石虎塘三、四葉片燈泡貫流式水輪機設計特點

陳美娟

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州300020）

1 概述

石虎塘航電樞紐工程水電站共安裝6臺燈泡貫流式水輪發電機組，其中1號、2號機轉輪為四葉片，3～6號機轉輪為三葉片，每臺機組的額定容量均為20MW，轉輪直徑均為7.1m。電站最高水頭10.92m，其中三葉片機組最大水頭為9m，極限最高水頭為10m。機組采用日本東芝公司優秀模型轉輪，并承擔水力設計、模型試驗、水力過渡過程分析計算等。

2 水輪機選型和水力設計

2.1 水輪機選型

招標文件對三、四葉片水輪機的轉速、轉輪直徑均作了指定，東芝公司對現有的相應模型轉輪進行了優化設計，以適應水輪機運行工況和范圍最優，滿足合同中各項性能指標。水輪機主要參數見表1。

根據我公司對水輪機選型經驗，三、四葉片水輪機的比轉速均在合理范圍內，額定工況點的單位流量也符合我公司的模型特性。

2.2 水力設計

2.2.1 機組流道優化

針對一個電站設計兩種類型機組的特殊性，考慮三、四葉片轉輪直徑相同，轉速不同，因此對水輪機流道進行了優化設計，選取了既適合三葉片又能滿足四葉片的機組流道，流道尺寸見圖1。

表1 水輪機主要參數表

圖1 機組流道圖

機組流道形狀主要有以下特點：

1）三、四葉片機組從流道進口到尾水管出口的全流道尺寸均完全相同。

2）除了因轉輪輪轂比不同而引起的轉輪體前端的錐段收縮率略有不同外，燈泡頭直徑相同，燈泡體外形尺寸基本相同。

兩種機組采用相同流道有利于機組同一化設計，在結構設計、零件制造、土建施工、安裝檢修、運行管理、節約成本等方面均得到很大的益處，有效地減少了電站的建設投資。

2.2.2 轉輪水力優化設計

根據石虎塘機組的特點分別對三、四葉片水輪機轉輪進行了水力優化設計。

1）考慮三葉片單個葉片承受水推力較大以及真機轉輪結構設計的可行性，葉片水力特性應滿足槳葉接力器容量設計需要等因素，對葉片型線進行了水力優化設計。三葉片機組具有轉輪直徑大、輪轂比小、使用水頭高等特點，真機轉輪結構設計綜合難度系數較高，增加了轉輪水力優化的難度。

2）為了使四葉片機組能獲取更優秀的水力性能，在原有轉輪葉片型線的基礎上進行了優化設計。通過轉輪模型試驗證明，四葉片機組各項性能指標均達到或超過了合同保證值。

2.2.3 導葉型線設計

三、四葉片水輪機相匹配的導葉翼形因水力特性差異較小，考慮導水機構結構設計的通用性和互換性，將6臺機組的導葉采用相同型線設計。同時，將三、四葉片的導葉最大轉角都選取85°，從水力設計上，為6臺機組導水機構通用性結構設計奠定了基礎。

3 水輪機結構特點

3.1 總體設計方案

機組支撐方式采用管形座上、下2根立柱為主支撐，發電機水平和垂直防振支撐為輔助支撐。上下立柱與混凝土剛性連接，承受水推力產生的彎矩和發電機轉矩。輔助支撐為彈性連接，主要承受燈泡體的重量、浮力和不平衡力以增加機組的穩定性。

機組軸系采用雙支點雙懸臂式結構，即采用發導軸承和水導軸承二支點，水輪機轉輪和發電機轉子均為懸臂式結構，此結構簡單、可靠、安裝調整方便、易于檢修維護。

水輪機在部件設計上做到結構簡化統一，專用工具、備品備件以及相配套的機組輔助設備、自動化元件配置等具有通用性和互換性，以方便今后電站的運行、維護管理，達到縮短設計、制造、施工的周期，降低電站投資，提高電站經濟效益。

3.2 轉輪

三、四葉片水輪機最大的結構區別在于轉輪設計，其中三葉片轉輪結構設計難度較大。三葉片轉輪輪轂比僅為0.3，運行水頭偏高，單個葉片承受的水推力比四葉片要大，而轉輪體內部布置的空間又比四葉片小，葉片、操作機構的強度以及槳葉接力器的容量均受到了限制。結構設計時采取加大葉片根部厚度和圓角，葉片軸套、聯接螺栓等部件采用高強度材料，在不加大轉輪輪轂比的條件下，滿足三葉片轉輪剛強度的設計要求，克服了三葉片轉輪結構設計上的困難。

