桥巩水电站57MW灯泡贯流式水轮机设计

桥巩水电站57MW灯泡贯流式水轮机设计

桥巩水电站57MW灯泡贯流式水轮机设计

孙媛媛 罗远红

（东方电机有限公司，四川 德阳 618000）

【摘 要】 本文主要阐述东方电机有限公司在桥巩灯泡贯流式水轮机上的设计、制造工艺、计算等方面的主要特点以及电站运行情况。

【关键词】 57MW 灯泡贯流式 水轮机 设计 桥巩水电站

1 概述

贯流式水轮发电机组是一种开发利用低水头、大流量水力资源和潮汐能源的良好机型，因其转轮效率高、过流量大、发电机尺寸小，且电站土建开挖量少、建设周期短、总体投资省等优点，在20m或以下水头段的大中型水电站中已完全取代了传统的轴流式机组，因此这种机型在我国浙江、福建、江西、广东、广西等省河流落差较小的地区，有着广阔的市场和发展前景。

广西桥巩水电站工程位于广西来宾市境内红水河流域上，电站装设8台单机容量为57MW的灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量456MW。由于该电站机组台数多，单机容量大，因此吸引了世界上众多有能力制造如此大型灯泡贯流机组的生产厂家前来竞标。我公司在第一轮竞标中，首先获得了其中四台机组的订单。在随后几轮的竞标中，ALSTOM夺得了余下四台机组的生产权。

桥巩水电站57MW（61.69MVA）灯泡贯流式水轮发电机组的单机容量在设计阶段为国内第一、世界第二，仅次于日本的只见电站（单机65MVA）。电站最高水头达24.3 m，推力负荷达1040t，排名世界第一。大容量、大尺寸、高负荷使得桥巩机组的设计难度大大增加。在设计过程中，我们结合公司过去已投运机组的成功经验，精心设计，大胆创新，应用新技术、新结构，保证桥巩机组结构更合理、更安全、更经济。

2 水轮机基本参数及主要性能

2.1 基本参数

水轮机型号： GZ（758）-WP-740

水轮机转轮直径： 7.4m

转轮叶片数： 5

水轮机额定出力： 58.5MW

水轮机最大出力： 63.55MW

最大水头： 24.3m

全年加权平均水头：17.8m

额定水头： 13.8m

最小水头： 5.5m

额定转速： 83.3r/min

额定流量 466.96m3/s

飞逸转速：

协联工况 200r/min

非协联工况 265r/min

吸出高度 -13.24m

最大轴向水推力不大于（正/反向） 10400kN

机组转轮中心线高程 52.60m

机组旋转方向：顺时针旋转（从上游向下游方向看）

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2.2 主要性能

2.2.1 出力保证 净水头（m）

最大水头24.3

设计水头20

水头18

额定水头13.8

水头10

水头8

最小水头5.5 最大出力（kW） 允许最低尾水位（m）63550 59.10 63550 59.74 63550 60.74 58500 65.84 41650 66.64 29250 64.64 13060 60.84 最小出力（kW） 32800 26550 23400 17200 11300 8450 7000 允许的吸出高度（m）-6.5 -7.14 -8.14 -13.24 -14.04 -12.04 -8.24

2.2.2 效率保证

(1) 原型水轮机加权平均效率不低于 94.99%。

(2) 原型水轮机的最高效率不低于 95.7%。

(3) 模型水轮机的最高效率不低于 93.53%。

(4) 原型水轮机在额定工况点效率不低于 92.94%。

(5) 模型水轮机在额定工况点效率不低于 90.77%。

2.2.3 空蚀保证

水轮机投入商业运行后两年，或实际运行时间达8000h，磨蚀保证应同时满足：

（1）水轮机转轮(含转轮体和叶片)因空蚀所剥落的金属质量不大于27kg，单个叶片剥落的质量不得大于全部叶片平均剥落质量的两倍。导水机构、转轮室和尾水管全部剥落质量之和不得大于转轮保证值的二分之一。

（2）所有过流表面的最大空蚀剥落深度不超过8mm。

5/32（3）转轮(含转轮体和叶片)表面因空蚀剥落面积不大于200Dcm。（4）单个叶片的剥落面积

不得大于全部叶片平均剥落面积的两倍。导水机构、转轮室和尾水管剥落面积之和不得大于转轮剥落面积保证值的二分之一。

2.2.4 稳定运行和噪音

(1) 在规定水头及负荷条件下，水轮机均可连续稳定运行。在额定转速和规定的水头、出力范围运行条件下，靠近水轮机导轴承支架的径向（双振幅）值不超过0.12mm；过渡工况下不超过0.25mm。

