陳美娟

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州300020）

1 概述

石虎塘航電樞紐工程水電站共安裝6臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，其中1號(hào)、2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪為四葉片，3～6號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪為三葉片，每臺(tái)機(jī)組的額定容量均為20MW，轉(zhuǎn)輪直徑均為7.1m。電站最高水頭10.92m，其中三葉片機(jī)組最大水頭為9m，極限最高水頭為10m。機(jī)組采用日本東芝公司優(yōu)秀模型轉(zhuǎn)輪，并承擔(dān)水力設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)、水力過(guò)渡過(guò)程分析計(jì)算等。

2 水輪機(jī)選型和水力設(shè)計(jì)

2.1 水輪機(jī)選型

招標(biāo)文件對(duì)三、四葉片水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪直徑均作了指定，東芝公司對(duì)現(xiàn)有的相應(yīng)模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)水輪機(jī)運(yùn)行工況和范圍最優(yōu)，滿足合同中各項(xiàng)性能指標(biāo)。水輪機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)我公司對(duì)水輪機(jī)選型經(jīng)驗(yàn)，三、四葉片水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速均在合理范圍內(nèi)，額定工況點(diǎn)的單位流量也符合我公司的模型特性。

2.2 水力設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)組流道優(yōu)化

針對(duì)一個(gè)電站設(shè)計(jì)兩種類型機(jī)組的特殊性，考慮三、四葉片轉(zhuǎn)輪直徑相同，轉(zhuǎn)速不同，因此對(duì)水輪機(jī)流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取了既適合三葉片又能滿足四葉片的機(jī)組流道，流道尺寸見(jiàn)圖1。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)表

圖1 機(jī)組流道圖

機(jī)組流道形狀主要有以下特點(diǎn)：

1）三、四葉片機(jī)組從流道進(jìn)口到尾水管出口的全流道尺寸均完全相同。

2）除了因轉(zhuǎn)輪輪轂比不同而引起的轉(zhuǎn)輪體前端的錐段收縮率略有不同外，燈泡頭直徑相同，燈泡體外形尺寸基本相同。

兩種機(jī)組采用相同流道有利于機(jī)組同一化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件制造、土建施工、安裝檢修、運(yùn)行管理、節(jié)約成本等方面均得到很大的益處，有效地減少了電站的建設(shè)投資。

2.2.2 轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)石虎塘機(jī)組的特點(diǎn)分別對(duì)三、四葉片水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了水力優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）考慮三葉片單個(gè)葉片承受水推力較大以及真機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，葉片水力特性應(yīng)滿足槳葉接力器容量設(shè)計(jì)需要等因素，對(duì)葉片型線進(jìn)行了水力優(yōu)化設(shè)計(jì)。三葉片機(jī)組具有轉(zhuǎn)輪直徑大、輪轂比小、使用水頭高等特點(diǎn)，真機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合難度系數(shù)較高，增加了轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化的難度。

2）為了使四葉片機(jī)組能獲取更優(yōu)秀的水力性能，在原有轉(zhuǎn)輪葉片型線的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)轉(zhuǎn)輪模型試驗(yàn)證明，四葉片機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)了合同保證值。

2.2.3 導(dǎo)葉型線設(shè)計(jì)

三、四葉片水輪機(jī)相匹配的導(dǎo)葉翼形因水力特性差異較小，考慮導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用性和互換性，將6臺(tái)機(jī)組的導(dǎo)葉采用相同型線設(shè)計(jì)。同時(shí)，將三、四葉片的導(dǎo)葉最大轉(zhuǎn)角都選取85°，從水力設(shè)計(jì)上，為6臺(tái)機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)通用性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

3 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

機(jī)組支撐方式采用管形座上、下2根立柱為主支撐，發(fā)電機(jī)水平和垂直防振支撐為輔助支撐。上下立柱與混凝土剛性連接，承受水推力產(chǎn)生的彎矩和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。輔助支撐為彈性連接，主要承受燈泡體的重量、浮力和不平衡力以增加機(jī)組的穩(wěn)定性。

機(jī)組軸系采用雙支點(diǎn)雙懸臂式結(jié)構(gòu)，即采用發(fā)導(dǎo)軸承和水導(dǎo)軸承二支點(diǎn)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子均為懸臂式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、安裝調(diào)整方便、易于檢修維護(hù)。

