转轮上冠止漏环及减压装置结构探析

张兴宇

(哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040)

0 引 言

水轮发电机组的转动部件在机组运行时受到的轴向作用力的总合叫作机组轴向力,立式机组的轴向力主要由水轮机转动零件的重力以及转轮受到的轴向水推力这两部分构成。考虑到水轮机结构部件的刚强度要求,机组转动零件的重力在水轮机结构设计时难以有较大的变化,因此降低转轮的轴向水推力是控制机组轴向力的主要手段。对于混流式机组,转轮的轴向水推力包括水流经转轮时的对转轮内过流表面(包括叶片)所产生的力、转轮上冠与顶盖间腔体内的压力、转轮下环与底环间腔体内的压力以及转轮受到的浮力,其中转轮上冠与顶盖间腔体内的压力在结构设计时对轴向水推力的影响较大[1]。大型混流式水轮机的工程设计中应充分考虑各种工况,分析并计算轴向水推力与转动部分重量的大小和方向,使其合力向下,以利于机组运行的稳定性[2]。

转轮上冠止漏环结构型式及减压装置布置的不合理,会使转轮上下腔压力出现失衡,引起转轮轴向水推力的变化,进而导致水轮发电机组出现转轮动静止漏环刮擦、机组抬机、推力轴承烧瓦等情况,甚至整个机组被迫停机,极大地危害水轮发电机组的安全稳定运行。对水轮机转轮上冠止漏环及减压装置的探究可以为其结构设计提供参考和依据,具有较高工程意义。

1 转轮上冠止漏环型式探析

水轮机作为水力旋转机械,在结构设计时动静部件之间需有可满足其正常运转所要求的间隙,这种设计间隙会导致机组在运行过程中出现容积损失。通过在转轮结构上设置止漏装置,可以起到动密封的作用,有效降低机组的漏损[3-4]。目前普遍运用于混流式水轮机组的转轮止漏环结构为适用于中低水头机组的缝隙式、迷宫式止漏环,以及适用于中高水头的梳齿式、台阶式止漏环,下面对这四种转轮上冠及止漏环结构特点进行详细分析并对其典型电站的运用情况进行说明。

1.1 直缝式止漏环结构

直缝式止漏环结构适用于水头<200m的多泥沙电站,其结构简单且运行稳定可靠,工程设计中止漏环单边间隙c可大致取为转轮直径的0.5‰,同时对于小型混流式机组若转轮公称直径<1m,止漏环单边间隙设计值可适量放大至转轮直径的0.5‰～1.5‰,直缝式止漏环间隙取值表,见表1。止漏环间隙具体取值可参照表1执行。典型机组中山包水电站的额定水头为174m,设计运行水头范围为172～202m,水轮机额定转速为nr=500r/min,其在转轮上冠与顶盖配合立面处设置有直缝式止漏环,中山包水电站直缝式止漏环结构图,见图1。

图1 中山包水电站直缝式止漏环结构图

表1 直缝式止漏环间隙取值表

1.2 迷宫式止漏环结构

迷宫式止漏环结构适用于水头<200m的清水电站,同样具有结构简单及稳定可靠的特点,且由于迷宫腔内产生的涡流对止漏环内水体的流动形成了一定的阻滞,相同设计间隙下其止漏效果会比直缝式止漏环结构更好,工程设计时迷宫式止漏环单边间隙c也可大致取为转轮直径的0.5‰,具体可参考直缝式止漏环间隙取值范围。典型机组乌东德水电站的额定水头为137m,设计运行水头范围为106～173m之间,水轮机额定转速为nr=93.75r/min,其在转轮上冠与顶盖立面位置采用迷宫式止漏环结构,乌东德水电站迷宫式止漏环结构图,见图2。

图2 乌东德水电站迷宫式止漏环结构图

1.3 梳齿式止漏环结构

梳齿式止漏环结构适用于水头>200m的水电站,通常固定环直接加工在转轮上冠靠外侧的顶部,转动环则单独制造并用螺栓固定在顶盖下部与转轮固定止漏环对应的位置。对于采用梳齿式止漏环的转轮,其外径与顶盖配合间隙c1应大于梳齿密封间隙c2,实际工程设计时一般外径间隙c1取值应≥转轮公称直径的1‰,梳齿密封间隙c2取值为1～3mm且一般≥1mm。同时结构设计时应使转轮上冠和下环处的上下梳齿布置在同一半径的圆柱面上,这样有利于转轮上冠、下环腔的压力均衡。由于在转轮的实际加工、安装中存在同心度偏差和机组大摆动等原因,外径间隙c1会产生圆周方向的间隙不均匀,导致转轮径向力不平衡,因此实际设计时可以适当加大外径间隙c1。

