白鶴灘右岸水電站水輪機轉輪止漏環間隙取值分析

魏立華，李海軍，吳繼兵

（1.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040；2.三峽機電工程技術有限公司，成都 610041）

0 引言

白鶴灘水電站最大水頭為243.1 m，額定水頭為202 m，最小水頭為163.9 m，左、右岸地下廠房各布置8臺立軸混流式水輪發電機組，水輪機額定轉速為107.1 r/min，額定出力為1015 MW，是目前世界上單機容量最大的混流式水輪發電機組。白鶴灘水電站右岸8臺機組均由哈爾濱電機廠有限責任公司研發制造，水輪機轉輪采用長短葉片結構，15個長葉片和15個短葉片周向交替排列，這種轉輪實際上是一種比常規葉片轉輪具有更多葉片數的多葉片轉輪。這種結構轉輪，由于葉柵稠密，其比傳統型轉輪的能量、空化、壓力脈動、剛強度性能都具有明顯的優點。當電站的水頭和流量變幅較大時，適應性更好，能夠滿足機組高水頭發最大極限出力和低水頭超發的需要，哈電集團設計、制造的白鶴灘右岸轉輪綜合性能優良，為電站的安全、穩定、高效運行奠定了良好的基礎。白鶴灘右岸轉輪名義直徑D1=8720 mm，最大外形尺寸為φ8870×3795 mm，轉輪質量為340 t。

水輪機止漏裝置的主要作用是減少機組的容積損失，目前常用的止漏環密封結構有縫隙式、迷宮式、梳齒式、臺階式及雙塔或三塔式等。為了減小軸向水推力，同時能夠防止和避免反向水推力引起的抬機，轉輪上、下止漏環的位置、間隙及長度均需進行合理的搭配。白鶴灘右岸轉輪為中高水頭混流式轉輪，從減小容積損失及便于制造和檢修維護角度，轉輪上止漏環密封結構采用臺階式，總計5節臺階，上止漏環總高度為300 mm，設置在上冠上端面偏外側位置。從減小水推力、減輕尾水壓力脈動的上傳和提高機組穩定性的角度，將下止漏環設在轉輪下部，密封結構采用迷宮式，總計5道迷宮，下止漏環總高度為340 mm。白鶴灘右岸轉輪上、下止漏環均在轉輪本體上加工出來，上、下止漏環的布置位置基本對稱。這種結構有利于上冠止漏環外側和下環止漏環外側兩腔的壓力均衡，還能夠有效抑制轉輪產生水壓脈動和振動，減少容積損失、提高效率、降低軸向水推力。

1 白鶴灘右岸轉輪止漏環間隙取值分析

圖1 白鶴灘轉輪

水輪機轉輪止漏環間隙的具體數值與轉輪結構尺寸有關，原則上止漏環間隙數值需根據制造工藝的可行性盡量選取較小的數值[1,3]，以增強止水效果，減少容積損失，提高水輪機效率。但在工程實際中，止漏環間隙過小，將會增大固定止漏環與轉動止漏環相碰及導致止漏環損壞的可能性。因此轉輪止漏環間隙值還需綜合考慮轉輪制造偏差、安裝誤差和機組運行中止漏環處徑向變形、擺度等因素對間隙的影響，應首先保證在各種運行工況下轉輪與固定止漏環之間不會刮擦接觸，再兼顧提高水輪機水力性能。

白鶴灘右岸水輪機轉輪止漏環結構形式如圖2所示，上止漏環采用臺階式止漏環結構，下止漏環采用迷宮式止漏環結構。

圖2 白鶴灘右岸轉輪止漏環結構示意圖

白鶴灘右岸水輪機模型轉輪直徑D1m=426 mm，模型裝置上止漏環間隙（理論值）為0.20～0.25 mm，下止漏環間隙（實測值）為0.17～0.18 mm。真機轉輪直徑為D1=8723 mm，按照模型比例換算后[2]，白鶴灘右岸轉輪真機上止漏環間隙值應不超過4.01～5.12 mm，下止漏環間隙應不超過3.48～3.68 mm。

根據資料統計及參考相關標準，混流式水輪機轉輪止漏環單側間隙一般取轉輪相應直徑的0.5‰左右[3]。白鶴灘右岸轉輪上止漏環外側名義直徑為φ7660 mm，下止漏環名義直徑為φ7660 mm，上止漏環設計間隙（單側）取為3.5～4.0 mm。由于模型裝置轉輪下止漏環間隙較小，致使按照模型比例換算后，真機轉輪下止漏環間隙較小。而工程實際中，真機設計時，考慮到機組運行時擺度及部件變形等因素的影響，轉輪下止漏環間隙一般應比上止漏環間隙略大些。因此為滿足機組運行需求，白鶴灘右岸轉輪下止漏環設計間隙（單側）取為4.0～4.5 mm。

