高水頭大容量臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)的設(shè)計介紹

蔣坤臣，袁真洪

（杭州睿博水電科技有限公司，浙江 杭州 311215）

1 概述

米西庫尼水電站位于玻利維亞科恰班巴市，電站裝設(shè)3臺單機(jī)容量為42.8 MW的臥式兩噴嘴沖擊式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)由挪威睿博有限公司提供，杭州睿博水電科技有限公司負(fù)責(zé)具體設(shè)計，部分部件在杭州工廠制造，3臺機(jī)分別于2017年的第三季度投入商業(yè)運(yùn)行，根據(jù)電站實際效率試驗，第一臺機(jī)加權(quán)效率為91.88%，第二臺機(jī)加權(quán)效率為92.20%，第三臺機(jī)效率試驗為91.93%。

總所周知，傳統(tǒng)的臥式水輪機(jī)組容量小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，多用于小型水電站。而沖擊式機(jī)組的特點是由多個噴嘴同時或部分噴嘴為轉(zhuǎn)輪提供動能，這使得機(jī)組運(yùn)行范圍相比混流式機(jī)組更廣，尤其適合高水頭、小流量的水電站使用。隨著水輪機(jī)設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)也可以做出高效率大容量的設(shè)計。米西庫尼電站采用了睿博有限公司先進(jìn)的臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)組，特點是運(yùn)行范圍廣、使用水頭高、容量大、高效率寬。

本文對米西庫尼高水頭大容量臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)的主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等進(jìn)行簡單介紹，以及對引水彎管、機(jī)殼、轉(zhuǎn)輪、噴嘴等主要部件的設(shè)計特點進(jìn)行分析闡述。

2 水輪機(jī)主要參數(shù)

1）機(jī)組安裝高程

最大洪水位： 3 780.40 m

最大水位： 3 774.00 m

額定水位： 3 763.00 m

機(jī)組運(yùn)行最低水位： 3 725.00 m

水輪機(jī)安裝高程： 2 738.50 m

2）機(jī)組主要參數(shù)

最大洪水位水頭： Hf=1 041.90 m

最大水頭： Hmax=1 035.50 m

額定水頭： Hr=1 024.50 m

最小水頭： Hmin=986.50 m

升壓水頭： Hdes=1 234 m

試驗水頭： Htest=1 856 m

最大出力： Pmax=45.0 MW

額定出力： Pr=42.8 MW

額定轉(zhuǎn)速： n=600 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速： nr=1 078 r/min

3 臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)總體布置

圖1 米西庫尼電站沖擊式水輪機(jī)總布置圖

米西庫尼電站沖擊式水輪機(jī)總的布置圖，如圖1所示，從水輪機(jī)開始設(shè)計之初，設(shè)計者充分考慮了電站廠房布置，機(jī)組的安裝、拆卸和維護(hù)的可靠性和便捷性。

米西庫尼電站水輪機(jī)為高水頭大容量臥式?jīng)_擊式機(jī)組，3臺機(jī)組水平布置在電站廠房內(nèi)，廠房布局緊湊，減少建設(shè)廠房的工作量。水輪機(jī)本體主要由引水彎管、機(jī)殼、噴嘴和轉(zhuǎn)輪等部件組成。

4 臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)主要部件分析

4.1 引水彎管

引水彎管是沖擊式水輪機(jī)重要的過流部件，主要作用是將上游壓力鋼管和下游噴嘴連接起來；米西庫尼水輪機(jī)引水彎管由叉管，上彎管和下彎管三部分組成，如圖1左側(cè)部分所示。進(jìn)口叉管部份埋設(shè)在混凝土墻中，叉管進(jìn)口設(shè)有推力法蘭，用以承受上游水推力。上彎管和下彎管分別以法蘭形式與叉管和噴嘴把合，并可以單獨拆卸，這種結(jié)構(gòu)布置非常方便機(jī)組的安裝、拆卸和維護(hù)。

引水彎管按ASME VIII壓力容器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計壓力達(dá)12.3 MPa。鋼管采用壓力容器鋼板Q345R，卷制后焊接制造而成，材料抗拉強(qiáng)度大于500 MPa,屈服強(qiáng)度大于325 MPa,零度沖擊功不低于60 J；叉管的中心分叉板采用Z25級抗撕裂鋼板；法蘭采用低溫性能優(yōu)異的16 MnD材料整體鍛造而成；兩種材料均為含碳量低的合金鋼，焊接性能優(yōu)異。

引水彎管的制造，首先將檢驗合格的鋼板按圖紙尺寸要求下料，開X型焊接坡口，卷制成型后焊接，然后將管子和法蘭按圖紙要求裝配并焊接。焊接完成對焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢查，且對所有縱向焊縫和T型焊縫進(jìn)行射線探傷檢查；焊縫合格后，進(jìn)行熱處理消除焊接引起的殘余應(yīng)力，熱處理溫度控制在570～590℃，熱處理時間2.5 h，熱處理后重新探傷檢查是否有由于熱處理原因而引起的焊縫裂紋等缺陷；復(fù)檢合格后加工連接法蘭面，鉆連接螺栓孔。

