張興宇

(哈爾濱電機廠有限責任公司,哈爾濱 150040)

0 引 言

水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動部件在機組運行時受到的軸向作用力的總合叫作機組軸向力,立式機組的軸向力主要由水輪機轉(zhuǎn)動零件的重力以及轉(zhuǎn)輪受到的軸向水推力這兩部分構(gòu)成。考慮到水輪機結(jié)構(gòu)部件的剛強度要求,機組轉(zhuǎn)動零件的重力在水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計時難以有較大的變化,因此降低轉(zhuǎn)輪的軸向水推力是控制機組軸向力的主要手段。對于混流式機組,轉(zhuǎn)輪的軸向水推力包括水流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時的對轉(zhuǎn)輪內(nèi)過流表面(包括葉片)所產(chǎn)生的力、轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋間腔體內(nèi)的壓力、轉(zhuǎn)輪下環(huán)與底環(huán)間腔體內(nèi)的壓力以及轉(zhuǎn)輪受到的浮力,其中轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋間腔體內(nèi)的壓力在結(jié)構(gòu)設(shè)計時對軸向水推力的影響較大[1]。大型混流式水輪機的工程設(shè)計中應充分考慮各種工況,分析并計算軸向水推力與轉(zhuǎn)動部分重量的大小和方向,使其合力向下,以利于機組運行的穩(wěn)定性[2]。

轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)結(jié)構(gòu)型式及減壓裝置布置的不合理,會使轉(zhuǎn)輪上下腔壓力出現(xiàn)失衡,引起轉(zhuǎn)輪軸向水推力的變化,進而導致水輪發(fā)電機組出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪動靜止漏環(huán)刮擦、機組抬機、推力軸承燒瓦等情況,甚至整個機組被迫停機,極大地危害水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。對水輪機轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)及減壓裝置的探究可以為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考和依據(jù),具有較高工程意義。

1 轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)型式探析

水輪機作為水力旋轉(zhuǎn)機械,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時動靜部件之間需有可滿足其正常運轉(zhuǎn)所要求的間隙,這種設(shè)計間隙會導致機組在運行過程中出現(xiàn)容積損失。通過在轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)上設(shè)置止漏裝置,可以起到動密封的作用,有效降低機組的漏損[3-4]。目前普遍運用于混流式水輪機組的轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)結(jié)構(gòu)為適用于中低水頭機組的縫隙式、迷宮式止漏環(huán),以及適用于中高水頭的梳齒式、臺階式止漏環(huán),下面對這四種轉(zhuǎn)輪上冠及止漏環(huán)結(jié)構(gòu)特點進行詳細分析并對其典型電站的運用情況進行說明。

1.1 直縫式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)

直縫式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)適用于水頭<200m的多泥沙電站,其結(jié)構(gòu)簡單且運行穩(wěn)定可靠,工程設(shè)計中止漏環(huán)單邊間隙c可大致取為轉(zhuǎn)輪直徑的0.5‰,同時對于小型混流式機組若轉(zhuǎn)輪公稱直徑<1m,止漏環(huán)單邊間隙設(shè)計值可適量放大至轉(zhuǎn)輪直徑的0.5‰～1.5‰,直縫式止漏環(huán)間隙取值表,見表1。止漏環(huán)間隙具體取值可參照表1執(zhí)行。典型機組中山包水電站的額定水頭為174m,設(shè)計運行水頭范圍為172～202m,水輪機額定轉(zhuǎn)速為nr=500r/min,其在轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋配合立面處設(shè)置有直縫式止漏環(huán),中山包水電站直縫式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)圖,見圖1。

圖1 中山包水電站直縫式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)圖

表1 直縫式止漏環(huán)間隙取值表

1.2 迷宮式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)