1.1 白鶴灘右岸機組運行時轉輪止漏環極端最小間隙值的復核分析

根據水輪機整體結構布置和機組運行各結構部件受力變形、振動及擺度等特點，轉輪止漏環極端最小間隙設計時一般需考慮：在各種運行工況下轉輪上、下止漏環處由于離心力作用產生的最大徑向變形值，轉輪制造偏差，安裝累積誤差及轉輪止漏環處運行擺度等。綜合上述因素計算出轉動止漏環與固定止漏環的最大偏心量（計算中所有的變形、偏差及擺度均按同方向考慮），進而計算出機組運行過程中固定止漏環與轉輪止漏環不會發生刮擦故障的極端最小間隙值。實際上真機運行中由于各工況作用力方向、各部件尺寸偏差及結構變形等方向一般并不完全是同一方向，因此機組運行過程中，轉輪止漏環與固定止漏環的實際最小間隙會比按上述方法計算的結果略大一些。

根據白鶴灘右岸電站相關轉輪、頂蓋、基礎環剛強度計算和主軸撓度的計算結果，轉輪上、下止漏環及上、下固定止漏環的徑向變形分別如表1～表3所示。由于下固定止漏環的徑向變形方向沿半徑向外，因此計算轉輪止漏環間隙時下固定止漏環處的徑向變形不做考慮。

表1 白鶴灘右岸轉輪上下止漏環處徑向變形 mm

表2 白鶴灘右岸頂蓋徑向變形計算結果 mm

表3 白鶴灘右岸基礎環徑向變形計算結果 mm

參考相關標準內容[4]，在計算機組運行止漏環極端最小間隙時還綜合考慮了轉輪上、下止漏環處的擺度（含主軸撓度），上、下固定止漏環同軸度，轉輪、主軸同軸度及軸線安裝偏差等因素對止漏環間隙數值的影響。

白鶴灘右岸水輪機安裝允許偏差及運行時止漏環極限最小間隙取值分析如表4所示。

由表4可以看出，正常運行工況時，白鶴灘右岸轉輪上、下止漏環極端最小間隙值分別為1.856 mm和2.43 mm；異常運行工況時，白鶴灘右岸轉輪上、下止漏環極端最小間隙值分別為0.787 mm和1.18 mm，因此白鶴灘右岸轉輪上、下止漏環最小間隙的理論設計值分別取為3.5 mm和4.0 mm，當安裝出現極限偏差時[4]，轉輪上、下止漏環處實際的最小安裝間隙應分別為3.15 mm和3.6 mm，此間隙值仍大于各工況下轉輪上、下止漏環極端最小間隙的計算值，因此白鶴灘轉輪上、下止漏環最小間隙的設計值是安全、合理的。

表4 白鶴灘右岸水輪機安裝允許偏差及止漏環極限最小間隙值 mm

1.2 白鶴灘右岸轉輪止漏環間隙最大值的取值

關于混流式水輪機轉輪止漏環最大間隙的取值，我們首先根據IEC標準相關內容[2]，并參照真機止漏環間隙不超過按模型比例換算間隙的原則[3]來設計轉輪止漏環最大間隙，同時根據轉輪、頂蓋及基礎環結構的工藝性和制造廠生產能力確定轉輪止漏環和固定止漏環的設計公差，最終按照轉輪止漏環和固定止漏環的實際制造公差核算上、下止漏環的最大間隙和最小間隙。

由于制造和安裝工藝不同，模型裝置轉輪下止漏環間隙比上止漏環間隙小，致使按照模型比例換算后，真機轉輪下止漏環間隙也很小。而實際上機組運行時，轉輪下止漏環處擺度大于上止漏環的擺度，因此設計時，為滿足機組運行要求，需考慮運行中上、下止漏環擺度及變形等因素的影響，轉輪下止漏環設計間隙一般比上止漏環設計間隙略大些。

綜上，白鶴灘右岸水輪機按照止漏環最大間隙不超過按模型比例換算后真機轉輪上止漏環間隙值的原則，并在上文介紹的止漏環最小間隙取值基礎上，結合轉輪上、下止漏環及上、下固定止漏環的制造公差，設計轉輪上止漏環最大單側間隙為4.0 mm，下止漏環最大單側間隙為4.5 mm。

2 結語

白鶴灘右岸轉輪上止漏環單側間隙設計為3.5～4.0 mm，下止漏環單側間隙設計為4.0～4.5 mm。通過本文的分析可見，轉輪上、下止漏環的最小設計間隙值均可以保證機組運行中出現極端狀況時，固定止漏環與轉輪止漏環之間仍然具有足夠的安全距離。同時，轉輪上、下止漏環的最大間隙值也均小于按模型比例換算的上止漏環間隙值。因此，白鶴灘右岸轉輪上、下止漏環間隙的取值是合理的。