深溪溝水電站水輪機(jī)參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、深溪溝水電站水輪機(jī)參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)蘭 崗 蔣登云 孫文彬 郭筱蓉（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 成都市 610072）【摘 要】 本文介紹了深溪溝水電站低水頭、大容量軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的參數(shù)選擇及主要部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。電站4臺(tái)機(jī)組已全部投產(chǎn)發(fā)電，水輪機(jī)的能量指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)及空化性能均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)?！娟P(guān)鍵詞】深溪溝；水輪機(jī)；參數(shù)選擇；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 概述深溪溝水電站位于四川省漢源縣，為大渡河干流規(guī)劃的第十八級(jí)電站，其上一梯級(jí)為已建成投產(chǎn)的瀑布溝水電站，下一級(jí)為正在建設(shè)中的枕頭壩水電站。深溪溝壩后地面廠(chǎng)房?jī)?nèi)裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為165MW的立式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)由浙江富春江水電設(shè)備股份

2、有限公司供貨，其中水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)及整體轉(zhuǎn)輪供貨由俄羅斯動(dòng)力機(jī)械股份有限公司負(fù)責(zé)；發(fā)電機(jī)由東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司供貨。工程于2006年4月正式開(kāi)工，2010年6月下閘蓄水，7月1日首臺(tái)機(jī)組正式并網(wǎng)發(fā)電， 2#4#機(jī)組分別于2010年12月、2011年5月及6月投產(chǎn)發(fā)電。2. 電站基本參數(shù)裝機(jī)容量660MW多年平均發(fā)電量32.35億kW·h單機(jī)容量165 MW機(jī)組臺(tái)數(shù)4臺(tái)最大水頭40.0m加權(quán)平均水頭34.3m額定水頭30.0m最小水頭20.1m3. 水輪機(jī)選擇3.1 機(jī)型選擇深溪溝水電站水頭范圍20.140.0m，處于軸流式和混流式水輪機(jī)均可適用的交界水頭段，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，水

3、輪機(jī)采用軸流轉(zhuǎn)槳式，目前在國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的同類(lèi)型機(jī)組中，其單機(jī)額定出力僅次于福建水口（204MW，世界最大）及葛洲壩大機(jī)（175MW）。近年已投產(chǎn)的部分單機(jī)容量100MW以上的軸流式水輪機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。表1 國(guó)內(nèi)近年已投產(chǎn)的部分單機(jī)容量100MW以上的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)參數(shù)水輪機(jī)參數(shù)樂(lè)灘二期草街萬(wàn)安（5#機(jī)）沙灣銀盤(pán)平班班多深溪溝單機(jī)功率Pr(MW)150125113120150135120165水輪機(jī)出力Ptr(MW)153.1128.2115.3123.1152.6138.5122.45168.4最大水頭Hmax (m)31.525.432.328.2435.123941.540額定水頭Hr (m

4、)19.5202224.526.53435.530最小水頭Hmin (m)8.657.91221.2413.027.1433.020.1轉(zhuǎn)輪型號(hào)ZZA813aZZ(VS)410ZZD345eZZD345ePO40DZS486FI026bZZK40轉(zhuǎn)輪直徑D1 (m)10.49.58.58.58.67.226.68.3葉片數(shù)55556566額定轉(zhuǎn)速nr (r/min)62.568.1876.976.983.3107.14115.490.9額定流量Qr (m3/s)863.9698.4579.5549.5631.46440.29374.5611.24額定效率r (%)92.691.5692.793

5、.0694.7494.0893.8最高效率max(%)92.9994.694.7295.2794.7395.3吸出高度Hs (m)-9.5-8.92-8.54-8.54-8.07-7.67-14.13-12.2額定點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速n1r (r/min)147.2144.8139.4132.06139.16132.7127.83137.7額定點(diǎn)單位流量Q1r (m3/s)1.8091.7301.711.541.6591.4491.4431.62額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速nsr (m.KW)596.8577.2554495.0541.2485.7466.0531.3額定點(diǎn)比速系數(shù)Kr2635.42581.226002

6、450.12786.02831.82776.62910水輪機(jī)難度系數(shù)D12·HMax3407229223342040259720331807.72755.6首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間200420102005200920112004201020103.2 水輪機(jī)主要參數(shù)選擇(1) 額定轉(zhuǎn)速軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組同步轉(zhuǎn)速所處的區(qū)域一般為中低轉(zhuǎn)速區(qū)，在該區(qū)域相鄰?fù)睫D(zhuǎn)速差距不大，可選同步轉(zhuǎn)速方案多，因此同步轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確選擇是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。招標(biāo)前與潛在的機(jī)組投標(biāo)人進(jìn)行的技術(shù)交流中，各廠(chǎng)推薦的同步轉(zhuǎn)速不盡相同，從83.3100r/min均有；根據(jù)深溪溝電站的實(shí)際情況，綜合考慮了近年來(lái)外水輪機(jī)制造

