斐濟南德瑞瓦圖沖擊式水輪機結構設計

高 欣

（哈爾濱電機廠有限責任公司產品設計部，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

該工程位于斐濟Viti Levu 島中南部，距離首都約蘇瓦300km。工程的主要作用是攔河蓄水發電，電站在當地電力系統為調峰運行，沒有調相運行的要求。

斐濟南德瑞瓦圖單機容量 21.4MW，總裝機容量 42.8MW。電站引水系統由隧洞、調壓井、壓力管道和岔管構成，引水方式為一管兩機，每臺機組進口設置液壓操作球閥。沖擊式水輪機的主機設備由哈爾濱電機廠有限責任設計制造完成。

1 高水頭沖擊式機組的結構

1.1 基本參數

水輪機型號CJA475-L-170/ 5x15.7，轉輪直徑1700mm，噴嘴數5個，射流直徑157mm，額定流量7.5m3/s，額定出力21.4MW，最大出力22.52MW，額定轉速428.6rpm，飛逸轉速772 rpm。

1.2 高水頭沖擊式機組的總體結構

圖1為斐濟南德瑞瓦圖電站的總體結構。沖擊式水輪機為帶有調速器控制的噴針和射流偏流器的豎軸、單級轉輪、五噴嘴水斗型水輪機，水導軸承采用筒式內循環導軸承，并設有補氣裝置。水輪機旋轉方向為俯視順時針方向。水輪機軸直接連接到發電機軸上。由水輪機和發電機轉動部件的重量和水輪機轉輪上形成軸向水推力形成的總軸向力，由安裝于發電機上的推力軸承來承擔。

圖1 沖擊式機組的總體結構

1.3 轉動部分

轉動部分由主軸、轉輪、水導軸承以及連接部件組成。

1.3.1 主軸

主軸為雙法蘭中空厚壁軸，材料為鍛鋼 ASTM A668 Class D，軸身直徑Ф450mm， 軸承處軸直徑Ф465mm，轉輪和發電機采用法蘭，重量 4.4 t。通過摩擦傳遞扭矩方式采用 12 個聯結螺栓與轉輪聯結，由 12 個銷螺釘與發電機主軸聯結以傳遞扭矩。

1.3.2 沖擊式轉輪

水輪機配有1個水斗型沖擊式單轉輪，轉輪由 ASTM A743 CA-6NM材料整鑄而成。轉輪采用摩擦傳遞扭矩方式通過螺栓連接至主軸下端的法蘭上。裝配方法便于通過轉輪下方的尾水通道門和機殼蓋處拆卸轉輪。

轉輪的材料通常采用抗氣蝕和抗磨損性能優良的不銹鋼，國內常用該材料鑄造結構。在加工工藝上，采用整體數控加工，哈爾濱電機廠已經開發出整體加工的數控程序，使用三軸或五軸數控鏜床整體加工，并成功應用在斐濟南德瑞瓦圖項目上。

轉輪的許用應力有嚴格的控制范圍對鑄造的轉輪在最大水頭、最大負荷、啟動工況或飛逸工況下，作用在水斗根部的最大交變應力不超過24MPa。平均應力不超過60MPa。采用ANSYS軟件對轉輪進行有限元法的計算分析。

水斗工作表面敷設堅硬敷層（采用 HVOF 噴涂工藝）以保護轉輪水斗的表面不被腐蝕，所有受水流沖擊的轉輪水斗表面處理成平滑的外形，處理所有水斗上的分水刃，確保在噴嘴開孔的中心與分水刃相對。轉輪出廠前按ISO1940的6.3級的要求在工廠做靜平衡試驗。

1.3.3 水導軸承

水導軸承為筒式軸承，起到承受水力不平衡力的作用。軸承直徑Ф465mm，軸瓦高 350mm，分 2 瓣。主要包括軸承體、上油箱、油箱蓋、下油箱、冷卻器等。 軸承體內表面掛有巴氏合金，軸承與主軸的間隙為0.18mm~0.33mm （雙邊），軸承的冷卻方式采用油箱內設有冷卻器冷卻。為了監控瓦溫和油溫，在軸瓦上設置了鉑熱電阻檢測瓦溫，在上油箱內設置了熱電阻測量油溫。當油溫和軸瓦溫度分別達到或超過規定值 55℃ 和 60℃ 時及時發出報警信號。為了測量軸承內油位，在上油箱內設置了 1 個浮子信號器，用于測量靜止及正常運行時軸承內的油位，當油位超過最高 170mm 或低于最低極限 120mm 時，自動發出信號。在上油箱內還設有油混水信號計，測量油中水的含量，當水的含量超過規定值時，自動發出信號。油箱蓋上還設有觀察窗。

