安谷水電站水輪機結構設計

曹 大 偉， 王 繼 娥， 鄧 金 杰

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

1 概 述

安谷水電站工程是大渡河干流梯級開發中的最后一級，壩址位于樂山市安谷河段的生姜坡，距上游沙灣水電站約35 km，下游距樂山市區約15 km，安谷水電站工程的開發任務為發電、防洪、航運、灌溉和供水等。電站裝機容量為772 MW，裝設4臺單機容量為190 MW的軸流轉槳式水輪發電機組和1臺單機容量為12 MW的軸流轉槳式水輪發電機組。在電力系統中擔任腰荷和調峰。

2 水輪機總體結構及主要參數

安谷水電站水輪發電機組為立軸混流式，俯視順時針旋轉，發電機推力軸承置于重型下機架上，水輪發電機組采用兩根軸結構，機組設上導、下導和水導軸承(圖1)。主要參數為：

水輪機型號 ZZD685-LH-865

水輪機額定出力 193.88 MW

水輪機保證出力 204 MW

最大水頭 37.4 m

設計水頭 36.66 m

額定水頭 33 m

最小水頭 31.14 m

額定轉速 88.2 r/min

額定流量 637.3 m3/s

飛逸轉速(協聯) ≤170 r/min

飛逸轉速(非協聯) ≤250 r/min

最高效率 95.62%

軸向水推力 ≤1 900 t

3 預埋部分

預埋部分由錐管、肘管、排水閥等組成。

3.1 錐 管

錐管進口直徑為8.435 m，高6.564 m，為鋼板焊接結構。錐管在高度方向分成3段，每段分為4瓣。除第一段(高350 mm)采用16 mm厚不銹鋼板外，其余各段均采用16 mm厚鋼板Q235B。

在錐管段設置了1個650 mm×800 mm進人門。在錐管進人門下部設小門及凹槽，以便于檢修平臺的安裝。檢修平臺由鋁合金橫梁和鋁合金板組成，平臺表面鋪設地板。

3.2 肘 管

肘管進口內徑為10.716 m，高12 m，其里襯出口距Y—Y線13 m，肘管為鋼板焊接結構，材料為16 mm鋼板Q235B。

在尾水管底部邊墩內設置了2個直徑為650 mm的排水閥，供機組停機時排水使用。

3.3 蝸殼附件

蝸殼為混凝土蝸殼，不對稱梯形斷面，包角≤225°。蝸殼進口采用雙支墩，在每個支墩尾部設金屬護頭，高度方向全襯，長度不小于漸變段，護頭材料為16 mm厚鋼板Q235B。蝸殼外壁上設置了一個700 mm×800 mm的內開式進人門以方便進入蝸殼。在蝸殼最低高程處設置了1個直徑為650 mm的排水閥，供機組停機時排水使用。

4 埋入部分

埋入部分由轉輪室、基礎環、座環、機坑里襯、扶梯地板等組成。

4.1 轉輪室

轉輪室外徑為9.36 m，內徑為8.304 m，高2.966 m，均為鋼板焊接結構，分為2瓣。轉輪室過流面采用不銹鋼板，其余鋼板為Q235B。

4.2 基礎環

基礎環外徑為11.36 m，內徑為8.65 m，高1.59 m，為鋼板焊接結構，分為4瓣?；A環過流面采用不銹鋼板，其余鋼板為Q235B。

4.3 座 環

常規軸流式水輪機座環采用工字形上環與單個固定導葉把合結構，無下環，工地安裝時必須依靠模板澆筑基礎，找正、定位困難，安裝周期長。該機座環采用平行環板式整體結構，剛性好，找正、調整方便，安裝周期短。

座環采用平行環板式 焊 接 結 構。座 環 高4.484 m，整體重201 t?？紤]到運輸、安裝，將座環分為4瓣，各分瓣面設分瓣法蘭、法蘭上設把合螺栓、定位銷及偏心銷套，以便于安裝調整。

在座環的下部設數對斜楔板，用于座環的安裝調整，同時在座環下部設數個地腳螺栓，用于座環的安裝固定。

4.4 機坑里襯

機坑里襯為鋼板焊接結構，分為4瓣，材料為20 mm厚鋼板Q235B。機坑里襯內徑為12 m，高5.082 m。在+X方向平行設置了兩個接力器坑襯，在機坑里襯內還設有軸承冷卻水管法蘭、主軸密封水氣管法蘭等各種管路接口，機坑里襯在工地調整組圓后，與座環上環板焊接。

5 轉動部分

5.1 轉輪裝配

轉輪由葉片、轉輪體、葉片操作機構和泄水錐組成，葉片數為5個，采用活塞缸在轉輪體下方帶動操作機構的缸動式結構。轉輪直徑為8.65 m，轉輪操作油壓為6.3 MPa。