叉管、上彎管和下彎管整體裝配后進(jìn)行壓力試驗，以便消除殘余應(yīng)力和檢查焊縫及密封是否有任何泄漏現(xiàn)象，試驗壓力按設(shè)計壓力的1.5倍進(jìn)行試驗，約18.5 MPa,最高壓力試驗1 h，檢查無任何泄漏等情況，符合設(shè)計要求。

4.2 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核心部件，是將水的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的工具。沖擊式水輪機(jī)的特點是水頭高，水流速度快，轉(zhuǎn)輪水斗受動態(tài)應(yīng)力影響，水斗根部疲勞破壞的風(fēng)險大，因此，高水頭沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計也很重要。

沖擊式轉(zhuǎn)輪設(shè)計時應(yīng)重點考慮以下幾個方面：

a.在可接受的空蝕和磨蝕范圍內(nèi)提高轉(zhuǎn)輪水力效率。

b.運(yùn)行期間內(nèi)控制水斗的工作應(yīng)力。

c.改進(jìn)真機(jī)轉(zhuǎn)輪計算機(jī)輔助加工技術(shù)(CAM)以達(dá)到高精度和一致性。

米西庫尼水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計時，充分考慮了上面幾點的因素，沖擊式水輪機(jī)運(yùn)行范圍大，特別考慮了轉(zhuǎn)輪水斗的疲勞問題；從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料、制造質(zhì)量控制和檢查都是保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

米西庫尼水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用22個水斗的結(jié)構(gòu)，直徑為2 655 mm，如圖2。采用歐標(biāo)X3CrNiMo13-4材料整體鍛造。該材料具有良好的鍛造性，鍛造材料可保證鍛件內(nèi)部材質(zhì)致密，內(nèi)部晶粒細(xì)化，并能達(dá)到最大的強(qiáng)度和一致性。轉(zhuǎn)輪制造時，首先整體鍛造成一個簡單規(guī)整的圓環(huán)，因為鍛造簡單的幾何形狀可以使轉(zhuǎn)輪的關(guān)鍵部位（如水斗根部、分水刃的內(nèi)部和水斗的進(jìn)口部分）的材質(zhì)質(zhì)量得到改善，減少內(nèi)部缺陷，降低補(bǔ)焊風(fēng)險，同時也使嚴(yán)格的UT檢查得到執(zhí)行。粗加工后對鍛件進(jìn)行超聲波探傷檢查。如發(fā)現(xiàn)缺陷及時修補(bǔ)，或在加工時有意將其布置在水斗與水斗之間的空隙部位以使缺陷能加工去除。在經(jīng)過熱處理后的鍛件上取本體試樣做機(jī)械性能試驗，各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求后方可轉(zhuǎn)入下一步工序。

米西庫尼轉(zhuǎn)輪采用目前比較先進(jìn)的加工工藝，全數(shù)控加工水斗形狀，數(shù)控加工不僅能保證每個水斗的位置準(zhǔn)確，還能保證每個水斗的幾何尺寸一致，在確保機(jī)組性能的同時，還能增強(qiáng)機(jī)組的穩(wěn)定性。加工后對水斗表面進(jìn)行嚴(yán)格的磁粉探傷檢查；水斗的幾何尺寸可采用樣板和三維測量儀雙重檢查，都應(yīng)符合IEC60193的要求。

轉(zhuǎn)輪最終精加工后做靜平衡試驗，按ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)，6.3級標(biāo)準(zhǔn)驗收。

轉(zhuǎn)輪與發(fā)電機(jī)主軸法蘭采用螺栓連接，摩擦力矩傳遞扭矩，螺栓采用液壓工具拉伸擰緊，結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。

圖2 沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

4.3 噴嘴

噴嘴是裝在沖擊式水輪機(jī)壓力管道末端的一個圓錐型收縮管裝置，將壓力管道內(nèi)的高壓水轉(zhuǎn)變成高速射流，切向沖擊轉(zhuǎn)輪水斗，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功，噴嘴可根據(jù)機(jī)組負(fù)荷需要調(diào)節(jié)流量做功，滿足不同的發(fā)電需求。

米西庫尼水輪機(jī)采用雙噴嘴布置，分上噴嘴和下噴嘴（如圖1），2只噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，為防止轉(zhuǎn)輪上的水干擾下噴嘴工作，特在下噴嘴上設(shè)置了1個擋水罩。2只噴嘴可以同時工作，也可根據(jù)需要單獨工作。噴管采用接力器內(nèi)置結(jié)構(gòu)，提高了高速水流的平順性。

