地洛电站50MW混流式水轮机结构设计

张小刚，邓佑林，王继娥

（东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

地洛电站50MW混流式水轮机结构设计

张小刚，邓佑林，王继娥

（东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

地洛电站装设的2台单机容量50MW的水轮发电机组，是东方电机设计制造的水头较高的混流式机组。本文介绍了地洛水轮机的基本性能要求和结构特点。

地洛电站；水轮机；结构设计

1 概况

地洛水电站位于四川省凉山州布拖县和金阳县境内的金沙江一级支流西溪河干流上，是西溪河干流梯级开发的第四个梯级电站，为闸坝引水式电站。水库正常蓄水位1217.00m，总库容272万m3，调节库容27万m3，具有日调节能力。工程所在的西溪河为不通航河流，距离最近的火车站为西昌站，距离为171km，工程坝址区距布拖县57km，布拖距西昌市114km。

电站设计水头286.0m，水头范围为285.40～318.00m，额定引用流量39.3m3/s，装设2台50MW混流式水轮发电机组，总装机容量为100MW，多年平均年发电量为44557亿kW·h，年利用小时数为4456h。

本电站按“无人值班”（集中监控）原则设计，采用计算机监控系统。

2 水轮机的基本技术参数

3 水轮机结构设计特点

地洛水电站水轮机的最大特点就是水头高，机组转速高，在设计中重点要考虑由此带来的可靠性和稳定性问题。

地洛电站过机泥沙含量较大，泥沙硬度高，且由于电站水头较高，使流道内流速较高，因此，泥沙对通流部件的磨损不容忽视，鉴于此，水轮机在耐磨材料及耐磨护面层选择、以及结构设计等方面，采取了一系列有效的抗磨措施，以保证水轮机大修间隔不低于5年，并保证空蚀及磨损破坏程度低于合同要求。水轮机的空蚀及磨损破坏主要来源于转轮和导叶等过流部件，这些部件正是我们设计中重点关注的，以下简单介绍水轮机的结构。

水轮发电机组为立轴混流式，旋转方向为俯视顺时针。水轮机轴与发电机轴通过联轴螺栓直接联接。水轮机主要部件有：金属尾水管、金属蜗壳和座环、导叶、顶盖、底环、导叶操作机构、转轮、主轴、轴承装配、密封装配、接力器装配、安装工具及管路等水轮机剖面图见图1，水轮机平面图见图2。

图1 水轮机剖面图

图2 水轮机平面图

3.1 转轮

转轮直径1800mm，有17个叶片。采用铸焊结构，上冠、下环材质均为不锈钢ZG0Cr16Ni5Mo，采用VOD超低碳精炼的铸造工艺，因此转轮具有良好的抗空蚀和抗磨损性能，叶片为不锈钢0Cr16Ni5Mo钢板模压后数控加工。上冠、叶片、下环出厂表面硬度不低于HB300，转轮各过流表面粗糙度不超过1.6m、叶片根部表面粗糙度Ra≤3.2m。为减少机组容积损失，转轮的上冠采用梳齿式止漏环，下环采用阶梯式止漏环。通过这些设计及制造方面的控制措施，可以预期，转轮在将来的运行中抵抗磨蚀的能力将大大提高。

转轮与主轴采用销套方式传递扭矩，具有互换性。联轴螺栓用液压拉伸器进行预紧，可比较精确地控制预紧力。

转轮上部装有可更换的不锈钢材质的泵板装置转轮设计特点：

（1）合理选取上冠、下环厚度。上冠、下环厚度的选取值太厚，浪费昂贵的不锈钢材料；太薄，则影响刚度，装焊时会产生较大变形；

（2）合理设计泵板关系到无接触金属密封的成败考虑到泵板是一个易磨损件，采用螺钉把合结构以方便更换；

（3）止漏环的设计关系到水轮机的稳定运行，是高水头转轮的重点之一。必须仔细考虑止漏环梳齿的数量、宽度、长度（深度）、位置、间隙等。为使上冠下环受力基本平衡，上、下止漏环的位置应基本位于同一圆柱面上。

