斐济南德瑞瓦图冲击式水轮机结构设计

高 欣

（哈尔滨电机厂有限责任公司产品设计部，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

该工程位于斐济Viti Levu 岛中南部，距离首都约苏瓦300km。工程的主要作用是拦河蓄水发电，电站在当地电力系统为调峰运行，没有调相运行的要求。

斐济南德瑞瓦图单机容量 21.4MW，总装机容量 42.8MW。电站引水系统由隧洞、调压井、压力管道和岔管构成，引水方式为一管两机，每台机组进口设置液压操作球阀。冲击式水轮机的主机设备由哈尔滨电机厂有限责任设计制造完成。

1 高水头冲击式机组的结构

1.1 基本参数

水轮机型号CJA475-L-170/ 5x15.7，转轮直径1700mm，喷嘴数5个，射流直径157mm，额定流量7.5m3/s，额定出力21.4MW，最大出力22.52MW，额定转速428.6rpm，飞逸转速772 rpm。

1.2 高水头冲击式机组的总体结构

图1为斐济南德瑞瓦图电站的总体结构。冲击式水轮机为带有调速器控制的喷针和射流偏流器的竖轴、单级转轮、五喷嘴水斗型水轮机，水导轴承采用筒式内循环导轴承，并设有补气装置。水轮机旋转方向为俯视顺时针方向。水轮机轴直接连接到发电机轴上。由水轮机和发电机转动部件的重量和水轮机转轮上形成轴向水推力形成的总轴向力，由安装于发电机上的推力轴承来承担。

图1 冲击式机组的总体结构

1.3 转动部分

转动部分由主轴、转轮、水导轴承以及连接部件组成。

1.3.1 主轴

主轴为双法兰中空厚壁轴，材料为锻钢 ASTM A668 Class D，轴身直径Ф450mm， 轴承处轴直径Ф465mm，转轮和发电机采用法兰，重量 4.4 t。通过摩擦传递扭矩方式采用 12 个联结螺栓与转轮联结，由 12 个销螺钉与发电机主轴联结以传递扭矩。

1.3.2 冲击式转轮

水轮机配有1个水斗型冲击式单转轮，转轮由 ASTM A743 CA-6NM材料整铸而成。转轮采用摩擦传递扭矩方式通过螺栓连接至主轴下端的法兰上。装配方法便于通过转轮下方的尾水通道门和机壳盖处拆卸转轮。

转轮的材料通常采用抗气蚀和抗磨损性能优良的不锈钢，国内常用该材料铸造结构。在加工工艺上，采用整体数控加工，哈尔滨电机厂已经开发出整体加工的数控程序，使用三轴或五轴数控镗床整体加工，并成功应用在斐济南德瑞瓦图项目上。

转轮的许用应力有严格的控制范围对铸造的转轮在最大水头、最大负荷、启动工况或飞逸工况下，作用在水斗根部的最大交变应力不超过24MPa。平均应力不超过60MPa。采用ANSYS软件对转轮进行有限元法的计算分析。

水斗工作表面敷设坚硬敷层（采用 HVOF 喷涂工艺）以保护转轮水斗的表面不被腐蚀，所有受水流冲击的转轮水斗表面处理成平滑的外形，处理所有水斗上的分水刃，确保在喷嘴开孔的中心与分水刃相对。转轮出厂前按ISO1940的6.3级的要求在工厂做静平衡试验。

1.3.3 水导轴承

水导轴承为筒式轴承，起到承受水力不平衡力的作用。轴承直径Ф465mm，轴瓦高 350mm，分 2 瓣。主要包括轴承体、上油箱、油箱盖、下油箱、冷却器等。 轴承体内表面挂有巴氏合金，轴承与主轴的间隙为0.18mm~0.33mm （双边），轴承的冷却方式采用油箱内设有冷却器冷却。为了监控瓦温和油温，在轴瓦上设置了铂热电阻检测瓦温，在上油箱内设置了热电阻测量油温。当油温和轴瓦温度分别达到或超过规定值 55℃ 和 60℃ 时及时发出报警信号。为了测量轴承内油位，在上油箱内设置了 1 个浮子信号器，用于测量静止及正常运行时轴承内的油位，当油位超过最高 170mm 或低于最低极限 120mm 时，自动发出信号。在上油箱内还设有油混水信号计，测量油中水的含量，当水的含量超过规定值时，自动发出信号。油箱盖上还设有观察窗。

