格魯吉亞KHELVACHAURI 1水電站生態流量機組水輪機結構設計

史靖雯

（浙江富春江水電設備有限公司，浙江 杭州311500）

1 工程概況

KHELVACHAURI 1水電站位于格魯吉亞巴統省境內Chorokhi河上，是由土耳其EKISM公司投資建設的項目，緊鄰土耳其國境及黑海。工程設有5臺9.4 MW燈泡貫流式機組及1臺2.1 MW軸伸貫流式機組，其中軸伸貫流式機組為生態流量機組。

2 水輪機總體結構和主要參數

軸伸貫流式水輪機是貫流式機組的一種，是一種適用于低水頭大流量的水力性能優良、結構緊湊、安裝維護方便的機型。軸伸機有一彎曲的S形流道，水輪機通過較長的軸從尾水彎管或進水彎管中伸出，與布置在流道外部的發電機連接，本文提到的機組采用水輪機主軸從尾水彎管伸出的布置形式。同時，與傳統的立式軸流機相比，其減少了開挖量和水工工作量，投資小，且能夠通過較大的過流量，有較高的水力效率。

水輪機各部分之間的裝配關系可由水輪機裝配圖（圖1）看出，水流經閘門、管道、燈泡頭、座環固定導葉和導水機構的活動導葉后進入水輪機轉輪，在轉輪區域進行能量轉換，水能轉變為轉輪旋轉的機械能，轉輪同時帶動發電機旋轉而發電，水流經過轉輪后流入尾水管，排至下游。本機可分為進水埋入部分、軸承、內主軸密封、導水機構、轉動部分、轉輪室及尾水錐管、尾水肘管埋入部分，以下結合設計上的技術特點對各部分結構進行詳細論述。

圖1 水輪機裝配圖

機組主要參數如下：水輪機型號GD－WZ－180；最大水頭12.71 m，額定水頭12.71 m，最小水頭8.31 m；額定出力2 100 k W；額定轉速300 r/min，飛逸轉速800 r/min；允許吸出高度Hs≤－1.66 m；最大正向水推力250 k N，最大反向水推力250 k N；安裝高程27.2 m。

3 進水埋入部分

本部分主要零件有進水管里襯、基礎環、座環、錐環、燈泡頭、拉筋、調節螺栓等。具體如下：（1）基礎環及座環?；A環及座環是機組的主要剛性支撐，承受機組大部分重量及水壓力、浮力等，并將負荷傳遞至基礎混凝土?；A環上設有吊物孔，吊物孔為安裝檢修時安裝人員進出上游流道之用，為鋼板焊接結構。座環是機組的安裝基準，水輪機導水機構把合在座環的法蘭面上，并以此為基準進行安裝。座環為鋼板焊接結構，上有固定導葉連接座環內外環。（2）錐環及燈泡頭。錐環、燈泡頭為鋼板焊接結構，它們之間通過螺栓連接在一起。錐環用螺栓把合在座環內環上。錐環、燈泡頭與座環一起形成進水流道。

4 250軸承裝配

徑向導軸承為機組轉動部分在機組內部的支承體，軸瓦采用巴氏合金材料，軸承用油采取強迫循環，軸承支承在座環法蘭上?？紤]到水輪機轉輪及主軸的重量會使主軸彎曲，主軸將不斷改變撓度值及其變形方向，因此軸承采用球面支承結構，起到自整位作用，使軸瓦能隨主軸作相應調整。軸瓦下部設有2只電阻溫度計，測量軸瓦溫度，當軸瓦溫度達到65℃時，發出信號指令機組事故報警。

5 內主軸密封裝配

內主軸密封是防止壓力水通過轉動與靜止部分間隙漏至軸承及燈泡體內而設置的。內主軸密封采用加水潤滑填充式軸面密封結構，自調節壓緊。填充材料耐磨，通入壓力水作潤滑冷卻之用，密封漏水通過排水管排至集水井?？紤]到機組空間結構小，不設置空氣圍帶，檢修時將流道內的水排至集水井后檢修。更換填充材料時，不拆軸承即可更換。

