曹 大 偉， 王 繼 娥， 鄧 金 杰

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

1 概 述

安谷水電站工程是大渡河干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的最后一級(jí)，壩址位于樂(lè)山市安谷河段的生姜坡，距上游沙灣水電站約35 km，下游距樂(lè)山市區(qū)約15 km，安谷水電站工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)為發(fā)電、防洪、航運(yùn)、灌溉和供水等。電站裝機(jī)容量為772 MW，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為190 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)單機(jī)容量為12 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。在電力系統(tǒng)中擔(dān)任腰荷和調(diào)峰。

2 水輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

安谷水電站水輪發(fā)電機(jī)組為立軸混流式，俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)推力軸承置于重型下機(jī)架上，水輪發(fā)電機(jī)組采用兩根軸結(jié)構(gòu)，機(jī)組設(shè)上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)軸承(圖1)。主要參數(shù)為：

水輪機(jī)型號(hào) ZZD685-LH-865

水輪機(jī)額定出力 193.88 MW

水輪機(jī)保證出力 204 MW

最大水頭 37.4 m

設(shè)計(jì)水頭 36.66 m

額定水頭 33 m

最小水頭 31.14 m

額定轉(zhuǎn)速 88.2 r/min

額定流量 637.3 m3/s

飛逸轉(zhuǎn)速(協(xié)聯(lián)) ≤170 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速(非協(xié)聯(lián)) ≤250 r/min

最高效率 95.62%

軸向水推力 ≤1 900 t

3 預(yù)埋部分

預(yù)埋部分由錐管、肘管、排水閥等組成。

3.1 錐 管

錐管進(jìn)口直徑為8.435 m，高6.564 m，為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。錐管在高度方向分成3段，每段分為4瓣。除第一段(高350 mm)采用16 mm厚不銹鋼板外，其余各段均采用16 mm厚鋼板Q235B。

在錐管段設(shè)置了1個(gè)650 mm×800 mm進(jìn)人門(mén)。在錐管進(jìn)人門(mén)下部設(shè)小門(mén)及凹槽，以便于檢修平臺(tái)的安裝。檢修平臺(tái)由鋁合金橫梁和鋁合金板組成，平臺(tái)表面鋪設(shè)地板。

3.2 肘 管

肘管進(jìn)口內(nèi)徑為10.716 m，高12 m，其里襯出口距Y—Y線(xiàn)13 m，肘管為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，材料為16 mm鋼板Q235B。

在尾水管底部邊墩內(nèi)設(shè)置了2個(gè)直徑為650 mm的排水閥，供機(jī)組停機(jī)時(shí)排水使用。

3.3 蝸殼附件

蝸殼為混凝土蝸殼，不對(duì)稱(chēng)梯形斷面，包角≤225°。蝸殼進(jìn)口采用雙支墩，在每個(gè)支墩尾部設(shè)金屬護(hù)頭，高度方向全襯，長(zhǎng)度不小于漸變段，護(hù)頭材料為16 mm厚鋼板Q235B。蝸殼外壁上設(shè)置了一個(gè)700 mm×800 mm的內(nèi)開(kāi)式進(jìn)人門(mén)以方便進(jìn)入蝸殼。在蝸殼最低高程處設(shè)置了1個(gè)直徑為650 mm的排水閥，供機(jī)組停機(jī)時(shí)排水使用。

4 埋入部分

埋入部分由轉(zhuǎn)輪室、基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)、機(jī)坑里襯、扶梯地板等組成。

4.1 轉(zhuǎn)輪室

轉(zhuǎn)輪室外徑為9.36 m，內(nèi)徑為8.304 m，高2.966 m，均為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，分為2瓣。轉(zhuǎn)輪室過(guò)流面采用不銹鋼板，其余鋼板為Q235B。

4.2 基礎(chǔ)環(huán)

基礎(chǔ)環(huán)外徑為11.36 m，內(nèi)徑為8.65 m，高1.59 m，為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，分為4瓣?；A(chǔ)環(huán)過(guò)流面采用不銹鋼板，其余鋼板為Q235B。

4.3 座 環(huán)

常規(guī)軸流式水輪機(jī)座環(huán)采用工字形上環(huán)與單個(gè)固定導(dǎo)葉把合結(jié)構(gòu)，無(wú)下環(huán)，工地安裝時(shí)必須依靠模板澆筑基礎(chǔ)，找正、定位困難，安裝周期長(zhǎng)。該機(jī)座環(huán)采用平行環(huán)板式整體結(jié)構(gòu)，剛性好，找正、調(diào)整方便，安裝周期短。