在運行初期，尤其在四噴嘴運行工況，該工況側向力最大，運行工況比較惡劣，出現水導軸承在四噴針下運行時油溫和瓦溫持續較高的現象，且上油箱油位較高，機組運行時軸承冷卻水進、出水溫度差較小等現象[1]。經過拆解水導軸承最終判定為上油箱中油循環存在問題，采取降低回油口高度，提高油循環速度的方式，將回油管取出，截掉 30mm 高度后裝回原位置，同時還在溢油板上表面增設了擋油板，使溢出熱油遠離回油口，以加強熱油冷卻效果；將水導軸承冷卻水進水管處的節流閥取消，增加冷卻水流量。水導軸承在經過處理后，機組在切入四噴嘴運行時溫度監測數據水導軸承瓦溫已穩定在 60℃左右，油溫為 49℃，基本解決了四噴針下運行時油溫和瓦溫持續較高的問題[1]。

1.4 埋入部分

埋入部分由機殼、補氣系統、配水環管、穩水柵、機坑里襯、機坑照明系統、地板裝配和管路系統組成。

1.4.1 機殼

為滿足運輸和便于安裝的要求，機殼分為2瓣。機殼采用鋼板 ASTM A283 GrC的焊接結構，機殼上部設有機殼蓋，機殼蓋用螺栓固定在機殼上，并有頂起機殼蓋的專用螺孔。機殼蓋有足夠的強度和剛度，運行時能承受傳遞到機殼上的機組和混凝土的重量，檢修發電機吊出轉子時能支承轉輪和主軸的重量，在所有運行工況和最大水頭下當全部或部分噴嘴工作時能安全承受傳遞到機殼上的轉輪徑向力，投入折向器、飛逸工況時的射流沖擊力和所產生的振動，并不產生有害變形。機殼的設計沒有考慮基礎混凝土的聯合受力。

機殼蓋上裝有水導軸承支座，在尾水渠底板機殼范圍內設底板鋼板，鋼板厚 16mm。機殼上設有裝拆轉輪和噴嘴的吊孔。機殼底采用全鋼襯結構，機殼在任何工況下從噴嘴、折向器、水斗反射出來的水流不發生對射流的干擾。在必要處設置擋水板，以隔開可能對射流干擾的反射水流。在尾水出流方向，機殼下緣和最高機坑尾水位之間有 0.8m的通氣高度。機殼的結構和尺寸能方便裝拆噴管總成。

1.4.2 補氣系統

為保證機組的安全穩定運行，在機殼上設置 4-DN50 自然補氣裝置，尾水管處設置 5-DN150自然補氣裝置。其結構和尺寸保證水輪機輸出功率、運行穩定以及正常運行條件下實際排出高度不小于設計值。

1.4.3 進人門及轉輪下拆運輸通道門

轉輪和噴管能下拆并用小車從穩水柵處運出，在機墩上開設轉輪下拆運輸通道、運輸門，并在運輸門上設有鉸鏈式的鋼制密封門作為進人門。進人門及運輸通道門安全可靠，密封性能良好，采用向外開啟，并設有不銹鋼頂起螺絲。

1.4.4 配水環管

配水環管包括從水輪機進水閥下游到噴嘴的所有相互連接的壓力管道。管道部分和噴管延伸部分由鋼板制成，滾壓成型，焊縫進行退火處理，埋設于混凝土中。配水環管一般采用岔管結構，在分叉處采用月牙板的結構，保證整體受力均勻，水力損失小。配水管設計壓力為4MPa 。配水環管設計成能夠在現場焊接連接，為了便于運輸和工地安裝，配水環管分3瓣，工地組焊，并做壓力試驗，試驗壓力是設計壓力的1.5倍。壓力試驗6MPa，試驗時間0.5h，壓力試驗完成后，保壓澆筑混凝土，保壓值2.93MPa。

配水環管進口與進水閥伸縮節在工地進行焊接。

采用ANSYS軟件計算配水環管剛強度。

受運輸條件限制，配水環管一般在工地組焊成整體，然后進行壓力試驗。對試驗壓力，采用脈動實驗，將整個試驗壓力范圍分為多段，逐步升壓，保壓一定時間，再降低部分壓力，逐級升壓，在最高壓力下保持2h，然后釋放壓力。配水環管的安裝采用保壓澆筑方式澆筑混凝土。保壓澆筑的壓力一般為最小靜壓力的80%左右。在保壓澆筑過程中須考慮混凝土凝固引起配水環管內水溫度升高問題。混凝土在凝固過程中會釋放熱量，溫度會升高20℃左右，如此高的溫差，會引起配水環管的變形，經過計算，溫度每升高1℃，變形為1mm。采用保溫保壓澆注，在混凝土凝固70%后，進行保壓回填灌漿。保證混凝土與配水環管聯合受力，增強配水環管的剛性，有利于增強機組的抗震能力。

1.4.5 穩水柵

穩水柵覆蓋機殼內整個水平部分。穩水柵由排列整齊的扁鋼組成，有足夠的強度和剛度，并牢固地固定在埋設于基礎混凝土中的型鋼上，承受長期的水流沖刷而不損壞，也無有害的振動。穩水柵和轉輪中心平面的垂直高度既滿足機組暫態過程中的最大涌浪不觸及轉輪，又滿足檢查、檢修和裝拆轉輪、噴管總成的需要。檢修過程中，拆下來的轉輪或直流噴管可放在搬運小車上沿穩水柵表面水平移出機坑。

