熊建平，韋曉蓉，陳梁年，板橋茂記，黑川敏史

（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016；2.株式會社東芝，日本 東京 105-8001）

清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

熊建平1，韋曉蓉1，陳梁年1，板橋茂記2，黑川敏史2

（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016；2.株式會社東芝，日本 東京 105-8001）

廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站裝有4臺單機(jī)320MW的可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動機(jī)機(jī)組，是目前國內(nèi)最大容量的高水頭、高揚(yáng)程抽水蓄能機(jī)組，轉(zhuǎn)輪采用了水力性能優(yōu)良的長短葉片方式。本文介紹了清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，重點(diǎn)對轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承、主軸密封、蝸殼及座環(huán)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了說明，還對轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)、轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸、水導(dǎo)軸瓦間隙調(diào)整、蝸殼壓力試驗(yàn)及保壓澆筑、機(jī)坑特殊環(huán)形吊車、頂蓋及底環(huán)機(jī)坑內(nèi)檢修等的工具設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了說明?，F(xiàn)在1號、2號機(jī)組已于2015年11月、2016年3月相繼順利投產(chǎn)發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、性能良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

水泵水輪機(jī)；設(shè)計(jì)特點(diǎn)；長短葉片轉(zhuǎn)輪

1 前言

廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于廣東省清遠(yuǎn)市的清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。電站安裝4臺立式單級可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動機(jī)機(jī)組，單機(jī)容量（發(fā)電工況）320MW，是目前國內(nèi)單機(jī)最大容量的高水頭、高揚(yáng)程抽水蓄能機(jī)組。

該項(xiàng)目是東芝水電利用東芝公司先進(jìn)的抽水蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，并在東芝專家的直接參與和指導(dǎo)下進(jìn)行的。針對該電站設(shè)計(jì)的水泵水輪機(jī)具有高水頭、高揚(yáng)程、高轉(zhuǎn)速、大容量的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)輪采用了長短葉片的方式。

本文對清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)主要參數(shù)、水力設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)、可靠性設(shè)計(jì)等進(jìn)行了簡要介紹，對清遠(yuǎn)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承、主軸密封、蝸殼及座環(huán)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并對轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)、轉(zhuǎn)輪與主軸聯(lián)軸、水導(dǎo)軸瓦間隙調(diào)整、蝸殼水壓試驗(yàn)及保壓澆筑、機(jī)坑內(nèi)特殊環(huán)形吊車、機(jī)坑內(nèi)頂蓋及底環(huán)檢修等的工具設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

2 水泵水輪機(jī)主要參數(shù)

水泵水輪機(jī)型號 NHL（FL8108）-LJ-429

額定轉(zhuǎn)速nr 428.6r/min

轉(zhuǎn)輪公稱直徑D14.29m

水輪機(jī)工況：

額定功率Nr 326.5MW

額定流量Qr 77.65m3/s

水頭Hmax/Hr/Hmin502.7/470/440.3m

吸出高度 -66m

飛逸轉(zhuǎn)速nf 630r/min（定常）

690r/min（瞬態(tài)）

旋轉(zhuǎn)方向 俯視順時針

水泵工況：

最大入力Pmax 331MW

最小流量Qmin 61.76m3/s

揚(yáng)程Hmax/Hmin 509.3/450.7m

旋轉(zhuǎn)方向 俯視逆時針

3 水力設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)

清遠(yuǎn)電站模型水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)采用東芝公司先進(jìn)的水力設(shè)計(jì)技術(shù)，針對電站具體參數(shù)進(jìn)行了CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)輪采用了新型長短葉片方式，由5只長葉片及5只短葉片組成，是一個完全適合本電站水力特性和運(yùn)行特點(diǎn)的先進(jìn)的水泵水輪機(jī)模型。

清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)水力開發(fā)及模型試驗(yàn)流程，如下頁圖1所示。

模型轉(zhuǎn)輪已于2011年5月30日至7月1日在瑞士洛桑桑聯(lián)邦理工學(xué)院中立模型試驗(yàn)臺通過了業(yè)主組織的模型驗(yàn)收試驗(yàn)，驗(yàn)收試驗(yàn)一次性通過，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足了合同要求，得到了驗(yàn)收專家的肯定。結(jié)果表明，該水泵水輪機(jī)具有效率高、性能變化平穩(wěn)、空化性能好、尾水管壓力脈動小,運(yùn)行非常穩(wěn)定的特點(diǎn)。圖2為清遠(yuǎn)電站水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)裝置。