座環(huán)采用平行環(huán)板式 焊 接 結(jié) 構(gòu)。座 環(huán) 高4.484 m，整體重201 t。考慮到運(yùn)輸、安裝，將座環(huán)分為4瓣，各分瓣面設(shè)分瓣法蘭、法蘭上設(shè)把合螺栓、定位銷(xiāo)及偏心銷(xiāo)套，以便于安裝調(diào)整。

在座環(huán)的下部設(shè)數(shù)對(duì)斜楔板，用于座環(huán)的安裝調(diào)整，同時(shí)在座環(huán)下部設(shè)數(shù)個(gè)地腳螺栓，用于座環(huán)的安裝固定。

4.4 機(jī)坑里襯

機(jī)坑里襯為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，分為4瓣，材料為20 mm厚鋼板Q235B。機(jī)坑里襯內(nèi)徑為12 m，高5.082 m。在+X方向平行設(shè)置了兩個(gè)接力器坑襯，在機(jī)坑里襯內(nèi)還設(shè)有軸承冷卻水管法蘭、主軸密封水氣管法蘭等各種管路接口，機(jī)坑里襯在工地調(diào)整組圓后，與座環(huán)上環(huán)板焊接。

5 轉(zhuǎn)動(dòng)部分

5.1 轉(zhuǎn)輪裝配

轉(zhuǎn)輪由葉片、轉(zhuǎn)輪體、葉片操作機(jī)構(gòu)和泄水錐組成，葉片數(shù)為5個(gè)，采用活塞缸在轉(zhuǎn)輪體下方帶動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)輪直徑為8.65 m，轉(zhuǎn)輪操作油壓為6.3 MPa。

葉片材料為鑄鋼ZG06Cr13Ni5Mo，采用VOD精煉鑄造，數(shù)控加工。葉片采用內(nèi)外裙邊結(jié)構(gòu)。葉片密封采用雙向多層 “V ”型密封，可防止油和水雙向滲漏。

轉(zhuǎn)輪體由ZG20SiMn鑄造，過(guò)流面鋪焊不銹鋼，厚度不小于5 mm。

5.2 水輪機(jī)軸和操作油管

主軸為中空鍛焊式外法蘭結(jié)構(gòu)。2個(gè)法蘭及3段軸身經(jīng)分別鍛造后，用窄間隙焊接工藝組焊成整體。兩端的法蘭外徑均為2.6 m，滑轉(zhuǎn)子外徑為2.2 m，軸身直徑為1.8 m/ 1.4 m，主 軸 長(zhǎng)8.355 m，材料為鍛鋼20 SiMn。主軸與轉(zhuǎn)輪采用螺栓聯(lián)接、圓柱銷(xiāo)傳遞扭矩的結(jié)構(gòu)；主軸與電機(jī)軸采用銷(xiāo)栓聯(lián)接并傳遞扭矩的結(jié)構(gòu)。

操作油管分為內(nèi)操作油管和外操作油管。

內(nèi)操作油管為單管帶法蘭結(jié)構(gòu)，其既要旋轉(zhuǎn)，又要上下移動(dòng)。外操作油管為雙層管帶法蘭結(jié)構(gòu)，只需隨機(jī)組旋轉(zhuǎn)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：水機(jī)軸和電機(jī)軸的內(nèi)腔不需要充滿(mǎn)油，以便于電廠(chǎng)今后拆裝。

6 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由頂蓋、支持蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉、控制環(huán)及導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)組成。

6.1 頂 蓋

頂 蓋 外 徑 為 11.73 m，內(nèi) 徑 為9.01 m，高1.31 m。為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，分為4瓣。

為保證頂蓋有足夠的剛強(qiáng)度，頂蓋采用雙外法蘭結(jié)構(gòu)，下外法蘭選用高強(qiáng)度鋼板Q345B，其余鋼板選用Q235B。

為了減小導(dǎo)葉在關(guān)閉時(shí)導(dǎo)葉與頂蓋間的漏水量，在頂蓋相應(yīng)部位設(shè)置導(dǎo)葉端面密封，由青銅密封條和其背部的成型橡膠條組成，依靠成型橡膠條的彈性和滲入橡膠條空間的水壓達(dá)到密封的目的。密封條和成型橡膠條靠不銹鋼密封壓板安裝在頂蓋上。

頂蓋過(guò)流面設(shè)有不銹鋼抗磨板，厚16 mm，材料為S135。依靠焊接將其固定在頂蓋上。

6.2 底 環(huán)

底環(huán)為鑄焊結(jié)構(gòu)，即上、下環(huán)板與鑄造的導(dǎo)葉下軸座進(jìn)行焊接，底環(huán)外徑為10.99 m，內(nèi) 徑 為8.755 m，高0.44 m，結(jié)構(gòu)上分為4瓣。

為了減小導(dǎo)葉在關(guān)閉時(shí)導(dǎo)葉與底環(huán)間的漏水量，在底環(huán)相應(yīng)部位設(shè)置導(dǎo)葉端面密封，其結(jié)構(gòu)與頂蓋上的端面密封相同。

