白鶴灘水電站水輪機導水機構密封結構特點分析

摘要：為使白鶴灘水輪機導水機構密封漏水損失量最小化，并滿足其性能要求，將導水機構漏水量與出力、效率、空蝕、穩定性同等列入水輪機性能保證指標，簡述了水輪機導水機構密封結構特點以及影響導水機構漏水的主要因素，并采取了相應減少導水機構漏水量的優化措施。研究成果可為巨型水輪機導水機構密封設計和制造提供參考。

關鍵詞：水輪機;導水機構;密封結構;白鶴灘水電站

中圖法分類號：TV734.1

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.10.007

1 工程概述

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，為金沙江下游河段梯級的第二級水電站，上接烏東德水電站，下臨溪洛渡水電站。電站裝設16臺單機容量為1000 MW混流式水輪發電機組，系目前世界上在建單機容量最大的水電站[1]。水輪機由哈爾濱電機廠有限責任公司生產制造，主要參數如下：

水輪機型號 ? ?HLA118la-LJ-872

轉輪直徑 ? ?8 723 mm

最大水頭 ? ?243.1 m

額定水頭 ? ?202.0m

最小水頭 ? ?163.9m

額定轉速 ? ?107.1 r/min

飛逸轉速 ? ?198 r/min

額定流量 ? ?538.8 m3/s

額定功率 ? ?1015 MW

水輪機旋轉方向 ?俯視順時針

白鶴灘電站水輪機結構剖面見圖1。

導水機構是水輪機重要組成部分之一，主要功能是對進入水輪機轉輪中的水流起到引導作用并形成一定的環量，以保證水輪機具有良好的水力性能。當機組負荷需要調整或在機組正常、事故停機時，通過開啟或關閉導水機構中的導葉來改變進入轉輪的流量，滿足機組調節保證的要求。導水機構應保證在導葉關閉時具有良好的密封性能，以保證不會因漏水量大導致機組蠕動，確保機組正常停機。

根據協議要求，白鶴灘電站水輪機在投入商業運行初期，其導葉漏水量不大于0.85m3/s;在運行8 000 h后，導葉漏水量不大于1.35 m3/s。對于百萬級巨型機組來說，如不采用可靠的密封結構，很難達到上述規定的漏水量要求，從而難以保證漏水損失最小等水輪機性能要求。此外，漏水量大還將造成機組停機困難，或機組在停機狀態下因水流作用而誤啟動，給運行維護帶來困難，降低了機組的安全性，因此應將白鶴灘水輪機導水機構漏水量與出力、效率、空蝕、穩定性同等地列入水輪機性能保證指標。

2 導水機構密封結構特點及其優化

2.1 導葉立面密封

影響導水機構漏水量的主要因素包括導葉立面密封、端面密封.導葉軸頸密封等。由于白鶴灘電站水頭較高，導葉的立面密封直接靠導葉金屬接觸面的研合封水。導葉的材料采用OCr13Ni5Mo不銹鋼鑄造，這種材料具有耐磨和耐腐蝕的特性。靠精加工保證導葉的封水面，在導水機構預裝時，局部立面間隙不超過0.1mm，在電站安裝時，立面間隙通過研磨需達到0 mm。

2.2導葉軸頸密封

在導葉軸頸通過頂蓋及底環處的軸承箱中設置導葉軸頸密封。白鶴灘水輪機導葉軸頸的密封結構原設計為：中軸頸設置V組和U型圈密封（見圖2（a）），V組為主密封，U型圈的作用是防止泥沙進入軸瓦;下軸頸設置一道U型密封作為主密封（見圖2（b））。該設計參照了三峽、溪洛渡、向家壩及構皮灘等水電站的機組結構。從前述電站的多年運行效果看，其結構設計是成功的。

根據構皮灘機組近期運行情況反饋，導葉漏水量較大，造成停機困難。經分析，構皮灘電站漏水量大可能發生在導葉軸肩部位。導葉關閉后，水流從導葉高壓側進入軸肩，沿軸肩端面與套筒的間隙通過，再從導葉低壓側流出（見圖3）。構皮灘電站水頭200m，與白鶴灘電站水頭接近，為確保在白鶴灘電站不再出現類似情況，機組制造方對白鶴灘導葉軸頸密封結構進行了改進，以減小導水機構漏水，提高機組可靠性。

