石虎塘三、四叶片灯泡贯流式水轮机设计特点

2020-07-01陈美娟

水电站机电技术 2020年6期

陈美娟

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江杭州300020）

1 概述

石虎塘航电枢纽工程水电站共安装6台灯泡贯流式水轮发电机组，其中1号、2号机转轮为四叶片，3～6号机转轮为三叶片，每台机组的额定容量均为20MW，转轮直径均为7.1m。电站最高水头10.92m，其中三叶片机组最大水头为9m，极限最高水头为10m。机组采用日本东芝公司优秀模型转轮，并承担水力设计、模型试验、水力过渡过程分析计算等。

2 水轮机选型和水力设计

2.1 水轮机选型

招标文件对三、四叶片水轮机的转速、转轮直径均作了指定，东芝公司对现有的相应模型转轮进行了优化设计，以适应水轮机运行工况和范围最优，满足合同中各项性能指标。水轮机主要参数见表1。

根据我公司对水轮机选型经验，三、四叶片水轮机的比转速均在合理范围内，额定工况点的单位流量也符合我公司的模型特性。

2.2 水力设计

2.2.1 机组流道优化

针对一个电站设计两种类型机组的特殊性，考虑三、四叶片转轮直径相同，转速不同，因此对水轮机流道进行了优化设计，选取了既适合三叶片又能满足四叶片的机组流道，流道尺寸见图1。

表1 水轮机主要参数表

图1 机组流道图

机组流道形状主要有以下特点：

1）三、四叶片机组从流道进口到尾水管出口的全流道尺寸均完全相同。

2）除了因转轮轮毂比不同而引起的转轮体前端的锥段收缩率略有不同外，灯泡头直径相同，灯泡体外形尺寸基本相同。

两种机组采用相同流道有利于机组同一化设计，在结构设计、零件制造、土建施工、安装检修、运行管理、节约成本等方面均得到很大的益处，有效地减少了电站的建设投资。

2.2.2 转轮水力优化设计

根据石虎塘机组的特点分别对三、四叶片水轮机转轮进行了水力优化设计。

1）考虑三叶片单个叶片承受水推力较大以及真机转轮结构设计的可行性，叶片水力特性应满足桨叶接力器容量设计需要等因素，对叶片型线进行了水力优化设计。三叶片机组具有转轮直径大、轮毂比小、使用水头高等特点，真机转轮结构设计综合难度系数较高，增加了转轮水力优化的难度。

2）为了使四叶片机组能获取更优秀的水力性能，在原有转轮叶片型线的基础上进行了优化设计。通过转轮模型试验证明，四叶片机组各项性能指标均达到或超过了合同保证值。

2.2.3 导叶型线设计

三、四叶片水轮机相匹配的导叶翼形因水力特性差异较小，考虑导水机构结构设计的通用性和互换性，将6台机组的导叶采用相同型线设计。同时，将三、四叶片的导叶最大转角都选取85°，从水力设计上，为6台机组导水机构通用性结构设计奠定了基础。

3 水轮机结构特点

3.1 总体设计方案

机组支撑方式采用管形座上、下2根立柱为主支撑，发电机水平和垂直防振支撑为辅助支撑。上下立柱与混凝土刚性连接，承受水推力产生的弯矩和发电机转矩。辅助支撑为弹性连接，主要承受灯泡体的重量、浮力和不平衡力以增加机组的稳定性。

机组轴系采用双支点双悬臂式结构，即采用发导轴承和水导轴承二支点，水轮机转轮和发电机转子均为悬臂式结构，此结构简单、可靠、安装调整方便、易于检修维护。

水轮机在部件设计上做到结构简化统一，专用工具、备品备件以及相配套的机组辅助设备、自动化元件配置等具有通用性和互换性，以方便今后电站的运行、维护管理，达到缩短设计、制造、施工的周期，降低电站投资，提高电站经济效益。

3.2 转轮

三、四叶片水轮机最大的结构区别在于转轮设计，其中三叶片转轮结构设计难度较大。三叶片转轮轮毂比仅为0.3，运行水头偏高，单个叶片承受的水推力比四叶片要大，而转轮体内部布置的空间又比四叶片小，叶片、操作机构的强度以及桨叶接力器的容量均受到了限制。结构设计时采取加大叶片根部厚度和圆角，叶片轴套、联接螺栓等部件采用高强度材料，在不加大转轮轮毂比的条件下，满足三叶片转轮刚强度的设计要求，克服了三叶片转轮结构设计上的困难。

三、四叶片转轮均采用缸动结构，以利于机组稳定运行。叶片密封采用我公司成熟的多道“V”型密封。“V”型密封由弹簧和油压双重力使其张紧，既使长期运行过程中出现磨损也能保证与叶片保持较好密合。更换密封件时不需要拆下叶片，结构简单方便。结构型式见图2。