(2) 水轮机能够运行于启动、甩负荷的过渡工况和规定的各种运行工况，而不产生有害的压力波动、振动或共振。尾水管进口壁处压力脉动的双振幅ΔH/H值不大于下表的值：

净水头 机组输出功率

H（m） （MW）

13.8~24.3 50%~100%Nr

13.8~24.3 35%~50%

7~13.8 相应水头下最大输出功率的70%~100%

7~13.8 相应水头下最大输出功率的35%~70%

5.5~7 相应水头下最大输出功率的70%~100%

5.5~7 相应水头下最大输出功率的35%~70%

注：H为相应的运行水头，Nr为额定功率（58.5MW） 双振幅 ΔH/H（%） <4.5 <5 <6.5 <7.0 <7.5 <8.0

(3) 机组在整个出力范围内，机组突然甩负荷时，导叶前最大压力上升值不超过65%。机组流道内的最大真空不超过80kPa。最大速率上升值不大于65%。

(4) 在额定转速和导叶由空载开度到满载开度的全部运行工况下，在水轮机进人孔上方1.0m处，噪声表不超过85dB(A)。

2.2.5 可靠性指标

在规定的运行工况下，水轮机及其附属设备的可靠性指标规定如下：

(1) 无故障连续运行时间不小于18000h；

(2) 扩大性大修间隔时间不小于10年；

(3) 退役前的使用年限不小于40年；

(4) 允许操作次数：机组年开停机次数不小于1000次。

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3 设计概况

3.1 设计依据和思路

桥巩电站GZ(758)-WP-740水轮机设计是以《广西桥巩水电站工程水轮发电机组及其附属设备供货合同》为依据，结合我公司在第一代灯泡贯流机组：石溪口机组，第二代灯泡贯流机组：流滩坝、黄泥滩机组，第三代灯泡贯流机组：红岩子、桐子壕、沙坡头、金银台等机组，以及分包的贵港大型灯泡贯流式机组的成功设计制造经验和国外进口的同类型机组在电站的实际运行情况，进行设计、制造，在桥巩机组设计过程中大量采用和吸收国内外厂家在灯泡贯流式水轮机设计制造方面的先进技术和成功经验，采用计算机辅助设计对桥巩机组进行优化设计，在保证机组今后能够安全、稳定、满发运行的前提下，使机组的结构更加合理、零件的工艺性更好、便于安装、检修及维护。

3.2 选型

经初步设计针对桥巩水电站的基本参数进行计算和分析，最终选用GZ(758)-WP-740型水轮机，该机型的各项经济技术指标完全满足技术协议和合同要求。

3.3 刚强度计算

我公司研试中心针对桥巩57MW大型灯泡贯流式水轮发电机组的实际结构尺寸，应用大型有限元结构分析软件---ANSYS软件对机组在可能运行的工况下，对水轮机座环、导叶内外环、控制环、转轮室、活动导叶、轴系等进行了结构刚强度及稳定性分析计算，并对桥巩水轮发电机组整机在空气中和水介质下的模态进行了分析计算，同时还对该机组进行了无水状态及运行状态（有水状态）的地震响应计算。计算结果表明，桥巩机组的结构刚强度完全能满足机组安全稳定运行要求。 4 结构特点

桥巩GZ(758)-WP-740灯泡贯流式水轮机主要由以下部分组成：预埋件部分、埋入部分装配、导水机构装配、转轮装配、轴承装配、主轴装配、密封装配、受油器装配、接力器装配、接力器安装、重力油箱系统、油水气管路系统、测量仪表管路系统、地板扶梯、安装工具、集油装置等。

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成瓣并对尾水管进行预装，其中仅尾水管前段带有环形法兰和分半法兰，工地安装时组圆并焊接，过流面焊缝需打磨平滑。为方便电站检修转轮，在尾水管前段正下方设有尾水管进人门。

（2）埋入部分装配

埋入部分装配包括座环、流道钢衬及拉锚、垫板等。根据大件运输尺寸限制，又将座环分为内环、外环、上支柱、下支柱。其中座环内环分为两瓣，座环外环分为4瓣。座环内、外环粗车后，整个座环在厂内进行预装并划出座环内环和外环的加工线，然后分别对座环内环和外环进行加工；座环内、外环之间设有支撑管，用于电站安装时加强座环外环的刚性。座环在厂内预装时焊接该支撑管（支撑管为法兰连接）。对于座环内环与上、下支柱的连接焊缝，其焊接坡口在厂内制作，工地焊接，焊后需对该焊缝进行100％磁粉及超声波探伤检查，并进行退火处理。电站检修时，为方便操作者能够顺利进入流道，特意在座环的下支柱上设置了两个进人门。由于大型贯流式水轮机的座环尺寸大，刚性差，在电站浇筑混凝土后，座环的内环、外环下游侧与导水机构内、外环把合法兰面之间的高度尺寸与理论尺寸相比将发生变化，为克服这一问题，要求电站在座环浇筑完混凝土后，对座环内、外环下游侧法兰面的开档尺寸进行实测，并将实测尺寸通知我公司，以便配车导水机构的导叶内环，保证机组的顺利安装和稳定运行。