圖1 清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)水力開發(fā)及模型試驗(yàn)流程

圖2 清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)裝置

4 水泵水輪機(jī)可靠性設(shè)計(jì)

為了評價清遠(yuǎn)電站水泵水輪機(jī)各主要部件設(shè)計(jì)的可靠性，我們在進(jìn)行常規(guī)經(jīng)典計(jì)算的同時，用有限元（FEM）方法對水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪、蝸殼座環(huán)、頂蓋、底環(huán)、活動導(dǎo)葉等部件進(jìn)行了解析。所加載邊界條件均經(jīng)東芝公司審查確認(rèn)。

轉(zhuǎn)輪對額定工況（428.6r/min）、飛逸工況（690r/min）進(jìn)行了解析，并根據(jù)業(yè)主要求追加了715r/min工況；轉(zhuǎn)輪解析模型為整體模型，以十節(jié)點(diǎn)的四面體單位劃分。解析項(xiàng)目為轉(zhuǎn)輪最大應(yīng)力及最大變形、轉(zhuǎn)輪疲勞強(qiáng)度、轉(zhuǎn)輪振動、轉(zhuǎn)輪激振頻率、轉(zhuǎn)輪共振等，通過對轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度和振動進(jìn)行有限元解析評價，確認(rèn)：

1）轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過程中產(chǎn)生的應(yīng)力較小，滿足額定工況和飛逸工況時的強(qiáng)度要求；

2）轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)合理，可避免轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉動靜葉耦合現(xiàn)象；

3）交變應(yīng)力的安全系數(shù)比常規(guī)的目標(biāo)值高，能確保轉(zhuǎn)輪不會發(fā)生疲勞破壞；

4）轉(zhuǎn)輪不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

蝸殼座環(huán)、頂蓋、底環(huán)、活動導(dǎo)葉等部件的解析條件均考慮為部件受力的最不利工況，解析結(jié)果表明，各部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求，有足夠的安全裕量，能安全可靠地承受最大水壓力（包括水錘壓力）、徑向推力、最大水壓脈動和所有其它作用力而不產(chǎn)生過大的振動，避免焊縫開裂和有害變形以及不適當(dāng)?shù)闹芷谛該隙群驼駝?，能保證在電站各種運(yùn)行工況下機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

5 水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

5.1 總體設(shè)計(jì)

清遠(yuǎn)電站水泵水輪機(jī)總裝配見圖3所示。

圖3 清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)總裝配示意圖

清遠(yuǎn)電站水泵水輪機(jī)為立軸混流式金屬蝸殼，尾水管為金屬彎肘型。水泵水輪機(jī)本體主要由轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承、主軸、主軸密封、蝸殼、座環(huán)、泄流環(huán)、導(dǎo)葉接力器、尾水管里襯及機(jī)坑里襯等主要部件組成。清遠(yuǎn)電站泄流環(huán)與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)底環(huán)焊接在一起，成一整體結(jié)構(gòu)。

清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)部件的設(shè)計(jì)充分考慮了其維護(hù)、安裝和拆卸的可靠性和可行性，其主要特點(diǎn)如下：

1）開發(fā)了適用于清遠(yuǎn)項(xiàng)目性能更優(yōu)秀的長短葉片轉(zhuǎn)輪，并直接以葉片三維造型數(shù)據(jù)用于葉片數(shù)控加工及葉片焊組定位，轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)采用精度高的、重復(fù)性好的軸承靜壓方式；

2）用東芝精準(zhǔn)的水力過渡過程分析技術(shù)，確保電站和機(jī)組在各種瞬態(tài)工況下的安全；

3）活動導(dǎo)葉安全保護(hù)裝置采用剪斷銷加摩擦裝置的方式，工廠試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，確保安全可靠；

4）水導(dǎo)軸承采用抗重螺栓支承分塊瓦方式，并采用外部油冷系統(tǒng)。特殊的螺栓鎖定設(shè)計(jì)便于軸瓦間隙精確調(diào)整，成熟的防油霧措施可避免水導(dǎo)軸承油霧溢出；