三、四葉片轉輪均采用缸動結構，以利于機組穩定運行。葉片密封采用我公司成熟的多道“V”型密封。“V”型密封由彈簧和油壓雙重力使其張緊，既使長期運行過程中出現磨損也能保證與葉片保持較好密合。更換密封件時不需要拆下葉片，結構簡單方便。結構型式見圖2。

圖2 葉片密封結構

為了更大范圍地滿足三、四葉片轉輪專用工具、備品備件通用性和互換性，在結構設計方案上盡可能全盤考慮。轉輪接力器缸徑通過接力器容量計算確定為相同直徑，活塞密封可以做到互換。轉輪聯軸螺栓、葉片聯接螺栓采用相同規格的螺栓，可以減少液壓拉伸器的拉伸器頭規格。

根據三、四葉片轉輪結構特點，采用不同的靜平衡試驗工具，以獲取更高的試驗精度。三葉片轉輪采用傳統的剛性平衡球頭試驗工具，四葉片轉輪采用三支點負荷傳感器試驗工具。

轉輪運輸工具從結構設計上實現轉輪體、葉片運輸架在一個電站共用同一套工具，做到電站運輸工具重復利用，降低運輸成本。

3.3 導水機構

錐形導水機構設計較為復雜，它的設計、制造質量對整個燈泡貫流式機組的品質起到關鍵性作用。導水機構結構簡單、合理，尤其是工地安裝調整便捷，深受安裝單位的好評。三、四葉片機組除內導環的錐體尺寸不同外，外導環、活動導葉、控制環、內外導葉軸承、連桿機構所有對應的零部件均相同，具備可互換性。

導葉保護裝置采用每個連桿設置壓縮彈簧的方式，當導葉在關閉過程遇異物卡住時彈簧連桿動作，自動進行異物排除，然后彈簧自動復位，整個動作過程不損壞部件，方便電站的維護。

在導水機構控制環關閉側設有重錘關機裝置，當調速器系統出現故障或油壓消失時，導葉在重錘力矩和自關閉水力矩的共同作用下關閉，可以有效防止機組飛逸，確保機組安全運行。

3.4 主軸和水導軸承

兩種類型機組因轉輪體不同引起主軸長度、法蘭外徑等差異，經主軸強度計算，軸身直徑均取Φ950mm。通過對軸承負荷、油膜厚度的計算，三、四葉片機組水導軸承的軸承間隙可以取相同值，軸承及其備品、專用工具6臺機組均可通用。

水導軸承支撐方式采用剛性螺栓聯接，通過軸系靜態撓度計算，采用斜面間隙和定位軸套公差配合等設計手段，實現水導軸承適應主軸撓度變化。

水導軸承潤滑方式采用強制油外循環，并利用油冷卻器中管內循環水冷卻方式，這種型式廣泛應用于燈泡貫流式機組上。

3.5 主軸密封

根據電站水質特點，主軸工作密封和檢修密封采用我公司密封結構，工作密封采用梳齒和平板組合式結構，梳齒部分材質為不銹鋼，平板密封采用耐磨橡膠。在不拆除水導軸承的情況下，可以在燈泡體內直接進行調整或更換密封件。該結構簡單、安裝方便，尤其是不需要供給密封水，不用設置密封管路及自動化元件，減少了電站經濟投入，對電站今后檢修維護帶來了極大方便。主軸密封漏水靠自重通過管子排至集水井。主軸密封結構見圖3。

圖3 主軸密封結構

主軸檢修密封采用實心空氣圍帶式結構，電站使用效果良好。

三、四葉片機組主軸密封結構型式相同，除部分零件徑向尺寸存在差異外，主軸密封裝置中的所有密封件6臺機組可以通用和互換。

3.6 轉輪室和伸縮節

轉輪室采用鋼板模壓成形組焊而成，分上下2瓣，轉輪室球形部分和喉管部位整圈均采用不銹鋼制造，以防止空蝕和磨損的發生。

轉輪室與尾水管前錐段法蘭之間設置伸縮節，用以補償機組制造、安裝的誤差以及冷熱變化引起的軸向伸縮，也便于轉輪室的拆裝，伸縮量一般取20mm。

近幾年我公司對水輪機伸縮節漏水、壓環緊固螺栓剪斷進行了深入研究，認為造成伸縮節密封失效和失穩的原因是多方面的。研究發現三葉片機組出現上述情況的概率較大。從水輪機葉柵理論來說，三葉片轉輪由于葉片數較少，葉柵密度較小，導致轉輪過流能力增大，水輪機效率低于四葉片，單位水流動能和轉動慣量大于四葉片，從而使轉輪室振動值比四葉片大10%左右。根據三葉片機組特性，對石虎塘水輪機伸縮節結構進行了優化設計，避免了伸縮節部位易漏水、螺栓易剪斷的現象。