（3）导水机构装配

导水机构装配包括导叶内环、外环、内环延伸段、导叶、控制环、连杆机构、转轮室和补偿节等。由于桥巩机组为特大型灯泡贯流式机组，导叶内、外环之间的开档尺寸很大，导叶内、外环上的导叶轴孔不宜采用同镗的加工工艺，因此为了克服导叶轴孔由于单独加工所可能产生的同轴度超差等问题，我们就在导叶上轴颈处设有可自动调心的自润滑向心关节轴承，在导叶下轴颈处设有复合材料的自润滑轴套，从而保证活动导叶在机组运行过程中转动灵活、可靠；又因为灯泡贯流式机组的导叶连杆机构为空间运动的特殊性，在导叶连杆机构中也设有可自动调心的自润滑向心关节轴

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承；导叶的安全保护采用间隔布置的弹簧安全连杆机构，其结构简单，性能可靠，在导叶卡阻后产生变形，并能自动复位。而常规机组一般采用剪断销结构，关机时如果导叶卡阻，剪断销被剪断，就需停机后才能更换，这样就相当繁琐。导叶内、外环球面及双曲面段钢板采用模压成型技术，用以代替常规设计的多段锥面拟和结构，这样就减少了环形焊缝的数量及焊后变形量，大大节约了生产制造周期。由于贯流式水电站一般不设置进水阀，因此我们在导水机构中设有重锤保护装置，当接力器的操作油压过低时，导叶可依靠重锤所产生的力矩及水力矩来实现自动关闭，以保证机组的安全；导水机构中还设有锁锭装置，在机组停机检修时将导叶锁在全开位置，以保证检修人员的安全；在机组正常停机时将导叶锁在全关位置，以防止误操作。导叶套筒法兰面与导叶外环不直接接触，此处不需要刮大平面，只需要刮8-Φ60的小平面，这样降低了加工的难度，依靠调整螺套来调节套筒的位置，从而调整导叶的端面间隙。导叶内外环与导叶全关时的配合面处设有2mm的环形凸台，这样可避免导叶在导叶内外环之间转动过程中发卡。另外为克服由于安装过程中可能产生的累积误差等，在转轮室与尾水管之间设有补偿节。

（4）主轴装配

主轴装配包括主轴及操作油管等。水轮机与发电机共用一根轴。主轴为整锻结构，其材料为锻钢 A668 CL.D，主轴上带有发电机正反推力轴承镜板面，主轴两端的法兰采用螺栓，分别与发电机转子及水轮机转轮联接，发电机转子与主轴采用销套传扭，水轮机转轮与主轴采用径向销传扭。主轴内操作油管由外操作油管及内操作油管组成，与主轴内孔一起形成两个压力油腔和一个回油腔，压力油腔用以控制转轮叶片的转动，低压回油腔用于转轮轮毂保压。内操作油管与转轮接力器缸相连接，并随其一起前后移动，然后通过安装于受油器端的传感器将转轮桨叶转动信号反馈给机组调速器系统。

（5）转轮装配

转轮型号为GZ（758），转轮直径为7.4m，轮毂比为0.42。转轮装配包括转轮体、叶片、叶片轴、转臂、接力器缸、接力器缸盖、活塞轴、连接体、泄水锥等，转轮为缸动结构，接力器缸布置在转轮中心线的下游侧。转轮有5个叶片，4台机组的叶片全部由奥地利VA公司制造，在叶片外圆的背面侧设有抗空蚀裙边，叶片材料为铸钢ZG06Cr13Ni4Mo。转轮体整铸而成，材料为铸钢20MnSi，过流面堆焊不锈钢。转轮接力器活塞采用组合密封结构代替传统活塞环结构，克服了活塞环加工困难，且密封性能不易保证的难题。叶片密封为双向多层V型密封，可在不拆卸叶片的情况下很方便地更换密封件。转轮在厂内进行静平衡，并进行预装和动作试验。