5）采用東芝特色的運(yùn)行可靠的徑向主軸密封技術(shù)，設(shè)置了一道樹脂密封環(huán)、兩道碳精密封環(huán)，確保密封的有效性；

6）機(jī)組啟動不需采取預(yù)開啟導(dǎo)葉的措施（2只接力器使導(dǎo)葉同步開啟，不需要另外設(shè)置小接力器），操作靈活可靠；

7）頂蓋分4瓣制造，可在機(jī)坑內(nèi)分瓣拆裝，實(shí)現(xiàn)頂蓋在發(fā)電機(jī)定子不拆的情況下分瓣拆卸后吊出,并可在機(jī)坑內(nèi)對頂蓋、底環(huán)進(jìn)行檢修。

5.2 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的關(guān)鍵部件，為焊接結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪葉片、上冠、下環(huán)采用抗磨性能和焊接性能良好的馬氏體不銹鋼材料，并進(jìn)行VOD精煉工藝鑄造。轉(zhuǎn)輪葉片由5只長葉片及5只短葉片間隔布置組成，從清遠(yuǎn)電站的運(yùn)行實(shí)踐來看，對于高水頭、高揚(yáng)程、高轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)采用長短葉片方式是非常有效的：水泵水輪機(jī)能量、空化性能好，尾水管壓力脈動小，機(jī)組在合同要求的各種工況下運(yùn)行非常穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)輪與主軸采用螺栓聯(lián)接方式，鍵傳遞扭矩。聯(lián)軸螺栓設(shè)計(jì)成螺母沉入主軸法蘭中的方式，采用電加熱器進(jìn)行聯(lián)軸螺栓預(yù)緊。

轉(zhuǎn)輪的整個制造過程都進(jìn)行了非常嚴(yán)格的控制，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行三維CATIA造型并采用數(shù)控機(jī)床加工，葉片的組裝測量采用先進(jìn)的三維座標(biāo)測量儀器對葉片位置進(jìn)行精確定位,可保證葉片型線與模型的完全相似。轉(zhuǎn)輪組焊、熱處理，并進(jìn)行精加工后在工廠內(nèi)進(jìn)行高精度靜平衡試驗(yàn)。這樣葉片翼型偏差非常小，一方面，可以確保機(jī)組水力性能，另一方面，可防止轉(zhuǎn)輪不平衡力矩引起的水力振動，使頂蓋、水導(dǎo)及相關(guān)部件振動很小，以確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

對于高水頭、高揚(yáng)程水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，清遠(yuǎn)轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)的轉(zhuǎn)動止漏環(huán)分別直接在轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)上加工成型，設(shè)計(jì)要求其材料硬度高于頂蓋和泄流環(huán)上對應(yīng)部分的固定止漏環(huán)的硬度。轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)均采用鋸齒形密封，可達(dá)到良好的密封效果。

5.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要由活動導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉軸套、控制環(huán)及導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)等組成。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在廠內(nèi)進(jìn)行整體預(yù)裝，動作試驗(yàn)，以保證工地安裝順利。圖4為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配示意圖。

圖4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配示意圖

5.3.1 控制環(huán)及其操作

控制環(huán)位于導(dǎo)葉分布圓內(nèi)側(cè)，為剛性鋼板焊接結(jié)構(gòu)，它的作用是用以分配接力器的力并使每個導(dǎo)葉的運(yùn)動保持同步。控制環(huán)設(shè)有徑向和軸向高強(qiáng)度銅基自潤滑支承及導(dǎo)向滑板。控制環(huán)與連桿用偏心銷連接，偏心銷的設(shè)置使每個導(dǎo)葉都能進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整，以保證在全關(guān)位置相鄰導(dǎo)葉能完全接觸。

控制環(huán)采用2只接力器操作（一推一拉方式）來推動，改變導(dǎo)葉開口以調(diào)節(jié)流量。導(dǎo)葉接力器設(shè)置方式與一般的混流式水輪機(jī)類似，這也是東芝公司水泵水輪機(jī)的特點(diǎn)，機(jī)組啟動不需采取預(yù)開啟導(dǎo)葉的措施，也不需要另設(shè)小接力器，導(dǎo)葉就可同步開啟，控制簡單方便，操作靈活可靠。

