高 欣

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)部，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

該工程位于斐濟(jì)Viti Levu 島中南部，距離首都約蘇瓦300km。工程的主要作用是攔河蓄水發(fā)電，電站在當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)為調(diào)峰運(yùn)行，沒有調(diào)相運(yùn)行的要求。

斐濟(jì)南德瑞瓦圖單機(jī)容量 21.4MW，總裝機(jī)容量 42.8MW。電站引水系統(tǒng)由隧洞、調(diào)壓井、壓力管道和岔管構(gòu)成，引水方式為一管兩機(jī)，每臺(tái)機(jī)組進(jìn)口設(shè)置液壓操作球閥。沖擊式水輪機(jī)的主機(jī)設(shè)備由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任設(shè)計(jì)制造完成。

1 高水頭沖擊式機(jī)組的結(jié)構(gòu)

1.1 基本參數(shù)

水輪機(jī)型號(hào)CJA475-L-170/ 5x15.7，轉(zhuǎn)輪直徑1700mm，噴嘴數(shù)5個(gè)，射流直徑157mm，額定流量7.5m3/s，額定出力21.4MW，最大出力22.52MW，額定轉(zhuǎn)速428.6rpm，飛逸轉(zhuǎn)速772 rpm。

1.2 高水頭沖擊式機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)

圖1為斐濟(jì)南德瑞瓦圖電站的總體結(jié)構(gòu)。沖擊式水輪機(jī)為帶有調(diào)速器控制的噴針和射流偏流器的豎軸、單級(jí)轉(zhuǎn)輪、五噴嘴水斗型水輪機(jī)，水導(dǎo)軸承采用筒式內(nèi)循環(huán)導(dǎo)軸承，并設(shè)有補(bǔ)氣裝置。水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楦┮曧槙r(shí)針方向。水輪機(jī)軸直接連接到發(fā)電機(jī)軸上。由水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上形成軸向水推力形成的總軸向力，由安裝于發(fā)電機(jī)上的推力軸承來承擔(dān)。

圖1 沖擊式機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)

1.3 轉(zhuǎn)動(dòng)部分

轉(zhuǎn)動(dòng)部分由主軸、轉(zhuǎn)輪、水導(dǎo)軸承以及連接部件組成。

1.3.1 主軸

主軸為雙法蘭中空厚壁軸，材料為鍛鋼 ASTM A668 Class D，軸身直徑Ф450mm， 軸承處軸直徑Ф465mm，轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機(jī)采用法蘭，重量 4.4 t。通過摩擦傳遞扭矩方式采用 12 個(gè)聯(lián)結(jié)螺栓與轉(zhuǎn)輪聯(lián)結(jié)，由 12 個(gè)銷螺釘與發(fā)電機(jī)主軸聯(lián)結(jié)以傳遞扭矩。

1.3.2 沖擊式轉(zhuǎn)輪

水輪機(jī)配有1個(gè)水斗型沖擊式單轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪由 ASTM A743 CA-6NM材料整鑄而成。轉(zhuǎn)輪采用摩擦傳遞扭矩方式通過螺栓連接至主軸下端的法蘭上。裝配方法便于通過轉(zhuǎn)輪下方的尾水通道門和機(jī)殼蓋處拆卸轉(zhuǎn)輪。

轉(zhuǎn)輪的材料通常采用抗氣蝕和抗磨損性能優(yōu)良的不銹鋼，國內(nèi)常用該材料鑄造結(jié)構(gòu)。在加工工藝上，采用整體數(shù)控加工，哈爾濱電機(jī)廠已經(jīng)開發(fā)出整體加工的數(shù)控程序，使用三軸或五軸數(shù)控鏜床整體加工，并成功應(yīng)用在斐濟(jì)南德瑞瓦圖項(xiàng)目上。

轉(zhuǎn)輪的許用應(yīng)力有嚴(yán)格的控制范圍對(duì)鑄造的轉(zhuǎn)輪在最大水頭、最大負(fù)荷、啟動(dòng)工況或飛逸工況下，作用在水斗根部的最大交變應(yīng)力不超過24MPa。平均應(yīng)力不超過60MPa。采用ANSYS軟件對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行有限元法的計(jì)算分析。

