DARYAN 水輪機結(jié)構(gòu)特點

焦鋼毅，戴然

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

伊朗DARYAN 水電站混流式水輪發(fā)電機組是近年來我國與伊朗發(fā)電設(shè)備制造領(lǐng)域合作的具有代表性的項目之一，水電站位于伊朗西部Sirvan 河，距科爾曼沙汗省的Paveh 市西北部約25 公里，具備灌溉和發(fā)電的作用。電站裝有3 臺額定出力為71.4MW 的立軸混流式水輪發(fā)電機組及其附屬設(shè)備，機組的設(shè)計、制造均全面滿足業(yè)主的高標(biāo)準(zhǔn)要求，采用當(dāng)前水電設(shè)備的可靠技術(shù)。本文從設(shè)計角度對該項目水輪機的結(jié)構(gòu)特點做了詳細(xì)闡述。

1 水輪機總體結(jié)構(gòu)特點及參數(shù)

機組形式為立軸混流式機組，焊接式金屬蝸殼，機組旋轉(zhuǎn)方向為俯視逆時針，采用水輪機軸、發(fā)電機軸兩段軸的結(jié)構(gòu)，水輪機軸與發(fā)電機軸采用銷螺栓聯(lián)接，水輪機軸與轉(zhuǎn)輪采用螺栓聯(lián)接，摩擦傳遞扭矩。水輪機主要包括:埋入部分、導(dǎo)水部分、轉(zhuǎn)動部分等幾大部分，安裝檢修采用上拆方式，水輪機主要性能參數(shù)見表1。

表1 水輪機主要性能參數(shù)

2 水輪機各部分結(jié)構(gòu)特點

2.1 埋入部分的結(jié)構(gòu)特點

水輪機的埋入部分主要包括座環(huán)蝸殼、尾水管、機坑里襯等部件。2.1.1 座環(huán)蝸殼

座環(huán)蝸殼是水輪機流道內(nèi)的重要過流部件和支持部件，采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，考慮到運輸和加工的方便，蝸殼和座環(huán)在工地組焊。蝸殼包角為345°，材料選用具有良好性能的高強度中低溫壓力容器鋼板ASTM A516 Gr.70。為便于檢修，蝸殼設(shè)有一個φ750 進(jìn)人門，2 個φ300 的手動排水閥，蝸殼及上游壓力管道內(nèi)的水可排到尾水。混凝土澆筑之前，按蝸殼設(shè)計壓力1.5 倍做水壓試驗。

座環(huán)為鋼板焊接式結(jié)構(gòu)，24 個固定導(dǎo)葉支撐座環(huán)的上、下環(huán)板。28 個M36 基礎(chǔ)螺桿用于聯(lián)接座環(huán)與基礎(chǔ)，座環(huán)通過混凝土承受整個機組的重量。工地安裝時，座環(huán)上、下法蘭的開口值及水平度需精確保證，以滿足機組導(dǎo)葉端面間隙的要求。在4 個固定導(dǎo)葉上分別設(shè)置1 個φ20 排水孔作為頂蓋的自留排水，排至集水井。

2.1.2 尾水管

尾水管分為尾水錐管、尾水肘管、擴散段三部分，總高度約7 492mm，鋼襯由鋼管焊接而成。為方便安裝和檢修，尾水錐管上設(shè)有一個750×900的長方形進(jìn)人門，在擴散段底部，設(shè)有一個DN300的尾水管排水閥，連至集水井，用于檢修時排水。錐管進(jìn)人門兩側(cè)布置4 個孔用于支撐檢修平臺。

2.1.3 機坑里襯

機坑里襯內(nèi)徑為φ4 300mm，由ASTM A283 Gr.C 鋼板焊接，厚度為12mm，工地焊接在座環(huán)上。機坑里襯上部布置一個最大載重量為1t 的環(huán)形吊車，用于在機坑內(nèi)吊裝導(dǎo)水零件、水導(dǎo)軸承等部件。

2.2 導(dǎo)水部分的結(jié)構(gòu)特點

導(dǎo)水部分主要用于控制蝸殼進(jìn)入轉(zhuǎn)輪中的水的流量，調(diào)整水輪機的出力，在正常和緊急關(guān)機時通過控制導(dǎo)葉關(guān)閉阻斷水流。導(dǎo)水部分主要包括頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉操作機構(gòu)、接力器等幾部分。

2.2.1 頂蓋、底環(huán)