5.3.2 導(dǎo)葉及其安全保護(hù)裝置

活動導(dǎo)葉采用上、中、下3個支承軸承的支撐結(jié)構(gòu)，軸承采用高強(qiáng)度銅基合金自潤滑復(fù)合材料制造。活動導(dǎo)葉共16只，采用抗磨性能好的馬氏體不銹鋼整體鑄造，活動導(dǎo)葉數(shù)量與固定導(dǎo)葉數(shù)及葉片數(shù)相匹配，經(jīng)計(jì)算確認(rèn)不會在水泵水輪機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生共振?；顒訉?dǎo)葉的水力矩特性從全開度位置至接近空載開度位置范圍內(nèi)均具有自關(guān)閉的趨勢?；顒訉?dǎo)葉開口均勻，最大開口留有一定的裕量。

每個活動導(dǎo)葉通過導(dǎo)葉臂和連桿與控制環(huán)相連，導(dǎo)葉臂與導(dǎo)葉軸用2個圓柱形導(dǎo)葉鍵聯(lián)接。導(dǎo)葉臂的大頭部分采用開式結(jié)構(gòu)，安裝后用螺栓把緊，拔拆導(dǎo)葉鍵時松開把合螺栓。

導(dǎo)葉安全保護(hù)裝置采用剪斷銷加摩擦裝置方式，該裝置能在導(dǎo)葉受到異常力而導(dǎo)致剪斷銷剪斷后不產(chǎn)生擺動和不穩(wěn)定運(yùn)動,不影響相鄰導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動，避免發(fā)生連鎖破壞。剪斷銷銷孔內(nèi)均設(shè)有一個剪斷銷信號器，并配有一套剪斷銷信號裝置，剪斷銷剪時將向機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號。

5.3.3 導(dǎo)葉止推及密封

每個活動導(dǎo)葉設(shè)有可靠的、便于調(diào)整的軸向止推軸承，以承受活動導(dǎo)葉的重量及向上或向下的水推力,并保證各運(yùn)行工況下活動導(dǎo)葉的上、下端面間隙在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。工地裝配時必須注意檢查止推間隙是否達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求并把緊止推軸承固定螺栓，防止活動導(dǎo)葉在機(jī)組運(yùn)行后處于不正常位置，避免運(yùn)行中導(dǎo)葉上側(cè)間隙變?yōu)?，而導(dǎo)致機(jī)組可能產(chǎn)生異常振動和噪音等問題。

活動導(dǎo)葉的密封包括導(dǎo)葉上下軸頸密封、導(dǎo)葉上下端面密封及導(dǎo)葉立面密封。

活動導(dǎo)葉上部軸頸由V形組合密封及D形密封組成；下部軸頸由D形密封和U形組合密封組成。導(dǎo)葉上、下軸頸密封能有效防止泥沙的侵入及漏水。

導(dǎo)葉上、下端面設(shè)置的是彈性端面密封，結(jié)構(gòu)如圖5所示。導(dǎo)葉立面采用金屬剛性密封形式。

圖5 導(dǎo)葉端面密封

上述密封的設(shè)計(jì)可確保導(dǎo)葉在全關(guān)位置的漏水量小，密封性能良好。

5.3.4 頂蓋與底環(huán)

頂蓋采用焊接結(jié)構(gòu)，分4瓣制造，可以在機(jī)坑內(nèi)進(jìn)行起吊及檢修。底環(huán)包含泄流環(huán)，采用一體焊接結(jié)構(gòu)，其中泄流環(huán)為不銹鋼鑄件。

頂蓋與底環(huán)泄流環(huán)上分別設(shè)置了可更換的不銹鋼上止漏環(huán)和下止漏環(huán)，見圖5所示。在頂蓋上設(shè)計(jì)了4個帶封水堵頭（不銹鋼螺塞）的測量孔，工地安裝時可用來檢查轉(zhuǎn)輪上冠和上止漏環(huán)之間的徑向間隙，以確保安裝后周向間隙均勻；轉(zhuǎn)輪下環(huán)與下止漏環(huán)之間的徑向間隙可利用特殊的專用測量工具進(jìn)行測量。

上止漏環(huán)與頂蓋、下止漏環(huán)與底環(huán)在工廠組裝后精加工，以保證同心度及轉(zhuǎn)輪密封間隙均勻。

頂蓋及底環(huán)上與活動導(dǎo)葉端面相鄰處的平面分別設(shè)有可更換的不銹鋼抗磨板及導(dǎo)葉端面密封，見圖6所示。

頂蓋與底環(huán)上安裝的上、中、下3組導(dǎo)葉軸套的軸套孔均采用數(shù)控加工，保證設(shè)計(jì)要求的同心度。

5.4 水導(dǎo)軸承

水導(dǎo)軸承是水輪機(jī)主軸的徑向支承，為強(qiáng)迫外循環(huán)稀油潤滑、水冷式軸承結(jié)構(gòu)，由軸承座、分塊瓦、油盆、抗重螺栓及外置油冷卻器等組成，分塊瓦可更換，主軸與分塊瓦間隙可調(diào)整。水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)可靠，便于安裝、調(diào)整和檢修，圖6為水導(dǎo)軸承裝配示意圖。

