140MW沖擊式水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)特點

李邦明，錢生坤，晏克力

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

140MW沖擊式水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)特點

李邦明，錢生坤，晏克力

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

金窩水電站140M W沖擊式水輪機是目前國內(nèi)制造的單機容量最大的沖擊式水輪機，也是目前亞洲單機容量最大的沖擊式水輪機，主要從水輪機、發(fā)電機、進水球閥三方面介紹該機組的主要結(jié)構(gòu)特點。

水輪發(fā)電機組；沖擊式水輪機；噴嘴；發(fā)電機；球閥

0 引言

金窩電站位于四川省石棉縣及康定縣境內(nèi)的田灣河上，其首部樞紐、廠房分別與仁宗海水庫電站廠房和大發(fā)水電站首部樞紐銜接，裝設(shè)2臺單機容量為140MW的水輪發(fā)電機組。本梯級水電站工程為單一的發(fā)電工程，無防洪、航運、供水等綜合利用要求，金窩電站水輪發(fā)電機組是我公司設(shè)計制造的國內(nèi)單機容量最大、轉(zhuǎn)輪直徑最大、高轉(zhuǎn)速發(fā)電機、球閥直徑最大的沖擊式水輪發(fā)電機組，也是目前亞洲單機容量最大的沖擊式水輪發(fā)電機組。

1 水輪機部分

1.1 水輪機的基本技術(shù)參數(shù)

1.2 水輪機結(jié)構(gòu)

金窩電站水輪機為立軸、6噴嘴6折向器結(jié)構(gòu)的水斗式水輪機組，每個噴嘴和折向器均設(shè)有接力器及行程位移傳感器，通過電信號使噴針及折向器協(xié)聯(lián)動作，確保機組穩(wěn)定運行，噴嘴的運行個數(shù)，按照水輪機的負荷自動切換，以達到水輪機的最佳效率；并采用剛度較好的筒式導(dǎo)軸承，且軸承的支架及油箱充分利用了埋入混凝土中的機殼內(nèi)蓋部分，為確保其剛度及精度，機殼內(nèi)蓋采用整體制造和加工技術(shù)，這樣可大大提高軸承運行時的穩(wěn)定性。

主要部件有：轉(zhuǎn)輪、噴嘴裝配、水輪機主軸、水導(dǎo)軸承、配水環(huán)管、機殼、穩(wěn)水柵、管路系統(tǒng)及儀表等。其中轉(zhuǎn)輪及噴嘴裝配由奧地利維奧公司設(shè)計制造。

1.2.1 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計由奧地利維奧公司瑞士水力設(shè)計中心負責(zé)，轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造在奧地利完成，轉(zhuǎn)輪具有足夠的強度和剛度，能夠承受任何可能產(chǎn)生的作用在轉(zhuǎn)輪上的最大射流沖擊力和離心力，包括飛逸轉(zhuǎn)速在內(nèi)的運行中施加的射流作用合力。在最大水頭、最大負荷、啟動工況或飛逸工況下，作用在轉(zhuǎn)輪水斗根部的最大交變應(yīng)力不超過32MPa，平均應(yīng)力不超過60MPa。

轉(zhuǎn)輪的等效沖擊次數(shù)不低于為1.5×1010次。在此等效沖擊次數(shù)內(nèi)轉(zhuǎn)輪承受周期性變動負荷作用下不發(fā)生斷裂或有害變形。

轉(zhuǎn)輪采用X3CrNi13-4不銹鋼制作,制造工藝采用高焊工藝（HI WELDTM）制造，轉(zhuǎn)輪輪盤鍛件延伸至40%最大工作應(yīng)力（交變應(yīng)力）處，外部水斗也采用鍛件數(shù)控加工。轉(zhuǎn)輪加工完成后將進行整體退火，去應(yīng)力處理。

轉(zhuǎn)輪拆卸采用下拆方式，經(jīng)穩(wěn)水柵運出。

1.2.2噴嘴裝配

噴管采用直流內(nèi)控式，控制機構(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行，也可單獨投入運行。各噴嘴和各偏流器之間全部用油壓直接控制。整個行程范圍內(nèi)噴針具有水力自關(guān)閉能力。正常工作油壓等級為6.3MPa。噴針接力器內(nèi)設(shè)有平衡彈簧，在調(diào)速器油壓系統(tǒng)失壓時，在運行水頭范圍內(nèi)，噴針具有從全開到全關(guān)位置的自關(guān)閉趨勢，每個噴管都設(shè)有一個偏流器。偏流器的切水刀板采用鑄不銹鋼，偏流器采用油壓開啟及彈簧關(guān)閉。每一個偏流器都有一個獨立的接力器操作。每個噴管外部設(shè)有反映噴針行程的變送器，將信號傳遞給計算機監(jiān)控系統(tǒng)，噴管用法蘭和配水環(huán)管連接，中間設(shè)有調(diào)整法蘭，調(diào)整法蘭隨噴管供貨，以便微調(diào)射流方向和位置，調(diào)整固定后將保持長期不變。