底環(huán)過(guò)流面設(shè)有不銹鋼抗磨板，厚16 mm，材料為S135，依靠焊接將其固定在底環(huán)上。

6.3 支持蓋

支持蓋分上下兩段，均為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

支持蓋上段外徑為9.46 m，內(nèi)徑為3.57 m，高2.44 m。結(jié)構(gòu)上分為4瓣。

支持蓋下段外徑為5.04 m，內(nèi)徑為2.61 m，高3.405 m。整體結(jié)構(gòu)。

支持蓋上設(shè)有4個(gè)φ400真空破壞閥，1個(gè)φ500進(jìn)人門(mén)，2臺(tái)潛水泵，2臺(tái)自吸泵，在支持蓋下端面設(shè)有可拆卸的、為防抬機(jī)摩擦的銅質(zhì)抗磨板。

支持蓋上還裝設(shè)2個(gè)鎖錠裝置，用于停機(jī)時(shí)將控制環(huán)鎖固在全關(guān)位置，確保安全。

6.4 導(dǎo) 葉

導(dǎo)葉為三支點(diǎn)對(duì)稱(chēng)型導(dǎo)葉，導(dǎo)葉 上 軸 徑 為0.37 m，中軸徑為0.41 m，下軸徑為0.32 m，導(dǎo)葉瓣體高3.218 m，導(dǎo)葉總高度為5.283 m，導(dǎo)葉數(shù)為24個(gè)。

導(dǎo)葉瓣體由模壓成型后的不銹鋼板組焊而成，材料為S135；導(dǎo)葉軸頸由20SiMn鍛造而成，各件經(jīng)粗加工后組焊成型。

導(dǎo)葉上、中、下軸頸處設(shè)置 5 mm厚的不銹鋼保護(hù)套。

6.5 控制環(huán)

控制環(huán)為工字型鋼板焊接結(jié)構(gòu)。上環(huán)板設(shè)2個(gè)大耳孔與接力器推拉桿相連，下環(huán)板設(shè)24個(gè)小耳孔與導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)中的連桿相連接?？刂骗h(huán)最大外徑為7.98 m，高1.225 m，結(jié)構(gòu)上分為兩瓣。

在大、小耳孔中設(shè)置自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承，在控制環(huán)下部?jī)?nèi)圓處、控制環(huán)底部與頂蓋接觸處設(shè)置由自潤(rùn)滑材料制成的側(cè)抗磨板和底抗磨板。在頂蓋與控制環(huán)之間設(shè)置壓板，以防止導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)因受力不均而引起的控制環(huán)上抬。

6.6 導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)

導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)由導(dǎo)葉臂、連接板、連桿、連桿銷(xiāo)等組成。

導(dǎo)葉與導(dǎo)葉臂之間設(shè)置1個(gè)圓柱銷(xiāo)，用于傳遞導(dǎo)葉操作力矩。在導(dǎo)葉臂與頂蓋套筒之間設(shè)置由自潤(rùn)滑材料制成的推力環(huán)，以承受導(dǎo)葉的重量。

連桿為雙夾板帶偏心銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，用偏心銷(xiāo)的偏心量彌補(bǔ)因加工造成的各連接件間的形位誤差，在連桿與連接板的連接處設(shè)有自潤(rùn)滑軸承。在導(dǎo)葉臂與連接板之間設(shè)置有剪斷銷(xiāo)，以保證在某個(gè)導(dǎo)葉被異物卡住后其它導(dǎo)葉的正常動(dòng)作。

在導(dǎo)葉臂與連接板之間設(shè)置摩擦環(huán)，以防止導(dǎo)葉在剪斷銷(xiāo)斷開(kāi)后反復(fù)急速擺動(dòng)、撞擊導(dǎo)葉限位塊。在頂蓋套筒上設(shè)有雙向?qū)~限位塊，以防止導(dǎo)葉在剪斷銷(xiāo)斷開(kāi)后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，撞擊相鄰導(dǎo)葉或相鄰導(dǎo)葉傳動(dòng)部件。導(dǎo)葉限位塊的限制范圍以導(dǎo)葉最大可能開(kāi)度時(shí)的導(dǎo)葉臂轉(zhuǎn)角為準(zhǔn)。

7 導(dǎo)葉接力器

在水輪機(jī)機(jī)坑里襯的+X方向平行設(shè)置了2個(gè)接力器，接力器為油壓操作，單導(dǎo)向直缸接力器，用于操作導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