水輪機(jī)在部件設(shè)計(jì)上做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化統(tǒng)一，專用工具、備品備件以及相配套的機(jī)組輔助設(shè)備、自動(dòng)化元件配置等具有通用性和互換性，以方便今后電站的運(yùn)行、維護(hù)管理，達(dá)到縮短設(shè)計(jì)、制造、施工的周期，降低電站投資，提高電站經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 轉(zhuǎn)輪

三、四葉片水輪機(jī)最大的結(jié)構(gòu)區(qū)別在于轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)，其中三葉片轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大。三葉片轉(zhuǎn)輪輪轂比僅為0.3，運(yùn)行水頭偏高，單個(gè)葉片承受的水推力比四葉片要大，而轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部布置的空間又比四葉片小，葉片、操作機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度以及槳葉接力器的容量均受到了限制。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取加大葉片根部厚度和圓角，葉片軸套、聯(lián)接螺栓等部件采用高強(qiáng)度材料，在不加大轉(zhuǎn)輪輪轂比的條件下，滿足三葉片轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，克服了三葉片轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的困難。

三、四葉片轉(zhuǎn)輪均采用缸動(dòng)結(jié)構(gòu)，以利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。葉片密封采用我公司成熟的多道“V”型密封?！癡”型密封由彈簧和油壓雙重力使其張緊，既使長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)磨損也能保證與葉片保持較好密合。更換密封件時(shí)不需要拆下葉片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便。結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖2。

圖2 葉片密封結(jié)構(gòu)

為了更大范圍地滿足三、四葉片轉(zhuǎn)輪專用工具、備品備件通用性和互換性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案上盡可能全盤考慮。轉(zhuǎn)輪接力器缸徑通過(guò)接力器容量計(jì)算確定為相同直徑，活塞密封可以做到互換。轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸螺栓、葉片聯(lián)接螺栓采用相同規(guī)格的螺栓，可以減少液壓拉伸器的拉伸器頭規(guī)格。

根據(jù)三、四葉片轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用不同的靜平衡試驗(yàn)工具，以獲取更高的試驗(yàn)精度。三葉片轉(zhuǎn)輪采用傳統(tǒng)的剛性平衡球頭試驗(yàn)工具，四葉片轉(zhuǎn)輪采用三支點(diǎn)負(fù)荷傳感器試驗(yàn)工具。

轉(zhuǎn)輪運(yùn)輸工具從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪體、葉片運(yùn)輸架在一個(gè)電站共用同一套工具，做到電站運(yùn)輸工具重復(fù)利用，降低運(yùn)輸成本。

3.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，它的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量對(duì)整個(gè)燈泡貫流式機(jī)組的品質(zhì)起到關(guān)鍵性作用。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，尤其是工地安裝調(diào)整便捷，深受安裝單位的好評(píng)。三、四葉片機(jī)組除內(nèi)導(dǎo)環(huán)的錐體尺寸不同外，外導(dǎo)環(huán)、活動(dòng)導(dǎo)葉、控制環(huán)、內(nèi)外導(dǎo)葉軸承、連桿機(jī)構(gòu)所有對(duì)應(yīng)的零部件均相同，具備可互換性。

導(dǎo)葉保護(hù)裝置采用每個(gè)連桿設(shè)置壓縮彈簧的方式，當(dāng)導(dǎo)葉在關(guān)閉過(guò)程遇異物卡住時(shí)彈簧連桿動(dòng)作，自動(dòng)進(jìn)行異物排除，然后彈簧自動(dòng)復(fù)位，整個(gè)動(dòng)作過(guò)程不損壞部件，方便電站的維護(hù)。

在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)控制環(huán)關(guān)閉側(cè)設(shè)有重錘關(guān)機(jī)裝置，當(dāng)調(diào)速器系統(tǒng)出現(xiàn)故障或油壓消失時(shí)，導(dǎo)葉在重錘力矩和自關(guān)閉水力矩的共同作用下關(guān)閉，可以有效防止機(jī)組飛逸，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

3.4 主軸和水導(dǎo)軸承

兩種類型機(jī)組因轉(zhuǎn)輪體不同引起主軸長(zhǎng)度、法蘭外徑等差異，經(jīng)主軸強(qiáng)度計(jì)算，軸身直徑均取Φ950mm。通過(guò)對(duì)軸承負(fù)荷、油膜厚度的計(jì)算，三、四葉片機(jī)組水導(dǎo)軸承的軸承間隙可以取相同值，軸承及其備品、專用工具6臺(tái)機(jī)組均可通用。

