大容量低转速混流卧式水轮机的新结构开发

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　　摘要：为扩大卧式水轮机的应用范围，开发了一种大容量低转速卧式二支点结构水轮机组的新结构。机组为半埋式，转轮和主轴连接采用销套型式，轴承设计复合循环润滑的方式。该采用该结构的水轮机组能够运行稳定，机组空间体积小，可降低厂房造价。实际运行表明新结构机组具有良好的经济效益，为同行业机组设计提供了实际参考。
　　关键词：水轮机，卧式，结构开发，稳定性
　　1概况
　　混流式水轮机机组一般在转轮直径120cm以上、容量在5500kW以上和额定转速在425r/min一下时，因转轮直径大、轴向水推力大、轴承载荷大等复杂因素，机组布置形式多采用立轴式。本文以巴基斯坦PERHU电站为例介绍一种新结构大容量低转速混流卧式水轮机组。
　　巴基斯坦PERHU电站位与灌区，型式为引水式地面厂房。根据灌区的灌溉要求和水头，流量变化情况，装设三台额定功率6000kW的水轮发电机组，单机要求可长期超发10%。电站装机高程381.5，电站温度-10~50℃，水头范围29-85m，流量范围 12- 21m3/s，按水头变化特点电站机组分二水头段运行，29-55m水头段运行的设备包括一套水轮机HLA551-WJ-140，发电机SF-J6000-16/2840，调速器TDBYWT-42000-4.0，进水阀门2000KD741X-10，DN850调压阀。另有两套6000kW水轮发电机组在44-85m水头段运行，整个电站机组配一套轴承油外循环润滑系统。
　　HLA551-WJ-140水轮机，属于大容量低转速卧式水轮机，该水轮机结构紧凑,占据空间小,可以整体运输。机组布置在厂房同一层,降低了厂房高度,减少挖深,大量节约厂房造价,产生明显的经济效益。该机组投运后运行情况良好，得到业主好评。并获浙江机械工业科学技术奖。
　　2水轮机基本技术参数
　　额定水头 44m
　　最大水头 55m
　　最小水头 29m
　　升压水头 ≤80m
　　额定流量 15.75m3/s
　　额定功率 6250kkW
　　最大功率 6855kW
　　额定水轮机效率 ≥92.0%
　　水轮机最高效率 ≥93.2%
　　额定转速 375r/min
　　飞逸转速 ≤742r/min
　　额定吸出高度 ≤+2.3m
　　轴向推力 ≤385kN
　　3水轮机结构设计特点
　　PERHU电站水轮机的最大特点就是卧式机组转轮直径大、轴向水推力大、转速低、发电机容量大、转子重、轴承载荷大和机组运行范围宽等复杂因素。因此在设计中重点要考虑由此带来的可靠性和稳定性问题。
　　水轮机发电机组为卧轴混流式，旋转方向从发电机往水轮机侧视顺时针。水轮机和发电机共轴的两支点机组。水轮机主要部件有：蜗壳装配、导水机构装配、转动部分装配、尾水管装配及管路等。水轮机总图见图1、2
　　
　　
　　3.1 蜗壳装配
　　为减少蜗壳进水水力损和厂房开挖深度，蜗壳采用半埋式水平进水结构，采用焊接性好的16MnR压力钢板焊接而成。蜗壳是水轮机非常重要部件必须具有足够的强度和刚度保证其在各种工况运行及浇筑混凝土时不发生有害变形，在蜗壳进口节外设计两月牙环筋加强蜗壳本体刚度。座环采用不带蝶形边的焊接箱型结构，通过环筋和纵筋加强其结构刚度。在保证固定导叶的刚度前提下确定固定导叶位置、个数、翼型，要突出考虑固定导叶和活动导叶相对位置合理性、固定导叶进口角和蜗壳出口角合理匹配，从而基本消除导叶头部的正冲角或负冲角，减少水力损失。