7、商的設(shè)計(jì)水平、試驗(yàn)方法、材料性能及加工裝備能力，以及本電站廠(chǎng)房覆蓋層較深厚允許開(kāi)挖的特點(diǎn)，并考慮發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)合理槽電流對(duì)同步轉(zhuǎn)速的要求，機(jī)組招標(biāo)階段確定機(jī)組同步轉(zhuǎn)速選擇為90.9 r/min，對(duì)應(yīng)比轉(zhuǎn)速ns為531.3 m·kW、比速系數(shù)K為2910，略高于國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)機(jī)組參數(shù)（見(jiàn)表1）。(2) 空化性能參數(shù)一般來(lái)說(shuō)，水輪機(jī)空化系數(shù)s隨比轉(zhuǎn)速ns的增大而增大，選擇較大的裝置空化系數(shù)有利于提高水輪機(jī)的抗空蝕能力，但也將直接增加地面廠(chǎng)房的土建工程量和投資。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的空蝕破壞除了常規(guī)的葉片背面外，還有葉片與轉(zhuǎn)輪室間和葉片與輪轂間的氣蝕，同時(shí)深溪溝電站地處峽谷地帶，下游尾水變幅近20m，

8、因此空化性能的合理選擇是本電站設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)，需綜合考慮水輪機(jī)性能和電站地形、地質(zhì)條件等因素。1) 水輪機(jī)安裝高程從可研階段開(kāi)始，我們根據(jù)國(guó)內(nèi)外科研單位的統(tǒng)計(jì)公式和統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)，并廣泛征詢(xún)國(guó)內(nèi)（含合資）機(jī)組制造廠(chǎng)關(guān)于深溪溝電站機(jī)組參數(shù)的研究成果，推薦水輪機(jī)導(dǎo)葉中心線(xiàn)安裝高程安=612.35m，最終的招標(biāo)和技施設(shè)計(jì)成果與之一致，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中心高程為608.636m，對(duì)應(yīng)的吸出高度為-12.2m，電站裝置空化系數(shù)為p=0.7175。2) 空化安全系數(shù)K及模型空化系數(shù)的選擇由于軸流機(jī)組為帶氣泡運(yùn)行，存在轉(zhuǎn)輪間隙氣蝕、頭部氣蝕及輪轂氣蝕，因此水輪機(jī)的初生空化系數(shù)很難確定，通常對(duì)軸流式水輪機(jī)空化系數(shù)

9、的安全系數(shù)K=P/C進(jìn)行規(guī)定。根據(jù)與國(guó)內(nèi)各主要機(jī)組制造商的交流，安全系數(shù)K取值的主要觀(guān)點(diǎn)如下：a) 東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司：P/c=1.31.4；b) 東方電機(jī)股份有限公司：P/s1.2，P /-11.3，軸流式初生空化系數(shù)很難確定，建議i不作考核；c) 天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司：臨界空化系數(shù)取為s0.5，P/0.51.1；d) 哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司：P/s=1.25；e) 上海福伊特水電設(shè)備有限公司：水輪機(jī)空化系數(shù)采用許用空化系數(shù)adm，adm/-1 =1.7。許用空化系數(shù)adm的定義為同時(shí)滿(mǎn)足以下條件：葉片表面空化（葉片背面），葉片頭部空化，包括低單位轉(zhuǎn)速（高水頭）處的葉片負(fù)

10、壓面頭部空化和高單位轉(zhuǎn)速（低水頭）處的葉片正壓面頭部空化，轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙空化，輪轂空化；f) 原通用電氣亞洲水電設(shè)備有限公司：臨界空化系數(shù)c取為0.2，真機(jī)吸出高度Hs為計(jì)算值（K=1）加-0.5-1.3m裕量。最終招標(biāo)及合同文件規(guī)定：電站裝置空化系數(shù)P與初生空化系數(shù)i及臨界空化系數(shù)c之比應(yīng)滿(mǎn)足： P/i1.05，P /c1.3（臨界空化系數(shù)c定義為與無(wú)空化狀態(tài)下效率相比，效率下降1%所對(duì)應(yīng)的空化系數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)-1；初生空化系數(shù)i定義為隨著吸出高度的減小，在轉(zhuǎn)輪槳葉表面開(kāi)始出現(xiàn)可見(jiàn)氣泡時(shí)所對(duì)應(yīng)的空化系數(shù)。）經(jīng)水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)，=i0.6377，c=0.5450。p/i=1.125、p/c