圖6 水導(dǎo)軸承裝配示意圖

水導(dǎo)分塊瓦表面澆鑄有高性能的巴氏合金，巴氏合金分塊瓦在工廠研刮后的厚度不低于設(shè)計(jì)值要求，不需在工地安裝現(xiàn)場研刮。分塊瓦設(shè)計(jì)的最高溫度不超過70℃。

水導(dǎo)軸承在給主軸密封留有足夠安裝、檢修空間的前提下，盡量靠近轉(zhuǎn)輪的位置進(jìn)行設(shè)置，并可以在不拆卸水導(dǎo)軸承座及導(dǎo)葉連桿機(jī)構(gòu)的情況下就能進(jìn)入頂蓋主軸密封位置去檢查、調(diào)整、維修和更換主軸密封的密封件。

5.4.1 成熟可靠的抗重螺栓結(jié)構(gòu)

抗重螺栓螺紋部位進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在軸套部位和鎖緊螺母部位2個位置，分別設(shè)置了大節(jié)距螺紋（相當(dāng)于粗牙螺紋）和小節(jié)距螺紋（相當(dāng)于細(xì)牙螺紋），這樣就可得到雙螺母的效果，抗重螺栓能夠牢固地固定，同時止動。由于對鎖緊螺母設(shè)置有止動墊片，使止動效果更加完善。大節(jié)距螺紋部分可以用來方便地調(diào)整軸瓦間隙，小節(jié)距螺紋部分可以用來精確地鎖緊抗重螺栓，保證軸瓦間隙不發(fā)生變化。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以精確地調(diào)整軸瓦間隙。要注意的是在工地進(jìn)行軸瓦間隙調(diào)整后一定要把緊鎖緊螺母及止動墊圈，防止抗重螺栓的松動導(dǎo)致軸瓦間隙變化。

5.4.2 防油霧措施

水導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)采用了成熟可靠的防油霧措施。圖7是水導(dǎo)軸承防油霧結(jié)構(gòu)及原理圖。一方面，軸承蓋高度設(shè)有余量，這樣能夠確保足夠大的空間防止油霧壓力升高。另一方面，主軸軸領(lǐng)部分設(shè)有2段段差，并設(shè)置了兩腔密封，在一次密封腔內(nèi)，通過主軸軸領(lǐng)上升的油在軸領(lǐng)的肩部（第一段段差位置），由于旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力被甩到外側(cè)，進(jìn)而再往上面上升的油則被在與軸承蓋之間的密封間隙部位封堵，通過此間隙的油進(jìn)入二次密封腔，由于第2段段差部位轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力被甩到外側(cè)，并且被甩的油存留在二次密封腔中，再通過回油孔落回到下側(cè)的一次密封腔中。

綜上所述，通過兩腔密封及離心力的作用可達(dá)到有效防止油霧溢出的效果，保證水導(dǎo)軸承在機(jī)組兩個旋轉(zhuǎn)方向連續(xù)運(yùn)行時有相同的特性、任何情況下均無漏油、溢油和甩油現(xiàn)象。

圖7 水導(dǎo)軸承防油霧結(jié)構(gòu)及原理

5.4.3 外部油潤滑系統(tǒng)

水導(dǎo)軸承采用強(qiáng)迫外循環(huán)稀油潤滑，潤滑油由設(shè)置在外部的循環(huán)油泵進(jìn)行強(qiáng)迫循環(huán)，在外部潤滑系統(tǒng)設(shè)置了2只外置式油冷卻器，互為備用，其結(jié)構(gòu)便于安裝、拆卸和檢修。循環(huán)油經(jīng)水冷卻后返回水導(dǎo)軸承內(nèi)。

在主機(jī)的運(yùn)行過程中，潤滑油循環(huán)泵是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的。設(shè)計(jì)時考慮了防止水進(jìn)入水導(dǎo)軸承潤滑系統(tǒng)的措施，并在外側(cè)油槽底部設(shè)有取油樣放油接口和閥門。

