蜀河水电站46MW灯泡贯流式水轮机设计

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【摘 要】 蜀河水电站装设6台单机容量46mw的大型灯泡贯流式水轮发电机组，该机组是目前国内自主设计的水头最高的贯流式机组，其中4台机组由东方电机有限公司设计、制造。本文介绍了东方电机研制的蜀河水轮机的基本参数和结构特点。

【关键词】 蜀河水电站 灯泡贯流式机组 结构设计

1 引言

蜀河水电站工程位于陕西省旬阳县境内的汉江上游干流上，距旬阳县城51km，是以发电为主，兼有航运等综合利用效益的大型水电站。电站正常蓄水位217.3m，相应水库库容为1.76亿m3。电站为溢流式厂房结构，枢纽建筑物由左右副坝、垂直升船机坝段、泄洪闸、电站厂房坝段等组成。

电站设计水头为19.6m，设计运行水头范围为10.5m～26.3m。电站装设6台46MW大型灯泡贯流式机组，总装机容量为276MW。电站年平均发电量为9.53亿kW.h，年利用小时数为3530h。

2 水轮机基本参数

水轮机型号：GZ（650）-WP-545

水轮机转轮直径：5.45m

转轮叶片数：5

水轮机额定出力：47MW

最大水头：26.3m

额定水头：19.6m

最小水头：10.5m

额定转速：125r/min

额定流量：261m3/s

飞逸转速：

协联工况295r/min

非协联工况385r/min

最大轴向水推力不大于（正/反向）5750KN

机组旋转方向

从上游向下游方向看：顺时针旋转

3 水轮机结构设计特点

3.1 转轮装配

蜀河水轮机转轮型号为GZ（650），5叶片，转轮直径Φ5450mm，主要由转轮体、叶片、叶片轴、转臂、连杆、接力器缸、接力器缸盖、活塞、活塞杆、泄水锥等组成。

转轮体为铸钢结构，过流面堆焊不锈钢。叶片材料为铸钢06Cr13Ni4Mo，叶片外缘背面侧设有抗空蚀裙边，叶片与转臂之间采用销子传递扭矩，销孔采用叶片、叶片轴及转臂三件同铰方式，确保装配精度。叶片密封采用双向多层“V”型密封结构，可有效确保轮毂腔内的油与外部的水之间的双向密封效果，并可在不拆卸叶片的情况下更换密封件。

3.2 导水机构

导水机构由导流部件及导叶传动机构组成，主要包括导叶内环、导叶内环延伸段、导叶外环、转轮室、补偿节、导叶、导叶臂、连杆、控制环、导叶接力器、重锤、锁锭装置等。

导叶内、外环均为钢板焊接结构，其球面段及双曲面段均采用分块钢板冷模压成型。导叶内、外环设置了环形密封带。内、外环上的导叶轴孔分别采用数控加工，确保轴孔位置精度。

转轮室分两瓣，其球面段及喉口部位范围均采用不锈钢板，锥段采用碳素钢板。不锈钢段采用定尺下料钢板模压成型，可靠地保证了转轮室焊接及加工质量。

锥形导叶采用碳钢整铸结构，导叶数为16件。导叶上端轴镶不锈钢轴套，其头、尾部弥合面均铺焊不锈钢材料。导叶上轴颈处设置自向心关节轴承，导叶下轴颈处设置复合材料轴套。导叶保护装置采用摩擦环结构。

3.3 轴承装配

水导轴承为自调心分半卧式筒式轴承，轴承采用自调心扇形板支撑，可适应主轴挠度的变化。水导轴承不设油室，采用重力油箱系统自流供油，外部循环，外部冷却。机组启动及停机时投入高压油顶起系统，在主轴与轴瓦之间形成保护油膜。下半瓦设置两件分体式双支三线制RTD，以监测瓦温，轴瓦报警温度为60℃，停机温度为65℃。在不拆机组其他主要设备的情况下，可方便地维护、检修水导轴承。

3.4 密封装配

密封装配由检修密封及工作密封组成，工作密封采用间隙密封、平板密封及径向盘根密封的组合型式。检修密封采用空心空气围带式结构，密封滑动配合面均为不锈钢材料，密封易损件可在不拆卸机组其他主要设备的情况下进行更换。

3.5 主轴

主轴装配由主轴、内操作油管、外操作油管等组成。主轴采用中空整锻结构，包括轴身、水机端法兰、电机端法兰及组合轴承工作面，材料为优质锻钢。内、外操作油管将主轴中心孔分为两个高压腔及一个低压腔，分别与浆叶接力器开关腔及轮毂腔连接。主轴与转轮采用螺栓连接，销子传递扭矩，与转子采用螺栓连接，销套传递扭矩。

3.6 座环

座环是由多个部件组焊而成的大型组合体，既是导叶前的导流部件，更是重要的受力载体。根据部件制造工艺性、设备运输条件以及设备安装要求等因素，座环分为座环内环、座环外环、上支柱、下支柱、导流锥等部件。

座环内环是整个机组的安装基准，也是最重要的受力载体。上、下支柱作为整个机组关键的受力支撑，其与座环内环之间采用焊缝连接，工地调整好后施焊。上、下支柱既是管路、桥架、电缆等的布置通道，也是日常巡视、维护座环内部设备的人行通道。通过上支柱通道检修水导轴承、密封装配、导叶小端零件、发电机组合轴承等座环内部设备。

3.7 轴承系统

轴承系统包括高压油顶起系统和低压系统，后者采用外部循环，外部冷却结构，依靠自流方式向水导轴承及发电机组合轴承供油。该系统主要包括重力油箱、低位油箱、高压油泵、低压油泵、油过滤器、油冷却器等设备，采用L-TSA46号汽轮机油。系统分别设置两台高、低压泵，一主一备，高压泵采用交替启动模式，而低压泵则可根据机组的启停频繁程度，自主选择停机切换模式或手动切换模式。

4 结语

东方电机为蜀河水电站提供4套额定出力为46MW的水轮发电机组，继首台机于2009年12月29日顺利投产发电后，第4台机也于2010年10月18日投入商业运行。4台机均系一次启动和投运成功，机组运行稳定，综合性能良好，各项运行参数如温度、振动、摆度、噪音等指标优良，在国内外同类型机组中处于领先水平，获得了业主很高的评价和赞誉。蜀河电站的顺利发电，提升了汉江流域水力资源的综合开发水平，为西北地区的经济发展作出了重要贡献。

蜀河项目作为灯泡贯流式水轮发电机组向大容量、高水头的一次跨越，其成功研制，拓宽了我国自行设计的灯泡贯流式机组工作水头的应用范围，提升了我国在大型灯泡贯流式机组方面的整体设计水平，同时巩固了东方电机在国内灯泡贯流式机组领域内的领先地位，大大提升了我公司在特大型灯泡贯流式水轮发电机组领域的竞争能力，为进一步拓展国内、国际市场提供了有力的技术支撑。