3.7 受油器

大中型燈泡貫流式機組的受油器一般采用3道浮動瓦結構，浮動瓦分別依托在受油器內外操作油管上，可以隨主軸振動而允許有稍微的移動，避免軸承瓦上的巴氏合金與轉軸發生咬死事故。浮動瓦兩端設有圓柱銷，防止浮動瓦隨轉軸轉動。但受油器因制造、安裝、運行工況等原因容易造成燒瓦、甩油現象，我公司總結以往機組經驗，對受油器結構進行優化設計，特別是受油器與來自調速器的二路高壓油管路聯接方式采用高壓軟管聯接，消除了管路剛性聯接時受油器座體易產生向上的拉力，避免受油器座體傾斜或移位而導致燒瓦、漏油，提高了受油器安裝質量。

4 水輪機大件吊裝特點

隨著大型燈泡貫流式機組設計、制造、安裝的技術水平不斷提高，水輪機大件工地起吊技術也日趨成熟。為了方便機組的安裝和維護管理，水輪機大件起吊工具按通用性要求進行了合理化設計。

4.1 導水機構整體翻身起吊

導水機構所有部件的組裝、調整、動作試驗均在安裝場內進行，不僅改善了安裝作業環境，同時縮短了安裝工期。導水機構整體翻身時必須做好有效的保護措施。組合工具是導水機構起吊工具的重要組成部件，三葉片機組除了增加組合工具與內導環之間的連接環外，其他輔助配套工具均可以通用。

4.2 主軸裝配整體起吊

主軸裝配包含導軸承和發電機組合軸承，組裝均在安裝場內進行，利用主軸吊具將主軸通過發電機吊物孔吊入機坑內，使用專用工具，將主軸移動到位。這種主軸裝配整體起吊技術成功應用于燈泡貫流式機組上，有利于提高軸承的安裝質量，減少機組的安裝工期。主軸整體起吊工具適用于三、四葉片機組。

4.3 轉輪整體起吊

轉輪整體起吊翻身采用先進的空中翻技術。轉輪在安裝場內完成葉片裝配、動作試驗、密封試驗后，安裝上特殊起吊工具，利用廠房橋機上的主鉤和輔助吊鉤，將倒置的轉輪吊起至半空中，在空中進行緩慢翻身，將轉輪調整到水平安裝位置，再緩慢將轉輪移到機坑內，實現轉輪與主軸聯接。三、四葉片轉輪整體起吊翻身技術完全相同。

5 機組運行管理

石虎塘水電站采用2臺四葉片水輪機和4臺三葉片水輪機組合模式，利用三葉片水輪機適用水頭低、過流量大，四葉片水輪機適用水頭相對較高、空化性能好、效率高特點，當枯水期水頭較高或汛期水頭較低時，電站通過合理調度，使三、四葉片水輪機各自發揮其最優性能，提高電站經濟效益。

電站機組臺數較多，且電站建成投產后很長時間將處于10.17m以下水頭運行，經計算分析，電站第3臺機組投入運行時，電站水頭約為9m，該水頭段已進入三葉片機組的合理運行范圍。為了確保三葉片水輪機安全可靠運行，機組在運行管理上采取以下措施：

（1）機組開機條件增加水頭判據，三葉片機組凈水頭大于10m不得開機；

（2）三葉片機組運行過程中通過監控系統對水頭進行判定，凈水頭達到9m時發報警信號，凈水頭達到10m時機組必須停機；

（3）三葉片機組最高水頭為9m，最高設計水頭為10m。凈水頭9m以上的水輪機空蝕保證按限定的最大出力以上運行時間不超過100h來考核，運行管理時須考慮三葉片機組在9m水頭以上的運行時間。

6 結語

石虎塘機組采用了我公司先進的設計和技術，三、四葉片燈泡貫流式機組同時“安家”到一個電站里，在國內也是首例，其設計思路和運行方式為今后類似電站的設計提供寶貴的經驗。迄今為止，石虎塘三、四葉片機組均安全穩定運行，各項性能指標良好。