金沙水電站水輪機的水力設計與結構設計

唐 容 文， 黃 剛， 黃 小 川， 謝 纓

(四川省能投攀枝花水電開發有限公司，四川 攀枝花 617068)

1 概 述

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，下距攀枝花中心城區10.3 km，控制流域面積25.89萬km2，多年平均流量1 870 m3/s，具有日調節能力。電站裝機容量為4×140 MW ，多年平均發電量25.07億kW·h。電站以兩回220 kV電壓等級接入電力系統。電站按無人值班(少人值守)設計，計劃首臺機組投產時間為2020年6月30日。

天津阿爾斯通公司于2016年1月通過競標獲得了金沙水電站4臺140 MW水輪機制造合同。水輪機參數：最大水頭26 m，額定水頭16.8 m，最小水頭8 m；額定轉速57.7 rpm，飛逸轉速178 rpm；轉輪直徑為10.65 m；額定出力142.9 MW；額定流量937 m/s；允許吸出高度Hs為-8.82 m；最高效率為96.09% 。

2 水力設計情況

該水輪機水力設計由美國通用公司(GE)可再生能源水電技術中心完成，水輪機模型試驗于2017年4月在GE實驗室完成。

GE對該水輪機主要過流部件進行了全面的流體動力分析，全面研究了其能量特性、空化特性及水力穩定性等。

2.1 蝸殼設計

蝸殼設計主要是以蝸殼進口、機組中心線與蝸殼軸線的距離為基礎，其目的是獲得一個合適于所用蝸殼出口的水力角度常數和每個雙列葉柵流道近似的流量。

計算結果表明：蝸殼的水力設計與其高水平的效率保證相適應。

2.2 雙列葉柵

固定導葉的設計是由水力約束和機構約束折中的。從水力設計角度考慮，希望得到合適于進口流態的設計，從而在其出口邊獲得一個與流量對應的、正確的水力角度和最小的水頭損失。從機械設計角度考慮，設計取決于項目特點(主要是水頭范圍、過壓等)。

從流速場分布圖(圖1)可以看出，雙列葉柵中的流動特性是優良的，且無明顯脫流。

圖1 流速場分布圖

2.3 轉 輪

轉輪設計的目的是得到與整個水輪機運行范圍相匹配的幾何尺寸(效率、空蝕、飛逸、穩定性和機械特性)，依靠數字模擬來實現這一目標。計算域簡化為周期條件下的一個活動導葉流道和一個轉輪葉片流道。

轉輪的最小水頭損失對應于適當的n11值(120～130 r/min，對應于真機水頭22～26 m)。此外，該水頭損失值與金沙項目的水頭損失值相當，其效率水平很高。就尾水管而言，水頭損失很小，其流態正常(對于給定的水頭，其水頭損失隨流量增加而增大)。

通過模擬計算，證實了水輪機效率滿足保證值，轉輪設計滿足空化要求。同時，轉輪出口的流速分布也得以確定。

3 模型試驗

根據CFD模擬后定義的水力設計進行了模型水輪機的制造，在GE位于格勒諾布爾的試驗室進行了初步試驗和驗收試驗，并在瑞士洛桑試驗室進行了二次驗收試驗。

根據合同，模型試驗內容包括：水輪機效率試驗、出力試驗、飛逸試驗、空化試驗、壓力脈動、水推力試驗、蝸殼差壓測流以及導葉和槳葉水力矩試驗。

3.1 效率和出力試驗

效率試驗在電站空化系數下進行，試驗水頭為8 m。試驗工況點覆蓋整個運行范圍，試驗結果如下：

各個水頭下的出力均超過保證出力，且8～13 m水頭下的出力裕度均不小于8%。

模型最高效率為93.77%，滿足保證值。

真機加權平均效率為94.27%，超過保證值94.16%。

3.2 空化試驗

空化試驗包括確定空化裕度及進口空化的觀測。

(1)進口空化觀測。進口空化觀測在電站空化系數下進行。在4個槳葉開度下，不斷減小單位轉速n11直至觀測到兩個葉片同時出現可見附著氣泡。

(2)空化裕度。出口空化系數參照點為轉輪中心線高程，對相應真機的七個水頭進行了試驗，所選擇的七個水頭覆蓋了機組整個運行范圍。為了確定出口空化限制，在恒定轉速、水頭和導葉開度下通過改變下游水箱壓力進行試驗。在σ遞減條件下，測量其效率、流量和出力。

試驗結果表明：在所有水頭下的最大出力工況下，電站裝置空化系數與初生空化系數之比有很大余量，因此，在保證運行水頭范圍內，對應其最低尾水位真機轉輪將不會發生任何出口空化。

