糯扎渡水輪機的優化設計及結構特點

摘 要：文章簡述了糯扎渡水輪機主要部件的結構優化措施及結構特點。

關鍵詞：水輪機；轉輪；頂蓋

1 前言

糯扎渡電站是瀾滄江流域以發電為主，同時兼顧防洪、改善下游船運、漁業、旅游和環保作用并對下游電站超補償作用的特大型水電工程。同時也是哈電當年承制的首個帶筒閥結構的大型混流式水輪機。

在糯扎渡水輪機的設計中，通過總結、吸取以往水輪機的設計、制造和運行的經驗，并對已完成的水輪機設計加以科學地分析，在此基礎上進一步優化，并結合三維實體造型。使糯扎渡水輪機的設計更加完美。

2 水輪機主要部件結構優化及特點

2.1 關于減小水推力的措施

2.1.1 為降低比轉速，轉輪下環的喉部直徑設計比下環進口直徑小，減小水推力的措施之一就是把轉輪下環的密封設計在下環的下部喉部的外緣。

2.1.2 第二個措施是在頂蓋上增設減壓板。根據實測和估算大約能減少一半水推力。此措施的原理是經過上止漏環密封處的水仍帶有較大的壓力，特別是當迷宮磨損時此壓力會增大，此壓力水大部份經過頂蓋的減壓板流向轉輪泄荷孔至尾水起到減壓作用。

2.1.3 第三個措施是增設頂蓋均壓排水管。靠轉輪泄荷孔排水只能排主軸附近的水而在轉輪外緣的由于離心力產生的水壓高達2.8kg/cm2，不可能由泄荷孔排除，因此采用頂蓋均壓排水管是減小水推力的有效措施。

2.1.4 轉輪上冠外緣采用梳齒密封，降低密封后的水壓，轉輪下環的下部密封采用階梯式密封能減小對密封的損壞。

2.2 關于水輪機的補氣

在導葉后，頂蓋和底環適當的位置預留補壓縮空氣的管道，不僅是必要的，在許多水輪機部分工況有振動的電站通過補壓縮空氣來消除振動是行之有效的辦法。例如三峽左岸10號機在水位139m時，出力560MW時，尾水管振動加大。采用底環補壓縮空氣后，振動消除，效果非常明顯。

因此，我們采用大軸中心孔補氣與頂蓋、底環適當的位置預留補壓縮空氣管道相結合的方案。補氣量可以按現行的經驗，大軸中心孔自然補氣量按額定流量的1%預埋管道，流量大小可以進行調節。補壓縮空氣按額定流量的0.05%預留。

2.3 轉輪

轉輪過流部分的型線與尺寸經過模型復核或驗收試驗的模型轉輪相似。形線偏差不大于IEC60193的規定。過流表面光滑，呈流線形，無裂紋、凹凸不平等缺陷。

上冠設有與主軸聯接的法蘭。轉輪上冠形狀平順，減小水力損失。

轉輪葉片采用VOD精煉鑄造。葉片用五軸數控機床加工，在對組焊前后的葉片進行人工打磨或拋光時，嚴格控制打磨拋光量，葉型尺寸的負偏差許可值不大于正偏差許可值的50%以避免過量打磨，確保葉片型線精度。

轉輪泄水錐采用與上冠相同的材料制造，和上冠做成一體。泄水錐有可靠的防脫落的措施。泄水錐在結構設計上有利于大軸中心孔補氣和減少尾水壓力脈動。

2.4 導軸承及油潤滑系統

軸承采用斜楔調整瓦塊，與抗重螺桿調整瓦塊相比，具有堅固、耐用，加工和調整方便，而且軸承間隙調好后，能保持穩定不松動。導軸承便于安裝、調整、檢查和拆卸；滿足在不需拆卸導軸承的情況下檢修主軸工作密封；并允許轉輪和主軸的軸向移動，以滿足拆卸和調整發電機推力軸承或清掃主軸連接法蘭止口的需要。