噴嘴通過螺栓與機(jī)殼和彎管法蘭連接，中間設(shè)置調(diào)節(jié)法蘭，裝配時根據(jù)需要加工調(diào)節(jié)法蘭。當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行，負(fù)荷發(fā)生小量變化時，由調(diào)速器控制噴針接力器緩慢啟閉噴針，滿足調(diào)節(jié)負(fù)荷的需要。當(dāng)負(fù)荷大幅增加時，同樣依靠調(diào)速器直接調(diào)節(jié)噴針接力器迅速開啟噴針，滿足負(fù)荷調(diào)整需求。但當(dāng)負(fù)荷大幅減少時，為避免壓力鋼管中產(chǎn)生較大的水錘，防止噴針快速關(guān)閉，此時需調(diào)速器啟動折向器，迅速切入射流，射流被折向器擋住，不再沖到水斗上，避免發(fā)生飛逸。

噴嘴內(nèi)部設(shè)置平衡彈簧，平衡彈簧的作用是抵消壓力水作用于噴針頭部朝關(guān)閉方向的軸向水推力，同時，當(dāng)油壓失效時，依靠平衡彈簧的作用，噴針可自行關(guān)閉，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

噴嘴按壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，既承受中心油缸的油壓，也承受流道內(nèi)的高壓水壓力，噴管本體、噴針、噴嘴頭和折向器等主要過流部件都采用高強(qiáng)度不銹鋼材料制造，以增強(qiáng)噴嘴的抗泥沙磨損能力。

噴嘴裝配后需做功能性試驗，檢查噴針的動作情況。同時需做水和油的壓力試驗，檢查焊縫和密封是否滿足設(shè)計要求，不得有任何泄漏情況發(fā)生。

4.4 機(jī)殼

機(jī)殼的作用是把經(jīng)轉(zhuǎn)輪做功后排出的水引到尾水渠內(nèi)。由于噴嘴固定在機(jī)殼上，機(jī)組運(yùn)行時，機(jī)殼會承受噴嘴的反向作用力，因此要求機(jī)殼具有良好的強(qiáng)度、剛度和耐振性。米西庫尼下機(jī)殼埋設(shè)在混凝土內(nèi)，機(jī)殼受力相對簡單。

米西庫尼水輪機(jī)機(jī)殼由Q345B鋼板焊接制造而成，由于機(jī)殼尺寸大，在殼體外側(cè)焊接充足的肋板，增加機(jī)殼的強(qiáng)度和剛度，避免機(jī)組運(yùn)行時受力而變形。

上下兩部分機(jī)殼由螺栓連接在一起，目的是在不拆卸發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的情況下可以拆卸和安裝轉(zhuǎn)輪。

上機(jī)殼上設(shè)置一個自動補(bǔ)氣口，機(jī)殼內(nèi)設(shè)置一個主軸密封，避免水通過機(jī)組主軸流到機(jī)殼外面。

為方便檢修轉(zhuǎn)輪和噴嘴，下機(jī)殼上設(shè)置一個800 mm×1 000 mm的進(jìn)人門，并在機(jī)殼內(nèi)部設(shè)置一個固定的檢修平臺，檢修平臺采用鋼板焊接成柵格狀，不影響機(jī)組的排水。

機(jī)殼加工完成后，有條件時，與引水彎管和噴嘴進(jìn)行廠內(nèi)預(yù)裝，確保各部分幾何尺寸符合設(shè)計要求，減少工地調(diào)整工作量。

5 小結(jié)

本文重點介紹了我公司設(shè)計生產(chǎn)的米西庫尼臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)的主要參數(shù)和主要部件的結(jié)構(gòu)特點，米西庫尼水輪機(jī)具有運(yùn)行水頭高、單機(jī)出力大、轉(zhuǎn)速高、效率高和運(yùn)行穩(wěn)定等特點，該項目機(jī)組的成功運(yùn)行表明臥式?jīng)_擊式機(jī)組朝大型化方向發(fā)展的可行性。隨著水力資源的進(jìn)一步開發(fā)，此類高水頭大容量臥式?jīng)_擊式機(jī)組將逐步成為選型的熱點，我公司已成功設(shè)計生產(chǎn)多臺套類似機(jī)組并成功運(yùn)行。相比于相同容量的立式?jīng)_擊式水輪發(fā)電機(jī)組，臥式大容量水輪發(fā)電機(jī)組可以大大降低土建和廠房構(gòu)建成本。當(dāng)然對大容量臥式機(jī)組而言，對設(shè)計制造提出了很高的技術(shù)要求和質(zhì)量控制要求。隨著水電技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們也將提供更多優(yōu)質(zhì)高效的高水頭沖擊式機(jī)組服務(wù)于水電市場。