　　此机组的引水管路长度超过3公里，系统的ΣLV值: 17010.6m2/s。为满足机组运行要求，本机采用调压阀调节压力上升，限制最大压力，在蜗壳侧开孔，设置调压阀。
　　3.2 导水机构
　　导水机构由顶盖、底环、16只活动导叶分布圆直径1700mm、控制环和传动机构等组成，活动导叶的水力矩特性从空载到全关开度位置具有自关闭的趋势，增强导叶立面间隙的密封性能。导水机构在厂内预装并对传动机构各件进行编号标记，以加快工地安装过程。
　　顶盖、底环均采用箱形焊接结构，固定在座环上，与座环接触面间设橡皮条以密封。顶盖、底环过流表面均设置不锈钢护板。顶盖上还装设有一个自动补气装置及两根排水管，以便在必要时自动补入空气及排水减压。顶盖、底环与转轮上冠、下环间设有间隙式止漏环，顶盖、底环止漏环的硬度低于转轮止漏环，以作为保护转轮的磨损件。顶盖上设有转轮止漏环间隙测孔，待转轮止漏环间隙检测合格后在工地用螺塞封堵。
　　活动导叶采用ZG06Cr16Ni5Mo整体铸造，翼型由数控加工而成,导叶采用三支点结构，导叶轴瓦采用具有自润滑性能的复合材料，分别置于底环和顶盖导叶轴孔内。为解决导叶轴劲根部泥沙磨损，本机采用O形橡皮圈和密封压板组合方式以期解决这一问题()。其中O形橡皮圈相当于一根弹簧作用，将密封压板压上导叶，使密封压板紧紧地压在导叶端面，从而阻止泥沙的进入。O形橡皮圈的压缩量不宜太大，如果太大，将引起导叶关闭的困难。密封压板与导叶轴孔的配合公差也很重要，既要使压板上下滑动，又要防止泥沙进入。密封压板采用特殊均质聚合物具有低吸水率、低摩擦系数、高耐磨性及良好的弹性等特点。
　　
　　
　　3.3 转动部分
　　(1)转轮
　　转轮型号HLA551, 公称直径D1=1.4m,转轮为铸焊结构,上冠、叶片和下环材料均为VOD 超低碳精炼的具有良好的抗空蚀性能ZG06Cr16Ni5Mo，叶片采用数控加工，出厂表面硬度不低于300HB,转轮的设计采用先进的专业软件进行刚强度和疲劳有限元分析，具有足够的刚强度，能承受任何可能产生的作用在转轮上的最大水压力、离心力和压力脉动，确保转轮运行的稳定性和可靠性。转轮上冠、下环止漏环硬度高于顶盖和底环上对应部分的止漏环材料，下环采用上下两处迷宫结构，配以合适的间隙，既提高水轮机稳定性，又减少了水轮机的容积损失。
　　该机组水头变幅达到1.9，负荷变化为1260～6600kW。稳定性问题对该机组是一个严重的挑战。由于混流式水轮机叶片不可调，这就决定了混流水轮机在偏离最优工况时，易在叶片头部产生一定的冲击和脱流。具体的表现是，在低水头部分负荷区，由于转轮有较大的出口正环量和进口边背面脱流，水轮机在该区域将产生较强的涡带，而在高水头部分负荷区，由于转轮有较大的出口负环量和更大的进口边背面脱流，水轮机在该区域将产生较强的涡带以及严重的叶道涡，而从水轮机转轮的空化特性看，在超出运行范围的大负荷工况下模型转轮叶片出水边主要有两个区域存在表面的翼型空化。一个部位是叶片背面出水边区域靠近下环R角处的附着气泡及脱流：二是个别叶片出水边缘中部背面局部附着气泡。本机组对转轮叶片、固定导叶和活动导叶进行相关水力计算和参考相关资料来设计，以避免卡门涡、压力脉动等激振源的共振，通过叶片出水边修型来消减叶片出水边缘气泡、脱流及卡门涡（见图4）。
　　
　　
　　因摩擦扭矩与法兰结合面正压力、摩擦系数和螺栓分布圆直径有关，本机主轴与转轮法兰结合面与传统结构相比明显偏小摩擦扭矩不足，故采用转轮与主轴采用销套方式传递扭矩，销套孔通过数控加工保证主轴和转轮的互换性，联轴螺栓按要求进行预紧。考虑到卧式机组转轮与主轴法兰联轴螺栓存在拉应力交替变化，易引起水下疲劳破坏，故加长转轮与主轴配合止口来承受转轮重力、转轮的水力不平衡力、浮力、转轮离心力等径向力（见图5）。