迷宮式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)適用于水頭<200m的清水電站,同樣具有結(jié)構(gòu)簡單及穩(wěn)定可靠的特點,且由于迷宮腔內(nèi)產(chǎn)生的渦流對止漏環(huán)內(nèi)水體的流動形成了一定的阻滯,相同設(shè)計間隙下其止漏效果會比直縫式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)更好,工程設(shè)計時迷宮式止漏環(huán)單邊間隙c也可大致取為轉(zhuǎn)輪直徑的0.5‰,具體可參考直縫式止漏環(huán)間隙取值范圍。典型機組烏東德水電站的額定水頭為137m,設(shè)計運行水頭范圍為106～173m之間,水輪機額定轉(zhuǎn)速為nr=93.75r/min,其在轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋立面位置采用迷宮式止漏環(huán)結(jié)構(gòu),烏東德水電站迷宮式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)圖,見圖2。

圖2 烏東德水電站迷宮式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)圖

1.3 梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)

梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)適用于水頭>200m的水電站,通常固定環(huán)直接加工在轉(zhuǎn)輪上冠靠外側(cè)的頂部,轉(zhuǎn)動環(huán)則單獨制造并用螺栓固定在頂蓋下部與轉(zhuǎn)輪固定止漏環(huán)對應的位置。對于采用梳齒式止漏環(huán)的轉(zhuǎn)輪,其外徑與頂蓋配合間隙c1應大于梳齒密封間隙c2,實際工程設(shè)計時一般外徑間隙c1取值應≥轉(zhuǎn)輪公稱直徑的1‰,梳齒密封間隙c2取值為1～3mm且一般≥1mm。同時結(jié)構(gòu)設(shè)計時應使轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)處的上下梳齒布置在同一半徑的圓柱面上,這樣有利于轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)腔的壓力均衡。由于在轉(zhuǎn)輪的實際加工、安裝中存在同心度偏差和機組大擺動等原因,外徑間隙c1會產(chǎn)生圓周方向的間隙不均勻,導致轉(zhuǎn)輪徑向力不平衡,因此實際設(shè)計時可以適當加大外徑間隙c1。

梳齒式止漏環(huán)是中高水頭混流式水輪機最為常用的止漏環(huán)結(jié)構(gòu)型式,具有很好的止漏效果,可以有效減少機組容積損失并降低轉(zhuǎn)輪上冠壓力,在國內(nèi)外中高水頭機組中廣泛應用,典型機組溪洛渡電站的額定水頭為186m,設(shè)計運行水頭范圍為155～230m,水輪機額定轉(zhuǎn)速為nr=125r/min,其在轉(zhuǎn)輪上冠頂部靠外側(cè)設(shè)置梳齒式止漏環(huán),溪洛渡水電站梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)圖,見圖3。

圖3 溪洛渡水電站梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)圖

1.4 臺階式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)

臺階式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)同樣適用于水頭>200m的水電站,與梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)類似,其固定環(huán)直接加工在轉(zhuǎn)輪上冠靠外側(cè)的頂部,轉(zhuǎn)動環(huán)則采用螺栓固定在相應位置的頂蓋下部。且在工程設(shè)計中采用臺階式止漏環(huán)的轉(zhuǎn)輪外徑間隙c1和臺階密封間隙c2與梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)的選取原則一致。

臺階式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)止漏效果好,同時止漏環(huán)密封間隙內(nèi)部流態(tài)好于梳齒式止漏環(huán),但通常臺階式止漏環(huán)對結(jié)構(gòu)布置空間的要求更高,需要根據(jù)轉(zhuǎn)輪上冠及頂蓋的具體結(jié)構(gòu)布置情況來選擇。典型機組白鶴灘水電站的額定水頭為202m,設(shè)計運行水頭范圍為163.9～243m,水輪機額定轉(zhuǎn)速為nr=107.1r/min,其在轉(zhuǎn)輪上冠頂部靠外側(cè)設(shè)置臺階式止漏環(huán),白鶴灘水電站臺階式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)圖,見圖4。