水斗工作表面敷設(shè)堅(jiān)硬敷層（采用 HVOF 噴涂工藝）以保護(hù)轉(zhuǎn)輪水斗的表面不被腐蝕，所有受水流沖擊的轉(zhuǎn)輪水斗表面處理成平滑的外形，處理所有水斗上的分水刃，確保在噴嘴開孔的中心與分水刃相對(duì)。轉(zhuǎn)輪出廠前按ISO1940的6.3級(jí)的要求在工廠做靜平衡試驗(yàn)。

1.3.3 水導(dǎo)軸承

水導(dǎo)軸承為筒式軸承，起到承受水力不平衡力的作用。軸承直徑Ф465mm，軸瓦高 350mm，分 2 瓣。主要包括軸承體、上油箱、油箱蓋、下油箱、冷卻器等。 軸承體內(nèi)表面掛有巴氏合金，軸承與主軸的間隙為0.18mm~0.33mm （雙邊），軸承的冷卻方式采用油箱內(nèi)設(shè)有冷卻器冷卻。為了監(jiān)控瓦溫和油溫，在軸瓦上設(shè)置了鉑熱電阻檢測(cè)瓦溫，在上油箱內(nèi)設(shè)置了熱電阻測(cè)量油溫。當(dāng)油溫和軸瓦溫度分別達(dá)到或超過規(guī)定值 55℃ 和 60℃ 時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。為了測(cè)量軸承內(nèi)油位，在上油箱內(nèi)設(shè)置了 1 個(gè)浮子信號(hào)器，用于測(cè)量靜止及正常運(yùn)行時(shí)軸承內(nèi)的油位，當(dāng)油位超過最高 170mm 或低于最低極限 120mm 時(shí)，自動(dòng)發(fā)出信號(hào)。在上油箱內(nèi)還設(shè)有油混水信號(hào)計(jì)，測(cè)量油中水的含量，當(dāng)水的含量超過規(guī)定值時(shí)，自動(dòng)發(fā)出信號(hào)。油箱蓋上還設(shè)有觀察窗。

在運(yùn)行初期，尤其在四噴嘴運(yùn)行工況，該工況側(cè)向力最大，運(yùn)行工況比較惡劣，出現(xiàn)水導(dǎo)軸承在四噴針下運(yùn)行時(shí)油溫和瓦溫持續(xù)較高的現(xiàn)象，且上油箱油位較高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)軸承冷卻水進(jìn)、出水溫度差較小等現(xiàn)象[1]。經(jīng)過拆解水導(dǎo)軸承最終判定為上油箱中油循環(huán)存在問題，采取降低回油口高度，提高油循環(huán)速度的方式，將回油管取出，截掉 30mm 高度后裝回原位置，同時(shí)還在溢油板上表面增設(shè)了擋油板，使溢出熱油遠(yuǎn)離回油口，以加強(qiáng)熱油冷卻效果；將水導(dǎo)軸承冷卻水進(jìn)水管處的節(jié)流閥取消，增加冷卻水流量。水導(dǎo)軸承在經(jīng)過處理后，機(jī)組在切入四噴嘴運(yùn)行時(shí)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)水導(dǎo)軸承瓦溫已穩(wěn)定在 60℃左右，油溫為 49℃，基本解決了四噴針下運(yùn)行時(shí)油溫和瓦溫持續(xù)較高的問題[1]。

1.4 埋入部分

埋入部分由機(jī)殼、補(bǔ)氣系統(tǒng)、配水環(huán)管、穩(wěn)水柵、機(jī)坑里襯、機(jī)坑照明系統(tǒng)、地板裝配和管路系統(tǒng)組成。

