埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站187 MW混流式水輪機結構設計

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(東方電氣東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站187 MW混流式水輪機結構設計

劉鐘，鄧佑林

(東方電氣東方電機有限公司，四川 德陽 618000)

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站裝設10臺單機容量187 MW的水輪發電機組，是東方電氣東方電機有限公司自主設計制造的中高水頭混流式機組。主要介紹了吉布Ⅲ水輪機的結構設計特點。

吉布Ⅲ水電站；水輪機；結構

0 概 況

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站位于埃塞俄比亞西南的Sodo市附近，距其首都Addis Ababa約360 km，是奧莫河梯級開發中的第3級電站，電站總裝機容量1 870 MW，設有10臺187 MW混流式水輪發電機組。吉布Ⅲ水電站為埃塞俄比亞最大的水電站，也是非洲已投運的裝機容量最大的水電項目。吉布Ⅲ水電項目是中國迄今單個水電設備出口總容量最大的水電項目，是中國“一帶一路”的精品工程。

1 水輪機基本技術參數

水輪機基本技術參數如表1所示。

2 水輪機結構設計特點

吉布Ⅲ水電站水輪發電機組為立軸混流式，俯視順時針旋轉，水輪機和發電機共用一根軸，軸設置兩個滑轉子，用于布置水導軸承和發電機下導軸承。水輪機設水導軸承，水輪機軸與發電機轉子支架之間、水輪機軸和轉輪之間均采用銷釘螺栓聯接并以此傳遞扭矩。按照合同要求，轉輪應從尾水管錐管拆出，導葉下軸套也要求下拆，這是目前為止國內設

表1 水輪機基本參數

計和制造的轉輪直徑最大、重量最重的下拆機組，整體結構布置較為困難。水輪機剖面圖詳見圖1。

2.1 轉 輪

轉輪直徑D1為3 600 mm，有15個葉片。上冠、下環和葉片均采用優質不銹鋼AOD精煉鑄造，為鑄焊結構。葉片采用五軸數控加工后與上冠、下環焊為整體。上冠處采用頂蓋設平壓管路的辦法，以減小上冠與頂蓋間的水壓力。轉輪采用長泄水錐并與上冠把合成一體，按照水力模型全模擬，以減小尾水的壓力脈動。

圖1 水輪機剖面

轉輪止漏環的設計關系到水輪機的穩定運行，是中高水頭轉輪的重點之一。吉布Ⅲ水輪機轉輪的上冠和下環均采用迷宮式止漏環，迷宮的數量、寬度、深度、位置和間隙均經過精確計算，以保證上冠、下環軸向力基本平衡。

按照合同要求，轉輪應從尾水管錐管拆出。因此，提供了專門的轉輪下拆工具，包括下拆平臺、下拆軌道和小車等，并且對轉輪下拆方案進行反復推敲，布置了一套方便可行的下拆方案：即每臺機均在尾水廊道埋設兩條軌道，從機組中心延伸到吊物孔處。尾水管錐管分為上段和中段，將錐管中段和混凝土中的肘管采用螺栓把合并設置伸縮節，將錐管中段拆卸后再拆卸錐管上段，最終將轉輪整體吊下，從尾水管廊道運出。

為防止轉輪下拆及回裝時和頂蓋、底環產生碰撞，設計了全新的下拆導向結構，這種結構簡單可靠，能有效防止由于轉輪吊下(或者吊上)時的不平衡性產生的偏移。

2.2 主軸

主軸采用優質低合金鋼整鍛，兩端法蘭均為外法蘭結構。與常規水輪機主軸不同的是，由于整個機組布置的需要，水輪發電機組采用一根軸結構，發電機的下導滑轉子放在了主軸上，因此本機主軸有兩個滑轉子。主軸為中空式結構，主軸與轉子采用銷釘螺栓聯接并以此傳遞扭矩，主軸與轉輪也采用銷釘螺栓聯接并以此傳遞扭矩的結構。為了工作密封布置的需要，銷釘螺栓沉入主軸法蘭通孔內，在工地用電加熱器進行拉伸緊固。