在运行初期，尤其在四喷嘴运行工况，该工况侧向力最大，运行工况比较恶劣，出现水导轴承在四喷针下运行时油温和瓦温持续较高的现象，且上油箱油位较高，机组运行时轴承冷却水进、出水温度差较小等现象[1]。经过拆解水导轴承最终判定为上油箱中油循环存在问题，采取降低回油口高度，提高油循环速度的方式，将回油管取出，截掉 30mm 高度后装回原位置，同时还在溢油板上表面增设了挡油板，使溢出热油远离回油口，以加强热油冷却效果；将水导轴承冷却水进水管处的节流阀取消，增加冷却水流量。水导轴承在经过处理后，机组在切入四喷嘴运行时温度监测数据水导轴承瓦温已稳定在 60℃左右，油温为 49℃，基本解决了四喷针下运行时油温和瓦温持续较高的问题[1]。

1.4 埋入部分

埋入部分由机壳、补气系统、配水环管、稳水栅、机坑里衬、机坑照明系统、地板装配和管路系统组成。

1.4.1 机壳

为满足运输和便于安装的要求，机壳分为2瓣。机壳采用钢板 ASTM A283 GrC的焊接结构，机壳上部设有机壳盖，机壳盖用螺栓固定在机壳上，并有顶起机壳盖的专用螺孔。机壳盖有足够的强度和刚度，运行时能承受传递到机壳上的机组和混凝土的重量，检修发电机吊出转子时能支承转轮和主轴的重量，在所有运行工况和最大水头下当全部或部分喷嘴工作时能安全承受传递到机壳上的转轮径向力，投入折向器、飞逸工况时的射流冲击力和所产生的振动，并不产生有害变形。机壳的设计没有考虑基础混凝土的联合受力。

机壳盖上装有水导轴承支座，在尾水渠底板机壳范围内设底板钢板，钢板厚 16mm。机壳上设有装拆转轮和喷嘴的吊孔。机壳底采用全钢衬结构，机壳在任何工况下从喷嘴、折向器、水斗反射出来的水流不发生对射流的干扰。在必要处设置挡水板，以隔开可能对射流干扰的反射水流。在尾水出流方向，机壳下缘和最高机坑尾水位之间有 0.8m的通气高度。机壳的结构和尺寸能方便装拆喷管总成。

1.4.2 补气系统

为保证机组的安全稳定运行，在机壳上设置 4-DN50 自然补气装置，尾水管处设置 5-DN150自然补气装置。其结构和尺寸保证水轮机输出功率、运行稳定以及正常运行条件下实际排出高度不小于设计值。

1.4.3 进人门及转轮下拆运输通道门

转轮和喷管能下拆并用小车从稳水栅处运出，在机墩上开设转轮下拆运输通道、运输门，并在运输门上设有铰链式的钢制密封门作为进人门。进人门及运输通道门安全可靠，密封性能良好，采用向外开启，并设有不锈钢顶起螺丝。

1.4.4 配水环管

配水环管包括从水轮机进水阀下游到喷嘴的所有相互连接的压力管道。管道部分和喷管延伸部分由钢板制成，滚压成型，焊缝进行退火处理，埋设于混凝土中。配水环管一般采用岔管结构，在分叉处采用月牙板的结构，保证整体受力均匀，水力损失小。配水管设计压力为4MPa 。配水环管设计成能够在现场焊接连接，为了便于运输和工地安装，配水环管分3瓣，工地组焊，并做压力试验，试验压力是设计压力的1.5倍。压力试验6MPa，试验时间0.5h，压力试验完成后，保压浇筑混凝土，保压值2.93MPa。

配水环管进口与进水阀伸缩节在工地进行焊接。

采用ANSYS软件计算配水环管刚强度。

受运输条件限制，配水环管一般在工地组焊成整体，然后进行压力试验。对试验压力，采用脉动实验，将整个试验压力范围分为多段，逐步升压，保压一定时间，再降低部分压力，逐级升压，在最高压力下保持2h，然后释放压力。配水环管的安装采用保压浇筑方式浇筑混凝土。保压浇筑的压力一般为最小静压力的80%左右。在保压浇筑过程中须考虑混凝土凝固引起配水环管内水温度升高问题。混凝土在凝固过程中会释放热量，温度会升高20℃左右，如此高的温差，会引起配水环管的变形，经过计算，温度每升高1℃，变形为1mm。采用保温保压浇注，在混凝土凝固70%后，进行保压回填灌浆。保证混凝土与配水环管联合受力，增强配水环管的刚性，有利于增强机组的抗震能力。

1.4.5 稳水栅

稳水栅覆盖机壳内整个水平部分。稳水栅由排列整齐的扁钢组成，有足够的强度和刚度，并牢固地固定在埋设于基础混凝土中的型钢上，承受长期的水流冲刷而不损坏，也无有害的振动。稳水栅和转轮中心平面的垂直高度既满足机组暂态过程中的最大涌浪不触及转轮，又满足检查、检修和装拆转轮、喷管总成的需要。检修过程中，拆下来的转轮或直流喷管可放在搬运小车上沿稳水栅表面水平移出机坑。