水導(dǎo)軸承支撐方式采用剛性螺栓聯(lián)接，通過(guò)軸系靜態(tài)撓度計(jì)算，采用斜面間隙和定位軸套公差配合等設(shè)計(jì)手段，實(shí)現(xiàn)水導(dǎo)軸承適應(yīng)主軸撓度變化。

水導(dǎo)軸承潤(rùn)滑方式采用強(qiáng)制油外循環(huán)，并利用油冷卻器中管內(nèi)循環(huán)水冷卻方式，這種型式廣泛應(yīng)用于燈泡貫流式機(jī)組上。

3.5 主軸密封

根據(jù)電站水質(zhì)特點(diǎn)，主軸工作密封和檢修密封采用我公司密封結(jié)構(gòu)，工作密封采用梳齒和平板組合式結(jié)構(gòu)，梳齒部分材質(zhì)為不銹鋼，平板密封采用耐磨橡膠。在不拆除水導(dǎo)軸承的情況下，可以在燈泡體內(nèi)直接進(jìn)行調(diào)整或更換密封件。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，尤其是不需要供給密封水，不用設(shè)置密封管路及自動(dòng)化元件，減少了電站經(jīng)濟(jì)投入，對(duì)電站今后檢修維護(hù)帶來(lái)了極大方便。主軸密封漏水靠自重通過(guò)管子排至集水井。主軸密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 主軸密封結(jié)構(gòu)

主軸檢修密封采用實(shí)心空氣圍帶式結(jié)構(gòu)，電站使用效果良好。

三、四葉片機(jī)組主軸密封結(jié)構(gòu)型式相同，除部分零件徑向尺寸存在差異外，主軸密封裝置中的所有密封件6臺(tái)機(jī)組可以通用和互換。

3.6 轉(zhuǎn)輪室和伸縮節(jié)

轉(zhuǎn)輪室采用鋼板模壓成形組焊而成，分上下2瓣，轉(zhuǎn)輪室球形部分和喉管部位整圈均采用不銹鋼制造，以防止空蝕和磨損的發(fā)生。

轉(zhuǎn)輪室與尾水管前錐段法蘭之間設(shè)置伸縮節(jié)，用以補(bǔ)償機(jī)組制造、安裝的誤差以及冷熱變化引起的軸向伸縮，也便于轉(zhuǎn)輪室的拆裝，伸縮量一般取20mm。

近幾年我公司對(duì)水輪機(jī)伸縮節(jié)漏水、壓環(huán)緊固螺栓剪斷進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為造成伸縮節(jié)密封失效和失穩(wěn)的原因是多方面的。研究發(fā)現(xiàn)三葉片機(jī)組出現(xiàn)上述情況的概率較大。從水輪機(jī)葉柵理論來(lái)說(shuō)，三葉片轉(zhuǎn)輪由于葉片數(shù)較少，葉柵密度較小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪過(guò)流能力增大，水輪機(jī)效率低于四葉片，單位水流動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于四葉片，從而使轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)值比四葉片大10%左右。根據(jù)三葉片機(jī)組特性，對(duì)石虎塘水輪機(jī)伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免了伸縮節(jié)部位易漏水、螺栓易剪斷的現(xiàn)象。

3.7 受油器

大中型燈泡貫流式機(jī)組的受油器一般采用3道浮動(dòng)瓦結(jié)構(gòu)，浮動(dòng)瓦分別依托在受油器內(nèi)外操作油管上，可以隨主軸振動(dòng)而允許有稍微的移動(dòng)，避免軸承瓦上的巴氏合金與轉(zhuǎn)軸發(fā)生咬死事故。浮動(dòng)瓦兩端設(shè)有圓柱銷，防止浮動(dòng)瓦隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。但受油器因制造、安裝、運(yùn)行工況等原因容易造成燒瓦、甩油現(xiàn)象，我公司總結(jié)以往機(jī)組經(jīng)驗(yàn)，對(duì)受油器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是受油器與來(lái)自調(diào)速器的二路高壓油管路聯(lián)接方式采用高壓軟管聯(lián)接，消除了管路剛性聯(lián)接時(shí)受油器座體易產(chǎn)生向上的拉力，避免受油器座體傾斜或移位而導(dǎo)致燒瓦、漏油，提高了受油器安裝質(zhì)量。

4 水輪機(jī)大件吊裝特點(diǎn)

隨著大型燈泡貫流式機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、安裝的技術(shù)水平不斷提高，水輪機(jī)大件工地起吊技術(shù)也日趨成熟。為了方便機(jī)組的安裝和維護(hù)管理，水輪機(jī)大件起吊工具按通用性要求進(jìn)行了合理化設(shè)計(jì)。