梳齿式止漏环是中高水头混流式水轮机最为常用的止漏环结构型式,具有很好的止漏效果,可以有效减少机组容积损失并降低转轮上冠压力,在国内外中高水头机组中广泛应用,典型机组溪洛渡电站的额定水头为186m,设计运行水头范围为155～230m,水轮机额定转速为nr=125r/min,其在转轮上冠顶部靠外侧设置梳齿式止漏环,溪洛渡水电站梳齿式止漏环结构图,见图3。

图3 溪洛渡水电站梳齿式止漏环结构图

1.4 台阶式止漏环结构

台阶式止漏环结构同样适用于水头>200m的水电站,与梳齿式止漏环结构类似,其固定环直接加工在转轮上冠靠外侧的顶部,转动环则采用螺栓固定在相应位置的顶盖下部。且在工程设计中采用台阶式止漏环的转轮外径间隙c1和台阶密封间隙c2与梳齿式止漏环结构的选取原则一致。

台阶式止漏环结构止漏效果好,同时止漏环密封间隙内部流态好于梳齿式止漏环,但通常台阶式止漏环对结构布置空间的要求更高,需要根据转轮上冠及顶盖的具体结构布置情况来选择。典型机组白鹤滩水电站的额定水头为202m,设计运行水头范围为163.9～243m,水轮机额定转速为nr=107.1r/min,其在转轮上冠顶部靠外侧设置台阶式止漏环,白鹤滩水电站台阶式止漏环结构图,见图4。

图4 白鹤滩水电站台阶式止漏环结构图

2 转轮上冠减压装置的设置

混流式水轮机通常会在转轮上冠处设置减压装置,配合止漏环使用,起到降低转轮上冠压力以及减少机组轴向水推力的作用。常用减压装置结构,见图5。常用的减压装置结构型式有2种,其中图5(a)为设置引水板和泄荷孔的减压方式;图5(b)为设置顶盖减压排水管和转轮泄荷孔的减压方式。

(a) (b)

当转轮上冠采用引水板作为减压装置时,水体经过止漏环后进入顶盖上腔,当水流经过引水板与转轮引水板两者间的间隙时,受到转轮的离心作用而甩至顶盖引水板上,然后经过泄荷孔排至转轮低压面。引水板结构设计时引水板与转轮引水板的间隙要保证机组抬机需求,通常最小设计间隙≥20mm,转轮引水板立面与顶盖的间隙则可取止漏环间隙值的1.5～2倍。

当转轮上冠采用顶盖减压排水管作为减压装置时,则采用顶盖减压排水管联通顶盖止漏环后腔与尾水管流道,根据实际工程经验,减压排水管的排水面积通常可按≥止漏环缝隙面积的6倍考虑,顶盖减压排水管是应用最为广泛的转轮上冠减压装置。

3 投运电站统计数据分析

为对转轮上冠止漏环及减压装置结构的实际工程设计更具指导意义,统计了部分已运行混流式机组上冠止漏环间隙值及减压排水管管径,已运行混流式机组上冠止漏环间隙值与减压管管径统计,见表2。通过表中数据分析可以看出,由于统计项目均为大型混流式水轮机,止漏环设计间隙均在2.5～3.5mm之间,而顶盖减压管的实际选取面积一步步增大,已投运混流式机组水轮机顶盖减压管的面积达到止漏环间隙面积的6～8倍,有的甚至达到了8～10倍。

表2 已运行混流式机组上冠止漏环间隙值与减压管管径统计

4 结 语

转轮上冠止漏环结构型式和减压装置的设计对机组运行稳定性有较大影响,文章首先对混流式水轮机转轮上冠止漏环常用结构型式的选用原则和运用的典型机组进行了介绍和分析,说明了可运用于中低水头机组的缝隙式、迷宫式止漏环以及运用于中高水头机组的梳齿式、台阶式止漏环的结构特点并明确了各型式止漏环密封间隙的取值方法,明确间隙的取值需综合考虑结构设计、加工制造、安装等各方面因素;然后对转轮上冠减压装置的设置方式进行了阐述,说明了引水板、减压管及泄荷孔的设计原则;最后通过对大量已投运电站上冠止漏环间隙值与减压管管径的统计分析,发现减压管排水面积在实际工程设计中已出现变大的趋势。文章对转轮上冠止漏环及减压装置结构进行了全面且深入的说明和探究,为后续项目原型水轮机转轮上冠结构的工程设计提供了参考和依据。