维普资讯 http://www.cqvip.com 《东方电机｝２００６年第５期 喜河水电站水轮机结构设计 林洪德张利民李晓光 摘要本文介绍了喜河水电站３台６０ＭＷ轴流转桨式水轮机主要结构设计 的特点。 关键词 喜河水电站转桨式水轮机结构设计 ａｉｎ 飞逸转速（非协联工况） ２７５ ，ｒ１ 引 言 喜河水电站位于陕西省安康市石泉县 与汉阴县交界处，紫（阳）石（泉）公路从坝 址右岸通过，坝址距上游石泉县城公路里程 为４２．３ｋｍ，距西安市公路里程为３０２ｋｉｎ。 上、下游分别为已建成的石泉水电站和安康 水电站，电站安装３台６０ＭＷ轴流转桨式水 额定流量 机组旋转方向 ２６９．３２ｍ。／ｓ 俯视顺时针 ３２２．３８ｍ ７７００ｋＮ 水轮机安装高程 轴向水推力 ３水轮机结构设计特点 ＺＺＤ３９４一ＬＤ－５８０轴流式水轮机由埋 人部分、导水机构、主轴装配、转轮装配、轴 承装配、密封装配、受油器装配、接力器装 配，以及油、水、气管路和工具部分等组成。 水轮机剖面图如图１所示，水轮机平面图 见图２。 轮发电机组，年平均发电量为４．８７８亿 ｋＷｈ。机组从２００３年９月开始进行结构方 案设计，至２００４年５月底完成全部设计。 ２００６年６月３０日， １机组完成电站７２ｈ试 运行，交付电厂进行商业运行。从运行情况 的性能参数来看，机组满足各项设计ｌ生能指 标，得到用户的好评０＃２机预计在２００６年９ 月底发电， ３机预计在２００６年ｌ２月发电。 ３．１ 埋入部分 ３．１．１ 尾水管 尾水管为弯肘形，底板高程３０６．１８ｍ。 尾水管出口总宽１７ｍ，设有一个２．５ｍ宽的 中墩。 ３．１．２ 座环 ２水轮机基本参数 水轮机型号 最大水头 最小水头 额定水头 额定出力 ＺＺＤ３９４一ＬＤ一５８０ ３２．５ｍ 座环由上环、下环及ｌ５个固定导叶焊 接组成，具有足够的刚度和强度，固定导叶 是用模型导叶全模拟制造的，采用合金钢 结构。在与蜗壳相连处，设有带圆弧的导 ｌ３．０ｍ ２５．０ｍ ６１．５ＭＷ ｌ１５．４ｒ／ｒａｉｎ 流板。受运输条件的，座环采用分４ 额定转速 瓣结构，其结合面已精加工，工地把合成整 来稿时间：２００６年８月 维普资讯 http://www.cqvip.com 《东方电机））２００６年第５期 图１ ＺＺＤ３９４一ＬＤ一５８０水轮机剖面图 ＋× 图２ 水轮机平面图 维普资讯 http://www.cqvip.com 《东方电机｝２００６年第５期 圆后封焊。座环所受的载荷由拉锚直接传 到钢筋混凝土基础上。 ３．１．３ 机坑里衬 机坑里衬由钢板焊接而成，分上下两 段，每段分８瓣运至工地组焊成整体，外壁 设有环筋和拉筋。 机坑里衬的一ｘ方向设有进人门，在 ＋Ｙ的两侧对称布置有２个接力器坑衬。 ３．１．４基础环和转轮室 座环下面设有基础环和转轮室，基础 环和转轮室外均设有足够的加强筋，可调 整其圆度和用于紧固。为方便运输，基础 环和转轮室均为分瓣结构，工地把合成整 圆。基础环和转轮室的过流面为不锈钢板 制造，以增加其抗空蚀和抗磨损能力。转 轮室的不锈钢过流面是采用模压成形的。 采用这种工艺方法的优点是转轮室壁厚均 匀，加工去除材料少。 ３．１．５ 尾水锥管装配 尾水锥管分两段，每段分两半，为钢板 焊接结构。锥管上端焊有１５０ｍｍ长的补 偿节，补偿节上留有３０ｍｍ配割余量，供与 转轮室连接时配作。锥管上设有６００× ８００ｍｍ进人门、测量仪表接头、测水阀，另 外还设有装检修平台的基础。 ３．２ 导水机构 导水机构由顶盖、支持盖、导叶、底环、 控制环及传动机构组成，采用传统的控制 环通过连杆带动导叶臂转动操作导叶机 构。 