3.3 飛逸轉速試驗

飛逸轉速試驗水頭為2 m。試驗在高空化系數下進行，同時測定空化系數對飛逸轉速的影響，試驗結果如下：

真機最大飛逸轉速為134.59 r/min，低于保證值178 r/min。

3.4 壓力脈動試驗

壓力脈動通過尾水管內、蝸殼內、導葉后轉輪前內頂蓋上的傳感器進行測量。所記錄的信號使用頻譜分析儀進行分析(漩渦流的低頻率)后進行處理。

試驗在電站裝置空化系數下、不同導葉開度及槳葉開度、3個水頭下進行。

在整個運行范圍內，壓力脈動滿足合同保證值(除了最小水頭壓力脈動的測量受進口空化干擾)。

另外，在模型試驗中，還對導葉及槳葉水力矩、蝸殼差壓測流等進行了試驗。

3.5 水推力試驗

在模型試驗中，對軸向水推力特性進行了測定，測量在裝置空化系數下、不同導葉和槳葉開度最不利流量條件下(包括飛逸)進行。試驗結果如下：

對于協聯工況，最大的真機水推力 15 187.46 kN 出現在在最大水頭下。

在飛逸工況下，最大真機水推力 19 170.5 kN 出現在最大水頭下。

其數值均滿足合同保證值。

綜上所述，金沙水電站水輪機的水力設計是成功的，其代表了當今世界先進水平。

4 機械設計特點

水輪機為立軸軸流式，彎肘型長尾水管。從發電機頂部俯視，旋轉方向為順時針。機組主要由座環、蝸殼、機坑里襯、導水機構、主軸、轉輪、水導軸承、主軸密封、接力器、尾水管等構成。

4.1 座 環

座環結構型式為支柱式，每個固定導葉均為單獨的零件，上環板分為6瓣，固定導葉數量為15個(含舌板)。上環板為(Q345B+S355J2G3)鋼板，固定導葉為Q345B鋼板。

座環作為水輪機的主支撐，具有足夠的強度和剛度，能夠承受所有通過其傳遞的荷載，包括傳遞到座環上的發電機的重量和水輪機重量在內的機械荷載、水力荷載、蝸殼最大內水壓力和土建結構荷載。

固定導葉的設計考慮了彎矩的影響和軸向負荷與固定導葉橫斷面重心之間偏心的影響。固定導葉為流線形，與模型相似。

座環設計成采用地腳螺栓固定在混凝土內。座環與頂蓋、底環連接的法蘭在現場進行了全接觸面加工。

4.2 蝸 殼

蝸殼為“T”型(不對稱梯形斷面)混凝土蝸殼，護襯至X-X軸線16 m處，蝸殼的進水口設2個中墩，蝸殼包角為215°左右。蝸殼流道尺寸與模型流道尺寸相似。蝸殼采用Q235鋼板制作。

蝸殼設有1個直徑為800 mm的內開式進人門以便于檢修。蝸殼在工地預裝并焊接。

為便于排出流道和蝸殼內的積水，在蝸殼最低高程處設置了1套直徑為800 mm的盤形閥，積水經排水閥、管道排至尾水管。

排水閥采用油壓操作，配2套操作盤型閥的移動式電動油泵系統供蝸殼和尾水管排水閥操作用，并能夠適應廠房內的各臺機組。

4.3 機坑里襯

機坑里襯為鋼板焊接結構，材料為Q235，里襯鋼板的厚度為20 mm，靠近座環的部位厚度為30 mm。機坑里襯上部內徑為15 200 mm，下部內徑為15 500 mm。機坑照明燈采用直接布置在機坑壁上的布置方式(機坑壁不開孔)。

4.4 導水機構

導水機構的功能是形成和改變進入轉輪水流的環量，使轉輪具有良好的水力特性；導水機構同時具有調節流量進而調節機組出力的作用；導水機構可以在各種工況下關閉導葉，封閉水流，停止機組。

導水機構由頂蓋、支持蓋、底環、轉輪室、導葉和導葉操作機構、真空破壞閥組成。第一臺導水機構在工廠預裝。

(1)頂蓋和支持蓋。

頂蓋和支持蓋采用鋼板焊接結構，頂蓋分4瓣，支持蓋分2瓣，整體具有足夠的強度和剛度，能夠安全、可靠地承受包括推力支架傳遞的推力負荷、最大水壓力、真空壓力、最大水壓脈動、各種軸向和徑向力、轉輪上抬力和所有其他作用在其上面的力；還能夠支承導水機構、導軸承、主軸密封和其他部件，并且在整個運行范圍內不產生過大的振動和有害的變形。

頂蓋設有法蘭，外法蘭用螺栓和定位銷連接到座環的法蘭上，內法蘭用螺栓和定位銷與支持蓋連接，并設有用于拆卸頂蓋時頂起頂蓋的螺栓螺孔。

(2)底 環。

底環采用鋼板焊接或鑄焊結構，具有足夠的強度和剛度。在滿足運輸要求的條件下，底環分為4瓣。

底環能安全、可靠地支承最大水壓力和所有作用在其上的其他負荷而不產生有害的變形。

(3)導葉和導葉操作機構。

導葉為鍛焊中空結構，三支點，24個。導葉體采用不銹鋼板00Cr13Ni5Mo卷焊制造，并焊接到鍛鋼的導葉軸上。導葉體高3 895.6 mm。在頂蓋和底環的抗磨板上設置可拆卸、可更換的導葉密封。