1.4.1 機(jī)殼

為滿足運(yùn)輸和便于安裝的要求，機(jī)殼分為2瓣。機(jī)殼采用鋼板 ASTM A283 GrC的焊接結(jié)構(gòu)，機(jī)殼上部設(shè)有機(jī)殼蓋，機(jī)殼蓋用螺栓固定在機(jī)殼上，并有頂起機(jī)殼蓋的專用螺孔。機(jī)殼蓋有足夠的強(qiáng)度和剛度，運(yùn)行時(shí)能承受傳遞到機(jī)殼上的機(jī)組和混凝土的重量，檢修發(fā)電機(jī)吊出轉(zhuǎn)子時(shí)能支承轉(zhuǎn)輪和主軸的重量，在所有運(yùn)行工況和最大水頭下當(dāng)全部或部分噴嘴工作時(shí)能安全承受傳遞到機(jī)殼上的轉(zhuǎn)輪徑向力，投入折向器、飛逸工況時(shí)的射流沖擊力和所產(chǎn)生的振動(dòng)，并不產(chǎn)生有害變形。機(jī)殼的設(shè)計(jì)沒有考慮基礎(chǔ)混凝土的聯(lián)合受力。

機(jī)殼蓋上裝有水導(dǎo)軸承支座，在尾水渠底板機(jī)殼范圍內(nèi)設(shè)底板鋼板，鋼板厚 16mm。機(jī)殼上設(shè)有裝拆轉(zhuǎn)輪和噴嘴的吊孔。機(jī)殼底采用全鋼襯結(jié)構(gòu)，機(jī)殼在任何工況下從噴嘴、折向器、水斗反射出來的水流不發(fā)生對(duì)射流的干擾。在必要處設(shè)置擋水板，以隔開可能對(duì)射流干擾的反射水流。在尾水出流方向，機(jī)殼下緣和最高機(jī)坑尾水位之間有 0.8m的通氣高度。機(jī)殼的結(jié)構(gòu)和尺寸能方便裝拆噴管總成。

1.4.2 補(bǔ)氣系統(tǒng)

為保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在機(jī)殼上設(shè)置 4-DN50 自然補(bǔ)氣裝置，尾水管處設(shè)置 5-DN150自然補(bǔ)氣裝置。其結(jié)構(gòu)和尺寸保證水輪機(jī)輸出功率、運(yùn)行穩(wěn)定以及正常運(yùn)行條件下實(shí)際排出高度不小于設(shè)計(jì)值。

1.4.3 進(jìn)人門及轉(zhuǎn)輪下拆運(yùn)輸通道門

轉(zhuǎn)輪和噴管能下拆并用小車從穩(wěn)水柵處運(yùn)出，在機(jī)墩上開設(shè)轉(zhuǎn)輪下拆運(yùn)輸通道、運(yùn)輸門，并在運(yùn)輸門上設(shè)有鉸鏈?zhǔn)降匿撝泼芊忾T作為進(jìn)人門。進(jìn)人門及運(yùn)輸通道門安全可靠，密封性能良好，采用向外開啟，并設(shè)有不銹鋼頂起螺絲。

1.4.4 配水環(huán)管

配水環(huán)管包括從水輪機(jī)進(jìn)水閥下游到噴嘴的所有相互連接的壓力管道。管道部分和噴管延伸部分由鋼板制成，滾壓成型，焊縫進(jìn)行退火處理，埋設(shè)于混凝土中。配水環(huán)管一般采用岔管結(jié)構(gòu)，在分叉處采用月牙板的結(jié)構(gòu)，保證整體受力均勻，水力損失小。配水管設(shè)計(jì)壓力為4MPa 。配水環(huán)管設(shè)計(jì)成能夠在現(xiàn)場(chǎng)焊接連接，為了便于運(yùn)輸和工地安裝，配水環(huán)管分3瓣，工地組焊，并做壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力是設(shè)計(jì)壓力的1.5倍。壓力試驗(yàn)6MPa，試驗(yàn)時(shí)間0.5h，壓力試驗(yàn)完成后，保壓澆筑混凝土，保壓值2.93MPa。

