高水头大容量卧式冲击式水轮机的设计介绍

蒋坤臣，袁真洪

（杭州睿博水电科技有限公司，浙江 杭州 311215）

1 概述

米西库尼水电站位于玻利维亚科恰班巴市，电站装设3台单机容量为42.8 MW的卧式两喷嘴冲击式水轮机发电机组，水轮机由挪威睿博有限公司提供，杭州睿博水电科技有限公司负责具体设计，部分部件在杭州工厂制造，3台机分别于2017年的第三季度投入商业运行，根据电站实际效率试验，第一台机加权效率为91.88%，第二台机加权效率为92.20%，第三台机效率试验为91.93%。

总所周知，传统的卧式水轮机组容量小、结构简单、安装方便，多用于小型水电站。而冲击式机组的特点是由多个喷嘴同时或部分喷嘴为转轮提供动能，这使得机组运行范围相比混流式机组更广，尤其适合高水头、小流量的水电站使用。随着水轮机设计技术的不断发展，卧式冲击式水轮机也可以做出高效率大容量的设计。米西库尼电站采用了睿博有限公司先进的卧式冲击式水轮机组，特点是运行范围广、使用水头高、容量大、高效率宽。

本文对米西库尼高水头大容量卧式冲击式水轮机的主要参数、结构设计等进行简单介绍，以及对引水弯管、机壳、转轮、喷嘴等主要部件的设计特点进行分析阐述。

2 水轮机主要参数

1）机组安装高程

最大洪水位： 3 780.40 m

最大水位： 3 774.00 m

额定水位： 3 763.00 m

机组运行最低水位： 3 725.00 m

水轮机安装高程： 2 738.50 m

2）机组主要参数

最大洪水位水头： Hf=1 041.90 m

最大水头： Hmax=1 035.50 m

额定水头： Hr=1 024.50 m

最小水头： Hmin=986.50 m

升压水头： Hdes=1 234 m

试验水头： Htest=1 856 m

最大出力： Pmax=45.0 MW

额定出力： Pr=42.8 MW

额定转速： n=600 r/min

飞逸转速： nr=1 078 r/min

3 卧式冲击式水轮机总体布置

图1 米西库尼电站冲击式水轮机总布置图

米西库尼电站冲击式水轮机总的布置图，如图1所示，从水轮机开始设计之初，设计者充分考虑了电站厂房布置，机组的安装、拆卸和维护的可靠性和便捷性。

米西库尼电站水轮机为高水头大容量卧式冲击式机组，3台机组水平布置在电站厂房内，厂房布局紧凑，减少建设厂房的工作量。水轮机本体主要由引水弯管、机壳、喷嘴和转轮等部件组成。

4 卧式冲击式水轮机主要部件分析

4.1 引水弯管

引水弯管是冲击式水轮机重要的过流部件，主要作用是将上游压力钢管和下游喷嘴连接起来；米西库尼水轮机引水弯管由叉管，上弯管和下弯管三部分组成，如图1左侧部分所示。进口叉管部份埋设在混凝土墙中，叉管进口设有推力法兰，用以承受上游水推力。上弯管和下弯管分别以法兰形式与叉管和喷嘴把合，并可以单独拆卸，这种结构布置非常方便机组的安装、拆卸和维护。

引水弯管按ASME VIII压力容器标准设计，设计压力达12.3 MPa。钢管采用压力容器钢板Q345R，卷制后焊接制造而成，材料抗拉强度大于500 MPa,屈服强度大于325 MPa,零度冲击功不低于60 J；叉管的中心分叉板采用Z25级抗撕裂钢板；法兰采用低温性能优异的16 MnD材料整体锻造而成；两种材料均为含碳量低的合金钢，焊接性能优异。

引水弯管的制造，首先将检验合格的钢板按图纸尺寸要求下料，开X型焊接坡口，卷制成型后焊接，然后将管子和法兰按图纸要求装配并焊接。焊接完成对焊缝进行超声波探伤检查，且对所有纵向焊缝和T型焊缝进行射线探伤检查；焊缝合格后，进行热处理消除焊接引起的残余应力，热处理温度控制在570～590℃，热处理时间2.5 h，热处理后重新探伤检查是否有由于热处理原因而引起的焊缝裂纹等缺陷；复检合格后加工连接法兰面，钻连接螺栓孔。

叉管、上弯管和下弯管整体装配后进行压力试验，以便消除残余应力和检查焊缝及密封是否有任何泄漏现象，试验压力按设计压力的1.5倍进行试验，约18.5 MPa,最高压力试验1 h，检查无任何泄漏等情况，符合设计要求。

4.2 转轮

转轮是水轮机的核心部件，是将水的动能转换为机械能的工具。冲击式水轮机的特点是水头高，水流速度快，转轮水斗受动态应力影响，水斗根部疲劳破坏的风险大，因此，高水头冲击式水轮机转轮的设计也很重要。

冲击式转轮设计时应重点考虑以下几个方面：

a.在可接受的空蚀和磨蚀范围内提高转轮水力效率。

b.运行期间内控制水斗的工作应力。

c.改进真机转轮计算机辅助加工技术(CAM)以达到高精度和一致性。

米西库尼水轮机转轮设计时，充分考虑了上面几点的因素，冲击式水轮机运行范围大，特别考虑了转轮水斗的疲劳问题；从机械结构设计、材料、制造质量控制和检查都是保证机组稳定运行的重要因素。