1.4.6 机坑里衬

机坑钢里衬的范围为从机坑底到发电机下挡风板。机坑里衬采用钢板焊接结构，其内径满足水轮机机壳盖整体吊出和机坑内维护、检修、运行的要求。机坑里衬外侧用加强筋和锚钩补强将里衬锚固到周围的混凝土中。

1.4.7 机坑照明系统和地板装配

每台机配备一套防护开关箱，安装在进人门旁进行控制，每个灯室中放置2个灯具以及对称布置2个自带电池的急照明灯具，其中照明灯具采用具有防护作用的防潮、防水灯具。

坑内设有地板栏杆装配，踏板采用防滑花纹钢板制作。

1.4.8 管路系统

管路系统包括量测管路，油、水气管路、机组制动管路等。油、水气管路主要包括水导轴承冷却水供排水管路，喷管接力器及偏流器接力器操作控制油管路，测压管路主要包括分流管进口处、出口处的压力测点、机壳真空度的测点等，测压头的设计根据 IEC60041 标准执行。

1.5 喷管总成

喷管采用直流内控式喷管进行油控操作，正常工作油压为 6.3MPa。控制机构设在喷管内，各喷嘴以相同的开口和其他喷嘴并列同步投入运行，也可单独投入运行。各喷嘴和各折向器之间全部用油压直接控制。喷管接力器内设有平衡弹簧，整个行程范围内无油压和水压，喷针将自动开启到 50%开度位置。直流喷管在正常运行条件下，失去油压能实现自关闭。每个喷管都设有1个偏流器。每个偏流器都有1个独立的接力器操作。偏流器在正常运行时不和射流接触，甩负荷时在 2s 内偏转全部水流。当电网负荷突然出现大幅度的波动时，将通过偏流器快速调整流量，稳定电网频率。

喷针和偏流器接力器的容量在压力油罐内事故低油压 为4.8MPa，减去管路损失所形成的接力器缸内最低油压，接力器所具有的总容量仍能充裕地在任何水头、输出功率和暂态条件下精确地控制、操作喷针和偏流器的全开和全关行程。喷针和其接力器在强度和结构设计上，在任何工况下不发生喷针折断。喷针接力器的所有固定结合处设有密封，防止压力油或压力水的渗漏，所有滑动配合处不会发生压力水和压力油相互直接渗漏，并设置中间无压的油水排泄腔和排泄腔目测孔。接力器的进出油口和进出气口设在上方，检查和检修排油口设在下方。喷针和偏流器所有具有相对运动的接触表面均为自润滑型，不需要润滑系统。偏流器及其支撑和操作机构具有足够的强度和刚度，能安全承受最大水头全开度射流的长时间（用于排空钢管积水）冲击，不发生有害的振动、变形和破坏。

喷管法兰和配水环管支管法兰之间设调整法兰，具有微调射流方向和位置的作用，以确保安装射流中心线和位置的准确性，调整固定后能保持长期不变。提供工地喷管安装调整工具在正常运行、过渡工况、飞逸工况中，当相邻喷管的折向器在投入状态时，一个喷管的高速射流会直接通过折向器折射打在临近的喷管上。在每个喷管上设坚固的挡水板保护喷管不受冲蚀，且从挡水板反射出来的水流不再冲到转轮上。

每个喷管均设有喷针行程指示（mm）和开度指示（%），为将喷针行程信号传递给计算机监控系统，设有行程变送器，其满量程为4mA~20mA和 24V 直流模拟量输出。每个偏流器设1个行程变送器。喷管总成便于在机壳内整体下拆，喷管上机壳处设起吊螺栓。也可方便地只拆折向器、喷嘴、喷针等零件而不拆卸喷管。

2 厂内组装和耐压试验

2.1 厂内组装

所有喷管总成及其折向器和分流管在厂内装配完成并进行操作试验，各接力器的动作灵活。各喷嘴有相同的开口－行程关系曲线和相同的最大开口。

2.2 耐压试验

喷管总成在厂内组装完成后进行耐压试验，试验按设计工作水压（含水击压力）的 1.5 倍和设计工作油压的 1.5 倍分别对喷管总成的过流部分和喷针接力器进行耐压试验，持续时间为 30min，然后降至设计压力，保持 60min。喷管总成及其内部的喷针操作接力器不得出现任何渗漏现象、任何损坏和有害的变形。

3 结语

斐济南德瑞瓦图冲击式机组，在工地现场完成各项无水调试和有水调试工作，并于2003年正式顺利投入商业运行，虽然运行初期，遇到在四喷嘴运行工况下水导瓦温异常升高的现象，但经哈电派驻的技术专家妥善处理，进一步改善导轴承的油循环路径，使水导轴承各项指标运行正常。目前机组各项状态良好，为哈尔滨电机厂有限责任公司赢得了较好的国际声誉。