豎井貫流式水輪發電機組轉輪改造技術分析

張清頓，程廣蕾，劉曉鷹，王穩亭

（天津電氣科學研究院有限公司，天津 300301）

豎井貫流式水輪發電機組轉輪改造技術分析

張清頓，程廣蕾，劉曉鷹，王穩亭

（天津電氣科學研究院有限公司，天津 300301）

本文主要介紹了貴嶺左岸水電站豎井貫流式水輪發電機組轉輪的兩次改造情況，分析了改造過程中的流道與額定水頭、葉片數及機組結構與穩定性等問題，最后總結了影響機組穩定運行的因素并對其原因進行了探討，其經驗對類似機組的改造提供了借鑒意義。

豎井貫流；轉輪改造；流道；葉片數

0 引言

貴嶺左岸水電站，機組型式為豎井貫流式水輪發電機組。水輪機原轉輪采用天津電氣科學研究院有限公司研制的GZ003轉輪，水輪機與發電機通過增速器聯接，裝機容量為12×500 kW，于1980年投入商業運行，機組穩定滿負荷運行。電站進行的第一次技術改造，將水輪機與發電機改為直聯結構，水輪機轉輪采用GZTF08B，沒有達到預期改造目標。天津電氣科學研究院有限公司主導的第二次技術改造，采用GZ995轉輪，機組達到預期改造出力，且運行狀況較第一次改造平穩。該機組存在諸多流道和結構的不可確定因素，是影響技術改造的主要原因。

1 電站概況

電站設計參數：

額定水頭：Hr=4.8 m；額定流量：Qr=13.1m3/s。

水輪機型號：GD003-WS-160；增速器速比：I=3.78；發電機型號：SFW500-8/990。

水輪機運行工況點：

單位流量 Q1'=2.336 m3/s；單位轉速1'=146 r/min；模型效率濁m=88.5%；真機效率濁T=86.5%；空蝕系數滓=1.37 、安裝高程 ▽115.625 m；水輪機出力P=552 kW。

運行狀態：水輪機運行工況點Y1見圖1，機組運行效果良好。

圖1 GZ003模型轉輪綜合特性曲線

2 改造情況

2.1 第一次改造

第一次增容改造采用GZTF08B，葉片數為3個，機組改為直聯結構，機組轉速為300 r/min，并更換了導水機構。

電站改造參數如下：

額定水頭：Hr=4.8 m；額定流量：Qr=16.26 m3/s。水輪機型號：GDTF08B-WS-160；發電機型號：SFW630-20/1460。

水輪機運行工況點：

單位流量Q1'=2.899m3/s；單位轉速n1'=219.1r/min；模型效率濁m=89.1%；真機效率濁T=87.7%；空蝕系數滓=1.75 ▽、安裝高程 115.625 m；水輪機理論出力P=665 kW。

運行狀態：水輪機運行工況點Y2見圖2，機組運行不穩定，振動和噪音較大，沒有達到理論出力。

圖2 GZTF08B模型轉輪綜合特性曲線

2.2 第二次改造

第二次改造，更換轉輪，采用4個葉片的GZ995轉輪。為方便機組拆裝、檢修，將球型轉輪室改為柱狀轉輪室，其余流道和結構沒有任何改變。

電站改造參數如下：

額定水頭：Hr=4.8 m；額定流量：Qr=16.26 m3/s。

水輪機型號：GZ995-WS-160；發電機型號：SFW630-20/1460。

水輪機運行工況點：

單位流量Q1'=2.899m3/s；單位轉速n1'=219.1r/min；模型效率濁m=88.6%；真機效率濁T=86.8%；空蝕系數滓=1.8 ▽

、安裝高程 115.625 m；水輪機理論出力P=665 kW。

運行狀態：水輪機運行工況點Y3見圖3，機組運行比較穩定，達到預期改造出力。

圖3 GZ995模型轉輪綜合特性曲線

3 探討

3.1 流道問題

國內外沒有專門針對豎井貫流式機組開發的轉輪及流道。

對于適合安裝豎井貫流式機組的電站，通常采用燈泡貫流式轉輪及管型座以后部分的流道。針對豎井段流道，結合電站實際情況，采用對水輪機轉輪效率加以修正的方法進行設計。

該電站水輪機原轉輪采用的是GZ003燈泡貫流式轉輪。從圖4的流道對比圖中可以看出，除導水機構、轉輪室和直錐管三段基本一致，流道其余部分，二者有很大的差別。

以此為基礎，用乘法結合律可深化對于小數意義的進一步理解.以具體的例子來說明，如3×0.7，我們可以考慮利用結合律：

圖4 GZ003標準流道與電站機組真實流道對比圖

在機組實際的流道中，前面豎井段的設計比較合理，但是管型座段的收縮喉管，使原本經豎井段、管型座、導水機構到轉輪室應該正常加速的水流，出現急劇加速（喉管）、擴散（管型座后段）后，再進入導水機構，肯定會造成較大的水力損失。尾水擴散段的變向不會對效率產生較大影響。

