深溪沟水电站水轮机参数选择及结构特点.doc

个人收集整理勿做商业用途深溪沟水电站水轮机参数选择及结构特点兰岗蒋登云孙文彬郭筱蓉（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院成都市　61０07２)【摘要】本文介绍了深溪沟水电站低水头、大容量轴流转桨式水轮机的参数选择及主要部件结构特点。电站４台机组已全部投产发电，水轮机的能量指标、稳定性指标及空化性能均达到了预期目标。【关键词】深溪沟;水轮机；参数选择；结构设计1.概述深溪沟水电站位于四川省汉源县,为大渡河干流规划的第十八级电站，其上一梯级为已建成投产的瀑布沟水电站，下一级为正在建设中的枕头坝水电站。深溪沟坝后地面厂房内装设４台单机容量为165ＭW的立式轴流转桨式水轮发电机组，水轮机由浙江富春江水电设备股份有限公司供货,其中水轮机的水力设计及整体转轮供货由俄罗斯动力机械股份有限公司负责;发电机由东芝水电设备（杭州）有限公司供货。工程于200６年4月正式开工，20１0年6月下闸蓄水,7月1日首台机组正式并网发电，2＃～4＃机组分别于2010年1２月、20１1年5月及6月投产发电。2.电站基本参数装机容量ﻩ66０MW多年平均发电量ﻩ32.3５亿kW·ｈ单机容量16５　MＷ机组台数ﻩ４台最大水头40.０m加权平均水头ﻩ3４.3m额定水头ﻩ3０.０m最小水头ﻩ2０.1m3.水轮机选择3.1机型选择深溪沟水电站水头范围2０.1~40.0m,处于轴流式和混流式水轮机均可适用的交界水头段,经技术经济比较，水轮机采用轴流转桨式，目前在国内已投产的同类型机组中,其单机额定出力仅次于福建水口(204MW，世界最大）及葛洲坝大机(1７5MＷ）。近年已投产的部分单机容量10０ＭW以上的轴流式水轮机参数见表1。表1国内近年已投产的部分单机容量100ＭW以上的轴流转桨式水轮机参数水轮机参数乐滩二期草街万安（5#机）沙湾银盘平班班多深溪沟单机功率Pr(MＷ）1５01251１31２０150135１20１6５水轮机出力Ptｒ(MW)１5３．1128.2115.３１23.115２．61３8.５１２2.４516８．4最大水头Ｈmax(m)３1.５２5.４32.328．2435.12３94１.5４0 个人收集整理勿做商业用途额定水头Hｒ(m)19.５20２２24.5２6.５3435.530最小水头Hmin(m）8．6５7.91２21.2４1３．02７.1433.０20．1转轮型号ＺZA8１3aZZ(ＶS)410ZZD3４5eZＺD345ePO４0DＺS486ＦＩ026bZZK40转轮直径D1（m）１0.49．５8.５8.5８．67.２２6.６8.３叶片数55５56566额定转速nr　（r/min)62.568.1876．9７6.983.3107．14１１5.４90．9额定流量Qｒ(m3/s)８63.9698.457９.55４９．5６31.４644０.２9374.5611.2４额定效率ηr　(%）9２．69１.５692.79３．0694．749４.０８９3.8最高效率ηmax（%)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额定点单位转速n１r‘(r/min)147.21４4．8139．4１32．0613９.16１32.71２7.8３1３7.7额定点单位流量Ｑ１r‘(m3/ｓ）１.80９1.730１.7１１.541.6591．4491.4431.6２额定点比转速nsr(m.KＷ)５9６.85７7．２554495．０541.24８5．7466．05３1.3额定点比速系数Kr2６35．4258１.2２６00２４5０.12７８6．02831.82７76．６2910水轮机难度系数D１2·HMａx3407２292233４20４025９720331８07.７275５.6首台机组投产时间2００42010200５200920１１2004２01020101.1水轮机主要参数选择(1)额定转速轴流转桨式机组同步转速所处的区域一般为中低转速区,在该区域相邻同步转速差距不大，可选同步转速方案多,因此同步转速准确选择是轴流转桨式水轮机设计的难点和重点。招标前与潜在的机组投标人进行的技术交流中，各厂推荐的同步转速不尽相同,从83.3～10０r/ｍin均有;根据深溪沟电站的实际情况,综合考虑了近年来外水轮机制造商的设计水平、试验方法、材料性能及加工装备能力，以及本电站厂房覆盖层较深厚允许开挖的特点,并考虑发电机经济合理槽电流对同步转速的要求,机组招标阶段确定机组同步转速选择为90．