1.4.6 機坑里襯

機坑鋼里襯的范圍為從機坑底到發電機下擋風板。機坑里襯采用鋼板焊接結構，其內徑滿足水輪機機殼蓋整體吊出和機坑內維護、檢修、運行的要求。機坑里襯外側用加強筋和錨鉤補強將里襯錨固到周圍的混凝土中。

1.4.7 機坑照明系統和地板裝配

每臺機配備一套防護開關箱，安裝在進人門旁進行控制，每個燈室中放置2個燈具以及對稱布置2個自帶電池的急照明燈具，其中照明燈具采用具有防護作用的防潮、防水燈具。

坑內設有地板欄桿裝配，踏板采用防滑花紋鋼板制作。

1.4.8 管路系統

管路系統包括量測管路，油、水氣管路、機組制動管路等。油、水氣管路主要包括水導軸承冷卻水供排水管路，噴管接力器及偏流器接力器操作控制油管路，測壓管路主要包括分流管進口處、出口處的壓力測點、機殼真空度的測點等，測壓頭的設計根據 IEC60041 標準執行。

1.5 噴管總成

噴管采用直流內控式噴管進行油控操作，正常工作油壓為 6.3MPa。控制機構設在噴管內，各噴嘴以相同的開口和其他噴嘴并列同步投入運行，也可單獨投入運行。各噴嘴和各折向器之間全部用油壓直接控制。噴管接力器內設有平衡彈簧，整個行程范圍內無油壓和水壓，噴針將自動開啟到 50%開度位置。直流噴管在正常運行條件下，失去油壓能實現自關閉。每個噴管都設有1個偏流器。每個偏流器都有1個獨立的接力器操作。偏流器在正常運行時不和射流接觸，甩負荷時在 2s 內偏轉全部水流。當電網負荷突然出現大幅度的波動時，將通過偏流器快速調整流量，穩定電網頻率。

噴針和偏流器接力器的容量在壓力油罐內事故低油壓 為4.8MPa，減去管路損失所形成的接力器缸內最低油壓，接力器所具有的總容量仍能充裕地在任何水頭、輸出功率和暫態條件下精確地控制、操作噴針和偏流器的全開和全關行程。噴針和其接力器在強度和結構設計上，在任何工況下不發生噴針折斷。噴針接力器的所有固定結合處設有密封，防止壓力油或壓力水的滲漏，所有滑動配合處不會發生壓力水和壓力油相互直接滲漏，并設置中間無壓的油水排泄腔和排泄腔目測孔。接力器的進出油口和進出氣口設在上方，檢查和檢修排油口設在下方。噴針和偏流器所有具有相對運動的接觸表面均為自潤滑型，不需要潤滑系統。偏流器及其支撐和操作機構具有足夠的強度和剛度，能安全承受最大水頭全開度射流的長時間（用于排空鋼管積水）沖擊，不發生有害的振動、變形和破壞。

噴管法蘭和配水環管支管法蘭之間設調整法蘭，具有微調射流方向和位置的作用，以確保安裝射流中心線和位置的準確性，調整固定后能保持長期不變。提供工地噴管安裝調整工具在正常運行、過渡工況、飛逸工況中，當相鄰噴管的折向器在投入狀態時，一個噴管的高速射流會直接通過折向器折射打在臨近的噴管上。在每個噴管上設堅固的擋水板保護噴管不受沖蝕，且從擋水板反射出來的水流不再沖到轉輪上。

每個噴管均設有噴針行程指示（mm）和開度指示（%），為將噴針行程信號傳遞給計算機監控系統，設有行程變送器，其滿量程為4mA~20mA和 24V 直流模擬量輸出。每個偏流器設1個行程變送器。噴管總成便于在機殼內整體下拆，噴管上機殼處設起吊螺栓。也可方便地只拆折向器、噴嘴、噴針等零件而不拆卸噴管。

2 廠內組裝和耐壓試驗

2.1 廠內組裝

所有噴管總成及其折向器和分流管在廠內裝配完成并進行操作試驗，各接力器的動作靈活。各噴嘴有相同的開口－行程關系曲線和相同的最大開口。

2.2 耐壓試驗

噴管總成在廠內組裝完成后進行耐壓試驗，試驗按設計工作水壓（含水擊壓力）的 1.5 倍和設計工作油壓的 1.5 倍分別對噴管總成的過流部分和噴針接力器進行耐壓試驗，持續時間為 30min，然后降至設計壓力，保持 60min。噴管總成及其內部的噴針操作接力器不得出現任何滲漏現象、任何損壞和有害的變形。

3 結語

斐濟南德瑞瓦圖沖擊式機組，在工地現場完成各項無水調試和有水調試工作，并于2003年正式順利投入商業運行，雖然運行初期，遇到在四噴嘴運行工況下水導瓦溫異常升高的現象，但經哈電派駐的技術專家妥善處理，進一步改善導軸承的油循環路徑，使水導軸承各項指標運行正常。目前機組各項狀態良好，為哈爾濱電機廠有限責任公司贏得了較好的國際聲譽。