蒙長征，凌成震

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責任公司，530200，南寧；2.浙富控股集團股份有限公司，310012，杭州）

一、概 述

大藤峽水輪機為目前中國自主研發(fā)的單機容量及制造難度系數(shù)最大的軸流轉槳式水輪機，并且水頭變幅較大，給水力設計帶來考驗。 為此，在水輪機研制過程中進行了大量調研， 系統(tǒng)分析總結歷史經(jīng)驗教訓，采取了各種妥善措施，采用全三維設計及有限元分析等先進的設計手段，以保證水輪機研制成功。

大藤峽左岸水輪機主要參數(shù)：水輪機型號為ZZ—LH—1040，額定出力204.1 MW，最大出力233.3 MW，發(fā)電機最大容量228.57MVA， 最大水頭37.79 m， 加權平均水頭26.96 m， 額定水頭25.0 m，最小水頭12.91 m，極限最小水頭10.07 m，額定點比轉速519.28 mkW，飛逸轉速195.1rpm，吸出高度-8.7 m，最高效率95.67%，額定點效率93.87%，水輪機軸向水推力21.0 MN， 轉輪直徑10.4 m， 額定轉速68.2 rpm， 額定流量890.3m3/s。

二、水力設計和模型試驗

根據(jù)招標文件要求，大藤峽水輪機需進行3 次模型試驗，即投標前完成初步模型試驗，評標階段在同一試驗臺進行各水輪機模型的同臺復核試驗，以及合同簽訂后在中標單位進行模型驗收試驗。 浙富控股集團股份有限公司 （以下簡稱浙富公司）于2015 年5 月開始進行新模型的研發(fā)，結合工程的水力特性及實際特點，通過總結已投產(chǎn)的大型軸流轉槳式水輪機水力設計經(jīng)驗，進行包括軸流轉槳式水輪機水力損失分析、轉輪間隙空化優(yōu)化設計等大量的分析研究工作， 開發(fā)出適合大藤峽工程FI076 模型轉輪。 模型轉輪直徑為350 mm，葉片數(shù)為6，活動導葉數(shù)為28。

試驗臺最高試驗水頭40.0 m，試驗臺效率綜合誤差≤±0.20%，壓力脈動試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣頻率可達每通道2 kHz 以上， 壓力脈動傳感器分辨率小于0.1kPa。

2015 年下半年至2016 年1 月在浙富公司進行了初步模型試驗。 2016年3—4 月在中國水利水電科學研究院進行了各水輪機模型同臺對比試驗。 2016 年7 月進行了模型驗收試驗。 效率試驗表明，模型水輪機最優(yōu)效率達93.5%， 原型水輪機最優(yōu)效率達95.67%，原型水輪機加權平均效率達93.68%，均高于合同保證值。

三、結構設計

水輪機從蝸殼進口至尾水管出口流道根據(jù)模型水輪機按相似理論設計。

水輪機為立式軸流轉槳式， 主軸與發(fā)電機直接連接， 俯視順時針方向旋轉。 主要由混凝土蝸殼、座環(huán)、導水機構、轉輪室、彎肘形尾水管、受油器及操作油管、主軸、軸承、轉輪等組成。

水輪機結構設計采用全三維設計， 確保零部件間有足夠安裝空間，不發(fā)生互相干涉現(xiàn)象；零部件強度計算采取經(jīng)典算法，主要部件采取有限元計算方法進行應力與變形分析，確保安全可靠。 水輪機重要零部件采取數(shù)控機床加工，并進行工廠預裝和試驗。 水輪機總剖面見圖1。

1.轉輪

轉輪由轉輪體、6 只葉片、 樞軸、槳葉操作機構、槳葉接力器和泄水錐等組成。

轉輪采用活塞動作結構，葉片操作機構采用帶操作架的斜連桿結構。油壓力帶動活塞和活塞桿，推動操作架， 通過斜連桿操作機構旋轉拐臂，操作槳葉轉動。 本水輪機轉輪直徑10.4 m，重約450 t，直徑大、重量重，翻身難度極大，故設計了活塞位于轉輪葉片樞軸下方的新型結構及一系列的專用安裝工具，直接采用立式裝配并吊裝的解決方案，成功地解決了缸動式結構和常規(guī)活塞式結構轉輪在裝配后需要翻身再進行吊裝的技術難題，為轉輪安裝和檢修帶來巨大的便利，節(jié)省了工期，保證了施工安全。

