环、导叶、控制环、连杆机构等。导叶内外配水环均采用不锈钢材料整体焊接制造。由于机组尺寸较小，导叶上轴颈处采用传统的自润滑筒式轴承，在导叶下轴颈处设有复合材料的自润滑轴套，在导叶连杆机构中设有可自动调心的自润滑关节轴承，保证活动导叶在机组运行过程中转动灵活。导叶的安全保护采用V型安全连杆机构，其结构简单，在导叶关闭时被异物卡住后产生弯曲变形，不影响其它导叶的正常关闭，同时发出报警停机信号，更换新的连杆后机组可正常运行。

在导水机构中设有重锤保护装置，当接力器的操作油压过低时，导叶可依靠重锤所产生的力矩来实现自动关闭，以保证机组的安全；

导叶接力器为直缸摇摆式接力器，竖直布置在导水机构下方的接力器支墩上。接力器设有锁锭装置，在机组停机检修时将导叶锁在全开位置，在机组正常停机时将导叶锁在全关位置[2]。

3.3 转动部分

3.3.1 主轴

主轴为整锻结构，水轮机和水轮发电机共用。主轴法兰采用螺栓分别与发电机转子和水轮机转轮联接，采用销传递扭矩。

3.3.2 转轮

转轮装配包括转轮体、叶片、叶片枢轴、转臂、接力器缸、接力器缸盖、活塞、活塞杆、泄水锥等，转轮为缸动结构，接力器缸布置在转轮中心线的下游侧，操作压力6.3MPa。转轮有3个叶片，叶片材料为铸造不锈钢。转轮体由不锈钢整铸而成。转轮接力器活塞采用组合密封结构代替传统活塞环结构，叶片密封为V型组合密封，可在不拆卸叶片的情况下很方便地更换密封件。转轮在厂内预装后进行静平衡配重，然后进行密封试验、耐压试验和动作试验。

3.3.3 主轴密封

主轴密封由检修密封和工作密封组成，工作密封主要由密封座、径向盘根密封、抗磨环、密封盖等组成。盘根密封圈采用聚四氟乙烯浸渍碳纤维材料，采用清洁海水润滑，供水压力0.15-0.2MPa。检修密封为实心空气围带，检修时投入压缩空气，供气压力0.5-0.8MPa，用气量约5L/次。主轴密封设有自流排水管接入排水系统。

3.3.4 水导轴承

水导轴承采用径向卧式筒式轴承。机组在启动过程中利用高压油顶起系统将转动部分顶起，防止轴瓦烧毁。水导轴承润滑油系统为外冷式，机组正常运行时，轴承润滑油循环方式为：高位油箱→水导轴承→低位油箱→升压泵→油冷却器→油过滤器→高位油箱。

3.3.5 受油器

受油器采用浮动瓦结构，共两块浮动瓦。从结构上将反馈轴的水平运动与其自身的旋转运动分开，减少了浮动瓦的磨损。受油器的漏油直接排入低位油箱。受油器带有指针，通过轮毂供油管反馈转轮叶片的开度。

3.3.6 循环油系统

循环油系统由低位油箱、轴承轮毂集成式高位油箱、增压螺杆泵、油过滤器、油冷却器及相关附件组成。高位油箱主要用于提供机组转轮轮毂、水导轴承及发电机组合轴承润滑油。润滑油从高位油箱自流至导轴承内表面，对轴瓦进行润滑并带走主轴旋转所产生的热量，然后流入低位油箱，低位油箱通过增压泵、过滤器、冷却器将润滑油泵入高位油箱，如此往复循环。润滑油流量在机组调试时通过手动阀控制，保证经济性、安全性。

4 海水防腐应用

4.1 不锈钢材料在结构设计上的应用

由于机组采用海水发电，厂房及灯泡内均为盐雾环境，对机组的材料腐蚀很严重，因此机组的核心部件均为不锈钢材质。根据不同材料动态腐蚀性能测试实验结果对比：材料腐蚀速度以双相不锈钢最慢，其次为奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢，碳钢最快。对不锈钢的钝化性能而言，双相不锈钢的在腐蚀介质中钝化保护膜的稳定性最好，其次为奥氏体不锈钢，马氏体不锈钢最差。

综合考虑水轮机管型座、内外配水环、转轮室、尾水管采用奥氏体不锈钢板，导叶、转轮叶片、转轮体采用马氏体不锈钢铸件，管路、法兰、弯头、紧固件采用奥氏体不锈钢材料制造。实践证明上述不锈钢材料有明显的抗海水腐蚀性能，机组运行一年多来未发生严重的锈蚀和电化学腐蚀，尤其是内外配水环和转轮室法兰端面均光亮如镜。

4.2 阴极保护系统和轴接地装置的应用

整套机组安装了强制电流阴极保护系统和轴接地装置。

阴极保护系统主要包括恒电位仪、辅助阳极、参比电极。

辅助阳极与参比电极布置图见图2。

图2 辅助阳极与参比电极布置图

恒电位仪供电为三相480V，频率为60Hz。具有手动和自动两种工作模式。

辅助阳极采用多个圆盘状钛基金属氧化物阳极，分别布置在泡头，管型座，外配水环和转轮室上。

参比电极采用多个圆盘状高纯锌参比电极，与泡头，管型座，外配水环和转轮室上的辅助阳极布置在同一个断面，与辅助阳极呈90°布置。

为防止转轮叶片的电化学腐蚀，采用轴接地装置使得转轮叶片与发电机舱体的电位差降到 0.1V 以下，以避免电化学腐蚀。轴接地装置主要包括转环、碳刷和刷架

通过两年多的运行实践证明机组的阴极保护系统对于流道内的海水腐蚀有明显的保护作用，保护电极安装处流道清洁无杂物附着。

4.3 表面防腐喷涂

灯泡头、竖井、框架盖板、管型座、水平支撑、垂直支撑等零件过流表面采用聚脲喷涂。水轮机内配水环、外配水环、转轮体、叶片、转轮室、尾水管等过流部件均采用不锈钢材料，为了达到进一步防护效果，在以上部件的过流表面喷涂海水防腐漆，材料为无溶剂环氧耐潮湿涂料，最小干膜总厚度450μm。

5 结 语

韩国党津水轮机成功的完成了设计、制造、安装、调试，并于2014年9月17日发电，机组的各项性能指标均达到合同要求，总体性能良好，但水轮机结构设计的个别细节还可以进一步完善和优化，个别部件的材料选择及表面防护措施还需要进一步跟踪验证，以便在今后潮汐水轮机的设计中进行改进。该项目是哈电机公司首个韩国海水贯流项目，在哈电机公司成熟的灯泡贯流式水轮机设计基础上应用了相关防海水腐蚀措施，为开发韩国潮汐发电市场打下了基础。

[1]李迪楚.中小型灯泡贯流式水轮机参数的选择方法[J].中国农村水利水电，2006(05):69-70.

[2]孙旭东.灯泡贯流式水轮机水力振动的形成及其影响[J].电站系统工程，2006(05)：88-90.