為了防止外部循環(huán)管道壓力變動，在軸承油槽里設(shè)置了旋轉(zhuǎn)防止板。

對于高水頭水泵水輪機(jī)，水導(dǎo)軸承載荷很大，為了確保分塊瓦軸承的上端部的位置油膜的形成，同時防止油膜中斷、溫度急劇上升，油槽內(nèi)油面設(shè)置到軸承瓦上端面。

5.5 主軸密封

主軸密封設(shè)置在導(dǎo)軸承下方主軸通過頂蓋的部位，可以在不拆除主軸、水輪機(jī)導(dǎo)軸承、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和頂蓋內(nèi)管路系統(tǒng)的情況下進(jìn)行檢查、調(diào)整或更換密封元件。

主軸密封采用東芝水泵水輪機(jī)成熟的、有豐富業(yè)績的徑向密封。該密封裝置共設(shè)置了三道密封，以保證密封的高可靠性，其中最下層設(shè)置的一道密封為樹脂環(huán)，用以抗腐蝕及阻止泥沙進(jìn)入，之上的二道密封為碳精環(huán)，在密封清潔供水情況下可有效地形成水膜而達(dá)到密封目的，同時保證密封環(huán)的使用壽命能滿足合同要求。需要特別注意的是，密封供水的水壓必須大于密封之前的水壓，否則可能導(dǎo)致密封環(huán)快速磨損，從而使密封塊難以達(dá)到預(yù)期的使用壽命。主軸密封見圖8所示。

圖8 主軸密封示意圖

5.6 蝸殼及座環(huán)

蝸殼與座環(huán)為焊接結(jié)構(gòu)，由于運(yùn)輸及吊裝限制的需要分3瓣制造，分瓣方式見圖9所示。

圖9 蝸殼及座環(huán)分瓣平面示意圖

蝸殼及座環(huán)是在工廠制造后進(jìn)行預(yù)裝配的，蝸殼及座環(huán)分瓣面處工地合縫焊坡口預(yù)先在工廠開好，其余拼焊縫均在廠內(nèi)焊接并檢查。

蝸殼設(shè)計(jì)壓力為7.64MPa，用可焊接性好的B610CF優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板制作。蝸殼為圓斷面、螺線形金屬蝸殼，蝸殼進(jìn)口段與進(jìn)水閥伸縮節(jié)用法蘭連接，其上設(shè)置推力環(huán)承受甩負(fù)荷時產(chǎn)生的水推力，在蝸殼進(jìn)口段及伸縮節(jié)上采用了不設(shè)置旁通閥的方案。蝸殼上還設(shè)有蝸殼進(jìn)人門、蝸殼排水接口、測壓座等附件。蝸殼在工地進(jìn)行水壓試驗(yàn)并采用保壓澆筑方式進(jìn)行蝸殼混凝土埋設(shè)。

座環(huán)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由上下主板、法蘭、筋板及固定導(dǎo)葉等組成，其中上下主板為Q345B-Z25抗撕裂鋼板。座環(huán)上法蘭用于安裝頂蓋和底環(huán)。座環(huán)還設(shè)有方便現(xiàn)場安裝的基礎(chǔ)支撐千斤頂、楔子板及地腳螺栓，并在多個固定導(dǎo)葉上設(shè)置自流排水孔，可將主軸密封及導(dǎo)葉密封積留在頂蓋上的漏水通過排水管排到集水井中。固定導(dǎo)葉的型線和位置可使水流平順地流向或流出活動導(dǎo)葉，并可避免水流沖擊及由渦帶激振引起的水力共振。

導(dǎo)流板設(shè)置在座環(huán)主板外圓部位，使水流從蝸殼順暢地流進(jìn)座環(huán)。導(dǎo)流板及其焊縫有足夠的強(qiáng)度，其上不設(shè)置均壓孔，內(nèi)部不充灌混凝土。

6 水泵水輪機(jī)工具設(shè)計(jì)特點(diǎn)

6.1 轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)

轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)是采用東芝公司先進(jìn)的球面支承的靜壓球軸承裝置方式，通過可移動式供油裝置，高壓油球面形成油膜，頂起轉(zhuǎn)輪，油膜分離摩擦表面，實(shí)現(xiàn)液體潤滑滑動，不發(fā)生金屬接觸，油膜間摩擦系數(shù)非常小，一般為0.0003～0.001，試驗(yàn)重復(fù)性好、精度高。該方式試驗(yàn)操作過程簡單、方便，可準(zhǔn)確地確定不平衡重量，轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)見圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)示意圖

我們采用在轉(zhuǎn)輪上冠或下環(huán)上的非過流面部位進(jìn)行偏心加工的方式去除不平衡重量，有效地控制了機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時殘留不平衡力矩。

6.2 轉(zhuǎn)輪與主軸聯(lián)軸

轉(zhuǎn)輪與水輪機(jī)主軸聯(lián)接螺孔均用數(shù)控加工,并在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝。

主軸與轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸螺栓工地安裝時采用進(jìn)口螺栓電加熱器進(jìn)行螺栓預(yù)緊的方式，電加熱器外形見圖11所示。

圖11 進(jìn)口電加熱器外形示意圖

采用該方式的優(yōu)點(diǎn)是：

1）電加熱器即插式安裝方式，無需配電箱，直接接入直流或交流220V、380V均可，使用方便安全、簡單，使用壽命長；

2）電加熱功率密度大，不加熱螺紋段，可保護(hù)螺紋使螺母安裝更順暢；

3）傳熱效率高，加熱時間短，一般5~10min即可，并且不改變螺栓材料性能；

4）另外，轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸螺栓螺母設(shè)置可以沉入主軸法蘭中，這樣，主軸密封設(shè)置可更靠近主軸法蘭，也即水導(dǎo)軸承設(shè)置可離轉(zhuǎn)輪中心更近。

6.3 水導(dǎo)分塊瓦間隙調(diào)整

水導(dǎo)軸承抗重螺栓結(jié)構(gòu)及分塊瓦間隙調(diào)整工具如圖12所示，特殊的抗重螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使分塊瓦與主軸軸領(lǐng)間隙易于精確調(diào)整。該結(jié)構(gòu)的軸套、鎖緊螺母及抗重螺栓的螺紋是精密制造、配合良好的。

圖12 抗重螺栓結(jié)構(gòu)及分塊瓦間隙調(diào)整工具示意圖

在轉(zhuǎn)動部件盤車合格后進(jìn)行水導(dǎo)軸承分塊瓦間隙調(diào)整，調(diào)整方法簡要說明如下：

用主軸定位調(diào)整螺桿、紫銅墊在主軸徑向垂直的4個方向固定主軸，防止主軸在調(diào)整過程中移位，之后用分塊瓦調(diào)整螺栓使分塊瓦貼緊主軸，調(diào)整抗重螺栓與嵌入塊之間的間隙，塞尺塞入測量確定此間隙值，要求與設(shè)計(jì)要求的軸瓦間單邊間隙值相當(dāng)，再用鎖緊螺母鎖定抗重螺栓，并用止動墊片鎖緊鎖緊螺母。注意將鎖緊螺母鎖緊后需再復(fù)查間隙值是否發(fā)生變化，直到滿足設(shè)計(jì)間隙值要求。

6.4 蝸殼水壓試驗(yàn)及保壓澆筑

圖13 蝸殼水壓試驗(yàn)原理示圖

清遠(yuǎn)電站蝸殼及座環(huán)在現(xiàn)場組裝焊接完成并安裝到位后，進(jìn)行了現(xiàn)場蝸殼水壓試驗(yàn)并保壓澆筑混凝土，以確保蝸殼及座環(huán)在各種運(yùn)行條件下能安全工作。圖13為蝸殼水壓試驗(yàn)及保壓澆筑用的水壓試驗(yàn)原理圖。

現(xiàn)場水壓試驗(yàn)時，在蝸殼進(jìn)口法蘭部位安裝試壓悶蓋、座環(huán)內(nèi)圓側(cè)安裝封堵筒環(huán)及連接附件，包括密封件，通過試壓悶蓋向蝸殼內(nèi)充水并加壓實(shí)施水壓試驗(yàn)。為了縮短蝸殼充水時間，采用了2臺標(biāo)準(zhǔn)試壓泵并聯(lián)運(yùn)行的充水方式。