1.2.3 水輪機主軸

水輪機主軸采用20SiMn鋼整鍛，中空結(jié)構(gòu)，外法蘭式。在主軸中心孔可以安裝提升轉(zhuǎn)輪用的接力器。水輪機主軸與轉(zhuǎn)輪采用摩擦聯(lián)接方式，用液壓拉伸器預(yù)緊聯(lián)接螺栓。由于受流道尺寸控制，主軸下段（滑轉(zhuǎn)子以下）外徑/內(nèi)徑為φ800/φ300，主軸上段（滑轉(zhuǎn)子以上）外徑/內(nèi)徑為φ950/φ650。主軸與轉(zhuǎn)輪聯(lián)接部分由維奧公司設(shè)計。

1.2.4 水導(dǎo)軸承

為了滿足水斗式水輪機噴嘴切換過程中軸承受力的大小和方向經(jīng)常變化的工況，在金窩電站水輪機上采用剛度較好的筒式導(dǎo)軸承，并且軸承的支架及油箱充分利用了埋入混凝土中的機殼內(nèi)蓋部分，為確保其剛度及精度，機殼內(nèi)蓋整體制造和加工，這樣可大大提高軸承運行時的穩(wěn)定性。冷卻器采用金屬翅片式冷卻管，上拆，便于檢修及維護，軸瓦分兩半。

1.2.5 配水環(huán)管

配水環(huán)管材料為WDB620，其屈服強度大于490MPa，抗拉強度大于620MPa。配水環(huán)管采用單面環(huán)繞的進水方式，其進口直徑為φ1900mm，配水環(huán)管在廠內(nèi)分6段制造，每叉管1段，最大運輸尺寸6815×4230×2400，廠內(nèi)整體預(yù)裝，用調(diào)整轉(zhuǎn)輪及專用調(diào)整工具檢查，三叉管設(shè)計為月牙肋加強方式，配水環(huán)管中與噴嘴連接的法蘭段在廠內(nèi)整體預(yù)裝時用專用調(diào)整工具檢查正確后施焊，配水環(huán)管進水口設(shè)有推力環(huán)，與進水球閥伸縮節(jié)用法蘭連接，根據(jù)技術(shù)協(xié)議，配水環(huán)管設(shè)計壓力為1.25倍最大運行水頭，廠內(nèi)按1.5倍的設(shè)計壓力分段打壓，配水環(huán)管工地現(xiàn)場按1.5倍的設(shè)計壓力整體打壓。

1.2.6 機殼

機殼采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，外形為八邊形，機殼分上中下三段：

上段由機殼蓋、內(nèi)蓋及護水錐等部件組成，機殼蓋分兩半，壁厚20mm，外壁設(shè)足夠筋板，分半面工地把合后封焊；機殼內(nèi)蓋廠內(nèi)整體制造，工地安裝時用調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整后焊接在機殼蓋上；護水錐分兩節(jié)，工地把合后安裝在機殼內(nèi)蓋上。

機殼中段和下段均為八邊形筒式結(jié)構(gòu)，各分8瓣，每邊為一瓣，每瓣外壁設(shè)筋板加固，工地組焊，機殼中段壁厚20mm，下段壁厚12mm，為方便工地安裝，機殼中段和下段在廠內(nèi)預(yù)裝時焊把合角鋼及定位工具，工地安裝后拆出。機殼中段設(shè)轉(zhuǎn)輪運輸門，運輸門尺寸1425×3800，全開時，作為轉(zhuǎn)輪運輸通道，門上設(shè)有一小門，供平時進人用。

1.2.7 穩(wěn)水柵

主梁為兩根400×144×12.5工字鋼，副梁用250×116×8工字鋼，在主梁中部設(shè)有鋼管支撐，在平水柵主梁上鋪設(shè)兩根水平軌道，方便轉(zhuǎn)輪及噴嘴運輸，輕軌鋪到副廠房。穩(wěn)水柵設(shè)計為塊式結(jié)構(gòu)，用扁鋼焊接而成，工地鋪設(shè)后將每塊焊在工地預(yù)埋的支撐平水柵的工字鋼上，根據(jù)維奧公司要求，柵板與機殼內(nèi)壁距離220～300mm，確保水流順利下泄，不至引起有害振動。