頂蓋采用整體式鋼板焊接結(jié)構(gòu)，材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼板ASTM A283 Gr.C，通過下法蘭形式與座環(huán)連接，有足夠的剛強度支撐控制環(huán)、導(dǎo)葉操作機構(gòu)零件、主軸密封、水導(dǎo)軸承的重量，并能承受軸向水壓力及軸承的徑向不平衡力。頂蓋過流面設(shè)有螺釘把合式不銹鋼抗磨板，與轉(zhuǎn)輪配合處設(shè)有螺釘把合式固定止漏環(huán)，并提供相應(yīng)備品可供更換。抗磨板選用堅硬、耐磨的馬氏體不銹鋼，為保護(hù)轉(zhuǎn)輪，固定止漏環(huán)選用比轉(zhuǎn)輪硬度低的奧氏體不銹鋼。頂蓋上設(shè)有6 根DN125 減壓排水管以減低機組的軸向水推力，并設(shè)有6 個壓力測點測量導(dǎo)葉進(jìn)口與轉(zhuǎn)輪這一區(qū)域內(nèi)的壓力。

底環(huán)采用厚鋼板結(jié)構(gòu)，材料與頂蓋相同，為碳素結(jié)構(gòu)鋼板ASTM A283 Gr.C，過流面同樣設(shè)有螺釘把合式馬氏體不銹鋼抗磨板，鑒于結(jié)構(gòu)空間限制，下固定止漏環(huán)焊接在底環(huán)上，材料為奧氏體不銹鋼。頂蓋、底環(huán)結(jié)構(gòu)形式詳見圖1。

圖1 頂蓋、底環(huán)結(jié)構(gòu)形式

2.2.2 導(dǎo)葉及導(dǎo)葉操作機構(gòu)

導(dǎo)葉采用偏心結(jié)構(gòu)，在整個操作范圍內(nèi)有自關(guān)閉趨勢，材料選用具有良好抗磨及抗氣蝕性的馬氏體不銹鋼鑄鋼06Cr13Ni4Mo。導(dǎo)葉軸頸采用三支點結(jié)構(gòu)，上、中、下軸頸座孔內(nèi)均設(shè)有金屬自潤滑軸瓦。導(dǎo)葉之間的立面密封采用接觸式金屬密封，與頂蓋、底環(huán)的端面之間設(shè)有聚氨酯端面密封帶，保證導(dǎo)葉在全關(guān)時的漏水量滿足要求。導(dǎo)葉軸頸密封選用聚氨酯U 型密封，有效防止流道內(nèi)的水進(jìn)入頂蓋和底環(huán)內(nèi)。導(dǎo)葉通過分瓣鍵、連接板、導(dǎo)葉臂、連桿、偏心銷、連桿銷與控制環(huán)相連?？刂骗h(huán)由ASTM A283 Gr.C 鋼板焊接而成，可承受接力器傳遞的扭轉(zhuǎn)力矩，控制環(huán)與頂蓋的接觸面設(shè)有分塊的金屬自潤滑抗磨瓦，保證控制環(huán)轉(zhuǎn)動時與頂蓋接觸面的抗磨性，并設(shè)有控制環(huán)止推壓板防止控制環(huán)轉(zhuǎn)動時上下跳動。連桿與連接板之間采用偏心銷相連，便于工地安裝時調(diào)整。

為避免導(dǎo)葉被流道中的異物卡住而損壞導(dǎo)葉操作機構(gòu)的各部件，設(shè)置由剪斷銷、摩擦軸襯、導(dǎo)葉限位塊組成的導(dǎo)水機構(gòu)保護(hù)裝置。接力器傳遞的力矩由剪斷銷和摩擦軸襯共同承擔(dān)，當(dāng)導(dǎo)葉被異物卡住時，剪斷銷所受力矩迅速增大而剪斷，剪斷信號器發(fā)出信號。導(dǎo)葉限位塊和摩擦軸襯保證剪斷銷剪斷后導(dǎo)葉不在流道中隨意擺動，與其它導(dǎo)葉相撞。導(dǎo)葉操作機構(gòu)具體結(jié)構(gòu)形式詳見圖2。

圖2 導(dǎo)葉操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式

2.2.3 導(dǎo)葉接力器

機組在+Y 側(cè)布置2 個φ350mm 的接力器，接力器行程為276mm，操作油壓6.3MPa。1 號接力器在導(dǎo)葉全關(guān)時設(shè)有自動鎖定裝置;2 號接力器在導(dǎo)葉全開時設(shè)有手動鎖定裝置。

2.3 轉(zhuǎn)動部分的結(jié)構(gòu)特點

機組轉(zhuǎn)動部分主要包括轉(zhuǎn)輪、主軸、水導(dǎo)軸承、主軸密封、中心補氣裝置等。

2.3.1 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)，上冠、下環(huán)、葉片均采用耐磨和抗氣蝕性良好的鑄鋼0Cr13Ni4Mo 制造，組焊后所有焊縫均進(jìn)行退火并做超聲波和著色探傷，轉(zhuǎn)輪設(shè)計和制造保證有足夠強度，能夠承受任何作用在轉(zhuǎn)輪上的最大水壓力和離心力，和使用壽命內(nèi)周期性變動荷載而不發(fā)生任何有害變形，并有足夠的剛度支撐本身和主軸的重量。

