【摘要】本文結(jié)合特克斯河山口水電站水輪發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計(jì)階段，采取相應(yīng)優(yōu)化措施，提高機(jī)組穩(wěn)定性方面提出了一些觀點(diǎn)和看法。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)定性；選型；水輪機(jī)；主要參數(shù)

1、概述

山口水電站是特克斯河梯級開發(fā)的最后一級水電站，電站位于新疆伊犁州鞏留縣境內(nèi)的特克斯河上，是一座發(fā)電為主，有發(fā)電反調(diào)節(jié)任務(wù)的電站。電站型式為壩后式、地面廠房，總庫容1.21億m3，電站總裝機(jī)容量為141MW， 年利用小時(shí)數(shù)為4070h，多年平均發(fā)電量5.72億kW·h，保證出力40MW，電站在系統(tǒng)中承擔(dān)基荷任務(wù)，電站特征水頭分別為：最大水頭為36.70m，最小水頭為29.70 m，加權(quán)平均水頭為36.10 m，額定水頭為34.30 m。

2、水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

水輪機(jī)型號： HLA551C-LJ-450

布置形式： 立軸、混流式金屬蝸殼水輪機(jī)

額定水頭： 34.30m

單機(jī)額定功率： 48.454MW

單機(jī)流量： 152.75m3/s

額定轉(zhuǎn)速： 111.1r/min

飛逸轉(zhuǎn)速： 200r/min

額定比轉(zhuǎn)速： 295m.KW

額定效率： 94.34%

加權(quán)平均效率： 92.97%

最高效率： 95.22%

額定工況下的允許吸出高度： Hs=-0.69m

發(fā)電機(jī)型號： SF47-54/9200

轉(zhuǎn)向：水輪發(fā)電機(jī)從發(fā)電機(jī)端看為俯視順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

3、采取的提高穩(wěn)定性措施

山口水電站是中低水頭段的混流式機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑為4.50m，目前為止在疆內(nèi)已建水電站里尺寸最大的，相應(yīng)機(jī)組剛度、強(qiáng)度，穩(wěn)定性要求也比較高，以“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的設(shè)計(jì)思路，在機(jī)組設(shè)計(jì)階段采用高強(qiáng)度材料并選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高機(jī)組在不同工況下的剛強(qiáng)度和穩(wěn)定性，嚴(yán)格依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，加強(qiáng)設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化機(jī)組局部有整體結(jié)構(gòu)。下面簡要介紹山口水電站機(jī)組在提高穩(wěn)定性方面所采取的措施。

3.1轉(zhuǎn)輪的選用

在選型設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)對參數(shù)匹配優(yōu)化，使得山口電站機(jī)組運(yùn)行工況避開了原A551轉(zhuǎn)輪高水頭脫流區(qū)域，采用改進(jìn)的A551C轉(zhuǎn)輪，同時(shí)，也可以獲得較高效率及運(yùn)行穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)輪葉片、下環(huán)、上冠均采用抗磨蝕性能、焊接性能好的0Cr13Ni5Mo不銹鋼材料。

3.2轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度

轉(zhuǎn)輪的剛、強(qiáng)度不足是導(dǎo)致發(fā)生葉片裂紋的根本原因。因此，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪具有足夠的剛強(qiáng)度是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)首先要考慮的條件。

眾所周知，轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度與導(dǎo)水葉高度有直接關(guān)系，導(dǎo)葉高度越低適用的水頭就越高，其次，轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)和葉片厚度以及合理科學(xué)的厚度變化規(guī)律對葉片的應(yīng)力水平都有很大影響。

3.3水力影響因素

水力原因引起的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋，其根源是水力穩(wěn)定性問題。影響水輪機(jī)穩(wěn)定性的水力方面的主要因素以下三點(diǎn)。

⑴ 水流的激振頻率與葉片或?qū)~的固有頻率接近而引起的共振；

⑵ 固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的卡門渦；

⑶ 分負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口渦帶引起的尾水管壓力脈動(dòng)；

首先在葉片的設(shè)計(jì)階段應(yīng)該注意由水力激振引起的共振和卡門渦，并通過葉片的內(nèi)特性參數(shù)能很好地控制其發(fā)生，在山口水電站水輪機(jī)發(fā)生以上兩條因素引起的振動(dòng)以及葉片裂紋的可能已經(jīng)極小。

其次關(guān)于部分負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口渦帶引起的尾水管壓力脈動(dòng)，尾水管渦帶對于固定葉片的混流式水輪機(jī)是一種不可避免的固有特性。

根據(jù)國內(nèi)外水輪機(jī)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及近些年來關(guān)于水輪機(jī)穩(wěn)定性方面的研究表明， 在設(shè)計(jì)階段采取的相應(yīng)的提高穩(wěn)定性措施不但切實(shí)可行，而且對改變渦帶性質(zhì)，減弱或較大地減弱渦帶脈動(dòng)力對葉片的作用是有效果的。

另外一項(xiàng)重要措施是在設(shè)計(jì)中已考慮了避免在低負(fù)荷時(shí)渦帶頻率與尾水管固有頻率發(fā)生共振的可能性。避免了共振也就避免了發(fā)生大的動(dòng)載荷的可能，發(fā)生葉片裂紋的可能也降到極小。

3.4工藝方面的措施

⑴葉片加工工藝

對于山口水電站轉(zhuǎn)輪葉片采用VOD精鑄成型后數(shù)控加工，以保證葉型的精度，數(shù)控加工坡口后，使焊縫尺寸，焊接量最優(yōu)化，應(yīng)力分布更趨合理，殘余應(yīng)力降低，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)控加工后型線偏差控制在1.0mm以內(nèi)。

⑵焊接工藝

山口轉(zhuǎn)輪擬使用與母材同材質(zhì)的不銹鋼焊絲進(jìn)行焊接。并在葉片與上冠和下環(huán)間采用增大的過度圓角，以盡量減小其應(yīng)力集中。

焊接方法使用變形和應(yīng)力較小、焊接質(zhì)量較高的脈沖熔化混合氣體保護(hù)焊，此種焊接方法已被國內(nèi)外知名水電設(shè)備制造廠家普遍采用，完全可以保證焊縫的質(zhì)量，并使轉(zhuǎn)輪焊接完成，經(jīng)熱處理后的殘余應(yīng)力降至最小。

⑶葉片出水邊

對于山口電站采用減小壓力脈動(dòng)的出水邊，從上冠至下環(huán)采用非等厚出水邊，適當(dāng)加厚出水邊，從而提高了其剛度。

⑷設(shè)置主軸中心孔補(bǔ)氣裝置，選擇較大的補(bǔ)氣管直徑，減小進(jìn)氣阻力，從而有效增加補(bǔ)氣量。在補(bǔ)氣裝置中實(shí)行水氣分離，保證進(jìn)氣流暢。

4、結(jié)束語

特克斯河山口水電站運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)說明，通過技術(shù)借鑒和創(chuàng)新，在水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)、制造和安裝過程中提出精、優(yōu)理念，把機(jī)組穩(wěn)定性放在主要位置，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，先進(jìn)的技術(shù)手段和方法嚴(yán)格各項(xiàng)工藝措施，采用高性能轉(zhuǎn)輪，采取有效的預(yù)防防護(hù)措施，合理的機(jī)組參數(shù)和結(jié)構(gòu)，確保了電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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[3]. 新疆特克斯河山口水電站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告

作者簡介：胡安江，男，（1970年-），碩士研究生，高級工程師，從事水利機(jī)械設(shè)計(jì)、研究工作。