2.3 頂蓋

頂蓋采用碳素鋼板焊接的整體結構，經過計算選取合適的材料和厚度以保證頂蓋有足夠的剛強度。

為減小導葉在關閉時導葉與頂蓋間的漏水量，在頂蓋上對應導葉全關位置密合處有可更換的導葉端面密封，密封條的材料為鑄鋁青銅。在頂蓋過流面上設置不銹鋼抗磨板，抗磨板帶有耐腐蝕的金屬螺釘，并與抗磨板間打磨平齊且充分緊固。頂蓋上設有迷宮式不銹鋼固定止漏環，材料硬度比轉輪硬度低HB50以上。

頂蓋除了設有自流排水管，用以將主軸密封和導葉軸頸密封的漏水排出，另外還提供了2臺潛水泵，1臺主用，1臺備用。頂蓋上還設置10根減壓排水管以減低轉輪上冠與頂蓋接觸腔的壓力。

為了滿足合同在不拆軸承的前提下應能夠更換密封的要求，頂蓋上開有進人孔，在需要調整或者更換密封時，可以拆去進人孔附近的兩個連桿，進入密封安裝位置進行操作。

2.4 底環

底環為鋼板焊接結構，底環與座環之間采用螺栓把合、銷子定位的結構形式。

在對應導葉全關位置密合處設置有端面密封裝置，密封條的材料為鑄鋁青銅。底環上設有間隙式固定止漏環，材料為不銹鋼，其硬度比轉輪硬度低HB50以上。為了滿足轉輪下拆的需要，底環止漏環設計為可拆式，上部用螺栓與底環連接，下端用螺栓與錐管上段連接。止漏環間隙通過錐管上段法蘭上的4個螺孔測量。

2.5 控制環

控制環為鋼板整體焊接結構。上環板設2個大耳孔與接力器相連，下環板設24個小耳孔與導葉操作機構的連桿相連接。

控制環在大、小耳孔中設置自潤滑滑動軸承，在下部內圓處和底部與頂蓋接觸處，設置由自潤滑材料制成的側抗磨板和底抗磨板。在頂蓋(水導軸承座)與控制環之間設置壓板，以防止導葉操作機構因受力不均而引起的控制環上抬。

2.6 導葉

導葉為整鑄不銹鋼結構，材料為不銹鋼。導葉為三支點非對稱型導葉，導葉數為24個。與導葉三支點相對應的上、中、下軸承，采用自潤滑高分子材料。為了滿足合同要求的不拆導葉更換導葉軸承的要求，導葉上、中軸承是裝在套筒上，而導葉下軸承是裝在可下拆的軸座上。

2.7 導葉操作機構

導葉操作機構由導葉臂、連桿裝配、連接板、套筒裝配、連桿銷、連桿偏心銷、剪斷銷等組成。

導葉與導葉臂之間設置1個圓柱銷，用于傳遞導葉操作力矩。導葉套筒為長套筒結構形式。在導葉臂和套筒之間設置了止推環，以防止導葉在水壓力的作用下上浮，碰撞頂蓋和影響連桿受力。

連桿為雙夾板帶偏心銷結構，用偏心銷的偏心量來彌補因加工造成的各連接件間的形位誤差，在連桿與連接板的連接處設有自潤滑軸承。在每個導葉臂與連接板之間設置有剪斷銷，以保證在某個導葉被異物卡住后，其他導葉能正常動作。剪斷銷裝有電動信號保護裝置，當剪斷銷剪斷時能自動報警。

在導葉臂與連接板之間設置摩擦環，以防止導葉在剪斷銷斷開后反復急速擺動而撞擊相鄰導葉；同時在頂蓋上還設有雙向導葉限位塊，可以保證在摩擦環失效后也能防止導葉在剪斷銷斷開后出現旋轉，撞擊相鄰導葉、相鄰導葉傳動部件和轉輪葉片進口邊。導葉限位塊的限制范圍以導葉最大可能開度時的導葉臂轉角為準。