參考高水頭機組導葉軸頸密封的設計結構，可以在軸頸漏水的通道上設置密封，減少軸頸漏水。經分析，有以下兩種改進措施：①在軸肩外圓面設置徑向密封;②在軸肩端面設置軸向密封。運行經驗表明，徑向密封效果較好，但徑向密封將增加頂蓋安裝難度。考慮部件制造、結構空間和安裝方便，確定白鶴灘電站導葉軸頸密封按圖4和圖5方案進行優化。

白鶴灘導葉軸頸密封結構經過優化，可減少導葉軸肩繞流漏水，從而減少導水機構總漏水量。根據一些電站的運行情況統計及計算分析，導葉關閉后，水頭較高的電站在葉軸頸部位的竄漏量較大，易造成停機困難，導葉樞軸遭到磨蝕損壞，故應在軸頸漏水的通道上再增設一道密封。

導葉中軸頸通過頂蓋，并設置V型組合密封作為主密封。為防止泥沙進入軸瓦，在軸瓦近水端設置擋沙0型圈;為了防止軸肩繞流漏水，在軸肩端面設置軸向密封，軸向密封的結構為0型圈+高分子密封塊的組合，利用0型圈的彈性作用，使高分子塊與軸肩端面接觸，可減小運行中大部分軸肩繞流漏水，降低導葉漏水量和減輕高壓竄流對部件的沖刷、氣蝕和磨損。

導葉下軸頸通過底環，并設置一道U型密封作為主密封。在導葉下軸肩外圓面設置一道格萊圈結構的密封。若導葉密封結構受泥沙磨損或其他原因破壞，漏水量加大時，目前采取的措施是停機后更換密封;因此，制造方對密封性能和密封質量有較高要求。在壓力大于40 MPa，速度不低于0.5 m/s，溫度在-30℃～200℃的條件下，導葉密封性能穩定且耐磨、無黏結、適應能力強，可保證導水機構密封滿足使用壽命的要求。

2.3 導葉端面密封

在水輪機傳統設計中，當水頭較低時，導葉端面密封采用圓型橡膠條壓人頂蓋和底環的密封槽中的密封結構。當水頭較高時（大于40 m），采用壓板固定成型三角密封條結構。這種結構常因密封條凸起的部分被導葉瓣體的端面剪切而損壞，密封失效而使導水機構漏水量增大。當水頭更高時（大于100 m），不宜采用三角形密封加壓板固定的密封結構。

白鶴灘電站導水機構端面密封采用圖6所示的組合式密封結構。這種結構由密封壓板（外圈）①②⑤⑥、壓板（內圈）④、彈性橡膠帶⑦、黃銅帶③和特殊螺栓⑧組成。機組運行時，黃銅帶在彈性橡膠帶的彈力作用下，其凸肩與密封壓板和壓板以及頂蓋（或底環）上的止口貼緊，保證黃銅帶處于圖中所示位置，使過水表面平順流暢。機組停機時，導水機構處于關閉位置，導葉瓣體的端面將黃銅帶（由48塊組成）壓下，凸肩貼合面上出現間隙，導水機構外部的高壓水通過該間隙進入彈性橡膠帶內腔，在彈力和內腔水壓力作用下，使導葉瓣體端面與黃銅帶之間的壓緊力大于被封水的壓力，實現導水機構的端面密封。組合密封克服了傳統結構橡膠密封條直接和導葉瓣體端面擠壓造成的磨損、撕壞問題。在導葉關閉、開啟時，因導葉端面密封的黃銅帶受到水流的強烈沖擊和空蝕作用以及與導葉瓣體端面頻繁接觸的摩擦作用，對黃銅帶的選材應十分謹慎。黃銅帶為銅合金材料，要求硬度高且耐腐耐蝕，以保證其正常的工作壽命大于機組的擴大性檢修期。

3 結語

白鶴灘電站在電力系統中擔任調峰、調頻和事故備用的任務，年備用停機時間較長。確保導水機構密封的可靠性，既能減少機組停機檢修時間，又能減少導水機構關閉時漏水量，具有重大的技術和經濟意義。因此，導水機構漏水量與水輪機的出力、效率、空蝕、穩定性等指標為水輪機重要性能保證指標。本文總結了白鶴灘電站水輪機導水機構密封結構特點以及為減少導水機構的漏水量而采取的結構和制造工藝措施，可為巨型水輪機導水機構密封設計和制造提供參考。

參考文獻：

[1]郭傳科，王毅，任超，等，白鶴灘大壩中熱與低熱水泥混凝土溫控對比分析[J]水利水電快報，2018，39（8）：45-48.

（編輯：李曉瀠）

作者簡介：王鑒，男，高級工程師，主要從事水利工程項目管理方面工作。E-mail：wangjian@hec-china.com