金沙水電站水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

唐 容 文， 黃 剛， 黃 小 川， 謝 纓

(四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617068)

1 概 述

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，下距攀枝花中心城區(qū)10.3 km，控制流域面積25.89萬km2，多年平均流量1 870 m3/s，具有日調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量為4×140 MW ，多年平均發(fā)電量25.07億kW·h。電站以兩回220 kV電壓等級(jí)接入電力系統(tǒng)。電站按無人值班(少人值守)設(shè)計(jì)，計(jì)劃首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間為2020年6月30日。

天津阿爾斯通公司于2016年1月通過競標(biāo)獲得了金沙水電站4臺(tái)140 MW水輪機(jī)制造合同。水輪機(jī)參數(shù)：最大水頭26 m，額定水頭16.8 m，最小水頭8 m；額定轉(zhuǎn)速57.7 rpm，飛逸轉(zhuǎn)速178 rpm；轉(zhuǎn)輪直徑為10.65 m；額定出力142.9 MW；額定流量937 m/s；允許吸出高度Hs為-8.82 m；最高效率為96.09% 。

2 水力設(shè)計(jì)情況

該水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)由美國通用公司(GE)可再生能源水電技術(shù)中心完成，水輪機(jī)模型試驗(yàn)于2017年4月在GE實(shí)驗(yàn)室完成。

GE對(duì)該水輪機(jī)主要過流部件進(jìn)行了全面的流體動(dòng)力分析，全面研究了其能量特性、空化特性及水力穩(wěn)定性等。

2.1 蝸殼設(shè)計(jì)

蝸殼設(shè)計(jì)主要是以蝸殼進(jìn)口、機(jī)組中心線與蝸殼軸線的距離為基礎(chǔ)，其目的是獲得一個(gè)合適于所用蝸殼出口的水力角度常數(shù)和每個(gè)雙列葉柵流道近似的流量。

計(jì)算結(jié)果表明：蝸殼的水力設(shè)計(jì)與其高水平的效率保證相適應(yīng)。

2.2 雙列葉柵

固定導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)是由水力約束和機(jī)構(gòu)約束折中的。從水力設(shè)計(jì)角度考慮，希望得到合適于進(jìn)口流態(tài)的設(shè)計(jì)，從而在其出口邊獲得一個(gè)與流量對(duì)應(yīng)的、正確的水力角度和最小的水頭損失。從機(jī)械設(shè)計(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)取決于項(xiàng)目特點(diǎn)(主要是水頭范圍、過壓等)。

從流速場分布圖(圖1)可以看出，雙列葉柵中的流動(dòng)特性是優(yōu)良的，且無明顯脫流。

圖1 流速場分布圖

2.3 轉(zhuǎn) 輪

轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的目的是得到與整個(gè)水輪機(jī)運(yùn)行范圍相匹配的幾何尺寸(效率、空蝕、飛逸、穩(wěn)定性和機(jī)械特性)，依靠數(shù)字模擬來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。計(jì)算域簡化為周期條件下的一個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉流道和一個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片流道。

轉(zhuǎn)輪的最小水頭損失對(duì)應(yīng)于適當(dāng)?shù)膎11值(120～130 r/min，對(duì)應(yīng)于真機(jī)水頭22～26 m)。此外，該水頭損失值與金沙項(xiàng)目的水頭損失值相當(dāng)，其效率水平很高。就尾水管而言，水頭損失很小，其流態(tài)正常(對(duì)于給定的水頭，其水頭損失隨流量增加而增大)。

通過模擬計(jì)算，證實(shí)了水輪機(jī)效率滿足保證值，轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)滿足空化要求。同時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口的流速分布也得以確定。

3 模型試驗(yàn)

根據(jù)CFD模擬后定義的水力設(shè)計(jì)進(jìn)行了模型水輪機(jī)的制造，在GE位于格勒諾布爾的試驗(yàn)室進(jìn)行了初步試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)，并在瑞士洛桑試驗(yàn)室進(jìn)行了二次驗(yàn)收試驗(yàn)。