設(shè)計(jì)封堵筒環(huán)時，考慮了保壓澆筑時便于混凝土充填和壓力灌漿的管路設(shè)置，可以利用設(shè)置在座環(huán)下環(huán)板處布置的灌漿孔和排氣孔。管路采用硬管路，其連接設(shè)有便于安裝的活套方式及可靠的密封方式，管路能承受蝸殼水壓試驗(yàn)壓力。

清遠(yuǎn)蝸殼水壓試驗(yàn)及保壓澆筑的相關(guān)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力：7.64MPa

水壓試驗(yàn)：11.47MPa（1.5倍的設(shè)計(jì)水壓）

保壓壓力：3.8MPa（50%的設(shè)計(jì)水壓）

保壓時間：至混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度50%

澆筑速度：小于300mm/h

灌漿壓力：0.2~0.3MPa

清遠(yuǎn)電站4臺機(jī)蝸殼均已在現(xiàn)場嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求順利進(jìn)行了水壓試驗(yàn)及保壓澆筑，試壓結(jié)果表明，蝸殼及座環(huán)設(shè)計(jì)有足夠的剛強(qiáng)度，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6.5 機(jī)坑內(nèi)“井”字形環(huán)形吊車裝置

圖14 機(jī)坑內(nèi)“井”字形環(huán)吊裝裝置平面示圖

根據(jù)業(yè)主的要求，我們對機(jī)坑內(nèi)環(huán)形軌道吊車進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，吊車裝置設(shè)計(jì)成“井”字形，平面布置如圖14所示。

“井”字形吊梁及機(jī)坑進(jìn)人門吊梁均由可拆卸的工字梁組成，2根主梁的兩端均設(shè)置了滾動軸承裝置，可沿機(jī)坑內(nèi)環(huán)形軌道在機(jī)坑內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。單軌小車及手拉葫蘆裝配在“井”字形吊梁及機(jī)坑進(jìn)人門吊梁下，沿吊梁運(yùn)動，可吊裝重量5t以下的零部件?！熬弊中蔚趿旱?根吊梁均可承載。現(xiàn)場安裝時，應(yīng)注意保證機(jī)坑內(nèi)環(huán)形軌道底部運(yùn)行面的水平度，方便“井”字形吊梁的繞行。

該裝置可方便機(jī)坑內(nèi)導(dǎo)葉連桿機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承、主軸密封等的檢修。同時可將機(jī)坑進(jìn)人門設(shè)置偏離中心線布置。

6.6 機(jī)坑內(nèi)頂蓋及底環(huán)檢修

頂蓋及底環(huán)可在機(jī)坑內(nèi)檢修，頂蓋的重量約123t，在發(fā)電電動機(jī)不拆卸的情況下，頂蓋無合適的起吊點(diǎn)，針對這一條件，東芝水電設(shè)計(jì)了一套頂蓋頂起工具，主要利用了活動導(dǎo)葉上端、頂蓋與座環(huán)連接孔為支點(diǎn)，采用液壓頂起方式，并可在機(jī)坑里襯上臨時焊接擱置頂蓋的支架，以保證頂蓋頂起后的檢修工作。

液壓頂起系統(tǒng)是一套多支點(diǎn)同步頂起系統(tǒng)，該系統(tǒng)在工廠進(jìn)行了必要的驗(yàn)證試驗(yàn)。

7 結(jié)語

清遠(yuǎn)電站高水頭、高揚(yáng)程、高轉(zhuǎn)速、大容量水泵水輪機(jī)采用了東芝公司先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，本文對清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

2015年11月、2016年3月電站1號、2號機(jī)組先后投產(chǎn)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，水力性能優(yōu)良，取得了預(yù)期的效果，得到了業(yè)主及設(shè)計(jì)院的充分肯定。

[1]杜榮幸，陳梁年，德宮健男,等.清遠(yuǎn)抽水蓄能電站長短葉片轉(zhuǎn)輪水泵水輪機(jī)研究及模型試驗(yàn)[J].水電站機(jī)電技術(shù),2015 (2)：12-15.

[2]周忠浩,熊建平.清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)蝸殼水壓試驗(yàn)和保壓澆筑技術(shù)特點(diǎn)[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2015(2)：48-51.

[3]熊建平，桑島健，陳梁年.大盈江水電站（四級）混流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)[J].中國電建·機(jī)電設(shè)備技術(shù)與管理,2015(1)：8-13.

TV743

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1672-5387（2017）05-0032-08

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.08

2016-05-13

熊建平（1966-），男，教授級高級工程師，從事原型水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。