米西库尼水轮机转轮采用22个水斗的结构，直径为2 655 mm，如图2。采用欧标X3CrNiMo13-4材料整体锻造。该材料具有良好的锻造性，锻造材料可保证锻件内部材质致密，内部晶粒细化，并能达到最大的强度和一致性。转轮制造时，首先整体锻造成一个简单规整的圆环，因为锻造简单的几何形状可以使转轮的关键部位（如水斗根部、分水刃的内部和水斗的进口部分）的材质质量得到改善，减少内部缺陷，降低补焊风险，同时也使严格的UT检查得到执行。粗加工后对锻件进行超声波探伤检查。如发现缺陷及时修补，或在加工时有意将其布置在水斗与水斗之间的空隙部位以使缺陷能加工去除。在经过热处理后的锻件上取本体试样做机械性能试验，各项性能指标满足设计要求后方可转入下一步工序。

米西库尼转轮采用目前比较先进的加工工艺，全数控加工水斗形状，数控加工不仅能保证每个水斗的位置准确，还能保证每个水斗的几何尺寸一致，在确保机组性能的同时，还能增强机组的稳定性。加工后对水斗表面进行严格的磁粉探伤检查；水斗的几何尺寸可采用样板和三维测量仪双重检查，都应符合IEC60193的要求。

转轮最终精加工后做静平衡试验，按ISO 1940标准，6.3级标准验收。

转轮与发电机主轴法兰采用螺栓连接，摩擦力矩传递扭矩，螺栓采用液压工具拉伸拧紧，结构简单，拆装方便。

图2 冲击式水轮机转轮

4.3 喷嘴

喷嘴是装在冲击式水轮机压力管道末端的一个圆锥型收缩管装置，将压力管道内的高压水转变成高速射流，切向冲击转轮水斗，使转轮旋转做功，喷嘴可根据机组负荷需要调节流量做功，满足不同的发电需求。

米西库尼水轮机采用双喷嘴布置，分上喷嘴和下喷嘴（如图1），2只喷嘴内部结构相同，为防止转轮上的水干扰下喷嘴工作，特在下喷嘴上设置了1个挡水罩。2只喷嘴可以同时工作，也可根据需要单独工作。喷管采用接力器内置结构，提高了高速水流的平顺性。

喷嘴通过螺栓与机壳和弯管法兰连接，中间设置调节法兰，装配时根据需要加工调节法兰。当机组正常运行，负荷发生小量变化时，由调速器控制喷针接力器缓慢启闭喷针，满足调节负荷的需要。当负荷大幅增加时，同样依靠调速器直接调节喷针接力器迅速开启喷针，满足负荷调整需求。但当负荷大幅减少时，为避免压力钢管中产生较大的水锤，防止喷针快速关闭，此时需调速器启动折向器，迅速切入射流，射流被折向器挡住，不再冲到水斗上，避免发生飞逸。

喷嘴内部设置平衡弹簧，平衡弹簧的作用是抵消压力水作用于喷针头部朝关闭方向的轴向水推力，同时，当油压失效时，依靠平衡弹簧的作用，喷针可自行关闭，确保机组安全运行。

喷嘴按压力容器标准进行设计，既承受中心油缸的油压，也承受流道内的高压水压力，喷管本体、喷针、喷嘴头和折向器等主要过流部件都采用高强度不锈钢材料制造，以增强喷嘴的抗泥沙磨损能力。

喷嘴装配后需做功能性试验，检查喷针的动作情况。同时需做水和油的压力试验，检查焊缝和密封是否满足设计要求，不得有任何泄漏情况发生。

4.4 机壳

机壳的作用是把经转轮做功后排出的水引到尾水渠内。由于喷嘴固定在机壳上，机组运行时，机壳会承受喷嘴的反向作用力，因此要求机壳具有良好的强度、刚度和耐振性。米西库尼下机壳埋设在混凝土内，机壳受力相对简单。

米西库尼水轮机机壳由Q345B钢板焊接制造而成，由于机壳尺寸大，在壳体外侧焊接充足的肋板，增加机壳的强度和刚度，避免机组运行时受力而变形。

上下两部分机壳由螺栓连接在一起，目的是在不拆卸发电机转子的情况下可以拆卸和安装转轮。

上机壳上设置一个自动补气口，机壳内设置一个主轴密封，避免水通过机组主轴流到机壳外面。

为方便检修转轮和喷嘴，下机壳上设置一个800 mm×1 000 mm的进人门，并在机壳内部设置一个固定的检修平台，检修平台采用钢板焊接成栅格状，不影响机组的排水。

机壳加工完成后，有条件时，与引水弯管和喷嘴进行厂内预装，确保各部分几何尺寸符合设计要求，减少工地调整工作量。

5 小结

本文重点介绍了我公司设计生产的米西库尼卧式冲击式水轮机的主要参数和主要部件的结构特点，米西库尼水轮机具有运行水头高、单机出力大、转速高、效率高和运行稳定等特点，该项目机组的成功运行表明卧式冲击式机组朝大型化方向发展的可行性。随着水力资源的进一步开发，此类高水头大容量卧式冲击式机组将逐步成为选型的热点，我公司已成功设计生产多台套类似机组并成功运行。相比于相同容量的立式冲击式水轮发电机组，卧式大容量水轮发电机组可以大大降低土建和厂房构建成本。当然对大容量卧式机组而言，对设计制造提出了很高的技术要求和质量控制要求。随着水电技术的不断进步，我们也将提供更多优质高效的高水头冲击式机组服务于水电市场。