顶盖、支持盖、底环、控制环均为分瓣 结构，运输到工地组合成整圆。支持盖在 工地组合成整圆后封焊。顶盖及底环的导 叶端面关闭处有不锈钢板和密封，以增加 其抗空蚀能力，减少漏水。导水机构设有 ２４个具有自关闭趋势的整铸导叶，导叶的 搭接处焊有不锈钢板以便导叶关闭严密， 每个导叶均设有剪断销装置，当剪断销破 ｌ３ 坏时能自动报警。导水机构在厂内已进行 预装和操作试验，保证导叶最大可能开口 为６２３ｍｍ，对应的接力器行程为９１０ｍｍ。 支持盖上设有４个￣ｂ２５０真空破坏 阀。真空破坏阀为平板密封式结构。 ３．３ 转轮装配 转轮型号为ＺＺＤ３９４，名义直径为 Ｄ ：５８００ｍｍ，转轮由５个叶片、转轮体 和传动机构等组成，转轮体材料采用铸钢 ＺＧ２０ＳｉＭｎ，在叶片活动范围根部处的轮 毂相应区域堆焊不锈钢层，加工后不锈钢 层厚度不小于５ｍｍ。转轮体接力器缸作 ８．５ＭＰａ水压试验。叶片材料为铸钢 ＺＧ０６Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ，每个叶片的转动是通过 操作将６．３ＭＰａ油压等级的压力油引 入转轮接力器上腔或下腔，操作活塞，带动 活塞杆，操作架、连杆、转臂、叶片。转轮接 力器作用直径１６００ｍｍ，行程２０７ｍｍ。活 塞密封取消了活塞环结构。因活塞环加工 工序多，废品率高，且工作时窜油量大，使 油压设备的油泵启动频繁，所以其密封结 构改为组合密封型式，孔用方形圈的两侧 带有各２道导向环。采用一道专业厂家生 产的孔用方形密封圈，它的密封压力高，密 封压力为０～４０ＭＰａ。叶片转角为一１１。～ ＋ｌ９。，接力器活塞上移为关闭叶片，下移 为开启叶片。叶片采用内外裙边结构，以 减少磨损和提高叶片的抗空蚀能力，并提 高叶片工作的可靠性。本转轮的轮毂比为 ０．４３，比原高坝洲转轮轮毂比０．４９小。对 于５叶片转轮来讲，布置转轮体内部的传 动机构空间非常小，难度非常大，既要考虑 结构布置，又要考虑强度与刚度。我们经 过反复修改结构设计，反复计算，并选用较 好的材料，终于取得了满意的结果。传动 结构采用可靠的带操作架结构的传统方 式，叶片密封采用双向多层的“Ｖ”形密封， 可防止油和水双向渗漏。可不拆叶片更换 维普资讯 http://www.cqvip.com １４ 密封圈，更换时须先将密封圈割断，套上叶 片后用专用工具和工艺将密封圈粘接成整 圆再装配。 《东方电机｝：２００６年第５期 橡胶端面中间槽内通有０．０２～０．２ＭＰａ的 清洁水，阻止泥沙进入密封内，减少密封的 磨损，增加密封的可靠性。在机组检修时， 配置有充气式空气围带检修密封装置。 ３．６ 导叶接力器 转轮在厂内已作静平衡试验、油压试 验、密封性能试验，保证动作灵活，密封性 能可靠。转轮零件运输到工地，在工地组 该机组设有两个直径为４５０ｍｍ的直 装，然后用专用试验装置进行操作和密封 性能试验。 ３．４ 主轴及操作 水轮发电机组采用分段主轴结构，轴 下接转轮，上接发电机轴。水轮机主轴采 用锻钢２０ＳｉＭｎ整锻精加工制成，长度为 ５９６５ｍｍ。主轴为中空轴结构，其内设有分 节的操作，即内和外。内油 管将调速器控制的压力油通人转轮接力器 下腔，使叶片向关闭方向转动；外管将调速 器控制的压力油通入转轮接力器上腔，使 叶片向开启方向转动；而外管和主轴内孑Ｌ 间的空腔则是转轮内部涌油的排油腔，多 余的油通过这腔排到调速器的回油箱。主 轴与转轮及发电机轴连接采用螺栓结构， 径向销子传递扭矩。 ３．５轴承及密封 水导轴承采用非同心分块瓦稀油润滑 结构，共有１０块钨金瓦。瓦内径与滑转子 内径之比为１．０３，自调性好，工地不需刮瓦， 用斜楔调整瓦的间隙，调整好后用螺栓锁 紧。