11、=1.317，均有一定的安全裕量且滿(mǎn)足合同規(guī)定。(3) 水輪機(jī)主要參數(shù)成果經(jīng)過(guò)機(jī)組采購(gòu)招標(biāo)、模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水輪機(jī)主要參數(shù)成果如表1。4. 水輪機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)深溪溝電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)有發(fā)電機(jī)上導(dǎo)軸承、推力/下導(dǎo)組合軸承和水導(dǎo)軸承，推力軸承支撐于發(fā)電機(jī)下機(jī)架上。4.1 轉(zhuǎn)輪及槳葉操作機(jī)構(gòu)(1) 轉(zhuǎn)輪槳葉數(shù)轉(zhuǎn)輪公稱(chēng)直徑8.3米，額定操作油壓為6.3MPa；國(guó)內(nèi)近年來(lái)類(lèi)似水頭及容量軸流式水輪機(jī)采用5葉片及6葉片方案的均有，但考慮6葉片與5葉片轉(zhuǎn)輪相比，可有效減少葉片正、背面壓差，改善葉片空化性能；且由于受力面增加，可以減少葉片單位面積承受的壓力，增加轉(zhuǎn)輪整體的剛強(qiáng)度，轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的穩(wěn)定性及壓力脈

12、動(dòng)性能更優(yōu)異，在水輪機(jī)能量指標(biāo)不受影響的條件下，深溪溝電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用6葉片方案。(2) 槳葉密封槳葉采用多道雙向“V”型密封，防止漏油滲入河水以及河水進(jìn)入輪轂體內(nèi)；密封條采用不銹鋼分塊密封壓板和固定螺栓固定，可在不拆卸槳葉的情況下更換密封條。(3) 輪轂比選擇在機(jī)組招標(biāo)前與機(jī)組制造商的技術(shù)交流上，各廠(chǎng)家推薦的轉(zhuǎn)輪輪轂比為0.420.51，通過(guò)分析后認(rèn)為，減小輪轂比可減少轉(zhuǎn)輪端部及葉型的水力損失，使得轉(zhuǎn)輪的效率增加（見(jiàn)圖1），近年來(lái)隨著新材料的運(yùn)用輪轂比有逐漸減小的趨勢(shì)；但輪轂體的減小同時(shí)會(huì)帶來(lái)低水頭和小流量工況下脫體損失急劇增加，轉(zhuǎn)輪能量指標(biāo)下降劇烈，因此輪轂比不可能減小過(guò)多。圖1 輪轂比

13、大小對(duì)轉(zhuǎn)輪效率的影響1根據(jù)統(tǒng)計(jì)公式資料，轉(zhuǎn)輪輪轂比可按以下公式計(jì)算2DB/D10.25+94.64/ns由上述公式此可計(jì)算得輪轂比約為0.43。通過(guò)主機(jī)廠(chǎng)的CFD分析及水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證，最終深溪溝電站轉(zhuǎn)輪輪轂比采用0.45。4.2 轉(zhuǎn)輪組裝目前國(guó)內(nèi)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的槳葉操作機(jī)構(gòu)通常采用缸動(dòng)式（活塞缸及操作機(jī)構(gòu)在輪轂體下方）或活塞動(dòng)式（活塞在輪轂體上方、操作架在輪轂體下方）的結(jié)構(gòu)形式，受操作架及連桿機(jī)構(gòu)安裝的限制，轉(zhuǎn)輪在現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)均先倒置，待完成操作架及連桿機(jī)構(gòu)安裝后后再進(jìn)行翻身，由此給現(xiàn)場(chǎng)施工及后期檢修人員帶來(lái)不便。圖2 輪轂體結(jié)構(gòu)考慮到上述問(wèn)題，深溪溝電站的水輪機(jī)槳葉操作機(jī)構(gòu)最終采用了活塞布置

14、于輪轂體下方的活塞帶操作桿結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖2），該結(jié)構(gòu)形式由于操作架及連桿機(jī)構(gòu)均處于輪轂體上方，安裝人員可從輪轂體上方進(jìn)行連桿機(jī)構(gòu)的裝配，因此轉(zhuǎn)輪組裝過(guò)程無(wú)需翻身。該結(jié)構(gòu)形式為首次在國(guó)內(nèi)軸流機(jī)組中應(yīng)用，可減少轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場(chǎng)組裝工作量及縮短組裝時(shí)間，避免轉(zhuǎn)輪翻身。4.3 座環(huán)(1) 固定導(dǎo)葉數(shù)選擇固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)的組合對(duì)流道內(nèi)水力脈動(dòng)和振動(dòng)的影響較大，常規(guī)配置為固定導(dǎo)葉數(shù)與活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)相同。在與俄動(dòng)技術(shù)交流時(shí)，俄方提出希望將固定導(dǎo)葉數(shù)改為12只，并介紹了俄動(dòng)的研究：隨著活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)Z2與固定導(dǎo)葉數(shù)Z1比值由小變大，流道內(nèi)水流不穩(wěn)定性呈不規(guī)則的波浪形變化，當(dāng)Z2/ Z1=1時(shí)，恰好不穩(wěn)定性處于較高水平；而