图2 叶片密封结构

为了更大范围地满足三、四叶片转轮专用工具、备品备件通用性和互换性，在结构设计方案上尽可能全盘考虑。转轮接力器缸径通过接力器容量计算确定为相同直径，活塞密封可以做到互换。转轮联轴螺栓、叶片联接螺栓采用相同规格的螺栓，可以减少液压拉伸器的拉伸器头规格。

根据三、四叶片转轮结构特点，采用不同的静平衡试验工具，以获取更高的试验精度。三叶片转轮采用传统的刚性平衡球头试验工具，四叶片转轮采用三支点负荷传感器试验工具。

转轮运输工具从结构设计上实现转轮体、叶片运输架在一个电站共用同一套工具，做到电站运输工具重复利用，降低运输成本。

3.3 导水机构

锥形导水机构设计较为复杂，它的设计、制造质量对整个灯泡贯流式机组的品质起到关键性作用。导水机构结构简单、合理，尤其是工地安装调整便捷，深受安装单位的好评。三、四叶片机组除内导环的锥体尺寸不同外，外导环、活动导叶、控制环、内外导叶轴承、连杆机构所有对应的零部件均相同，具备可互换性。

导叶保护装置采用每个连杆设置压缩弹簧的方式，当导叶在关闭过程遇异物卡住时弹簧连杆动作，自动进行异物排除，然后弹簧自动复位，整个动作过程不损坏部件，方便电站的维护。

在导水机构控制环关闭侧设有重锤关机装置，当调速器系统出现故障或油压消失时，导叶在重锤力矩和自关闭水力矩的共同作用下关闭，可以有效防止机组飞逸，确保机组安全运行。

3.4 主轴和水导轴承

两种类型机组因转轮体不同引起主轴长度、法兰外径等差异，经主轴强度计算，轴身直径均取Φ950mm。通过对轴承负荷、油膜厚度的计算，三、四叶片机组水导轴承的轴承间隙可以取相同值，轴承及其备品、专用工具6台机组均可通用。

水导轴承支撑方式采用刚性螺栓联接，通过轴系静态挠度计算，采用斜面间隙和定位轴套公差配合等设计手段，实现水导轴承适应主轴挠度变化。

水导轴承润滑方式采用强制油外循环，并利用油冷却器中管内循环水冷却方式，这种型式广泛应用于灯泡贯流式机组上。

3.5 主轴密封

根据电站水质特点，主轴工作密封和检修密封采用我公司密封结构，工作密封采用梳齿和平板组合式结构，梳齿部分材质为不锈钢，平板密封采用耐磨橡胶。在不拆除水导轴承的情况下，可以在灯泡体内直接进行调整或更换密封件。该结构简单、安装方便，尤其是不需要供给密封水，不用设置密封管路及自动化元件，减少了电站经济投入，对电站今后检修维护带来了极大方便。主轴密封漏水靠自重通过管子排至集水井。主轴密封结构见图3。

图3 主轴密封结构

主轴检修密封采用实心空气围带式结构，电站使用效果良好。

三、四叶片机组主轴密封结构型式相同，除部分零件径向尺寸存在差异外，主轴密封装置中的所有密封件6台机组可以通用和互换。

3.6 转轮室和伸缩节

转轮室采用钢板模压成形组焊而成，分上下2瓣，转轮室球形部分和喉管部位整圈均采用不锈钢制造，以防止空蚀和磨损的发生。

转轮室与尾水管前锥段法兰之间设置伸缩节，用以补偿机组制造、安装的误差以及冷热变化引起的轴向伸缩，也便于转轮室的拆装，伸缩量一般取20mm。

近几年我公司对水轮机伸缩节漏水、压环紧固螺栓剪断进行了深入研究，认为造成伸缩节密封失效和失稳的原因是多方面的。研究发现三叶片机组出现上述情况的概率较大。从水轮机叶栅理论来说，三叶片转轮由于叶片数较少，叶栅密度较小，导致转轮过流能力增大，水轮机效率低于四叶片，单位水流动能和转动惯量大于四叶片，从而使转轮室振动值比四叶片大10%左右。根据三叶片机组特性，对石虎塘水轮机伸缩节结构进行了优化设计，避免了伸缩节部位易漏水、螺栓易剪断的现象。

3.7 受油器

大中型灯泡贯流式机组的受油器一般采用3道浮动瓦结构，浮动瓦分别依托在受油器内外操作油管上，可以随主轴振动而允许有稍微的移动，避免轴承瓦上的巴氏合金与转轴发生咬死事故。浮动瓦两端设有圆柱销，防止浮动瓦随转轴转动。但受油器因制造、安装、运行工况等原因容易造成烧瓦、甩油现象，我公司总结以往机组经验，对受油器结构进行优化设计，特别是受油器与来自调速器的二路高压油管路联接方式采用高压软管联接，消除了管路刚性联接时受油器座体易产生向上的拉力，避免受油器座体倾斜或移位而导致烧瓦、漏油，提高了受油器安装质量。