轉(zhuǎn)輪上裝有不銹鋼材料的泵板裝置，當(dāng)機組運行時，轉(zhuǎn)輪帶動泵板內(nèi)腔的水轉(zhuǎn)動，使泵板進(jìn)出口處的水產(chǎn)生壓差，由頂蓋內(nèi)的減壓排水管將水排出，大大減小主軸密封處的水壓力。

2.3.2 主軸

水輪機主軸采用雙法蘭空心厚壁軸，材質(zhì)為ASTM A668 Class D 整體鍛造。軸身外徑φ800mm，內(nèi)徑φ500mm。主軸與轉(zhuǎn)輪法蘭采用18 個M90X6 的螺栓聯(lián)接，摩擦傳遞扭矩，在轉(zhuǎn)輪與主軸配合的法蘭面噴涂一薄層摩擦劑，通過液壓拉伸器預(yù)緊螺栓，靠摩擦力傳遞扭矩。主軸上端與發(fā)電機軸采用18 個M90X6 的銷螺栓聯(lián)接，通過螺栓的銷段傳遞扭矩，水輪機軸采用鏜模的形式加工，保證和發(fā)電機軸的同心度。

2.3.3 主軸密封

主軸密封采用端面水壓式橡膠密封，結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 主軸密封結(jié)構(gòu)形式

此種形式的密封具有安全、可靠、壽命長、自平衡調(diào)整等特點，具體原理為壓力潤滑水將橡膠密封塊頂起，在密封塊與轉(zhuǎn)環(huán)之間形成水膜，封住流道過來的水，同時通過排水管將潤滑水排自流排到集水井。通過上止漏環(huán)和轉(zhuǎn)輪上泵板的作用，主軸密封前的壓力水的流量和壓力均有所降低，使密封更加可靠。

充氣橡膠式檢修密封安裝在工作密封下面，當(dāng)軸承、密封或機組長時間停機時，向檢修密封中通入壓縮空氣，可啟動檢修密封。

2.3.4 水導(dǎo)軸承

水導(dǎo)軸承為油潤滑筒式軸承，潤滑油采用自泵外循環(huán)冷卻的方式。具體結(jié)構(gòu)形式見圖4，軸承直徑φ815mm，巴氏合金里襯高415mm，由軸承體、甩油盆、上油箱等部件組成。軸承體分四瓣，內(nèi)表面為巴士合金ZSnSb11-6，與主軸之間的間隙為0.18 ～0.25mm。為監(jiān)測軸承的運行狀態(tài)，在軸承內(nèi)設(shè)一個油位信號器，兩個測溫電阻測量瓦溫，一個測溫電阻測量油溫，一個油混水信號器等自動化元件。

圖4 水導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)形式

2.3.5 主軸中心孔補氣裝置

為確保機組在部分負(fù)荷工況下能夠穩(wěn)定運行，在發(fā)電機上端設(shè)置補氣閥，通過主軸中心孔進(jìn)行自然補氣，補氣閥直徑為φ250mm，設(shè)有緩沖裝置、DN100 的排水管及DN250 的補氣管，補氣過程與機組的運行水頭、導(dǎo)葉開度有關(guān)，需要補氣時，該系統(tǒng)能快速自動開啟和自動關(guān)閉，并可通過緩沖裝置有效防止開啟和關(guān)閉過程中閥體與閥座相撞。

3 結(jié)語

伊朗DARYAN 水電站混流式水輪機的設(shè)計采用了當(dāng)前水電設(shè)備的先進(jìn)、可靠技術(shù)，完全滿足業(yè)主方的高標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)示著我國水電設(shè)備的設(shè)計制造水平有能力在國際市場中占據(jù)一席之地，為我公司國際市場的開發(fā)又添一筆重要業(yè)績，也進(jìn)一步增強了我公司開發(fā)國際市場的信心。

［1］ 徐灝.機械設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.6.

［2］ 哈爾濱大電機研究所. 水輪機設(shè)計手冊［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，1976.

［3］ 程良駿. 水輪機［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，1981.

［4］ 黃源芳，劉光寧，樊世英. 原型水輪機運行研究［M］.北京:中國電力出版社，2010.4.

［5］ 吳新潤. 哈電大型混流式水輪機的最近技術(shù)狀況［C］. 第十四次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會論文集.2000.