9r／mｉｎ，对应比转速ns为531．3ｍ·kW、比速系数K为291０,略高于国内已投产机组参数（见表１)。(2)空化性能参数一般来说,水轮机空化系数s随比转速nｓ的增大而增大，选择较大的装置空化系数有利于提高水轮机的抗空蚀能力,但也将直接增加地面厂房的土建工程量和投资。轴流转桨式水轮机的空蚀破坏除了常规的叶片背面外，还有叶片与转轮室间和叶片与轮毂间的气蚀,同时深溪沟电站地处峡谷地带,下游尾水变幅近20m,因此空化性能的合理选择是本电站设计的另一个难点和重点，需综合考虑水轮机性能和电站地形、地质条件等因素。1)水轮机安装高程从可研阶段开始,我们根据国内外科研单位的统计公式和统计曲线，并广泛征询国内(含合资）机组制造厂关于深溪沟电站机组参数的研究成果,推荐水轮机导叶中心线安装高程▽安=612.35m,最终的招标和技施设计成果与之一致,水轮机转轮中心高程为６０8.６36ｍ,对应的吸出高度为－12.2m，电站装置空化系数为σｐ=０.7１７5。2)空化安全系数K及模型空化系数的选择 个人收集整理勿做商业用途由于轴流机组为带气泡运行，存在转轮间隙气蚀、头部气蚀及轮毂气蚀,因此水轮机的初生空化系数很难确定,通常对轴流式水轮机空化系数的安全系数K=σP/σC进行规定。根据与国内各主要机组制造商的交流，安全系数K取值的主要观点如下：a)东芝水电设备(杭州）有限公司：σP／σc＝1.3～1.4;b)东方电机股份有限公司:σP/σs≤1.２，σP/σ-1≤1.3，轴流式初生空化系数很难确定,建议σi不作考核;c)天津阿尔斯通水电设备有限公司：临界空化系数取为s0.5,σP／σ0．51．1;d)哈尔滨电机厂有限责任公司：σP／σs=１.25;e)上海福伊特水电设备有限公司：水轮机空化系数采用许用空化系数σadm，σadｍ/σ-1=1.7。许用空化系数σaｄm的定义为同时满足以下条件:①叶片表面空化（叶片背面），②叶片头部空化，包括低单位转速（高水头)处的叶片负压面头部空化和高单位转速(低水头)处的叶片正压面头部空化，③转轮与转轮室之间的间隙空化，④轮毂空化；f)原通用电气亚洲水电设备有限公司:临界空化系数σc取为σ０．2，真机吸出高度Hｓ为计算值（K=1）加－0.5~－1．3m裕量。最终招标及合同文件规定：电站装置空化系数σP与初生空化系数σi及临界空化系数σc之比应满足:　σP/σｉ≥１.0５,σP/σｃ≥１.3（临界空化系数σc定义为与无空化状态下效率相比,效率下降1%所对应的空化系数，简称σ－1；初生空化系数σi定义为随着吸出高度的减小,在转轮桨叶表面开始出现可见气泡时所对应的空化系数。)经水轮机模型验收试验，σ＝i≤0.6３７7,σｃ=0．5４5０。σp/σi=1．125、σp／σc=1．317,均有一定的安全裕量且满足合同规定。(1)水轮机主要参数成果经过机组采购招标、模型试验和结构设计,水轮机主要参数成果如表1。1.水轮机主要部件结构特点深溪沟电站水轮发电机组设有发电机上导轴承、推力/下导组合轴承和水导轴承，推力轴承支撑于发电机下机架上。1.1转轮及桨叶操作机构(1)转轮桨叶数转轮公称直径8.3米，额定操作油压为6．3ＭPａ；国内近年来类似水头及容量轴流式水轮机采用5叶片及6叶片方案的均有,但考虑6叶片与5叶片转轮相比,可有效减少叶片正、背面压差,改善叶片空化性能;且由于受力面增加,可以减少叶片单位面积承受的压力,增加转轮整体的刚强度,转轮运行的稳定性及压力脉动性能更优异，在水轮机能量指标不受影响的条件下,深溪沟电站水轮机转轮采用６叶片方案。(2)桨叶密封桨叶采用多道双向“Ｖ”型密封，防止漏油渗入河水以及河水进入轮毂体内;密封条采用不锈钢分块密封压板和固定螺栓固定,可在不拆卸桨叶的情况下更换密封条。 个人收集整理勿做商业用途(1)轮毂比选择在机组招标前与机组制造商的技术交流上，各厂家推荐的转轮轮毂比为0．42～0．5１，通过分析后认为，减小轮毂比可减少转轮端部及叶型的水力损失，使得转轮的效率增加(见图１)，近年来随着新材料的运用轮毂比有逐渐减小的趋势；但轮毂体的减小同时会带来低水头和小流量工况下脱体损失急剧增加,转轮能量指标下降剧烈，因此轮毂比不可能减小过多。图1轮毂比大小对转轮效率的影响[１]根据统计公式资料,转轮轮毂比可按以下公式计算[２]DＢ／D1=0.25+9４.64/ns由上述公式此可计算得轮毂比约为0．４3。通过主机厂的CFD分析及水力模型试验验证，最终深溪沟电站转轮轮毂比采用0.45。