3.2 主轴

水轮机主轴采用双法兰空心薄壁轴，材质为20SiMn低合金钢整锻。水轮机轴与发电机轴采用螺栓连接，用4个径向销传递扭矩；水轮机轴与转轮亦采用螺栓连接，靠销套传递扭矩。上下两组联轴螺栓均不承受剪切力。为简化结构，本机未设置法兰护罩，但为了保护联轴螺栓的外露螺纹免受泥沙磨损（此段螺纹供预紧拉伸用），在每个螺栓上端配有尼龙护套。

主轴设计特点：

（1）本机主轴与转轮采用销套传递扭距，可以满足主轴与转轮的互换性要求。

（2）联轴螺栓采用液压拉伸器预紧，以避免在高预紧应力下发生螺纹咬死现象。

（3）联轴螺栓材质为锻钢34CrNiMo，屈服极限Ts≥800MPa，预紧应力取400MPa，此时圆螺母对主轴法兰面的挤压应力（σg）为255MPa，即可以可靠地预紧，又不致使主轴法兰局部产生永久塑性变形

（4）由于法兰结合面摩擦力只与正压力和摩擦系数有关，因此本机主轴法兰结合面与传统结构相比明显偏小，这样既可以使螺栓分布圆两侧把合面受力均匀，又可以减少把合面加工难度。另外适当加大了螺栓分布圆直径，在相同的摩擦力下，可以获得更大的摩擦扭矩。

3.3 顶盖、底环

顶盖采用Q235B钢板焊接结构，其刚度可以保证顶盖在水轮机充水运行时，导叶分布圆处顶盖上抬量小于合同规定值。安装检修时可整体从机坑上方吊入。

底环采用厚钢板焊接结构，以增大其整体刚度，防止充水后变形。

顶盖、底环过流面堆焊8mm不锈钢抗磨层，顶盖、底环上设有镍铝青铜铸造的固定止漏环，顶盖止漏环为梳齿式，底环止漏环为阶梯式，均为螺栓把合。导叶轴套采用进口的ThorPlas非金属自润滑轴承；导叶中、下轴颈处设有防泥沙保护装置及O型橡胶密封圈防止漏水。采用嵌入式导叶端面密封，结构简单。

顶盖设有降低顶盖下腔压力的排水结构，排水腔设置在止漏环后面，通过转轮止漏环梳齿的漏水，由5根φ80排水管引出至尾水管，以减轻转轮的轴向水推力。

底环的导叶轴孔设有排水管路，防止导叶上浮。顶盖、底环设计特点：

（1）顶盖、底环刚度大。

（2）底环止漏环设计为自上而下把合结构，更方便加工和装拆。

（3）顶盖、底环止漏环大致位于同一直径上，因此作用在顶盖、底环上的水压力近似相等，使座环受力平衡。

（4）为减小水推力，同时也为了给转轮上的泵板让出空间，顶盖止漏环比底环止漏环稍向外偏移了一定距离。最多可减少水推力约50t。

（5）顶盖排水管以前的设计是直接焊在顶盖过流面环板上，这样在机组运行过程中，由于水力振动，可能造成排水管因焊缝疲劳破坏而漏水，久而久之可能会影响机组的安全运行。在本机设计中，改为在顶盖上设置排水箱，排水管焊在排水箱上。通过排水箱减振后，可以有效地保护排水管的焊缝。

3.4 控制环

控制环采用Q235B钢板焊接而成，整体直接放置在顶盖上。利用水导轴承法兰作为控制环压板，防止控制环在操作时跳动。控制环的导向抗磨板采用具有自润滑性能的复合材料，用螺钉把合在控制环上。

3.5 导水机构装配

导叶数量为20个，采用负曲率偏心大圆盘结构，具有自关闭趋势。导叶开口设计了一定的裕量，以便水轮机运行后有一定超功率发电能力。导叶采用不锈钢ZG06Cr16Ni5Mo整体铸造，有较好的抗空蚀、抗磨损性能。导叶采用三支点结构，导叶轴瓦采用具有自润滑性能的复合材料，分别置于底环和顶盖导叶轴孔内。导叶立面密封为金属线接触密封，导叶端面密封为嵌入在导叶瓣体端面内的青铜块加橡胶条密封，这里的橡胶条仅起到弹簧的作用。为减少关机时的漏水量和空蚀磨损，因此要求导叶端面密封间隙足够小。