1.2.8 管路部分

補氣管路：機殼內(nèi)蓋上設(shè)有兩根內(nèi)徑為φ200的補氣管，以防止水導(dǎo)軸承因機殼內(nèi)的負壓而失油，機殼內(nèi)每個噴嘴旁各設(shè)一根內(nèi)徑為φ300的補氣管，該補氣管接至下游尾水渠。

另外還設(shè)有軸承冷卻水進出水管（φ357×3.5）、噴嘴接力器及折向器接力器操作油管路及漏油管、配水環(huán)管進口測壓管等。

2 發(fā)電機部分

發(fā)電機采用具有上下兩個導(dǎo)軸承的立軸懸式結(jié)構(gòu)。

主要特點有：軸系采用一根軸結(jié)構(gòu)，推力軸承置于上導(dǎo)軸承上面的油槽內(nèi)，并采用內(nèi)循環(huán)冷卻方式。發(fā)電機通風(fēng)型式為雙路密閉自循環(huán)空氣冷卻系統(tǒng)機組轉(zhuǎn)速較高達375r/min，轉(zhuǎn)動部件的應(yīng)力高，結(jié)構(gòu)布置緊湊。

2.1 發(fā)電機的基本技術(shù)參數(shù)

2.2 電磁設(shè)計

（1）合理控制電磁負荷、優(yōu)化電磁方案；

（2）采用高電場強F級絕緣系統(tǒng)，采用絕緣厚度為0.20mm的雙玻璃絲包扁銅線，減薄了絕緣厚度，有效地提高了定子槽利用率，提高了發(fā)電機效率；

（3）小于360°換位技術(shù)，減少定子線棒的附加銅耗；

（4）采用優(yōu)質(zhì)50WW290優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片，具有低損耗、無老化、高導(dǎo)磁率的優(yōu)點；

（5）磁極線圈采用帶散熱匝的異形銅排繞制而成，可以有效降低轉(zhuǎn)子繞組溫升；

（6）采用合理的風(fēng)路設(shè)計以減小通風(fēng)損耗：發(fā)電機采用由上、下蓋板和上、下?lián)躏L(fēng)板形成的雙路全封閉空氣冷卻通風(fēng)系統(tǒng)。2.3發(fā)電機結(jié)構(gòu)概述

（1）發(fā)電機采用具有上下兩個導(dǎo)軸承的立軸懸式結(jié)構(gòu)，軸系采用一根軸結(jié)構(gòu)，推力軸承置于上導(dǎo)軸承上面的油槽內(nèi)，并采用內(nèi)循環(huán)冷卻方式。發(fā)電機通風(fēng)型式為雙路密閉自循環(huán)空氣冷卻系統(tǒng)，勵磁方式為自并激靜止可控硅勵磁。

（2）定子機座為運輸方便而分成3瓣，在工地組焊成整圓，機座外圓直徑為φ7000mm。通風(fēng)槽鋼采用矩形非磁性鋼制成。為了減小附加損耗，鐵心兩端疊成階梯形，并采用非磁性壓指及非磁性端箍。

（3）定子繞組為條形波繞組，采用F級高場強絕緣系統(tǒng)，單根線棒由42股絕緣為0.2mm的雙玻璃絲包銅扁線編織而成，并采用小于360°換位以減小環(huán)流損耗。定子線棒在槽內(nèi)固定采用槽楔加波紋墊條的方式，可以保證線棒長期運行而不會松動。

（4）轉(zhuǎn)子采用螺旋槳式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，磁軛沖片的疊裝及磁極掛裝均在工地進行。轉(zhuǎn)子支架為圓盤式焊接結(jié)構(gòu)，中心體和主軸在工地?zé)崽住?/p>

（5）磁軛采用2mm厚的優(yōu)質(zhì)高強度鋼板DER550沖片疊壓而成，磁軛沿軸向均勻設(shè)有7個高度為30mm的通風(fēng)溝，在磁軛的下方設(shè)有可拆卸的多塊制動環(huán)。磁軛與支架的連接采用熱打鍵的連接方式。

（6）磁極鐵芯采用1.5mm厚的NKHA-690薄鋼板沖片疊壓而成，并采用三T尾結(jié)構(gòu)與磁軛相連。磁極線圈采用帶散熱翅的異型銅排繞制而成，并采用F級絕緣。

（7）推力軸承采用雙層瓦加托盤的剛性支撐方式，推力軸承共設(shè)有8塊瓦，內(nèi)循環(huán)冷卻方式，在油槽內(nèi)部設(shè)有高效油冷卻器，瓦面材料采用東方型彈性金屬塑料瓦。推力軸承設(shè)于發(fā)電機上機架上面的油槽內(nèi)。

