竖井贯流式水轮发电机组转轮改造技术分析

张清顿，程广蕾，刘晓鹰，王稳亭

（天津电气科学研究院有限公司，天津 300301）

竖井贯流式水轮发电机组转轮改造技术分析

张清顿，程广蕾，刘晓鹰，王稳亭

（天津电气科学研究院有限公司，天津 300301）

本文主要介绍了贵岭左岸水电站竖井贯流式水轮发电机组转轮的两次改造情况，分析了改造过程中的流道与额定水头、叶片数及机组结构与稳定性等问题，最后总结了影响机组稳定运行的因素并对其原因进行了探讨，其经验对类似机组的改造提供了借鉴意义。

竖井贯流；转轮改造；流道；叶片数

0 引言

贵岭左岸水电站，机组型式为竖井贯流式水轮发电机组。水轮机原转轮采用天津电气科学研究院有限公司研制的GZ003转轮，水轮机与发电机通过增速器联接，装机容量为12×500 kW，于1980年投入商业运行，机组稳定满负荷运行。电站进行的第一次技术改造，将水轮机与发电机改为直联结构，水轮机转轮采用GZTF08B，没有达到预期改造目标。天津电气科学研究院有限公司主导的第二次技术改造，采用GZ995转轮，机组达到预期改造出力，且运行状况较第一次改造平稳。该机组存在诸多流道和结构的不可确定因素，是影响技术改造的主要原因。

1 电站概况

电站设计参数：

额定水头：Hr=4.8 m；额定流量：Qr=13.1m3/s。

水轮机型号：GD003-WS-160；增速器速比：I=3.78；发电机型号：SFW500-8/990。

水轮机运行工况点：

单位流量 Q1'=2.336 m3/s；单位转速1'=146 r/min；模型效率浊m=88.5%；真机效率浊T=86.5%；空蚀系数滓=1.37 、安装高程 ▽115.625 m；水轮机出力P=552 kW。

运行状态：水轮机运行工况点Y1见图1，机组运行效果良好。

图1 GZ003模型转轮综合特性曲线

2 改造情况

2.1 第一次改造

第一次增容改造采用GZTF08B，叶片数为3个，机组改为直联结构，机组转速为300 r/min，并更换了导水机构。

电站改造参数如下：

额定水头：Hr=4.8 m；额定流量：Qr=16.26 m3/s。水轮机型号：GDTF08B-WS-160；发电机型号：SFW630-20/1460。

水轮机运行工况点：

单位流量Q1'=2.899m3/s；单位转速n1'=219.1r/min；模型效率浊m=89.1%；真机效率浊T=87.7%；空蚀系数滓=1.75 ▽、安装高程 115.625 m；水轮机理论出力P=665 kW。