根據(jù)合同，模型試驗(yàn)內(nèi)容包括：水輪機(jī)效率試驗(yàn)、出力試驗(yàn)、飛逸試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)、水推力試驗(yàn)、蝸殼差壓測流以及導(dǎo)葉和槳葉水力矩試驗(yàn)。

3.1 效率和出力試驗(yàn)

效率試驗(yàn)在電站空化系數(shù)下進(jìn)行，試驗(yàn)水頭為8 m。試驗(yàn)工況點(diǎn)覆蓋整個(gè)運(yùn)行范圍，試驗(yàn)結(jié)果如下：

各個(gè)水頭下的出力均超過保證出力，且8～13 m水頭下的出力裕度均不小于8%。

模型最高效率為93.77%，滿足保證值。

真機(jī)加權(quán)平均效率為94.27%，超過保證值94.16%。

3.2 空化試驗(yàn)

空化試驗(yàn)包括確定空化裕度及進(jìn)口空化的觀測。

(1)進(jìn)口空化觀測。進(jìn)口空化觀測在電站空化系數(shù)下進(jìn)行。在4個(gè)槳葉開度下，不斷減小單位轉(zhuǎn)速n11直至觀測到兩個(gè)葉片同時(shí)出現(xiàn)可見附著氣泡。

(2)空化裕度。出口空化系數(shù)參照點(diǎn)為轉(zhuǎn)輪中心線高程，對(duì)相應(yīng)真機(jī)的七個(gè)水頭進(jìn)行了試驗(yàn)，所選擇的七個(gè)水頭覆蓋了機(jī)組整個(gè)運(yùn)行范圍。為了確定出口空化限制，在恒定轉(zhuǎn)速、水頭和導(dǎo)葉開度下通過改變下游水箱壓力進(jìn)行試驗(yàn)。在σ遞減條件下，測量其效率、流量和出力。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在所有水頭下的最大出力工況下，電站裝置空化系數(shù)與初生空化系數(shù)之比有很大余量，因此，在保證運(yùn)行水頭范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)其最低尾水位真機(jī)轉(zhuǎn)輪將不會(huì)發(fā)生任何出口空化。

3.3 飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)水頭為2 m。試驗(yàn)在高空化系數(shù)下進(jìn)行，同時(shí)測定空化系數(shù)對(duì)飛逸轉(zhuǎn)速的影響，試驗(yàn)結(jié)果如下：

真機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速為134.59 r/min，低于保證值178 r/min。

3.4 壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

壓力脈動(dòng)通過尾水管內(nèi)、蝸殼內(nèi)、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前內(nèi)頂蓋上的傳感器進(jìn)行測量。所記錄的信號(hào)使用頻譜分析儀進(jìn)行分析(漩渦流的低頻率)后進(jìn)行處理。

試驗(yàn)在電站裝置空化系數(shù)下、不同導(dǎo)葉開度及槳葉開度、3個(gè)水頭下進(jìn)行。

在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，壓力脈動(dòng)滿足合同保證值(除了最小水頭壓力脈動(dòng)的測量受進(jìn)口空化干擾)。

另外，在模型試驗(yàn)中，還對(duì)導(dǎo)葉及槳葉水力矩、蝸殼差壓測流等進(jìn)行了試驗(yàn)。

3.5 水推力試驗(yàn)

在模型試驗(yàn)中，對(duì)軸向水推力特性進(jìn)行了測定，測量在裝置空化系數(shù)下、不同導(dǎo)葉和槳葉開度最不利流量條件下(包括飛逸)進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果如下：

對(duì)于協(xié)聯(lián)工況，最大的真機(jī)水推力 15 187.46 kN 出現(xiàn)在在最大水頭下。

在飛逸工況下，最大真機(jī)水推力 19 170.5 kN 出現(xiàn)在最大水頭下。

其數(shù)值均滿足合同保證值。

綜上所述，金沙水電站水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)是成功的，其代表了當(dāng)今世界先進(jìn)水平。