瓦的设计双边间隙为０．３～０．５０ｍｍ，运 行时如有必要可适当调整间隙，保证机组运 行稳定。运行时不甩油、不漏油，具有运行 可靠、安装调试及维修方便等特点，并备有 油温、瓦温的自动检测装置。 轴承设有环管式水冷却器，冷却器水 压０．２ＭＰａ，轴承油为Ｌ—ＴＳＡ４６汽轮机油， 用液位信号器监视运行油位，用温度测量 仪监视瓦温和油温，报警温度为６０℃，停 机温度６５℃。 采用橡胶端面水压密封装置，在环状 缸式接力器，一个为不带锁锭接力器，一 个为带锁锭接力器。其额定操作油压为 ６．３ＭＰａ，行程为９１０ｍｍ 设有缓冲装置，在 空载开度以下可慢关闭，时间可根据需要 调节。两个接力器采用平行式布置，具有 足够的容量，能保证正常情况下导叶的灵 活操作。 带锁锭接力器的锁锭装置能将接力器 锁锭在机组的全关位置 孔用方形圈替代活塞环，使接力器活 塞加工更方便。孔用方形圈的密封性能远 比活塞环好，也不易研缸。 ３．７ 受油器 受油器设有两个浮动密封环，能灵活 自动调心，使密封间隙均匀，安装方便，磨 损小，密封性好，并将调速器操作叶片动作 的６．３ＭＰａ压力油引入操作和接力 器。为防止轴电流，在与发电机相连部位 设有绝缘垫和绝缘套等 ，受油器上还设有 观察孑Ｌ、转轮接力器行程、叶片转角指示 板、压力表和回复轴承等。 ３．８工具及其他 为方便电站安装，我们提供了转轮试 验及翻身工具、转轮悬挂工具、叶片轴安装 工具、连轴工具等特殊工具。 ４水轮机主要性能保证 ４．１ 水轮机出力保证 在下列水头和尾水位条件下，水轮机 在额定转速１１５．４ｒ／ｍｉｎ下运行，磨损损坏 在允许范围内，其出力见下表。 维普资讯 http://www.cqvip.com 《东方电机｝２００６年第５期 水轮机出力 净水头 最小运行 出力 １５ 在设备保证期内，水轮机从投入商业 运行之日起在下列条件下运行８０００ｈ，水 轮机转轮及桨叶由于空蚀损坏的金属失重 （ｍ） ３２．５ ２５ 尾水高程（ｍ） ３３０．２ ３３０．２ （ＭＷ） ７０ ６１．５ 量不超过１７ｋｇ，单个叶片的空蚀面积、质 量不大于全部叶片平均损坏量的２００％。 水轮机其他部件（导叶、转轮室、尾水管里 ２３ ３３０．２ ５７ １３ ３２６．３ ２４．６ ４．２ 水轮机效率保证值 额定工况点效率 ９３．３％ 最高效率 ９４．５３％ 水轮机加权平均效率 ９３．５７％ ４．３稳定性保证 （１）水轮机尾水管压力脉动双振幅相 对值△Ｈ／Ｈ在规定的水头范围和空载及 ３５～１００％额定出力范围内不大于６％，在 额定工况下不大于４％： （２）在规定范围的运行工况下，水轮 机机坑内脚蹋板上方１ｍ处的噪音用噪音 表测量不超过９０ｄＢ；在距尾水锥管进人门 １ ｍ处的噪音用噪音表测量不超过９５ｄＢ； （３）在规定范围的运行工况下最大飞 逸转速（协联破坏）不超过２７５ｒ／ｍｉｎ，且能 安全运行５ｍｉｎ，而不产生有害变形。 ４．４ 磨蚀损坏保证 衬等）的失重量之和不超过８．５ｋｇ。 ４．５ 调节保证 机组在规定的水头和功率范围内，突甩 额定负荷的最大转速上升率不大于５０．０％； 机组在规定的水头和功率范围内，蜗壳内最 大水击压力上升值不超过０．４７ＭＰａＨ ０，尾水 管中最低压力不低于一７．９ｍＨ，０。 ５ 结 语 喜河水电站水轮机的设计原则首先在 满足用户要求的前提下，尽可能采用近代 先进技术，使结构布置更加合理。本着安 全可靠、耐用、节省材料和加工工时、提高 机组的技术经济指标，我们在结构设计中 尽量注意外观美，并考虑了电站运行稳定 和装拆、检修方便，同时在质量上把好关。 达到技术协议要求的各项规定，为产品上 等级、创一流效益奠定了基础。