1.1转轮组装目前国内轴流转桨式机组的桨叶操作机构通常采用缸动式(活塞缸及操作机构在轮毂体下方）或活塞动式(活塞在轮毂体上方、操作架在轮毂体下方）的结构形式,受操作架及连杆机构安装的限制,转轮在现场组装时均先倒置，待完成操作架及连杆机构安装后后再进行翻身,由此给现场施工及后期检修人员带来不便。图2轮毂体结构考虑到上述问题，深溪沟电站的水轮机桨叶操作机构最终采用了活塞布置于轮毂体下方的活塞带操作杆结构形式(见图2），该结构形式由于操作架及连杆机构均处于轮毂体上方,安装人员可从轮毂体上方进行连杆机构的装配,因此转轮组装过程无需翻身。该结构形式为首次在国内轴流机组中应用,可减少转轮现场组装工作量及缩短组装时间，避免转轮翻身。1.2座环(1)固定导叶数选择固定导叶与活动导叶数的组合对流道内水力脉动和振动的影响较大，常规配置为固定导叶数与活动导叶数相同。在与俄动技术交流时，俄方提出希望将固定导叶数改为1２只，并介绍了俄动的研究：随着活动导叶数Z2与固定导叶数Z1比值由小变大，流道内水流不稳定性呈不规则的波浪形变化,当Z２/Z1=1时，恰好不稳定性处于较高水平;而将固定导叶数调整为12只后,水流不稳定性将降至较低。我们认可了俄动选择， 个人收集整理勿做商业用途且俄动有实际电站运行经验；在刚强度、制造等均落实后，最终将固定导叶数调整为１２只。与深溪沟电站类似的国外采用12只固定导叶的轴流式水轮机参数表，见表２。表2　　国外采用12只固定导叶的轴流式水轮机参数表电站名称国家首台机组投运时间最大水头（m)　出力(MW)转轮直径Ｄ1（m)固定导叶数Z1活动导叶数Ｚ２Z２/Z1Ｎizhnｅkamsｋay俄罗斯197818.580.51０122８7/3Cheｂoksarskay俄罗斯19８018.５8０．5101２2８7/3Ｓobradinho巴西1９８2３1.81７89.５１２32８/3(1)固定导叶尾部翼型设计固定导叶尾部翼型原方案为燕尾型,目的为消除导叶固有频率与卡门涡频率接近产生的共振现象,该翼型设计在俄动生产的多个水电站机组中已成功运用。方案审查时考虑到深溪沟电站的汛期过机泥沙含量大、硬度高，长期运行后燕尾可能被磨损,导叶固有频率与卡门涡频率关系将发生改变，影响机组运行稳定性,后期设计将固定导叶尾部改为钝圆形。1.1主轴联接水轮机轴与转轮采用螺栓联接，利用销套传递扭矩；与发电机轴采用销钉联接,摩擦及剪切联合传递扭矩,为保证联接法兰螺栓孔的加工精度,考虑到浙富公司与东芝水电生产厂房距离较近,原方案为水轮机轴与发电机轴联轴法兰面螺栓孔采用同镗绞孔,但受车床加工长度限制，最终由浙富公司提供高精度数控镗模，用于东芝水电供货的发电机轴联接法兰螺栓孔加工。1.2推力轴承支撑位置轴流机组将推力轴承支撑于发电机下机架及水轮机顶盖上两种方案均有。为提高水力性能，制造厂涡壳断面均推荐上翘断面,水轮机导叶中心到发电机层高度较高,且水轮机与发电机由两家承包人分别提供，为减少水轮机与发电机结构设计的相互影响,最终选择推力轴承支撑于发电机下机架方案。2.机组运行情况目前深溪沟水电站的1#～4#机组现已全部投产发电,其中2#机组各测点的振动、摆度实测数据见表3(对应上游水位658.5２m、下游水位623.57m,水轮机净水头接近额定水头;机组发额定出力)。通过表中数据可以看出，机组各测点的振动、摆动指标均低于合同及规范要求，机组运行稳定性较好,达到了预期目标。表３　２#水轮发电机组各测点振动、摆度实测数据部位单位实测值合同保证值国标规定上导摆度X向μm116150２60Ｙ向μｍ１281５0下导摆度X向μm10９２50Ｙ向μm1０225０水导摆度X向μｍ１１82２0Y向μｍ97220上机架水平振动X向μm2１10０１1０Ｙ向μｍ24100110 个人收集整理勿做商业用途下机架水平振动X向μｍ８100１10Y向μm1210011０下机架垂直振动μm196080顶盖水平振动μm1０709０顶盖垂直振动μm３６9０110注：振动值按ＧB／T8５6４－2００3规定，运行摆度值按GB／T1546８－20０6规定1.结语深溪沟水电站机组的成功投运，为国内低水头、大容量轴流转桨式水轮机的选型、设计、制造及安装又增添了一项成功的范例，其参数选择及结构设计,尤其是水轮机空化安全系数的确定、固定导叶数选择及无需现场翻身的轮毂体结构，可为后继同类型电站所借鉴及参考。参考文献:[1］赵永智．万安电站５#轴流式水轮机的水力开发[J].东方电机,20０5(2):P5７－P6４[２]ﻩ施浩然，刘小兵．含沙河流中轴流式转轮优化设计[J].山东农业大学学报（自然科学版）,2００2,33(３）:P347－P351