3.2 探討與建議

根據電站實際的運行經驗，以4.8 m額定水頭進行改造。

但從改造的情況看，喉管收縮段為混凝土結構，每臺機組的喉管處收縮半徑和最小直徑都存在不小的偏差，由此引起的水力損失也就不一樣，從而導致各機組額定水頭的差異。盡管兩個轉輪都適用該電站的水頭范圍，但由于額定水頭的不確定性，額定工況點必將發生變化。

按照4.8 m的額定水頭，雖然空蝕系數較大，但都滿足現有的吸出高度及安裝高程，尾水淹沒深度也足夠。機組額定工況點對于定槳葉片、導葉調節的水輪機是可以接受的位置。但如果實際水頭降低至

4.6 m或更低，相對應工況點的效率更低、空蝕系數更大，機組振動、噪音加大，出力下降。

3.3 轉輪葉片數量與機組結構的關系

第一次改造采用3個葉片的GZTF08B轉輪，第二次改造采用4個葉片的GZ995轉輪。

水輪發電機組的改造要考慮：1）水頭適用范圍；2）機組的過流能力；3）新轉輪工況點空蝕系數不大于原轉輪該點的空蝕系數；4）工況點效率比較。至于選取幾個葉片，具體問題具體分析。

兩次改造的參數相同，從綜合曲線上看，二者工況點位置相當，理論出力也應該相近。但是，現場試運行的結果是4葉片GZ995轉輪比3葉片GZTF08B轉輪出力高、運行穩定，機組的振動、噪音更小。

該電站改造后為4支點結構，水輪機軸和發電機軸通過聯軸器聯接。

發電機的2個支點為單列圓柱軸承，理論上不承受軸向水推力。水輪機軸的2個支點，是前端可承受徑向力和正反向水推力的圓錐滾子軸承，及轉輪端承受徑向力的雙列調心滾子軸承。

這種結構，對于機組的加工和安裝要求較高。發電機2個支點的軸承和轉輪端軸承都無需進行徑向調整，只有圓錐滾子軸承這個支點，在現場安裝時，既要考慮軸系的同心度，又要考慮該軸承穩定運行的游隙。如果該軸承軸向和徑向游隙的調整不合理，勢必造成機組運轉的不穩定，這種不穩定對3葉片和4葉片轉輪的影響是不同的。葉片稠密度較大，受到的影響相對較小。這就解釋了，改造采用4葉片轉輪比3葉片轉輪更加穩定的原因。

4 結語

該電站改造存在流道和結構兩方面的難度，并且這兩點在實際改造時，又存在不確定性。由于本站安裝的是低水頭大流量機組，機組出力對水頭變化較為敏感，假如有0.3m的水頭偏差，就會造成40kW的出力偏差。這應該是造成該站12臺機組出力偏差很大（最小出力約490 kW，最大出力約640 kW）的主要原因。

另外，機組當前的結構對現場安裝調整要求較高，推力軸承和徑向軸承的安裝調整誤差，反應在機組振動、噪音上，也對機組運行的穩定性、出力等產生一定的影響。

[1]田樹棠，等.貫流式水輪發電機組實用技術：設計、施工安裝、運行檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2]房玉敏，宋桂玲，張清頓.豎井貫流式機組的流道設計及選型優化探討[J].大電機技術，2009（01）.

[3]沙錫林.貫流式水電站[M].北京：中國水利水電出版社，1999.12.

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[5]廣東省水力發電工程學會.燈泡貫流式機組學術交流研討會論文集[C].2002.

[6]田樹棠.燈泡機組的空蝕特性與安裝高程計算[J].水電站機電技術，1993（增刊）.

TK734

：A

：1672-5387（2017）03-0011-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.003

2016-08-29

張清頓（1969-），男，工程師，從事水輪機振動與汽蝕工作。