槳葉接力器布置在葉片樞軸的下方，操作架及連桿機構布置在葉片樞軸上方， 接力器缸與轉輪合為一體， 使轉輪的剛性強度大幅度提高，轉輪的應力以及變形與相同輪轂比較顯著縮小。

槳葉采用抗空化性能優(yōu)良的ZG06Cr13Ni4Mo 不銹鋼VOD 精練整鑄而成。轉輪采用ZG20SiMn 整鑄，過流面鋪焊不銹鋼保護層，加工后厚度不小于5 mm，保證了槳葉和轉輪有良好耐磨及防空化性能。 槳葉采取有限元分析，通過優(yōu)化結構有效消除應力集中，防止葉片產(chǎn)生裂紋甚至引起斷裂。

槳葉密封采用雙向多道“X·V”組合密封結構，結構簡單、可靠、耐用，能有效防止輪轂油外泄，避免環(huán)境污染， 同時防止流道中水進入轉輪內破壞油品。 此結構可以在不拆除葉片情況下更換密封元件，方便維護與檢修。轉輪的安裝采用轉輪、主軸、支持蓋整體吊裝方式，不在槳葉上開孔。

圖1 水輪機總剖面圖

2.主軸

主軸采用20SiMn 鍛鋼制造，為中空結構，兩端采取外法蘭結構。 轉輪和主軸采用法蘭螺栓連接，銷套傳遞扭矩，水輪機軸與發(fā)電機軸采用鉸制螺栓傳遞扭矩，連接螺栓全部采用液壓拉伸器預緊。

由于水輪機軸與發(fā)電機軸分別在不同工廠加工， 為了保證聯(lián)軸質量， 發(fā)電機軸聯(lián)軸螺栓孔留1mm 余量，運至水輪機軸加工廠采用同一數(shù)控機床進行聯(lián)軸螺栓孔精鏜加工。

3.主軸密封

在導軸承下方設置主軸工作密封。 針對常規(guī)主軸密封漏水量大的問題，本機主軸工作密封采用“恒壓自調節(jié)浮動式端面密封”， 密封裝置嚴密、耐磨，結構簡單、漏水量小、便于檢修，在不拆卸主軸、水輪機導軸承、導水機構和管路系統(tǒng)的情況下可以進行檢查、調整和密封元件更換。 工作密封元件采用國際知名品牌，為自補償型。 密封采用水潤滑和水冷卻，潤滑冷卻水水壓為0.3～0.5 MPa。

主軸工作密封的下方設置空氣圍帶式檢修密封，防止機組停機和檢修主軸工作密封時漏水。

4.水導軸承

水導軸承采用稀油潤滑的巴氏合金分塊瓦自潤滑軸承，由拋物線曲面分塊瓦和可拆卸的分瓣軸承體組成。 軸承體為整體焊接結構，有足夠的剛度，內置水冷式軸承冷卻器，結構可靠，便于安裝、調整和檢修。

水導軸承設置在離轉輪盡可能近的位置以提高轉動部件運行穩(wěn)定性，同時又留有足夠空間供檢修主軸密封，以便在不拆卸水輪機軸承座的情況下， 更換主軸密封的工作密封件，縮短檢修時間，提高工作效率。

5.導水機構

導水機構主要由28 個活動導葉、頂蓋、底環(huán)、支持蓋、控制環(huán)及導葉操作機構等組成。

活動導葉由葉片和軸焊接而成，葉片采用S135 不銹鋼板彎制， 軸采用ZG06Cr13Ni4Mo 不銹鋼鑄造。導葉為三支點結構，上、中、下軸套及連桿軸套為DEVA 自潤滑材料。 導葉端面密封采用聚氨酯材料；導葉立面密封采用剛性接觸式密封；通過偏心銷來調整導葉立面間隙。 本機采用有限元分析，全關閉狀態(tài)時導葉立面上端設置合適小間隙，取得停機狀態(tài)立面最佳密封效果，可克服機組停機時的蠕動現(xiàn)象。 導葉中、下軸頸處設有可靠的密封圈。