接力器直徑為0.62 m，行程1.15 m，額定工作油壓為6.3 MPa，試驗(yàn)油壓為9.6 MPa，接力器由接力器缸、前后缸蓋、活塞、活塞桿、桿頭等組成?；钊c活塞桿靠螺母鎖緊，活塞桿與桿頭采用螺紋連接，加鎖緊螺母結(jié)構(gòu)。在活塞外圓上裝有2個(gè)導(dǎo)向環(huán)及2個(gè)組合密封圈，以防止兩腔串油；在接力器前缸蓋上裝有導(dǎo)向用的自潤(rùn)滑軸承和防止漏油的成型橡膠密封圈。

8 水導(dǎo)軸承

水導(dǎo)軸承為稀油潤(rùn)滑、非同心分塊瓦自潤(rùn)滑軸承。軸瓦通過(guò)其背后的墊塊將徑向力直接傳遞到軸承支架的環(huán)板上，并通過(guò)斜鍵調(diào)整軸瓦間隙。

軸承的冷卻系統(tǒng)為內(nèi)循環(huán)式，冷卻器的工作壓力為0.5 MPa,冷卻器設(shè)置在軸承油槽內(nèi)。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)滑轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)和軸瓦下部迷宮環(huán)的作用，將油帶入軸瓦表面，隨著油位的增高，熱油翻過(guò)內(nèi)隔油環(huán)進(jìn)入油箱，經(jīng)油箱底部的冷卻器冷卻后進(jìn)入軸瓦表面，如此循環(huán)往復(fù)。

軸承中設(shè)有18個(gè)軸瓦，其長(zhǎng)×寬尺寸為360 mm×300 mm，瓦坯材料為ZG20SiMn，巴氏合金材料為SnSbCu6Pb。在軸承上設(shè)有油位信號(hào)器，以監(jiān)測(cè)軸承油箱內(nèi)的油位，在軸承油箱下部設(shè)有油混水報(bào)警裝置，在軸瓦上設(shè)有測(cè)溫裝置，在油箱內(nèi)設(shè)有測(cè)溫裝置，以監(jiān)測(cè)瓦溫和油溫(圖2)。

圖2 水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)圖

9 主軸密封

主軸密封分為檢修密封和工作密封。

檢修密封采用空氣圍帶式密封，空氣壓力為0.5～0.8 MPa，當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，圍帶充氣膨脹與主軸下法蘭外圓緊密貼合，達(dá)到密封的目的。

工作密封為可動(dòng)式向下端面密封，其工作原理為：不銹鋼密封轉(zhuǎn)環(huán)固定在主軸水機(jī)端護(hù)蓋上端面，復(fù)合材料制成的密封塊把合于不銹鋼密封環(huán)上，密封環(huán)裝于固緊環(huán)內(nèi)側(cè)，滑動(dòng)接觸且設(shè)有密封圈。工作時(shí)依靠密封環(huán)的自重力，密封環(huán)與固緊環(huán)間的彈簧力及密封腔內(nèi)的水壓力，將密封塊與密封轉(zhuǎn)環(huán)貼合，達(dá)到密封的效果。

密封環(huán)與密封塊上均設(shè)有通水孔，依靠清潔水潤(rùn)滑、冷卻密封塊與密封轉(zhuǎn)環(huán)間的接觸面，防止干摩擦燒損密封塊。清潔水壓為0.3～0.5 MPa。同時(shí)，因密封環(huán)可上、下移動(dòng)，能夠保證密封塊逐漸摩損和機(jī)組抬機(jī)時(shí)的正常密封。

通過(guò)密封面的水在支持蓋下段內(nèi)蓄積，經(jīng)水泵排至電站排水總管內(nèi)(圖3)。

圖3 主軸密封結(jié)構(gòu)圖

10 受油器

受油器是將來(lái)自調(diào)速器的壓力油引至操作油管和轉(zhuǎn)輪接力器腔內(nèi)。受油器因內(nèi)外操作油管的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)而采用2個(gè)中進(jìn)油式浮動(dòng)環(huán),其優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行中可上下左右輕微浮動(dòng)，自動(dòng)調(diào)心,使密封間隙均勻,磨損小,密封性好。為防止軸電流,在與發(fā)電機(jī)連接部位和與調(diào)速器油管路連接部位設(shè)有絕緣墊和絕緣套。受油器還設(shè)有觀察孔、轉(zhuǎn)輪接力器行程和葉片轉(zhuǎn)角指示板，壓力表等。

11 結(jié) 語(yǔ)

安谷水電站水輪機(jī)首臺(tái)機(jī)組已于2014年12月一次成功啟動(dòng)并迅速并網(wǎng)發(fā)電，證明了該機(jī)水力性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，為東方電機(jī)在大型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組方面積累了更加成熟和可靠的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，亦為業(yè)主單位提供了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)水電建設(shè)事業(yè)發(fā)展起到了積極的促進(jìn)與推動(dòng)作用