　　
　　
　　转轮上冠设有泄压孔，机组正常运行以减小水推力，非正常工况时当转轮泄水锥下方出现真空时自动进行自然补气，降低机组压力脉动。
　　（2）轴承及其润滑系统
　　为减少厂房宽度，本水轮发电机组采用两支点布置，这对两轴承的承载能力是巨大考验，经计算内循环轴承不能满足，故采用外循环系统冷却和润滑确保机组的安全稳定运行，轴承使用L-TSA-46汽轮机油润滑。
　　前置轴承为φ450座式轴承，轴瓦直径φ450mm,轴瓦轴向长度450mm,承受径负荷为220kN，PV=96 kg.m/（cm2.s）。
　　后置轴承为φ400径向推力轴承，轴瓦直径φ400mm,轴瓦轴向长度360mm,承受径负荷为170kN，PV=92 kg.m/（cm2.s），推力负荷385KN，PV=154 kg.m/（cm2.s），推力瓦内外径为φ640/φ300，由10块扇形瓦组成。轴瓦调整通过其背面的顶瓦垫块和支柱螺栓完成。推力扇形瓦支持点沿旋转方向偏心值e=εl=7.2mm和顶瓦垫块与支柱螺栓之间采用球面接触，可实现轴瓦运行中的自适应调整。为防止机组运行时轴承甩油，大小推力盘和进油罩间均设有迷宫间隙密封、压环增设甩油环，轴承盖上设有导油环将大推力盘和甩油环甩出的油引至轴承座。轴承盖采用双层非金属迷宫式接触密封；轴承上盖顶部装有呼吸器，以平衡轴承内外压力。
　　轴承采用外循环系统冷却和润滑。与内循环冷却器相比，虽然增加了外循环油冷却系统结，但可以节省轴承布置空间，便于设置大尺寸油冷却器，加强冷却效果。该系统包括了两套互为备用的油泵、回油箱、高位油箱、油冷器、滤油器以及相应的油、水管路及控制元件。油循环过程大致如下：油泵将回油箱中热油抽出经冷却器冷却后送到重力油箱，重力油箱压力油进入滤油器过滤后进入轴承。当外循环系统断电时，重力油箱油量满足机组五分钟内安全停机。通过油路损耗等计算确定重力油箱底高于机组中心18m。
　　3.4 尾水管装配
　　尾水管由尾水锥管，尾水弯管（肘管）及扩散段组成。尾水管以模型流道作为主要设计依据。尾水管振动主要是由尾水涡带与尾水管管壁撞击引起的。尾水涡带呈螺旋状旋转和摆动，旋转半径沿尾水轴线方向增大，特别在远离最优工况运行时偏离尾水轴线旋转的不稳定偏心涡带更大。本机组采用沿尾水轴线直径递增变直径尾水弯管（肘管）结构，与传统等直径尾水弯管相比，减少尾水涡带与尾水管管壁撞击，从而降低尾水压力脉动。为减少电站厂房开挖量，尾水流道斜向45°排水。
　　4 总结
　　PERHU电站水轮机一直运行平稳、水轮机的各项指标都优于设计要求。这里在对水轮机应用的一些新结构和主要特点加以总结。
　　(1) 水轮机采用半埋式结构 ，采用半埋式结构设计，增加了机组的稳定性,该结构可有效缩短机组中心和进水管中心的间距,降低了机组高度,也降低了厂房高度. 同时减少电站厂房开挖量。
　　(2) 转轮和主轴连接采用销套结构，降低联轴螺栓应力,保证主轴和转轮的互换性,给安装和维修带来方便。
　　(3) 导叶轴径根部采用O形橡皮圈和密封压板组合方式密封。
　　(4) 轴承设计通过采用复合循环润滑的方式,该轴承能承受大轴向水推力和大径向负载,从而可以开发大转轮直径的卧式机组。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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