运行状态：水轮机运行工况点Y2见图2，机组运行不稳定，振动和噪音较大，没有达到理论出力。

图2 GZTF08B模型转轮综合特性曲线

2.2 第二次改造

第二次改造，更换转轮，采用4个叶片的GZ995转轮。为方便机组拆装、检修，将球型转轮室改为柱状转轮室，其余流道和结构没有任何改变。

电站改造参数如下：

额定水头：Hr=4.8 m；额定流量：Qr=16.26 m3/s。

水轮机型号：GZ995-WS-160；发电机型号：SFW630-20/1460。

水轮机运行工况点：

单位流量Q1'=2.899m3/s；单位转速n1'=219.1r/min；模型效率浊m=88.6%；真机效率浊T=86.8%；空蚀系数滓=1.8 ▽

、安装高程 115.625 m；水轮机理论出力P=665 kW。

运行状态：水轮机运行工况点Y3见图3，机组运行比较稳定，达到预期改造出力。

图3 GZ995模型转轮综合特性曲线

3 探讨

3.1 流道问题

国内外没有专门针对竖井贯流式机组开发的转轮及流道。

对于适合安装竖井贯流式机组的电站，通常采用灯泡贯流式转轮及管型座以后部分的流道。针对竖井段流道，结合电站实际情况，采用对水轮机转轮效率加以修正的方法进行设计。

该电站水轮机原转轮采用的是GZ003灯泡贯流式转轮。从图4的流道对比图中可以看出，除导水机构、转轮室和直锥管三段基本一致，流道其余部分，二者有很大的差别。

以此为基础，用乘法结合律可深化对于小数意义的进一步理解.以具体的例子来说明，如3×0.7，我们可以考虑利用结合律：

图4 GZ003标准流道与电站机组真实流道对比图

在机组实际的流道中，前面竖井段的设计比较合理，但是管型座段的收缩喉管，使原本经竖井段、管型座、导水机构到转轮室应该正常加速的水流，出现急剧加速（喉管）、扩散（管型座后段）后，再进入导水机构，肯定会造成较大的水力损失。尾水扩散段的变向不会对效率产生较大影响。

3.2 探讨与建议

根据电站实际的运行经验，以4.8 m额定水头进行改造。

但从改造的情况看，喉管收缩段为混凝土结构，每台机组的喉管处收缩半径和最小直径都存在不小的偏差，由此引起的水力损失也就不一样，从而导致各机组额定水头的差异。尽管两个转轮都适用该电站的水头范围，但由于额定水头的不确定性，额定工况点必将发生变化。

按照4.8 m的额定水头，虽然空蚀系数较大，但都满足现有的吸出高度及安装高程，尾水淹没深度也足够。机组额定工况点对于定桨叶片、导叶调节的水轮机是可以接受的位置。但如果实际水头降低至

4.6 m或更低，相对应工况点的效率更低、空蚀系数更大，机组振动、噪音加大，出力下降。

3.3 转轮叶片数量与机组结构的关系

第一次改造采用3个叶片的GZTF08B转轮，第二次改造采用4个叶片的GZ995转轮。

水轮发电机组的改造要考虑：1）水头适用范围；2）机组的过流能力；3）新转轮工况点空蚀系数不大于原转轮该点的空蚀系数；4）工况点效率比较。至于选取几个叶片，具体问题具体分析。

两次改造的参数相同，从综合曲线上看，二者工况点位置相当，理论出力也应该相近。但是，现场试运行的结果是4叶片GZ995转轮比3叶片GZTF08B转轮出力高、运行稳定，机组的振动、噪音更小。

该电站改造后为4支点结构，水轮机轴和发电机轴通过联轴器联接。

发电机的2个支点为单列圆柱轴承，理论上不承受轴向水推力。水轮机轴的2个支点，是前端可承受径向力和正反向水推力的圆锥滚子轴承，及转轮端承受径向力的双列调心滚子轴承。

这种结构，对于机组的加工和安装要求较高。发电机2个支点的轴承和转轮端轴承都无需进行径向调整，只有圆锥滚子轴承这个支点，在现场安装时，既要考虑轴系的同心度，又要考虑该轴承稳定运行的游隙。如果该轴承轴向和径向游隙的调整不合理，势必造成机组运转的不稳定，这种不稳定对3叶片和4叶片转轮的影响是不同的。叶片稠密度较大，受到的影响相对较小。这就解释了，改造采用4叶片转轮比3叶片转轮更加稳定的原因。

4 结语

该电站改造存在流道和结构两方面的难度，并且这两点在实际改造时，又存在不确定性。由于本站安装的是低水头大流量机组，机组出力对水头变化较为敏感，假如有0.3m的水头偏差，就会造成40kW的出力偏差。这应该是造成该站12台机组出力偏差很大（最小出力约490 kW，最大出力约640 kW）的主要原因。

另外，机组当前的结构对现场安装调整要求较高，推力轴承和径向轴承的安装调整误差，反应在机组振动、噪音上，也对机组运行的稳定性、出力等产生一定的影响。

[1]田树棠，等.贯流式水轮发电机组实用技术：设计、施工安装、运行检修[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

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TK734

：A

：1672-5387（2017）03-0011-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.003

2016-08-29

张清顿（1969-），男，工程师，从事水轮机振动与汽蚀工作。