配水環(huán)管進(jìn)口與進(jìn)水閥伸縮節(jié)在工地進(jìn)行焊接。

采用ANSYS軟件計(jì)算配水環(huán)管剛強(qiáng)度。

受運(yùn)輸條件限制，配水環(huán)管一般在工地組焊成整體，然后進(jìn)行壓力試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)壓力，采用脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)，將整個(gè)試驗(yàn)壓力范圍分為多段，逐步升壓，保壓一定時(shí)間，再降低部分壓力，逐級(jí)升壓，在最高壓力下保持2h，然后釋放壓力。配水環(huán)管的安裝采用保壓澆筑方式澆筑混凝土。保壓澆筑的壓力一般為最小靜壓力的80%左右。在保壓澆筑過程中須考慮混凝土凝固引起配水環(huán)管內(nèi)水溫度升高問題。混凝土在凝固過程中會(huì)釋放熱量，溫度會(huì)升高20℃左右，如此高的溫差，會(huì)引起配水環(huán)管的變形，經(jīng)過計(jì)算，溫度每升高1℃，變形為1mm。采用保溫保壓澆注，在混凝土凝固70%后，進(jìn)行保壓回填灌漿。保證混凝土與配水環(huán)管聯(lián)合受力，增強(qiáng)配水環(huán)管的剛性，有利于增強(qiáng)機(jī)組的抗震能力。

1.4.5 穩(wěn)水柵

穩(wěn)水柵覆蓋機(jī)殼內(nèi)整個(gè)水平部分。穩(wěn)水柵由排列整齊的扁鋼組成，有足夠的強(qiáng)度和剛度，并牢固地固定在埋設(shè)于基礎(chǔ)混凝土中的型鋼上，承受長(zhǎng)期的水流沖刷而不損壞，也無有害的振動(dòng)。穩(wěn)水柵和轉(zhuǎn)輪中心平面的垂直高度既滿足機(jī)組暫態(tài)過程中的最大涌浪不觸及轉(zhuǎn)輪，又滿足檢查、檢修和裝拆轉(zhuǎn)輪、噴管總成的需要。檢修過程中，拆下來的轉(zhuǎn)輪或直流噴管可放在搬運(yùn)小車上沿穩(wěn)水柵表面水平移出機(jī)坑。

1.4.6 機(jī)坑里襯

機(jī)坑鋼里襯的范圍為從機(jī)坑底到發(fā)電機(jī)下?lián)躏L(fēng)板。機(jī)坑里襯采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑滿足水輪機(jī)機(jī)殼蓋整體吊出和機(jī)坑內(nèi)維護(hù)、檢修、運(yùn)行的要求。機(jī)坑里襯外側(cè)用加強(qiáng)筋和錨鉤補(bǔ)強(qiáng)將里襯錨固到周圍的混凝土中。

1.4.7 機(jī)坑照明系統(tǒng)和地板裝配

每臺(tái)機(jī)配備一套防護(hù)開關(guān)箱，安裝在進(jìn)人門旁進(jìn)行控制，每個(gè)燈室中放置2個(gè)燈具以及對(duì)稱布置2個(gè)自帶電池的急照明燈具，其中照明燈具采用具有防護(hù)作用的防潮、防水燈具。

坑內(nèi)設(shè)有地板欄桿裝配，踏板采用防滑花紋鋼板制作。

1.4.8 管路系統(tǒng)

管路系統(tǒng)包括量測(cè)管路，油、水氣管路、機(jī)組制動(dòng)管路等。油、水氣管路主要包括水導(dǎo)軸承冷卻水供排水管路，噴管接力器及偏流器接力器操作控制油管路，測(cè)壓管路主要包括分流管進(jìn)口處、出口處的壓力測(cè)點(diǎn)、機(jī)殼真空度的測(cè)點(diǎn)等，測(cè)壓頭的設(shè)計(jì)根據(jù) IEC60041 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.5 噴管總成

噴管采用直流內(nèi)控式噴管進(jìn)行油控操作，正常工作油壓為 6.3MPa?？刂茩C(jī)構(gòu)設(shè)在噴管內(nèi)，各噴嘴以相同的開口和其他噴嘴并列同步投入運(yùn)行，也可單獨(dú)投入運(yùn)行。各噴嘴和各折向器之間全部用油壓直接控制。噴管接力器內(nèi)設(shè)有平衡彈簧，整個(gè)行程范圍內(nèi)無油壓和水壓，噴針將自動(dòng)開啟到 50%開度位置。直流噴管在正常運(yùn)行條件下，失去油壓能實(shí)現(xiàn)自關(guān)閉。每個(gè)噴管都設(shè)有1個(gè)偏流器。每個(gè)偏流器都有1個(gè)獨(dú)立的接力器操作。偏流器在正常運(yùn)行時(shí)不和射流接觸，甩負(fù)荷時(shí)在 2s 內(nèi)偏轉(zhuǎn)全部水流。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷突然出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)時(shí)，將通過偏流器快速調(diào)整流量，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。