每个导叶均设有剪断销装置，剪断销装有电气信号报警装置，当剪断销剪断时，能自动报警。

导叶臂与导叶之间采用圆锥销传递扭矩。导叶臂设有全关、全开位置限位装置，当剪断销剪断时导叶不会互撞或碰撞转轮。

导叶连杆采用平板式结构。控制环与接力器联接的推拉杆采用M80X3螺纹联接。导水机构在厂内预装。

导水机构设计特点：

（1）新型导叶轴颈防沙结构。导叶轴颈根部泥沙磨损是高水头多泥沙机组的常见现象，此处的磨损甚至比导叶瓣体的磨损更为严重。本机采用O型橡胶圈和密封压板组合方式以期解决这一难题。其中Φ8mm的橡胶圈相当于一根弹簧的作用，将密封压板压向导叶，使密封压板紧紧地压在导叶端面，从而阻止泥沙的进入。O型橡胶圈的压缩量不宜太大，如果太大，将引起导叶关闭困难。密封压板与导叶轴孔的配合公差很重要，既要使压板上下滑动，又要防止泥沙进入。压板的材料在以前的机组中曾使用了高强度耐磨尼龙，实践证明该材料吸水率大，尺寸难以控制。本机采用的是合成稀土金属化合物通过特殊的合成工艺制造而成的均质聚合物（华-MGE），其吸水率小于0.03%，这种材料具有低摩擦系数（0.05～0.10）、高的耐磨性、良好的弹性及自恢复性等特点。

（2）导叶轴套采用进口的ThorPlas非金属自润滑轴承。这种轴承有下述优点：

a.吸振性能好，吸振性能是金属轴承的21倍对于高水头机组，这点尤为重要；

b.均质环保，在高冲击情况下不产生脱层；

c.摩擦系数低，具有自润滑功能，动摩擦系数0.10～0.15；

d.耐磨性好，使用寿命是金属复合瓦、层压板的2倍以上；

e.耐腐蚀，在大部分腐蚀性溶液中不腐蚀。

（3）底环导叶轴孔设置排水措施，防止导叶上浮，取消了导叶止推装置。导叶臂厚度减薄，同时也减短了导叶轴的长度。

（4）在导叶中轴颈上部设置了单向一个防尘圈，此举可有效防止脏水、泥沙等进入导叶中轴孔，损坏轴套。

3.6 轴承装配

水导轴承采用稀油润滑油浸式筒式轴承。轴瓦分两瓣。水导轴承采用L-TSAAR32透平油。

轴瓦合金采用巴氏合金材料，轴瓦内径在厂内与主轴配加工间隙，在电站安装不需刮瓦，轴瓦中装有4只WZP-269型单支铂热电阻测温计，轴瓦报警温度为70℃，停机温度为75℃。另有1只相同型号的测温电阻用于监测油温，油温不超过60℃。

轴承冷却器冷却水管为双金属挤片式，位于轴承体下面。轴承冷却器为双向进水式，并能正、反向工作。冷却水压为0.15～0.30MPa，试验压力0.8MPa。轴承上设有二个观察窗和一个目测油位计，可观察轴承的运行情况和油位。

3.7 主轴密封

主轴密封由工作密封和检修密封两部分组成。

工作密封采用转轮泵板加金属无接触间隙密封形式，结构简单可靠，不需要润滑和冷却。其动环为不锈钢材料，具有较好的抗磨损和抗腐蚀性能。动环装在主轴上，一般不再拆卸；定环把合在密封座上，为防止运行中动环、定环相碰研伤，定环密封面浇注一层巴氏合金材料。在定环上开有四道迷宫槽，其中最上部两道迷宫槽分别与2根排水管道连通，保证将少量泄漏水自流排至集水井。在密封面下段设有起到减压作用的锯齿状迷宫环。该套密封装置结构简单紧凑，可保证顶盖内基本无漏水。

检修密封为置于主轴工作密封下方的空气围带，充、放气自动控制，气压为0.5～0.7MPa。在机组检修时使用。

主轴密封设计特点：

（1）本机主轴密封为应用于高水头、多泥沙电站水轮机的成熟结构，运行效果比较理想，在机组运行时工作密封基本无漏水。

（2）检修密封空气围带采用了在中小型高水头机组常用的心型结构，与传统的圆断面结构相比，由于密封面相当于一个圆锥面，其密封效果更好。

3.8 接力器装配

水轮机装有两台直缸液压接力器，操作油压6.3MPa。接力器缸为厚壁无缝钢管。活塞采用球墨铸铁材料，以有效防止安装及运行过程中偶发的研缸现象，活塞上设置两道GSF孔用方形圈，该孔用方形圈由一个抗磨的聚四氟乙烯（PTFE）环和O型密封圈组成。经过实践证明，其密封效果远远好于以前的铸铁活塞环，可有效防止接力器内两腔之间的窜油。接力器采用推拉式对称布置形式。