圖4 白鶴灘水電站臺階式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2 轉(zhuǎn)輪上冠減壓裝置的設(shè)置

混流式水輪機通常會在轉(zhuǎn)輪上冠處設(shè)置減壓裝置,配合止漏環(huán)使用,起到降低轉(zhuǎn)輪上冠壓力以及減少機組軸向水推力的作用。常用減壓裝置結(jié)構(gòu),見圖5。常用的減壓裝置結(jié)構(gòu)型式有2種,其中圖5(a)為設(shè)置引水板和泄荷孔的減壓方式;圖5(b)為設(shè)置頂蓋減壓排水管和轉(zhuǎn)輪泄荷孔的減壓方式。

(a) (b)

當轉(zhuǎn)輪上冠采用引水板作為減壓裝置時,水體經(jīng)過止漏環(huán)后進入頂蓋上腔,當水流經(jīng)過引水板與轉(zhuǎn)輪引水板兩者間的間隙時,受到轉(zhuǎn)輪的離心作用而甩至頂蓋引水板上,然后經(jīng)過泄荷孔排至轉(zhuǎn)輪低壓面。引水板結(jié)構(gòu)設(shè)計時引水板與轉(zhuǎn)輪引水板的間隙要保證機組抬機需求,通常最小設(shè)計間隙≥20mm,轉(zhuǎn)輪引水板立面與頂蓋的間隙則可取止漏環(huán)間隙值的1.5～2倍。

當轉(zhuǎn)輪上冠采用頂蓋減壓排水管作為減壓裝置時,則采用頂蓋減壓排水管聯(lián)通頂蓋止漏環(huán)后腔與尾水管流道,根據(jù)實際工程經(jīng)驗,減壓排水管的排水面積通常可按≥止漏環(huán)縫隙面積的6倍考慮,頂蓋減壓排水管是應用最為廣泛的轉(zhuǎn)輪上冠減壓裝置。

3 投運電站統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析

為對轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)及減壓裝置結(jié)構(gòu)的實際工程設(shè)計更具指導意義,統(tǒng)計了部分已運行混流式機組上冠止漏環(huán)間隙值及減壓排水管管徑,已運行混流式機組上冠止漏環(huán)間隙值與減壓管管徑統(tǒng)計,見表2。通過表中數(shù)據(jù)分析可以看出,由于統(tǒng)計項目均為大型混流式水輪機,止漏環(huán)設(shè)計間隙均在2.5～3.5mm之間,而頂蓋減壓管的實際選取面積一步步增大,已投運混流式機組水輪機頂蓋減壓管的面積達到止漏環(huán)間隙面積的6～8倍,有的甚至達到了8～10倍。

表2 已運行混流式機組上冠止漏環(huán)間隙值與減壓管管徑統(tǒng)計

4 結(jié) 語

轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)結(jié)構(gòu)型式和減壓裝置的設(shè)計對機組運行穩(wěn)定性有較大影響,文章首先對混流式水輪機轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)常用結(jié)構(gòu)型式的選用原則和運用的典型機組進行了介紹和分析,說明了可運用于中低水頭機組的縫隙式、迷宮式止漏環(huán)以及運用于中高水頭機組的梳齒式、臺階式止漏環(huán)的結(jié)構(gòu)特點并明確了各型式止漏環(huán)密封間隙的取值方法,明確間隙的取值需綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工制造、安裝等各方面因素;然后對轉(zhuǎn)輪上冠減壓裝置的設(shè)置方式進行了闡述,說明了引水板、減壓管及泄荷孔的設(shè)計原則;最后通過對大量已投運電站上冠止漏環(huán)間隙值與減壓管管徑的統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)減壓管排水面積在實際工程設(shè)計中已出現(xiàn)變大的趨勢。文章對轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)及減壓裝置結(jié)構(gòu)進行了全面且深入的說明和探究,為后續(xù)項目原型水輪機轉(zhuǎn)輪上冠結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供了參考和依據(jù)。