4.1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體翻身起吊

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)所有部件的組裝、調(diào)整、動(dòng)作試驗(yàn)均在安裝場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，不僅改善了安裝作業(yè)環(huán)境，同時(shí)縮短了安裝工期。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體翻身時(shí)必須做好有效的保護(hù)措施。組合工具是導(dǎo)水機(jī)構(gòu)起吊工具的重要組成部件，三葉片機(jī)組除了增加組合工具與內(nèi)導(dǎo)環(huán)之間的連接環(huán)外，其他輔助配套工具均可以通用。

4.2 主軸裝配整體起吊

主軸裝配包含導(dǎo)軸承和發(fā)電機(jī)組合軸承，組裝均在安裝場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，利用主軸吊具將主軸通過(guò)發(fā)電機(jī)吊物孔吊入機(jī)坑內(nèi)，使用專用工具，將主軸移動(dòng)到位。這種主軸裝配整體起吊技術(shù)成功應(yīng)用于燈泡貫流式機(jī)組上，有利于提高軸承的安裝質(zhì)量，減少機(jī)組的安裝工期。主軸整體起吊工具適用于三、四葉片機(jī)組。

4.3 轉(zhuǎn)輪整體起吊

轉(zhuǎn)輪整體起吊翻身采用先進(jìn)的空中翻技術(shù)。轉(zhuǎn)輪在安裝場(chǎng)內(nèi)完成葉片裝配、動(dòng)作試驗(yàn)、密封試驗(yàn)后，安裝上特殊起吊工具，利用廠房橋機(jī)上的主鉤和輔助吊鉤，將倒置的轉(zhuǎn)輪吊起至半空中，在空中進(jìn)行緩慢翻身，將轉(zhuǎn)輪調(diào)整到水平安裝位置，再緩慢將轉(zhuǎn)輪移到機(jī)坑內(nèi)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪與主軸聯(lián)接。三、四葉片轉(zhuǎn)輪整體起吊翻身技術(shù)完全相同。

5 機(jī)組運(yùn)行管理

石虎塘水電站采用2臺(tái)四葉片水輪機(jī)和4臺(tái)三葉片水輪機(jī)組合模式，利用三葉片水輪機(jī)適用水頭低、過(guò)流量大，四葉片水輪機(jī)適用水頭相對(duì)較高、空化性能好、效率高特點(diǎn)，當(dāng)枯水期水頭較高或汛期水頭較低時(shí)，電站通過(guò)合理調(diào)度，使三、四葉片水輪機(jī)各自發(fā)揮其最優(yōu)性能，提高電站經(jīng)濟(jì)效益。

電站機(jī)組臺(tái)數(shù)較多，且電站建成投產(chǎn)后很長(zhǎng)時(shí)間將處于10.17m以下水頭運(yùn)行，經(jīng)計(jì)算分析，電站第3臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行時(shí)，電站水頭約為9m，該水頭段已進(jìn)入三葉片機(jī)組的合理運(yùn)行范圍。為了確保三葉片水輪機(jī)安全可靠運(yùn)行，機(jī)組在運(yùn)行管理上采取以下措施：

（1）機(jī)組開(kāi)機(jī)條件增加水頭判據(jù)，三葉片機(jī)組凈水頭大于10m不得開(kāi)機(jī)；

（2）三葉片機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)水頭進(jìn)行判定，凈水頭達(dá)到9m時(shí)發(fā)報(bào)警信號(hào)，凈水頭達(dá)到10m時(shí)機(jī)組必須停機(jī)；

（3）三葉片機(jī)組最高水頭為9m，最高設(shè)計(jì)水頭為10m。凈水頭9m以上的水輪機(jī)空蝕保證按限定的最大出力以上運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)100h來(lái)考核，運(yùn)行管理時(shí)須考慮三葉片機(jī)組在9m水頭以上的運(yùn)行時(shí)間。

6 結(jié)語(yǔ)

石虎塘機(jī)組采用了我公司先進(jìn)的設(shè)計(jì)和技術(shù)，三、四葉片燈泡貫流式機(jī)組同時(shí)“安家”到一個(gè)電站里，在國(guó)內(nèi)也是首例，其設(shè)計(jì)思路和運(yùn)行方式為今后類似電站的設(shè)計(jì)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。迄今為止，石虎塘三、四葉片機(jī)組均安全穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好。