其中一个接力器上设置有一套液压机械锁锭装置，在导叶处于关闭位置时，锁锭闸头依靠自重可自由落下锁住接力器，以防止导叶被水冲开或误动作机组启动前，锁锭闸头的拔出通过在锁锭缸下腔通入压力油来实现。

接力器还设有一套节流装置（单向节流阀），以便在导叶接近关闭位置时放慢关闭速度，防止导叶撞击。

在另一个接力器上设置有一套手动插板式机械锁锭装置，在机组检修时手动投入，可将接力器锁在全开位置，此时导叶处于全开状态，以便检修时流道内通风透气。

3.9 尾水管装配

尾水管分为锥管上段、锥管下段、肘管、扩散段等4段。锥管上、下段为圆形断面，肘管为椭圆形断面，扩散段为圆方形断面。尾水管均采用Q235B钢板。外部焊有足够强度的加强筋，且布置在分节焊缝处，既可以作为焊缝的背板，又可以起到加强焊缝的作用。在肘管的上部+X、-X两侧各布置有一套支架，可以将肘管架设在正确的位置上，比以往的旋套拉杆更牢固、可靠。

在其它安全稳定的作用下，无其它尾水管锥管分为上段和下段，借鉴了国内外高水头机组的典型结构形式，即锥管悬空结构，所谓悬空就是电站安装后，锥管周围不与混凝土接触，而是留有一定距离的间隙。锥管下段的下游侧带有伸缩节，与肘管采用浮动式联接。在机组运行中随着负荷变化及水流扰动能够自由伸缩，因此有效减小了传递到尾水管肘管及地基上的来自水轮机垂直方向的作用力。

采用这种浮动式锥管结构更适合高水头电站这种结构有以下优点：

（1）如果以后尾水管磨损严重，可以方便更换。

（2）可以在底环轴孔下部布置平压排水结构（以往是底环把合孔处布置），防止导叶上浮，进而减少一套导叶止推装置，简化结构。

（3）可以方便测量下止漏环间隙。

3.10 蜗壳与座环

蜗壳采用全圆形断面。设计时按蜗壳能单独承受机组运行时的最大可能压力考虑。在厂内制造时，蜗壳与座环组焊后进行水压试验。蜗壳与座环在厂内焊接加工完毕，整体运往工地。蜗壳在工地采用保压方式浇灌混凝土。

座环采用无蝶形边的平行式焊接结构，其上、下环板采用Q345B-Z35抗层状撕裂钢板，20个固定导叶材料采用高强度钢板NK-HITEN610U。

蜗壳与座环的设计特点：

（1）在有限元刚强度计算分析时发现：在蜗壳打压工况下，座环固定导叶头部应力偏高；在最大水头运行工况下，座环固定导叶尾部应力偏高，为保证运行的安全性同时考虑到抗磨蚀性能，将固定导叶的材料确定为高强度钢板NK-HITEN610U。

（2）蜗壳厚度是按ASME规程给出的公式进行计算，计算条件为在最大水头318m下，蜗壳应力不超过1/3材料屈服极限，且厚度包含了2mm的锈蚀裕量。

4 结语

地洛电站地处少数民族偏远地区，电站水头高机组转速高，在水轮机的结构设计期间，针对电站的具体情况和设计中遇到的难点和疑点，我们参考了国内外有关机组的设计经验，收到了一定的效果。

地洛电站的两台机于2009年12月先后投入商业运行，机组的各部位振动、摆度及温度等各项指标均达到国标规范及设计要求。

随着目前国内高水头水电站的开发，高水头混流式水轮发电机组的应用市场会越来越大，作为一个水头较高的混流式水轮发电机组，地洛机组的成功投运定会为我国的电力建设事业做出更大的贡献。

TV734.1

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1672-5387（2013）05-0012-05

2013-04-10

张小刚（1979-），男，工程师，从事水轮机设计工作。