15、將固定導(dǎo)葉數(shù)調(diào)整為12只后，水流不穩(wěn)定性將降至較低。我們認(rèn)可了俄動(dòng)選擇，且俄動(dòng)有實(shí)際電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；在剛強(qiáng)度、制造等均落實(shí)后，最終將固定導(dǎo)葉數(shù)調(diào)整為12只。與深溪溝電站類(lèi)似的國(guó)外采用12只固定導(dǎo)葉的軸流式水輪機(jī)參數(shù)表，見(jiàn)表2。表2 國(guó)外采用12只固定導(dǎo)葉的軸流式水輪機(jī)參數(shù)表電站名稱(chēng)國(guó)家首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)時(shí)間最大水頭(m) 出力(MW)轉(zhuǎn)輪直徑D1(m)固定導(dǎo)葉數(shù)Z1活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)Z2Z2/Z1Nizhnekamskay俄羅斯197818.580.51012287/3Cheboksarskay 俄羅斯198018.580.51012287/3Sobradinho巴西198231.81789.512328/3

16、(2) 固定導(dǎo)葉尾部翼型設(shè)計(jì)固定導(dǎo)葉尾部翼型原方案為燕尾型，目的為消除導(dǎo)葉固有頻率與卡門(mén)渦頻率接近產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，該翼型設(shè)計(jì)在俄動(dòng)生產(chǎn)的多個(gè)水電站機(jī)組中已成功運(yùn)用。方案審查時(shí)考慮到深溪溝電站的汛期過(guò)機(jī)泥沙含量大、硬度高，長(zhǎng)期運(yùn)行后燕尾可能被磨損，導(dǎo)葉固有頻率與卡門(mén)渦頻率關(guān)系將發(fā)生改變，影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，后期設(shè)計(jì)將固定導(dǎo)葉尾部改為鈍圓形。4.4 主軸聯(lián)接水輪機(jī)軸與轉(zhuǎn)輪采用螺栓聯(lián)接，利用銷(xiāo)套傳遞扭矩；與發(fā)電機(jī)軸采用銷(xiāo)釘聯(lián)接，摩擦及剪切聯(lián)合傳遞扭矩，為保證聯(lián)接法蘭螺栓孔的加工精度，考慮到浙富公司與東芝水電生產(chǎn)廠(chǎng)房距離較近，原方案為水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸聯(lián)軸法蘭面螺栓孔采用同鏜絞孔，但受車(chē)床加工長(zhǎng)度限制

17、，最終由浙富公司提供高精度數(shù)控鏜模，用于東芝水電供貨的發(fā)電機(jī)軸聯(lián)接法蘭螺栓孔加工。4.5 推力軸承支撐位置軸流機(jī)組將推力軸承支撐于發(fā)電機(jī)下機(jī)架及水輪機(jī)頂蓋上兩種方案均有。為提高水力性能，制造廠(chǎng)渦殼斷面均推薦上翹斷面，水輪機(jī)導(dǎo)葉中心到發(fā)電機(jī)層高度較高，且水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)由兩家承包人分別提供，為減少水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相互影響，最終選擇推力軸承支撐于發(fā)電機(jī)下機(jī)架方案。5. 機(jī)組運(yùn)行情況目前深溪溝水電站的1#4#機(jī)組現(xiàn)已全部投產(chǎn)發(fā)電，其中2#機(jī)組各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)、擺度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3（對(duì)應(yīng)上游水位658.52m、下游水位623.57m，水輪機(jī)凈水頭接近額定水頭；機(jī)組發(fā)額定出力）。通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)、擺動(dòng)指標(biāo)均低于合同及規(guī)范要求，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性較好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。表3 2#水輪發(fā)電機(jī)組各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)、擺度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)部 位單位實(shí)測(cè)值合同保證值國(guó)標(biāo)規(guī)定上導(dǎo)擺度X向m116150260Y向m128150下導(dǎo)擺度X向m109250Y向m102250水導(dǎo)擺度X向m118220Y向m97220上機(jī)架水平振動(dòng)X向m21100110Y向m24100110下機(jī)架水平振動(dòng)X向m8100110Y向m12100110下機(jī)架垂直振動(dòng)m196080頂蓋水平振動(dòng)m107090頂蓋垂直振動(dòng)m36