中寨电站混流式水轮机组特点及结构设计

中寨电站混流式水轮机组特点及结构设计

张永学

重庆水轮机厂有限责任公司重庆400054

摘要：本文介绍高水头混流式水轮机设计时，为提高机组稳定运所采取的措施，供同行们参考。

关键词：中寨电站；高水头；混流式水轮机；结构设计

1前言

混流式水轮机组由于运行的水头范围很宽广，因此其应用的电站也很多。目前国内混流机组运行水头为20—400m。由于强度和汽蚀的限制，大于400m一般采用冲击式水轮机。混流式机组比转速高于冲击式机组，且运行效率较高，同时水头变化范围也大。目前混流式机组有向更高水头发展趋势。重庆水轮机厂有限责任公司（简称重水厂）研制生产的部分立轴高水头混流式机组参数见下表：

2002年重水承接了贵州中寨电站项目．使我厂在高水头混流机组设计制造方面上了台阶，并有许多新结构是以前未采用的。

2电站概述

2.1中寨电站位于贵州省兴义市鲁布革水电站附近，厂房内装设一台水轮发电机组，单机容量25MW，电站在系统中担任基荷运行。

2.2水轮机的主要技术参数：

型号：HLA351-LJ-148转轮直径：D1=1.48m

额定水头：Hr=282m最高水头：Hmax=339.802m

最低水头：Hmin=265.365m额定流量：Qr=10.12m3/s

额定出力：Nr=25.77MW额定转速：nr=750r/min

飞逸转速：np=1332r/min轴承水推力：Pt=640KN

吸出高度：Hs≤-3.5m配套发电机型号：SF25-8/3000

配套进水阀型号：JZQ-00A/Φ1000×4.8配套调速器型号：BWT-80-4

3机组结构及特点

以往高水头混流机组都存在振动、密封漏水、机组汽蚀及磨损快，以及导水机构关闭不严、难停机等问题。本机组设计时将以上问题综合考虑，根据以往高水头机组运行及改造的经验，采取相应措施大胆创新如下：

3.1本机主轴与转轮采用螺栓联接摩擦传递扭矩，主轴与发电机主轴为螺栓联接圆柱销传递扭矩。要确保机组稳定运行，首先要满足机组的临界转速nk大于飞逸转速np。一般nk／np=1．2—1．25，本机满足强度的主轴轴径为Φ450，为提高转动部份的刚度，轴径增大到Φ500，使其nk>1．25np。其次转轮结构式设计应注意止漏间隙分配。由于制造及安装原因，实际转轮在绕理论中心作偏心运动，其偏心量为定值，减小止漏间隙可以减少容积损失，但偏心量与间隙比值将增大，比值大到一定程度时，将会引起转轮背压与止漏间隙中压力的显著变化，从而产生很大的不平衡径向力引起机组振动，一般第一道止漏间隙0．005D1。如不考虑反向水推力，转轮上下止漏环径向尺寸应相同或相差不大，这样可减小轴向水推力。

本机转轮上冠、下环为ZG06Crl3Ni5Mo不锈钢材料，为提高叶片的抗磨蚀能力，叶片采用0Crl3Ni5Mo钢板模压成型，并在上冠上直接加工出梳齿止漏环。转轮与顶盖和底环第一道止漏间隙取为l．5～1．7，梳齿处由于相对于第一道止漏间隙处压力已降低，因此间隙取小为1．0—1．2。另外，转轮上冠处还装有叶片泵装置，运行时通过顶盖取水作为机组辅助水源，同时也降低了主轴密封前压力。

3.2导水机构特点

导水机构采用圆柱式外调节导水机构，由顶盖、导叶、底环、控制环、导叶臂及可调连杆组成。本机导叶为三支点结构，导叶数20，导叶分布圆直径为Φ1750，导叶形状与模型相似，材料为ZG06Crl3Ni5Mo。设计中注意提高顶盖及底环的强度和刚度，顶盖采用Q235-A焊接而成，过流面塞焊有OCr13Ni5Mo不锈钢板；底环为铸焊结构，底环本体为ZG20SiMn，其过流面也塞焊有OCrl3Ni5Mo不锈钢板。由于导叶顶盖及底环过流面为不锈钢，这大大提高了其抗汽蚀及泥沙破坏的能力，同时，要求导叶端面总间隙在0.1-0.3之内，保证导水机构关闭时漏水量最小。

3.3补气装置特点

高水头机组由于尾水管流道狭窄，不再像传统在尾水管布置十字架补气管，以免阻流或冲掉补气管。本机采用主轴中心孔补气，补气装置于发电机顶端，由于中寨电站发电机顶端高于机组尾水校核洪水位，经设计审查确定取消了补气装置中的补气阀，考虑机组过渡过程可能有少量的水排出，增大了补气装置排水管，排水补气共用一根管。

3.4主轴密封特点

主轴密封采用不接触式密封，它由不动的密封体和转动的密封套组成，主轴密封下端设有围带式检修密封。在密封体上开有迷宫减压槽，同时接有两根自流排水管，在围带座上也接有一根自流排水管。

由于本机水头很高，设计时担心密封漏水，将密封体与转动密封套间隙取为0.3-0.4，试运行时密封体与转动密封套拉烧，由于密封前有叶片泵，电站在取掉密封体后继续调试运行，机组除启动时排水管有水流出外运行时几乎无水。后将密封体与转动密封套间隙加大为0.6-0.8，密封运行非常好。为避免密封体与转动套拉烧．应将两种零件材料硬度值拉开，同时密封体与转动套间隙应适当加大，特别是高转速或转轮上装叶片泵的机组。

3.5轴承的特点

本机水导轴承采用稀油润滑筒式轴瓦，通过热传递计算，增加冷却铜管数量，由于机组转速高，为减小油过快循环而使油发热，轴瓦一上油槽螺旋升角增大为65°，通过以上措施来降低轴瓦温度。实际运行机组水导轴瓦温还是偏高，后经改为外循环将温度控制在65℃内。

4结论

中寨电站于2004年4月投入运行，各项测试表明机组运行稳定可靠，振动噪音符合国家标准，达到了设计预期目的；机组发电至今电站反映良好，水机导水机构及转轮汽蚀、磨损都很小，充分验证了重水的开发、设计、制造能力，为今后承揽更高水头和容量的混流机组积累了宝贵的经验。

当今世界装机容量最大的4座水电站：

参考文献：

[1]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].北京：机械工业出版社，1976.

[2]闻邦椿主编.机械设计手册第5版[M].北京：机械工业出版社，2010.