6 導水機構裝配

導水機構裝配主要零件有外導環、內導環、導葉、導葉外軸承座、導葉臂、傳動機構、控制環等。具體如下：（1）外導環。外導環為鋼板焊接而成，其上游為座環、下游為轉輪室。外導環上均勻分布16只導葉外軸承座孔，并裝有導葉外軸承座和16只導葉，導葉外軸承采用球軸承，導葉中心線與機組水平中心線呈60°夾角，外導環與導葉配合處為球面，并有16只限位塊，以防拉斷銷拉斷后導葉相互碰撞。外導環上游端法蘭外圓設有支承控制環的鋼球槽。（2）內導環。內導環為焊接結構，是導葉下軸頸的支承部件，與導葉配合處為球面。（3）導葉。導葉共16只，是形成轉輪前所需環量的部件，它具有空間曲面結構，調整導葉開度即可調整機組的轉速和功率，全關時切斷水流使機組停機，導葉間采用金屬接觸式密封。（4）傳動機構。傳動機構由導葉臂、拉斷銷與控制環、導葉組成為一空間運動系統。導葉保護機構采用拉斷銷帶摩擦環結構，當導葉間有雜物卡住不能關閉時，拉斷銷被拉斷，并由信號器自動發出信號，保證機組正常關機。導葉與內、外導環的間隙可通過修磨調整環加以保證。（5）控制環?？刂骗h為單耳結構，由鋼板焊接而成，其上均勻分布16只小耳板，它將調速器油壓推動的接力器的力傳遞至導葉臂從而控制導葉的轉動。控制環與外導環之間采用滾動摩擦副以減少摩擦力，鋼珠槽內裝有35鋼球，采用干油潤滑。

7 轉動部分裝配

轉動部分主要包括小軸、轉輪、外伸主軸。轉輪是機組的關鍵部件，通過它將水能轉化為機械能，并經外伸主軸傳給發電機轉換成電能。轉輪包括轉輪體、葉片等，本機組有4個葉片。轉輪體采用鑄鋼材料，有一段是球形，葉片為鑄鋼，采用螺栓把合形式把葉片裝在轉輪體上形成轉輪。外伸主軸一端與轉輪體相連，另一端連接在徑向止推軸承的軸法蘭上，將轉輪產生的機械能傳遞給發電機。由圓柱銷傳遞扭矩。

8 轉輪室及尾水錐管裝配

本部分主要由轉輪室、尾水錐管、活法蘭、壓環、進人門等零件組成。具體如下：（1）轉輪室。轉輪室為分半焊接結構，采用不銹鋼板材料，兩端法蘭分別與外導環、尾水錐管相連。（2）尾水錐管。尾水錐管為分半鋼板焊接結構，兩端法蘭分別與轉輪室、活法蘭相連，尾水錐管設有支座，支承在基礎混凝土上。為方便檢修，尾水錐管上還設有600進人門，活法蘭為方便裝拆尾水錐管等部件使用。

9 尾水肘管埋入部分裝配

本部分主要由肘管、預埋方尾水管及外伸主軸密封組成。肘管、預埋方尾水管均由鋼板焊接而成，共同形成機組的尾水流道。由于外伸主軸穿過流道，所以肘管上設有外伸主軸密封，采用盤根密封，盤根的松緊可通過盤根壓環上的螺栓進行調節。

10 結語

在結構設計前期，對水輪機進行了嚴格的計算，比如水力計算、主要承重部件的有限元受力分析計算、導水機構漏水量計算、軸系計算、軸承計算等均滿足合同要求，在保證機組安全穩定的基礎上，精益求精，進行了大量的優化改進，既滿足了合同和業主的要求，又保證了制造質量及安裝方便，同時，在不破壞電站建設原有生態環境的前提下，為提高泄放生態流量的利用率創造了有利條件。

［1］劉國選.燈泡貫流式水輪發電機組運行與檢修［M］.中國水利水電出版社，2006

［2］哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊［M］.機械工業出版社，1976