4 機(jī)械設(shè)計(jì)特點(diǎn)

水輪機(jī)為立軸軸流式，彎肘型長尾水管。從發(fā)電機(jī)頂部俯視，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針。機(jī)組主要由座環(huán)、蝸殼、機(jī)坑里襯、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、主軸、轉(zhuǎn)輪、水導(dǎo)軸承、主軸密封、接力器、尾水管等構(gòu)成。

4.1 座 環(huán)

座環(huán)結(jié)構(gòu)型式為支柱式，每個(gè)固定導(dǎo)葉均為單獨(dú)的零件，上環(huán)板分為6瓣，固定導(dǎo)葉數(shù)量為15個(gè)(含舌板)。上環(huán)板為(Q345B+S355J2G3)鋼板，固定導(dǎo)葉為Q345B鋼板。

座環(huán)作為水輪機(jī)的主支撐，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受所有通過其傳遞的荷載，包括傳遞到座環(huán)上的發(fā)電機(jī)的重量和水輪機(jī)重量在內(nèi)的機(jī)械荷載、水力荷載、蝸殼最大內(nèi)水壓力和土建結(jié)構(gòu)荷載。

固定導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)考慮了彎矩的影響和軸向負(fù)荷與固定導(dǎo)葉橫斷面重心之間偏心的影響。固定導(dǎo)葉為流線形，與模型相似。

座環(huán)設(shè)計(jì)成采用地腳螺栓固定在混凝土內(nèi)。座環(huán)與頂蓋、底環(huán)連接的法蘭在現(xiàn)場進(jìn)行了全接觸面加工。

4.2 蝸 殼

蝸殼為“T”型(不對(duì)稱梯形斷面)混凝土蝸殼，護(hù)襯至X-X軸線16 m處，蝸殼的進(jìn)水口設(shè)2個(gè)中墩，蝸殼包角為215°左右。蝸殼流道尺寸與模型流道尺寸相似。蝸殼采用Q235鋼板制作。

蝸殼設(shè)有1個(gè)直徑為800 mm的內(nèi)開式進(jìn)人門以便于檢修。蝸殼在工地預(yù)裝并焊接。

為便于排出流道和蝸殼內(nèi)的積水，在蝸殼最低高程處設(shè)置了1套直徑為800 mm的盤形閥，積水經(jīng)排水閥、管道排至尾水管。

排水閥采用油壓操作，配2套操作盤型閥的移動(dòng)式電動(dòng)油泵系統(tǒng)供蝸殼和尾水管排水閥操作用，并能夠適應(yīng)廠房內(nèi)的各臺(tái)機(jī)組。

4.3 機(jī)坑里襯

機(jī)坑里襯為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，材料為Q235，里襯鋼板的厚度為20 mm，靠近座環(huán)的部位厚度為30 mm。機(jī)坑里襯上部內(nèi)徑為15 200 mm，下部內(nèi)徑為15 500 mm。機(jī)坑照明燈采用直接布置在機(jī)坑壁上的布置方式(機(jī)坑壁不開孔)。

4.4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的功能是形成和改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪水流的環(huán)量，使轉(zhuǎn)輪具有良好的水力特性；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)同時(shí)具有調(diào)節(jié)流量進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)組出力的作用；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)可以在各種工況下關(guān)閉導(dǎo)葉，封閉水流，停止機(jī)組。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由頂蓋、支持蓋、底環(huán)、轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)葉和導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)、真空破壞閥組成。第一臺(tái)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在工廠預(yù)裝。

(1)頂蓋和支持蓋。

頂蓋和支持蓋采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，頂蓋分4瓣，支持蓋分2瓣，整體具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠安全、可靠地承受包括推力支架傳遞的推力負(fù)荷、最大水壓力、真空壓力、最大水壓脈動(dòng)、各種軸向和徑向力、轉(zhuǎn)輪上抬力和所有其他作用在其上面的力；還能夠支承導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軸承、主軸密封和其他部件，并且在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)不產(chǎn)生過大的振動(dòng)和有害的變形。