噴針和偏流器接力器的容量在壓力油罐內(nèi)事故低油壓 為4.8MPa，減去管路損失所形成的接力器缸內(nèi)最低油壓，接力器所具有的總?cè)萘咳阅艹湓５卦谌魏嗡^、輸出功率和暫態(tài)條件下精確地控制、操作噴針和偏流器的全開和全關(guān)行程。噴針和其接力器在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，在任何工況下不發(fā)生噴針折斷。噴針接力器的所有固定結(jié)合處設(shè)有密封，防止壓力油或壓力水的滲漏，所有滑動(dòng)配合處不會(huì)發(fā)生壓力水和壓力油相互直接滲漏，并設(shè)置中間無壓的油水排泄腔和排泄腔目測(cè)孔。接力器的進(jìn)出油口和進(jìn)出氣口設(shè)在上方，檢查和檢修排油口設(shè)在下方。噴針和偏流器所有具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸表面均為自潤滑型，不需要潤滑系統(tǒng)。偏流器及其支撐和操作機(jī)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能安全承受最大水頭全開度射流的長(zhǎng)時(shí)間（用于排空鋼管積水）沖擊，不發(fā)生有害的振動(dòng)、變形和破壞。

噴管法蘭和配水環(huán)管支管法蘭之間設(shè)調(diào)整法蘭，具有微調(diào)射流方向和位置的作用，以確保安裝射流中心線和位置的準(zhǔn)確性，調(diào)整固定后能保持長(zhǎng)期不變。提供工地噴管安裝調(diào)整工具在正常運(yùn)行、過渡工況、飛逸工況中，當(dāng)相鄰噴管的折向器在投入狀態(tài)時(shí)，一個(gè)噴管的高速射流會(huì)直接通過折向器折射打在臨近的噴管上。在每個(gè)噴管上設(shè)堅(jiān)固的擋水板保護(hù)噴管不受沖蝕，且從擋水板反射出來的水流不再?zèng)_到轉(zhuǎn)輪上。

每個(gè)噴管均設(shè)有噴針行程指示（mm）和開度指示（%），為將噴針行程信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)有行程變送器，其滿量程為4mA~20mA和 24V 直流模擬量輸出。每個(gè)偏流器設(shè)1個(gè)行程變送器。噴管總成便于在機(jī)殼內(nèi)整體下拆，噴管上機(jī)殼處設(shè)起吊螺栓。也可方便地只拆折向器、噴嘴、噴針等零件而不拆卸噴管。

2 廠內(nèi)組裝和耐壓試驗(yàn)

2.1 廠內(nèi)組裝

所有噴管總成及其折向器和分流管在廠內(nèi)裝配完成并進(jìn)行操作試驗(yàn)，各接力器的動(dòng)作靈活。各噴嘴有相同的開口－行程關(guān)系曲線和相同的最大開口。

2.2 耐壓試驗(yàn)

噴管總成在廠內(nèi)組裝完成后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)按設(shè)計(jì)工作水壓（含水擊壓力）的 1.5 倍和設(shè)計(jì)工作油壓的 1.5 倍分別對(duì)噴管總成的過流部分和噴針接力器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間為 30min，然后降至設(shè)計(jì)壓力，保持 60min。噴管總成及其內(nèi)部的噴針操作接力器不得出現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象、任何損壞和有害的變形。

3 結(jié)語

斐濟(jì)南德瑞瓦圖沖擊式機(jī)組，在工地現(xiàn)場(chǎng)完成各項(xiàng)無水調(diào)試和有水調(diào)試工作，并于2003年正式順利投入商業(yè)運(yùn)行，雖然運(yùn)行初期，遇到在四噴嘴運(yùn)行工況下水導(dǎo)瓦溫異常升高的現(xiàn)象，但經(jīng)哈電派駐的技術(shù)專家妥善處理，進(jìn)一步改善導(dǎo)軸承的油循環(huán)路徑，使水導(dǎo)軸承各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行正常。目前機(jī)組各項(xiàng)狀態(tài)良好，為哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司贏得了較好的國際聲譽(yù)。