高水頭大容量臥式沖擊式水輪機的設計介紹

蔣坤臣，袁真洪

（杭州睿博水電科技有限公司，浙江 杭州 311215）

1 概述

米西庫尼水電站位于玻利維亞科恰班巴市，電站裝設3臺單機容量為42.8 MW的臥式兩噴嘴沖擊式水輪機發電機組，水輪機由挪威睿博有限公司提供，杭州睿博水電科技有限公司負責具體設計，部分部件在杭州工廠制造，3臺機分別于2017年的第三季度投入商業運行，根據電站實際效率試驗，第一臺機加權效率為91.88%，第二臺機加權效率為92.20%，第三臺機效率試驗為91.93%。

總所周知，傳統的臥式水輪機組容量小、結構簡單、安裝方便，多用于小型水電站。而沖擊式機組的特點是由多個噴嘴同時或部分噴嘴為轉輪提供動能，這使得機組運行范圍相比混流式機組更廣，尤其適合高水頭、小流量的水電站使用。隨著水輪機設計技術的不斷發展，臥式沖擊式水輪機也可以做出高效率大容量的設計。米西庫尼電站采用了睿博有限公司先進的臥式沖擊式水輪機組，特點是運行范圍廣、使用水頭高、容量大、高效率寬。

本文對米西庫尼高水頭大容量臥式沖擊式水輪機的主要參數、結構設計等進行簡單介紹，以及對引水彎管、機殼、轉輪、噴嘴等主要部件的設計特點進行分析闡述。

2 水輪機主要參數

1）機組安裝高程

最大洪水位： 3 780.40 m

最大水位： 3 774.00 m

額定水位： 3 763.00 m

機組運行最低水位： 3 725.00 m

水輪機安裝高程： 2 738.50 m

2）機組主要參數

最大洪水位水頭： Hf=1 041.90 m

最大水頭： Hmax=1 035.50 m

額定水頭： Hr=1 024.50 m

最小水頭： Hmin=986.50 m

升壓水頭： Hdes=1 234 m

試驗水頭： Htest=1 856 m

最大出力： Pmax=45.0 MW

額定出力： Pr=42.8 MW

額定轉速： n=600 r/min

飛逸轉速： nr=1 078 r/min

3 臥式沖擊式水輪機總體布置

圖1 米西庫尼電站沖擊式水輪機總布置圖

米西庫尼電站沖擊式水輪機總的布置圖，如圖1所示，從水輪機開始設計之初，設計者充分考慮了電站廠房布置，機組的安裝、拆卸和維護的可靠性和便捷性。

米西庫尼電站水輪機為高水頭大容量臥式沖擊式機組，3臺機組水平布置在電站廠房內，廠房布局緊湊，減少建設廠房的工作量。水輪機本體主要由引水彎管、機殼、噴嘴和轉輪等部件組成。

4 臥式沖擊式水輪機主要部件分析

4.1 引水彎管

引水彎管是沖擊式水輪機重要的過流部件，主要作用是將上游壓力鋼管和下游噴嘴連接起來；米西庫尼水輪機引水彎管由叉管，上彎管和下彎管三部分組成，如圖1左側部分所示。進口叉管部份埋設在混凝土墻中，叉管進口設有推力法蘭，用以承受上游水推力。上彎管和下彎管分別以法蘭形式與叉管和噴嘴把合，并可以單獨拆卸，這種結構布置非常方便機組的安裝、拆卸和維護。

引水彎管按ASME VIII壓力容器標準設計，設計壓力達12.3 MPa。鋼管采用壓力容器鋼板Q345R，卷制后焊接制造而成，材料抗拉強度大于500 MPa,屈服強度大于325 MPa,零度沖擊功不低于60 J；叉管的中心分叉板采用Z25級抗撕裂鋼板；法蘭采用低溫性能優異的16 MnD材料整體鍛造而成；兩種材料均為含碳量低的合金鋼，焊接性能優異。