頂蓋設(shè)有法蘭，外法蘭用螺栓和定位銷連接到座環(huán)的法蘭上，內(nèi)法蘭用螺栓和定位銷與支持蓋連接，并設(shè)有用于拆卸頂蓋時(shí)頂起頂蓋的螺栓螺孔。

(2)底 環(huán)。

底環(huán)采用鋼板焊接或鑄焊結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。在滿足運(yùn)輸要求的條件下，底環(huán)分為4瓣。

底環(huán)能安全、可靠地支承最大水壓力和所有作用在其上的其他負(fù)荷而不產(chǎn)生有害的變形。

(3)導(dǎo)葉和導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)。

導(dǎo)葉為鍛焊中空結(jié)構(gòu)，三支點(diǎn)，24個(gè)。導(dǎo)葉體采用不銹鋼板00Cr13Ni5Mo卷焊制造，并焊接到鍛鋼的導(dǎo)葉軸上。導(dǎo)葉體高3 895.6 mm。在頂蓋和底環(huán)的抗磨板上設(shè)置可拆卸、可更換的導(dǎo)葉密封。

每個(gè)導(dǎo)葉采用3個(gè)自潤滑導(dǎo)軸承支承，一個(gè)在底環(huán)，另外2個(gè)在頂蓋中。導(dǎo)葉軸上部設(shè)置1個(gè)可調(diào)整的自潤滑推力軸承以承受導(dǎo)葉的重量并阻止任何作用在導(dǎo)葉上向上或向下的水推力。

導(dǎo)葉保護(hù)裝置采用剪斷銷結(jié)構(gòu)。

控制環(huán)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，分2瓣。控制環(huán)把接力器的操作力和力矩同時(shí)均勻地分配給所有導(dǎo)葉，并與接力器推拉桿以及所有的導(dǎo)葉連桿和銷相連接。

(4)轉(zhuǎn)輪室。

轉(zhuǎn)輪室主要采用不銹鋼板06Cr19Ni10材料制造，分4瓣。轉(zhuǎn)輪室具有足夠的強(qiáng)度和剛度，加工完成后的最小壁厚不小于35 mm。轉(zhuǎn)輪室外壁配有足夠的加強(qiáng)筋、安裝調(diào)整用的拉緊器、支撐等，為保證轉(zhuǎn)輪室能與混凝土結(jié)合牢固，還需配置足夠數(shù)量的錨筋。

(5)真空破壞閥。

支持蓋上設(shè)有8個(gè)真空破壞閥，真空破壞閥的設(shè)計(jì)需保證動(dòng)作靈活、可靠、不漏水、進(jìn)氣量大。

4.5 主 軸

水輪機(jī)主軸為中空結(jié)構(gòu)，供槳葉接力器操作油管通過。水導(dǎo)軸承處采用帶軸領(lǐng)結(jié)構(gòu)，與電機(jī)軸和轉(zhuǎn)輪采用外法蘭連接，材料為鍛鋼20SiMn。主軸外徑為1 800 mm。

水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組合的主軸臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算考慮了水輪機(jī)的剛度、水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的軸承支座及其位置、發(fā)電機(jī)的尺寸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，所計(jì)算的臨界轉(zhuǎn)速比最大飛逸轉(zhuǎn)速高25%以上。

4.6 轉(zhuǎn) 輪

轉(zhuǎn)輪由輪轂及5只轉(zhuǎn)角可調(diào)的槳葉(葉片)、槳葉操作接力器、操作機(jī)構(gòu)、泄水錐等組成。接力器及操作機(jī)構(gòu)設(shè)在輪轂內(nèi)。 轉(zhuǎn)輪和主軸采用法蘭螺栓聯(lián)接。