葉片材料為鑄鋼ZG06Cr13Ni5Mo，采用VOD精煉鑄造，數控加工。葉片采用內外裙邊結構。葉片密封采用雙向多層 “V ”型密封，可防止油和水雙向滲漏。

轉輪體由ZG20SiMn鑄造，過流面鋪焊不銹鋼，厚度不小于5 mm。

5.2 水輪機軸和操作油管

主軸為中空鍛焊式外法蘭結構。2個法蘭及3段軸身經分別鍛造后，用窄間隙焊接工藝組焊成整體。兩端的法蘭外徑均為2.6 m，滑轉子外徑為2.2 m，軸身直徑為1.8 m/ 1.4 m，主 軸 長8.355 m，材料為鍛鋼20 SiMn。主軸與轉輪采用螺栓聯接、圓柱銷傳遞扭矩的結構；主軸與電機軸采用銷栓聯接并傳遞扭矩的結構。

操作油管分為內操作油管和外操作油管。

內操作油管為單管帶法蘭結構，其既要旋轉，又要上下移動。外操作油管為雙層管帶法蘭結構，只需隨機組旋轉。該結構的優點是：水機軸和電機軸的內腔不需要充滿油，以便于電廠今后拆裝。

6 導水機構

導水機構由頂蓋、支持蓋、底環、導葉、控制環及導葉操作機構組成。

6.1 頂 蓋

頂 蓋 外 徑 為 11.73 m，內 徑 為9.01 m，高1.31 m。為鋼板焊接結構，分為4瓣。

為保證頂蓋有足夠的剛強度，頂蓋采用雙外法蘭結構，下外法蘭選用高強度鋼板Q345B，其余鋼板選用Q235B。

為了減小導葉在關閉時導葉與頂蓋間的漏水量，在頂蓋相應部位設置導葉端面密封，由青銅密封條和其背部的成型橡膠條組成，依靠成型橡膠條的彈性和滲入橡膠條空間的水壓達到密封的目的。密封條和成型橡膠條靠不銹鋼密封壓板安裝在頂蓋上。

頂蓋過流面設有不銹鋼抗磨板，厚16 mm，材料為S135。依靠焊接將其固定在頂蓋上。

6.2 底 環

底環為鑄焊結構，即上、下環板與鑄造的導葉下軸座進行焊接，底環外徑為10.99 m，內 徑 為8.755 m，高0.44 m，結構上分為4瓣。

為了減小導葉在關閉時導葉與底環間的漏水量，在底環相應部位設置導葉端面密封，其結構與頂蓋上的端面密封相同。

底環過流面設有不銹鋼抗磨板，厚16 mm，材料為S135，依靠焊接將其固定在底環上。

6.3 支持蓋

支持蓋分上下兩段，均為鋼板焊接結構。

支持蓋上段外徑為9.46 m，內徑為3.57 m，高2.44 m。結構上分為4瓣。

支持蓋下段外徑為5.04 m，內徑為2.61 m，高3.405 m。整體結構。

支持蓋上設有4個φ400真空破壞閥，1個φ500進人門，2臺潛水泵，2臺自吸泵，在支持蓋下端面設有可拆卸的、為防抬機摩擦的銅質抗磨板。

支持蓋上還裝設2個鎖錠裝置，用于停機時將控制環鎖固在全關位置，確保安全。

6.4 導 葉

導葉為三支點對稱型導葉，導葉 上 軸 徑 為0.37 m，中軸徑為0.41 m，下軸徑為0.32 m，導葉瓣體高3.218 m，導葉總高度為5.283 m，導葉數為24個。

導葉瓣體由模壓成型后的不銹鋼板組焊而成，材料為S135；導葉軸頸由20SiMn鍛造而成，各件經粗加工后組焊成型。

導葉上、中、下軸頸處設置 5 mm厚的不銹鋼保護套。

6.5 控制環

控制環為工字型鋼板焊接結構。上環板設2個大耳孔與接力器推拉桿相連，下環板設24個小耳孔與導葉操作機構中的連桿相連接。控制環最大外徑為7.98 m，高1.225 m，結構上分為兩瓣。

在大、小耳孔中設置自潤滑滑動軸承，在控制環下部內圓處、控制環底部與頂蓋接觸處設置由自潤滑材料制成的側抗磨板和底抗磨板。在頂蓋與控制環之間設置壓板，以防止導葉操作機構因受力不均而引起的控制環上抬。