引水彎管的制造，首先將檢驗合格的鋼板按圖紙尺寸要求下料，開X型焊接坡口，卷制成型后焊接，然后將管子和法蘭按圖紙要求裝配并焊接。焊接完成對焊縫進行超聲波探傷檢查，且對所有縱向焊縫和T型焊縫進行射線探傷檢查；焊縫合格后，進行熱處理消除焊接引起的殘余應力，熱處理溫度控制在570～590℃，熱處理時間2.5 h，熱處理后重新探傷檢查是否有由于熱處理原因而引起的焊縫裂紋等缺陷；復檢合格后加工連接法蘭面，鉆連接螺栓孔。

叉管、上彎管和下彎管整體裝配后進行壓力試驗，以便消除殘余應力和檢查焊縫及密封是否有任何泄漏現象，試驗壓力按設計壓力的1.5倍進行試驗，約18.5 MPa,最高壓力試驗1 h，檢查無任何泄漏等情況，符合設計要求。

4.2 轉輪

轉輪是水輪機的核心部件，是將水的動能轉換為機械能的工具。沖擊式水輪機的特點是水頭高，水流速度快，轉輪水斗受動態應力影響，水斗根部疲勞破壞的風險大，因此，高水頭沖擊式水輪機轉輪的設計也很重要。

沖擊式轉輪設計時應重點考慮以下幾個方面：

a.在可接受的空蝕和磨蝕范圍內提高轉輪水力效率。

b.運行期間內控制水斗的工作應力。

c.改進真機轉輪計算機輔助加工技術(CAM)以達到高精度和一致性。

米西庫尼水輪機轉輪設計時，充分考慮了上面幾點的因素，沖擊式水輪機運行范圍大，特別考慮了轉輪水斗的疲勞問題；從機械結構設計、材料、制造質量控制和檢查都是保證機組穩定運行的重要因素。

米西庫尼水輪機轉輪采用22個水斗的結構，直徑為2 655 mm，如圖2。采用歐標X3CrNiMo13-4材料整體鍛造。該材料具有良好的鍛造性，鍛造材料可保證鍛件內部材質致密，內部晶粒細化，并能達到最大的強度和一致性。轉輪制造時，首先整體鍛造成一個簡單規整的圓環，因為鍛造簡單的幾何形狀可以使轉輪的關鍵部位（如水斗根部、分水刃的內部和水斗的進口部分）的材質質量得到改善，減少內部缺陷，降低補焊風險，同時也使嚴格的UT檢查得到執行。粗加工后對鍛件進行超聲波探傷檢查。如發現缺陷及時修補，或在加工時有意將其布置在水斗與水斗之間的空隙部位以使缺陷能加工去除。在經過熱處理后的鍛件上取本體試樣做機械性能試驗，各項性能指標滿足設計要求后方可轉入下一步工序。

米西庫尼轉輪采用目前比較先進的加工工藝，全數控加工水斗形狀，數控加工不僅能保證每個水斗的位置準確，還能保證每個水斗的幾何尺寸一致，在確保機組性能的同時，還能增強機組的穩定性。加工后對水斗表面進行嚴格的磁粉探傷檢查；水斗的幾何尺寸可采用樣板和三維測量儀雙重檢查，都應符合IEC60193的要求。

轉輪最終精加工后做靜平衡試驗，按ISO 1940標準，6.3級標準驗收。

轉輪與發電機主軸法蘭采用螺栓連接，摩擦力矩傳遞扭矩，螺栓采用液壓工具拉伸擰緊，結構簡單，拆裝方便。

圖2 沖擊式水輪機轉輪

4.3 噴嘴

噴嘴是裝在沖擊式水輪機壓力管道末端的一個圓錐型收縮管裝置，將壓力管道內的高壓水轉變成高速射流，切向沖擊轉輪水斗，使轉輪旋轉做功，噴嘴可根據機組負荷需要調節流量做功，滿足不同的發電需求。