導葉保護裝置采用摩擦套加剪斷銷結構。 每個活動導葉均設有此保護裝置，并在全關和全開位置設有限位止動塊。 導葉關閉時，如相鄰導葉之間有異物阻礙卡住，因導葉阻力大于摩擦力，連接導葉臂和連桿之間的剪斷銷會剪斷，同時剪斷銷信號器發(fā)出信號；摩擦套處產(chǎn)生滑動，不影響其他導葉正常關閉；限位止動塊保證活動導葉不會與固定導葉或相鄰的活動導葉發(fā)生碰撞。

每臺水輪機設置2 個油壓操作的直缸接力器， 操作油壓為6.3MPa?？刂骗h(huán)上設有油壓鎖定裝置，在機組關閉，活動導葉處在全關位置時鎖住控制環(huán)，以免誤開機。 接力器上設置手動操作的機械鎖定裝置，檢修導水機構時能可靠地鎖定水輪機活動導葉于全開位置。

為保證質量，導水機構在工廠進行整體預裝，并驗收合格。

6.轉輪室及座環(huán)

轉輪室由鋼板焊接而成， 由上、下兩環(huán)組成。 上、下環(huán)各分4 瓣，分瓣面用螺栓把合。 轉輪室具有足夠的強度和剛度， 過流面采取不銹鋼材料（S135）并精加工，上、下環(huán)用螺栓把合，轉輪室下環(huán)與尾水錐管里襯之間設有不銹鋼段。

座環(huán)采用有上環(huán)、 下環(huán)和24 個固定導葉組成的整體式結構。 座環(huán)分8 瓣， 分瓣件消除內力后進行機械加工，組合面配有定位銷，分瓣件在現(xiàn)場用預應力螺栓把合后封焊。 固定導葉采用軋制鋼板制作，上、下環(huán)板采用抗撕裂鋼板制作。

7.蝸殼

蝸殼為不對稱T 形斷面混凝土蝸殼，包角215°。 整個蝸殼頂部、內側立面和外側立面均設有金屬防滲襯板，以防廠房滲水。

蝸殼上設置尺寸為800 mm（寬）×900 mm（高）蝸殼進入門，向內開啟。進入門設有O 形密封條，內表面與蝸殼內表面齊平，并設置有檢查積水的不銹鋼球閥。

8.受油器及主軸操作油管

受油器采用浮動瓦結構， 磨損小，漏油量小，便于安裝，運行穩(wěn)定。受油器及其裝配部件有絕緣材料與軸隔離開，以防止軸電流。 受油器的轉動與固定部分留有足夠的抬機裕量，排油管接至調速系統(tǒng)油壓裝置回油箱。 受油器上設置轉輪接力器活塞行程和槳葉轉角指示裝置，同時設置轉輪接力器位移傳感器。

主軸中心孔內裝有操作油管，操作油管與主軸內孔構成3 腔，中心兩腔分別接受調速器開啟、關閉腔壓力油，與轉輪活塞上、下腔連通以控制轉輪葉片，外層一腔為回油腔與輪轂相通， 供轉輪葉片操作機構潤滑使用。 操作油管采用內外管相套，內外管均采用無縫鋼管制造，各段操作油管之間采用法蘭連接。 為增加操作油管的剛度，在內、外管之間，外管與主軸中心孔之間均設置足夠的徑向支撐和導向瓦，確保運行時操作油管不發(fā)生共振，提高穩(wěn)定性。

四、結 語

水輪機模型的研發(fā)和模型試驗成果，是大藤峽水輪機設計的重要基礎和依據(jù)。 大藤峽水輪機的設計，對今后巨型軸流轉槳式水輪機研制有指導意義。