每個導葉采用3個自潤滑導軸承支承，一個在底環，另外2個在頂蓋中。導葉軸上部設置1個可調整的自潤滑推力軸承以承受導葉的重量并阻止任何作用在導葉上向上或向下的水推力。

導葉保護裝置采用剪斷銷結構。

控制環為鋼板焊接結構，分2瓣。控制環把接力器的操作力和力矩同時均勻地分配給所有導葉，并與接力器推拉桿以及所有的導葉連桿和銷相連接。

(4)轉輪室。

轉輪室主要采用不銹鋼板06Cr19Ni10材料制造，分4瓣。轉輪室具有足夠的強度和剛度，加工完成后的最小壁厚不小于35 mm。轉輪室外壁配有足夠的加強筋、安裝調整用的拉緊器、支撐等，為保證轉輪室能與混凝土結合牢固，還需配置足夠數量的錨筋。

(5)真空破壞閥。

支持蓋上設有8個真空破壞閥，真空破壞閥的設計需保證動作靈活、可靠、不漏水、進氣量大。

4.5 主 軸

水輪機主軸為中空結構，供槳葉接力器操作油管通過。水導軸承處采用帶軸領結構，與電機軸和轉輪采用外法蘭連接，材料為鍛鋼20SiMn。主軸外徑為1 800 mm。

水輪機和發電機組合的主軸臨界轉速的計算考慮了水輪機的剛度、水輪機和發電機的軸承支座及其位置、發電機的尺寸和發電機轉動慣量等，所計算的臨界轉速比最大飛逸轉速高25%以上。

4.6 轉 輪

轉輪由輪轂及5只轉角可調的槳葉(葉片)、槳葉操作接力器、操作機構、泄水錐等組成。接力器及操作機構設在輪轂內。 轉輪和主軸采用法蘭螺栓聯接。

輪轂采用ZG20SiMn整體鑄造，表面(槳葉轉動范圍)堆焊不銹鋼。

槳葉操作機構采用缸動結構。連桿、拐臂操作需保證正常、不會產生卡阻現象。槳葉接力器按額定操作油壓6.3 MPa設計。接力器及操作機構在輪轂內的布置方式以便于裝配和檢修為準。

槳葉采用ZG04Cr13Ni4Mo不銹鋼精鑄制造，經五軸數控機床加工而成。葉片外緣設抗空蝕裙邊，葉片的內端側加工成與輪轂良好配合的球形并使輪轂與葉片的間隙減至最小。槳葉與輪轂間有可靠的密封。

泄水錐用螺栓連接在輪轂的下端，拆卸泄水錐和端蓋后可檢修輪轂內部的槳葉操作機構。

4.7 導軸承

水輪機導軸承為稀油潤滑、具有巴氏合金表面的分塊瓦、自潤滑軸承。

導軸承由分塊的軸瓦、軸瓦支承、帶油槽的軸承箱、箱蓋和附件組成。

冷卻器可布置在油槽中。

水輪機在各種連續運行工況下，其由稀油潤滑的導軸承的軸瓦最高溫度不超過70 ℃；油的最高溫度不超過65 ℃。

4.8 主軸密封

水輪機主軸的密封采用靜壓自調節式密封，置于導軸承下方。主軸工作密封副采用優質產品，其結構型式在已運行的同類型水輪機中被證明是可靠的。工作密封為自補償型，在整個使用期間對磨損后的密封間隙可進行自動調整。

主軸檢修密封位于工作密封下，采用壓縮空氣充氣的圍帶橡膠密封結構。機組檢修長時間停機時，圍帶內需充入壓縮空氣。

4.9 尾水管

尾水管型式為彎肘型，水平擴散段設有2個中墩。尾水管里襯為鋼板焊接結構，金屬尾水管里襯自轉輪室下部開始延伸至肘管出口與擴散段進口連接斷面處，里襯上部有1 000 mm長的不銹鋼段，厚35 mm，其余為Q235碳鋼。

在錐管段設有1個凈尺寸為寬800 mm，高1 000 mm的密封進人門，在擴散段設有1個直徑為800 mm的密封進人門。

在尾水管最低點設置了2套直徑為800 mm的盤形閥，該閥包括油壓操作機構、鎖錠、軸、軸套、軸封、軸座、閥門、閥座、排水箱里襯、基礎螺栓、攔污柵及其他附件。排水閥采用油壓操作，2套操作盤型閥的移動式電動油泵系統供蝸殼和尾水管排水閥操作用，并能夠適應廠房內的各臺機組。

4.10 機坑環形吊車

水輪機坑設有1套電動環形吊車。吊車有效荷載為5 t，用于更換導軸承零件、接力器零件、導葉操作機構零件等。

5 結 語

GE公司從水輪機模型設計、模型試驗、選型到結構設計、各部件的強度、剛度計算均采用目前世界上最先進的技術，確保了機組獲得最好的性能指標。