（8）上、下導(dǎo)軸承分別設(shè)在上、下機架中心體內(nèi)，上、下導(dǎo)軸承分別有8塊及12塊鎢金瓦，采用支柱螺絲偏心支撐方式。

（9）上機架為6邊形框架結(jié)構(gòu)，上機架通過6個三角形支架與基礎(chǔ)相聯(lián)，該結(jié)構(gòu)可將導(dǎo)軸承所受徑向力轉(zhuǎn)化成切向力傳遞給基礎(chǔ)混凝土。下機架設(shè)有6個支臂，支臂和下機架中心體在廠內(nèi)焊接后整體運至工地。下機架可通過定子鐵心整體吊出。

（10）發(fā)電機制動系統(tǒng)由6個φ280氣壓復(fù)位式制動器組成，制動器設(shè)置于下機架腿上。制動瓦塊材料采用非金屬無石棉材料，制動器油氣腔分開設(shè)置。機械制動在發(fā)電機轉(zhuǎn)速降至20%額定轉(zhuǎn)速時投入，并在2min內(nèi)將機組制動停機。

（11）發(fā)電機采用由上、下蓋板和上、下?lián)躏L(fēng)板形成的雙路無風(fēng)扇全封閉徑向通風(fēng)系統(tǒng)。在定子機座外圓均勻布置6個空氣冷卻器。圓盤式轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)使進入轉(zhuǎn)子的風(fēng)量得到較均勻的分配，螺旋槳式風(fēng)扇增強了定、轉(zhuǎn)子線圈的冷卻效果。

（12）發(fā)電機采用噴霧式的水滅火系統(tǒng)，上、下噴霧環(huán)管布置在定子線圈端部附近，在出現(xiàn)火災(zāi)時自動或手動控制投入。

（13）按協(xié)議要求，在發(fā)電機的定子、軸承及冷卻系統(tǒng)設(shè)有溫度監(jiān)測裝置。

3 球閥部分

金窩電站機組的最大水頭約為620m，由于用戶考慮到高水頭電站閥門的重要性，所以選擇了球閥作為該機組的事故保護和檢修裝置。同時要求閥門的設(shè)計水頭為最大水頭的1.25倍，即球閥設(shè)計水頭為775m。該水頭段是我公司目前設(shè)計制造的水頭最高的球閥。

3.1 球閥的基本參數(shù)

3.2 球閥詳細受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）合理分析受力工況、優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案；

（2）活門在全開位置時將承受7.75MPa的水壓力，全關(guān)位置承受2315t水推力；

（3）閥體在全關(guān)位置承受7.75MPa的水壓力；

（4）上游連接管全關(guān)位置承受7.75MPa的水壓力；水壓試驗工況時承受11.65MPa的水壓力；

（5）封水環(huán)在全關(guān)位置620m水頭時的變形分析計算；

（6）活門采用鑄鍛結(jié)構(gòu)，由于活門形狀復(fù)雜，采用鑄造而成，活門軸采用鍛造結(jié)構(gòu)可滿足各種工況下對材料的應(yīng)力要求，兩者經(jīng)過焊接成整體能夠保證有足夠的剛、強度。

（7）閥體由于受到運輸條件的制約采用分半鑄造結(jié)構(gòu)，這樣可使得工藝簡單。閥體分半面密封通過改進，由常規(guī)的法蘭端面改為法蘭軸向密封，使其在8000t水壓力試驗時滴水不漏。

（8）旁通閥首次采用伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)，能有效避免由于溫度變化或動水關(guān)閉球閥時旁通閥在水流方向上的位移變化；對懸支的旁通閥工作閥（針形閥）采用了特殊的方式，解決了旁通閥在充水時的振動問題。

（9）首次在空氣閥前設(shè)置檢修閘閥，對于空氣閥的檢修、維護能起到方便、可靠、安全的作用。

4 結(jié)語

金窩水輪發(fā)電機組已于2009年全部投運，機組運行穩(wěn)定，各項技術(shù)參數(shù)完全滿足合同要求。金窩沖擊式水輪發(fā)電機組的成功投運，標(biāo)志我國在大型沖擊式水輪發(fā)電機組的設(shè)計制造方面已達到或接近國際先進水平。

Structural characteristic of 140MW Pelton turbine generator unit

LI Bang-ming, QIAN Sheng-kun, YAN Ke-li

(Dongfang Electric Machinery Co., Ltd, Deyang 618000, China)

The 140MW Pelton turbine which installed in Jinwo Hydraulic Power Station is the largest output domestic-made Pelton turbine, it is also the largest one in Asia. This article introduces the main structural characteristics of the Pelton turbine through three aspects such as turbine, generator and spherical valve.

turbine generator unit; Pelton turbine; nozzle; generator; spherical valve

TK730.3;TK735

A

1672-5387（2011）06-0009-04

2011-04-26

李邦明（1964-），男，高級工程師，從事水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。