2.8 水導軸承

水輪機導軸承為稀油潤滑導軸承采用分塊瓦式。油冷卻系統為內循環式，冷卻器布置在油箱內部，冷卻水管材料為雙金屬翅片式位于軸承體下面。軸承冷卻器為雙向進水式，并能正、反向工作。軸承冷卻水壓為0.2～0.5 MPa，試驗壓力0.75 MPa。其結構可以較方便地從上部對導軸承進行檢查、調整和更換一部分導軸承部件。軸瓦采用巴氏合金瓦襯，并采用非同心瓦，工地不需刮瓦，軸瓦間隙調節是靠楔塊完成，易調整并且可靠。

軸承中設有8塊軸瓦，每塊瓦上裝有1只鉑熱電阻測溫計，另有2只鉑熱電阻測溫計用于測量油溫，應對稱安放在±X或±Y方位上。該兩塊瓦上其中各有1只用于報警用。軸瓦最高運行溫度為60 ℃，報警溫度為65 ℃，停機溫度為70 ℃。在軸承油箱上設有油位計，以監測軸承油箱內的油位。

軸承蓋靠近主軸處，采用迷宮式防油霧結構，中間有足夠的空間防止油霧溢出。

2.9 主軸密封

主軸密封由工作密封和檢修密封組成，安裝在主軸法蘭上部的端面上。

工作密封為水力恒壓平衡軸向密封。其工作原理為：不銹鋼密封滑環固定在主軸轉輪端法蘭背面上，復合材料制成的密封圈把合在密封環上，密封環安裝在支持環的內側，滑動接觸面設有密封圈。工作時依靠密封環的自重力、密封環與支持環間的彈簧力、密封腔內的水壓力與被密封水壓達到平衡，建立密封水膜達到密封效果。密封環采用不銹鋼板。密封環與密封圈設有通水孔，依靠清潔水潤滑防止干摩擦燒損密封圈。在密封環上裝有傳感器用于測量密封圈的磨損量。

檢修密封采用空氣圍帶式密封，當機組停機時，圍帶充氣膨脹與主軸轉輪端法蘭外圓緊密貼合，達到密封的目的。

2.10 導葉接力器

在水輪機機坑里襯的-X偏-Y方向和+Y方向，平行設置2個接力器，接力器為油壓操作的單導管直缸接力器，用于操作導葉傳動機構。接力器分段關閉時間由油管路上的分段關閉閥實現。接力器上設置有1個機械鎖錠裝置，在關閉位置鎖錠接力器以防止導葉被水沖開。鎖錠的投入靠自重落下，鎖錠的拔出通過在鎖錠缸下腔通入油壓來實現。接力器上還設置有行程傳感器，可將接力器行程信號轉換成電信號輸送給計算機。設有1個集油裝置用于可能的漏油收集。

2.11 尾水管裝配

尾水管分為錐管上段、錐管中段、錐管下段和肘管。錐管為圓形斷面，肘管為圓方形斷面。錐管上段一部分采用不銹鋼，其余尾水管部分采用碳鋼焊接。尾水管外部均焊有足夠強度的加強筋。

錐管上段進口端帶有法蘭，用螺栓與底環止漏環連接，錐管法蘭上還設有4個測量止漏環間隙的螺孔。錐管上段出口端也帶有法蘭，用螺栓與錐管中段連接。錐管中段高進口端帶有固定法蘭，用螺栓與錐管上段連接。尾水管錐管上設有1個方形密封進人門，進人門的繞軸及螺栓為不銹鋼，進人門下裝設壓力表和驗水閥門各1個。在尾水管進人門下方適當位置，設置了2個小門和一些孔用于搭接檢修平臺。置于尾水管內的可拆卸檢修平臺應能方便地從尾水管進人門裝入和拆出。