米西庫尼水輪機采用雙噴嘴布置，分上噴嘴和下噴嘴（如圖1），2只噴嘴內部結構相同，為防止轉輪上的水干擾下噴嘴工作，特在下噴嘴上設置了1個擋水罩。2只噴嘴可以同時工作，也可根據需要單獨工作。噴管采用接力器內置結構，提高了高速水流的平順性。

噴嘴通過螺栓與機殼和彎管法蘭連接，中間設置調節法蘭，裝配時根據需要加工調節法蘭。當機組正常運行，負荷發生小量變化時，由調速器控制噴針接力器緩慢啟閉噴針，滿足調節負荷的需要。當負荷大幅增加時，同樣依靠調速器直接調節噴針接力器迅速開啟噴針，滿足負荷調整需求。但當負荷大幅減少時，為避免壓力鋼管中產生較大的水錘，防止噴針快速關閉，此時需調速器啟動折向器，迅速切入射流，射流被折向器擋住，不再沖到水斗上，避免發生飛逸。

噴嘴內部設置平衡彈簧，平衡彈簧的作用是抵消壓力水作用于噴針頭部朝關閉方向的軸向水推力，同時，當油壓失效時，依靠平衡彈簧的作用，噴針可自行關閉，確保機組安全運行。

噴嘴按壓力容器標準進行設計，既承受中心油缸的油壓，也承受流道內的高壓水壓力，噴管本體、噴針、噴嘴頭和折向器等主要過流部件都采用高強度不銹鋼材料制造，以增強噴嘴的抗泥沙磨損能力。

噴嘴裝配后需做功能性試驗，檢查噴針的動作情況。同時需做水和油的壓力試驗，檢查焊縫和密封是否滿足設計要求，不得有任何泄漏情況發生。

4.4 機殼

機殼的作用是把經轉輪做功后排出的水引到尾水渠內。由于噴嘴固定在機殼上，機組運行時，機殼會承受噴嘴的反向作用力，因此要求機殼具有良好的強度、剛度和耐振性。米西庫尼下機殼埋設在混凝土內，機殼受力相對簡單。

米西庫尼水輪機機殼由Q345B鋼板焊接制造而成，由于機殼尺寸大，在殼體外側焊接充足的肋板，增加機殼的強度和剛度，避免機組運行時受力而變形。

上下兩部分機殼由螺栓連接在一起，目的是在不拆卸發電機轉子的情況下可以拆卸和安裝轉輪。

上機殼上設置一個自動補氣口，機殼內設置一個主軸密封，避免水通過機組主軸流到機殼外面。

為方便檢修轉輪和噴嘴，下機殼上設置一個800 mm×1 000 mm的進人門，并在機殼內部設置一個固定的檢修平臺，檢修平臺采用鋼板焊接成柵格狀，不影響機組的排水。

機殼加工完成后，有條件時，與引水彎管和噴嘴進行廠內預裝，確保各部分幾何尺寸符合設計要求，減少工地調整工作量。

5 小結

本文重點介紹了我公司設計生產的米西庫尼臥式沖擊式水輪機的主要參數和主要部件的結構特點，米西庫尼水輪機具有運行水頭高、單機出力大、轉速高、效率高和運行穩定等特點，該項目機組的成功運行表明臥式沖擊式機組朝大型化方向發展的可行性。隨著水力資源的進一步開發，此類高水頭大容量臥式沖擊式機組將逐步成為選型的熱點，我公司已成功設計生產多臺套類似機組并成功運行。相比于相同容量的立式沖擊式水輪發電機組，臥式大容量水輪發電機組可以大大降低土建和廠房構建成本。當然對大容量臥式機組而言，對設計制造提出了很高的技術要求和質量控制要求。隨著水電技術的不斷進步，我們也將提供更多優質高效的高水頭沖擊式機組服務于水電市場。