（6）密封装配

主轴密封由检修密封和工作密封组成，工作密封为组合式密封，包括间隙密封、平板密封及径向盘根密封。盘根密封采用清洁水润滑，并设置有紧量调整装置，保证其良好的密封性能。检修密封为空气围带，检修时投入压缩空气，机组启动时必须排除空气，以防止烧毁空气围带。主轴密封设有集中排水系统。

（7）轴承装配

桥巩水轮机导轴承采用径向分半卧式筒式轴承结构，该轴承为重载静压启动，机组在启动及停机过程中由高压油顶起系统将机组的转动部分顶起，防止轴瓦烧毁。水导轴承润滑油为外冷式，轴承内部不设冷却器；轴承由重力油箱系统供给润滑油，轴承油箱内基本不存油，机组正常运行时，轴承供油循环方式为：高位油箱→水导轴承→低位油箱→升压泵→油冷却器→油过滤器→高位油箱。润滑油外循环结构大大缩小了轴承的外形尺寸，并减轻了整个轴承的重量，使机组内的空间相对增大，便于机组设备的安装、检修及维护，且轴瓦可单独吊出进行检修。轴承前后两端盖上设有防漏油，防进水的密封装置，经多个电站实际运行证明该轴承结构能保证机组安全、稳定运行。

（8）受油器

受油器采用浮动瓦结构。从结构上将回复轴的水平运动与其自身的旋转运动分开，减少了浮动瓦的磨损，从而保证了机组的安全稳定运行；两高压进油管处的浮动瓦采用分开的结构，避免了某些国外机组用一块浮动瓦产生蹩劲的问题。因此，提高了机组运行的可靠性。

（9）重力油箱系统

重力油箱系统由、低位油箱、轮毂高位油箱、增压螺杆泵、油过滤器、油冷却器及相关附件组成。高位油箱主要用于提供机组水导轴承及发电机组合轴承润滑油；轮毂高位油箱用于提供转轮轮毂腔内的润滑油，并保证轮毂内外压力的平衡，这样对转轮叶片密封有利。润滑油从高位油箱流至导轴承内表面，对轴瓦进行润滑并带走主轴旋转所产生的热量，然后流入低位油箱。低位油箱通过两台交流电机驱动的油泵向高位油箱供油，一台工作，一台备用，因此能确保机组的安全。另外，

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高位油箱底部还设有油温控制装置及电加热器，以避免低温时润滑油的粘度变大，导致流量变小而烧毁轴瓦。

（10）导叶接力器

桥巩接力器为直缸摇摆式接力器，竖直布置在导水机构下方的接力器支墩上，活塞杆与导水机构控制环相连，用以操作导叶的开启及关闭。接力器的直径为480mm，行程为1840mm，在接力器的关闭腔设有节流孔，满足导叶的关闭要求。

（11）扶梯栏杆

为方便电站对机组的维护和检修以及运行人员的巡视，机组水轮机侧除在机组内设有扶梯和平台外，还在机组外的转轮室处设有可供检修、巡视导水机构和接力器的扶梯栏杆和平台。原来的扶梯栏杆均由三通、钢管和管接头焊接而成，现在桥巩机组的扶梯栏杆由钢管直接弯曲成形，大大降低了焊接量，节约了成本；外扶梯由原来的直上直下改为倾斜一定角度，这样就降低了人上下扶梯的危险性。

（12）安装工具及其它

为方便电站安装，提供了一套方便适用的专用工具，其中包括座环下游侧支撑工具；导水机构的套筒及关节轴承起吊装拆工具、导水机构起吊翻身工具等；主轴吊装和就位工具组；转轮叶片吊装工具；转轮室悬挂工具；水导轴承检修工具以及水轮机安装的常规工具。

另外机组还设有测量仪表装置，以实现对机组各部位的监测。

5 结束语

2008年7月27日凌晨0：41分，我厂设计制造的桥巩一号机组顺利通过72小时试运行，7月28日22：15分，备受关注的桥巩一号机机组一次并网成功，并网电流稳定，机组各项参数运行良好，正式投入商业运行。桥巩水电站的成功投产发电，对广西经济又快又好发展，对提高我国南方电网西电东送主网架输送能力和安全稳定运行水平具有重要作用。

桥巩发电机组是我国单机容量最大的灯泡贯流式机组，其设计和制造难度达到世界一流水平，且没有成功经验可以借鉴，此次桥巩灯泡贯流式水轮发电机组的成功运行，其意义非凡，标志着中国在超大型灯泡贯流式发电机组设计、制造、安装领域都达到世界一流水平，同时为我国同类型的灯泡贯流式水轮发电机组的施工管理提供了有效借鉴和技术指导。