輪轂采用ZG20SiMn整體鑄造，表面(槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)范圍)堆焊不銹鋼。

槳葉操作機(jī)構(gòu)采用缸動(dòng)結(jié)構(gòu)。連桿、拐臂操作需保證正常、不會(huì)產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象。槳葉接力器按額定操作油壓6.3 MPa設(shè)計(jì)。接力器及操作機(jī)構(gòu)在輪轂內(nèi)的布置方式以便于裝配和檢修為準(zhǔn)。

槳葉采用ZG04Cr13Ni4Mo不銹鋼精鑄制造，經(jīng)五軸數(shù)控機(jī)床加工而成。葉片外緣設(shè)抗空蝕裙邊，葉片的內(nèi)端側(cè)加工成與輪轂良好配合的球形并使輪轂與葉片的間隙減至最小。槳葉與輪轂間有可靠的密封。

泄水錐用螺栓連接在輪轂的下端，拆卸泄水錐和端蓋后可檢修輪轂內(nèi)部的槳葉操作機(jī)構(gòu)。

4.7 導(dǎo)軸承

水輪機(jī)導(dǎo)軸承為稀油潤滑、具有巴氏合金表面的分塊瓦、自潤滑軸承。

導(dǎo)軸承由分塊的軸瓦、軸瓦支承、帶油槽的軸承箱、箱蓋和附件組成。

冷卻器可布置在油槽中。

水輪機(jī)在各種連續(xù)運(yùn)行工況下，其由稀油潤滑的導(dǎo)軸承的軸瓦最高溫度不超過70 ℃；油的最高溫度不超過65 ℃。

4.8 主軸密封

水輪機(jī)主軸的密封采用靜壓自調(diào)節(jié)式密封，置于導(dǎo)軸承下方。主軸工作密封副采用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)型式在已運(yùn)行的同類型水輪機(jī)中被證明是可靠的。工作密封為自補(bǔ)償型，在整個(gè)使用期間對(duì)磨損后的密封間隙可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

主軸檢修密封位于工作密封下，采用壓縮空氣充氣的圍帶橡膠密封結(jié)構(gòu)。機(jī)組檢修長時(shí)間停機(jī)時(shí)，圍帶內(nèi)需充入壓縮空氣。

4.9 尾水管

尾水管型式為彎肘型，水平擴(kuò)散段設(shè)有2個(gè)中墩。尾水管里襯為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，金屬尾水管里襯自轉(zhuǎn)輪室下部開始延伸至肘管出口與擴(kuò)散段進(jìn)口連接斷面處，里襯上部有1 000 mm長的不銹鋼段，厚35 mm，其余為Q235碳鋼。

在錐管段設(shè)有1個(gè)凈尺寸為寬800 mm，高1 000 mm的密封進(jìn)人門，在擴(kuò)散段設(shè)有1個(gè)直徑為800 mm的密封進(jìn)人門。

在尾水管最低點(diǎn)設(shè)置了2套直徑為800 mm的盤形閥，該閥包括油壓操作機(jī)構(gòu)、鎖錠、軸、軸套、軸封、軸座、閥門、閥座、排水箱里襯、基礎(chǔ)螺栓、攔污柵及其他附件。排水閥采用油壓操作，2套操作盤型閥的移動(dòng)式電動(dòng)油泵系統(tǒng)供蝸殼和尾水管排水閥操作用，并能夠適應(yīng)廠房內(nèi)的各臺(tái)機(jī)組。

4.10 機(jī)坑環(huán)形吊車

水輪機(jī)坑設(shè)有1套電動(dòng)環(huán)形吊車。吊車有效荷載為5 t，用于更換導(dǎo)軸承零件、接力器零件、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)零件等。

5 結(jié) 語

GE公司從水輪機(jī)模型設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)、選型到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各部件的強(qiáng)度、剛度計(jì)算均采用目前世界上最先進(jìn)的技術(shù)，確保了機(jī)組獲得最好的性能指標(biāo)。