2.5 主軸密封

在導軸承下方，主軸通過頂蓋的部位設有主軸工作密封。主軸密封采用自補償型靜壓自調節式軸向密封。該密封的最大特點就是當密封腔壓力增高，密封副之間的壓力也隨之增大，密封清潔水的壓力也同樣增高，密封副之間始終有清潔潤滑水。有些國外公司稱此密封為“無磨損”密封。主軸密封的排水系統按密封失效時，仍能將漏水量排除，在任何情況下都不會淹及導軸承考慮，故其可靠是有保障的。

2.6 頂蓋

頂蓋具有足夠的強度和剛度，能安全可靠地承受最大水壓力（包括水錘壓力）、側向推力和所有其它作用在它上面的力，以及支承導水機構、導軸承、主軸密封和其它部件，并且在整個運行范圍內包括最大飛逸轉速下連續運轉而不產生過大的振動和有害的變形。

頂蓋與座環間保證有足夠的徑向間隙以便在安裝時能精確地找正中心。

頂蓋的外圓面成為在圓筒閥全開位置時圓筒閥閥室的內壁。頂蓋設有圓筒閥全關閉時的密封的設施。密封采用耐磨橡膠圈，壓板和壓緊螺栓為不銹鋼。還提供檢修和更換圓筒閥下游側密封的措施。頂蓋上圓筒閥接力器的位置應布置在發電機下機架腿之間，并避開水輪機機坑進人門和導葉接力器，以便于圓筒閥接力器檢修的起吊和運行維護的需要。

2.7 導葉和導葉操作機構

2.7.1 水輪機設置24個導葉用于控制和引導水流到水輪機轉輪。導葉、固定導葉和轉輪葉片數量協調，以保證水輪機工作時不致產生有害的振動和旋流。

2.7.2 導葉采用不銹鋼鑄鋼0Cr13Ni5Mo整體鑄造，導葉軸與導葉體的過渡區設計中考慮了最大程度地減小應力集中。導葉為3支點軸承結構。導葉上部設有止推軸承，防止導葉上浮。用抗重螺栓調整和保持每個導葉在頂蓋和底環間正確的位置。

2.7.3 導葉最大開口留有裕量，按最大開口的105%進行設計、導葉臂上設有導葉限位裝置，保證了導葉處于失控時導葉不會碰到轉輪、固定導葉和相鄰的活動導葉。

2.7.4 為使導葉在全關位置漏水量減至最小，按導葉在全關位置的變形分布導葉立面出水邊一端密封設計為斜面結構，此種結構已在五強溪、天生橋I級等機組中應用，取得了較好效果。

2.8 筒閥的結構特點

筒閥為可緊急關機的隔斷閥，安裝在水輪機的固定導葉和活動導葉之間。在機組停機時，筒閥處于關閉狀態，筒閥閥體下落處于座環固定導葉與活動導葉之間，上端緊壓布置在頂蓋上的密封條，下端緊壓布置在底環上的密封條，從而達到截流止水的作用在機組要開啟時，首先開啟筒閥，將筒閥閥體提升到座環上環與頂蓋形成的空腔內，閥體底面與頂蓋下端面齊平，不干擾水流流動。在正常開機工況下，先開啟筒閥，然后開啟活動導葉；在正常關機工況下，先關閉導葉，然后關閉筒閥。筒閥的密封可以在不拆卸水輪機其它部件的情況下進行更換。

3 結束語

糯扎渡水輪機全部采用三維實體造型設計，所有優化的部件都通過三維實體來檢驗。避免了工地安裝時可能出現的干涉，提高了安裝周期及安裝質量。并于2013年3月安全通過72小時試運行，正式投入運行。目前運行良好。事實證明糯扎渡水輪機的優化設計是成功的，這標志著哈電在帶筒閥的大型水輪機組的設計研制上又邁出了一大步。為后續哈電承制的溪洛渡和長河壩機組提供了寶貴的經驗。

作者簡介：韓桂苓（1962-），現從重水輪機設計工作，工程師。