6.6 導葉操作機構

導葉操作機構由導葉臂、連接板、連桿、連桿銷等組成。

導葉與導葉臂之間設置1個圓柱銷，用于傳遞導葉操作力矩。在導葉臂與頂蓋套筒之間設置由自潤滑材料制成的推力環，以承受導葉的重量。

連桿為雙夾板帶偏心銷結構，用偏心銷的偏心量彌補因加工造成的各連接件間的形位誤差，在連桿與連接板的連接處設有自潤滑軸承。在導葉臂與連接板之間設置有剪斷銷，以保證在某個導葉被異物卡住后其它導葉的正常動作。

在導葉臂與連接板之間設置摩擦環，以防止導葉在剪斷銷斷開后反復急速擺動、撞擊導葉限位塊。在頂蓋套筒上設有雙向導葉限位塊，以防止導葉在剪斷銷斷開后出現旋轉，撞擊相鄰導葉或相鄰導葉傳動部件。導葉限位塊的限制范圍以導葉最大可能開度時的導葉臂轉角為準。

7 導葉接力器

在水輪機機坑里襯的+X方向平行設置了2個接力器，接力器為油壓操作，單導向直缸接力器，用于操作導葉傳動機構。

接力器直徑為0.62 m，行程1.15 m，額定工作油壓為6.3 MPa，試驗油壓為9.6 MPa，接力器由接力器缸、前后缸蓋、活塞、活塞桿、桿頭等組成?；钊c活塞桿靠螺母鎖緊，活塞桿與桿頭采用螺紋連接，加鎖緊螺母結構。在活塞外圓上裝有2個導向環及2個組合密封圈，以防止兩腔串油；在接力器前缸蓋上裝有導向用的自潤滑軸承和防止漏油的成型橡膠密封圈。

8 水導軸承

水導軸承為稀油潤滑、非同心分塊瓦自潤滑軸承。軸瓦通過其背后的墊塊將徑向力直接傳遞到軸承支架的環板上，并通過斜鍵調整軸瓦間隙。

軸承的冷卻系統為內循環式，冷卻器的工作壓力為0.5 MPa,冷卻器設置在軸承油槽內。機組啟動時，通過滑轉子的轉動和軸瓦下部迷宮環的作用，將油帶入軸瓦表面，隨著油位的增高，熱油翻過內隔油環進入油箱，經油箱底部的冷卻器冷卻后進入軸瓦表面，如此循環往復。

軸承中設有18個軸瓦，其長×寬尺寸為360 mm×300 mm，瓦坯材料為ZG20SiMn，巴氏合金材料為SnSbCu6Pb。在軸承上設有油位信號器，以監測軸承油箱內的油位，在軸承油箱下部設有油混水報警裝置，在軸瓦上設有測溫裝置，在油箱內設有測溫裝置，以監測瓦溫和油溫(圖2)。

圖2 水導軸承結構圖

9 主軸密封

主軸密封分為檢修密封和工作密封。

檢修密封采用空氣圍帶式密封，空氣壓力為0.5～0.8 MPa，當機組停機時，圍帶充氣膨脹與主軸下法蘭外圓緊密貼合，達到密封的目的。

工作密封為可動式向下端面密封，其工作原理為：不銹鋼密封轉環固定在主軸水機端護蓋上端面，復合材料制成的密封塊把合于不銹鋼密封環上，密封環裝于固緊環內側，滑動接觸且設有密封圈。工作時依靠密封環的自重力，密封環與固緊環間的彈簧力及密封腔內的水壓力，將密封塊與密封轉環貼合，達到密封的效果。

密封環與密封塊上均設有通水孔，依靠清潔水潤滑、冷卻密封塊與密封轉環間的接觸面，防止干摩擦燒損密封塊。清潔水壓為0.3～0.5 MPa。同時，因密封環可上、下移動，能夠保證密封塊逐漸摩損和機組抬機時的正常密封。

通過密封面的水在支持蓋下段內蓄積，經水泵排至電站排水總管內(圖3)。

圖3 主軸密封結構圖

10 受油器

受油器是將來自調速器的壓力油引至操作油管和轉輪接力器腔內。受油器因內外操作油管的設計機構而采用2個中進油式浮動環,其優點是：運行中可上下左右輕微浮動，自動調心,使密封間隙均勻,磨損小,密封性好。為防止軸電流,在與發電機連接部位和與調速器油管路連接部位設有絕緣墊和絕緣套。受油器還設有觀察孔、轉輪接力器行程和葉片轉角指示板，壓力表等。

11 結 語

安谷水電站水輪機首臺機組已于2014年12月一次成功啟動并迅速并網發電，證明了該機水力性能優良，結構設計合理，為東方電機在大型軸流轉槳式機組方面積累了更加成熟和可靠的設計制造經驗，亦為業主單位提供了可觀的經濟效益，為我國水電建設事業發展起到了積極的促進與推動作用