為了滿足轉輪下拆的需要，錐管中段與錐管下段采用伸縮節式法蘭聯接；同時在錐管中段上還設有特殊的支架，供安裝轉輪下拆工具用。

2.12 座環與蝸殼

座環采用平行式帶過渡板和導流環組焊結構，分為2瓣，每瓣分半面設臨時分瓣法蘭，分瓣法蘭采用螺栓把合，偏心銷定位，坡口封焊。流道內的分瓣法蘭在混凝土澆注后割去，但座環下部(也就是下拆廊道頂部)的分瓣法蘭應保留，其把合孔可以作為后期下拆轉輪的臨時吊攀孔。所有過渡板(除分瓣面處外)、導流板(除分瓣面處外)、舌板及蝸殼尾部20截面以后部分，均在廠內焊為一體。

座環上、下環板采用高強度抗層狀撕裂鋼板。固定導葉為23個，有3組不同的斷面形狀。在第1象限的3個固定導葉均鉆有自流排水孔。

蝸殼按不考慮與混凝土聯合受力的條件，且升壓水頭為300 m進行設計。蝸殼采用全圓斷面，在工地與座環過渡板直接掛裝，流道尺寸與模型全模擬。蝸殼尾部20截面以后各節和舌板，在廠內與座環焊在一起發貨。蝸殼其余各節單節發貨，工地焊接。蝸殼進口段廠內焊成兩段發貨，設2個湊合節。在蝸殼適當位置設置1個外開式進人門。首臺機蝸殼與座環在廠內進行預裝。蝸殼上部表面設置彈性墊層，在蝸殼末端設置排水管。

為了防止蝸殼在運輸中變形，提供足夠數量的槽鋼支撐在蝸殼內部。待工地蝸殼焊接完后，充水試驗前才能割除這些槽鋼。

2.13 主軸補氣裝置

為保證機組在部分負荷工況下的穩定運行，在發電機上端設置有中心孔補氣裝置。補氣通過軸系內孔延伸至轉輪上冠出口位置。補氣閥采用雙重閥結構。進口處分別采用兩根鋼管通過發電機上機架進入補氣閥。一根管子布置在靠近水箱底部位置作為排水管，另一根布置在靠近水箱上部位置作為補氣管用。在補氣管進口出設置一個消音器以消除補氣時的噪音。

在頂蓋上轉輪與導葉之間的無葉區預留6個迫補氣孔，以作為后期電站強迫補氣的備用。

3 結 語

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站水輪發電機組是目前東方電氣東方電機有限公司出口非洲裝機容量和轉輪直徑最大的機組，并且是國內設計和制造的轉輪直徑最大、重量最重的下拆機組。如何確保機組穩定安全運行、制造精度和剛強度、最大限度滿足外國業主要求，這給設計、制造、材料使用和計算分析等設計工作都帶來很大難度。依托以往設計制造經驗，查詢了大量國外技術文獻和標準，采用多學科的最新科研成果，通過對傳統結構、制造工藝的優化改進、創新設計，確保了機組的整體設計性能及制造質量。

吉布Ⅲ水電站全部10臺機組已于2016年9月9日完成發電，機組運行穩定、性能參數優異，各項技術經濟指標均滿足合同要求，其整體技術水平在國內外同類型中處于先進水平，部分技術國際領先，獲得外方的高度評價和肯定。中國駐埃塞俄比亞大使臘翊凡在吉布Ⅲ水電站投運慶典儀式上指出，吉布Ⅲ水電站項目作為中國在非洲最大的能源項目之一，是“東非水塔”變“電塔”的標志性工程，中國水電機組研制水平和承建能力在世界上再次得到檢驗。未來還需要為“一帶一路”沿線國家建設更多像吉布Ⅲ水電站一樣的精品工程，實現中國政府提出的互惠互利目標。

GIBE Ⅲ hydropower station in Ethiopia installs 10 hydroelectric generating sets within single capacity of 187 MW which are independently designed and manufactured by Dongfang Electric Machinery Co, Ltd. The design characteristics of the structure of Francis turbine in GIBE Ⅲ hydropower station are introduced in detail.

GIBE Ⅲ hydropower station; water turbine; structure

TM312

A

1003-6954(2017)06-0048-05

劉 鐘(1986)，工程碩士、工程師，從事水輪機設計工作。

2017-09-15)