深溪溝水電站水輪機參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)特點

1、深溪溝水電站水輪機參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)特點蘭 崗 蔣登云 孫文彬 郭筱蓉（中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院 成都市 610072）【摘 要】 本文介紹了深溪溝水電站低水頭、大容量軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的參數(shù)選擇及主要部件結(jié)構(gòu)特點。電站4臺機組已全部投產(chǎn)發(fā)電，水輪機的能量指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)及空化性能均達到了預(yù)期目標(biāo)?！娟P(guān)鍵詞】深溪溝；水輪機；參數(shù)選擇；結(jié)構(gòu)設(shè)計1. 概述深溪溝水電站位于四川省漢源縣，為大渡河干流規(guī)劃的第十八級電站，其上一梯級為已建成投產(chǎn)的瀑布溝水電站，下一級為正在建設(shè)中的枕頭壩水電站。深溪溝壩后地面廠房內(nèi)裝設(shè)4臺單機容量為165MW的立式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，水輪機由浙江富春江水電設(shè)備股份

2、有限公司供貨，其中水輪機的水力設(shè)計及整體轉(zhuǎn)輪供貨由俄羅斯動力機械股份有限公司負責(zé)；發(fā)電機由東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司供貨。工程于2006年4月正式開工，2010年6月下閘蓄水，7月1日首臺機組正式并網(wǎng)發(fā)電， 2#4#機組分別于2010年12月、2011年5月及6月投產(chǎn)發(fā)電。2. 電站基本參數(shù)裝機容量660MW多年平均發(fā)電量32.35億kW·h單機容量165 MW機組臺數(shù)4臺最大水頭40.0m加權(quán)平均水頭34.3m額定水頭30.0m最小水頭20.1m3. 水輪機選擇3.1 機型選擇深溪溝水電站水頭范圍20.140.0m，處于軸流式和混流式水輪機均可適用的交界水頭段，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，水

3、輪機采用軸流轉(zhuǎn)槳式，目前在國內(nèi)已投產(chǎn)的同類型機組中，其單機額定出力僅次于福建水口（204MW，世界最大）及葛洲壩大機（175MW）。近年已投產(chǎn)的部分單機容量100MW以上的軸流式水輪機參數(shù)見表1。表1 國內(nèi)近年已投產(chǎn)的部分單機容量100MW以上的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機參數(shù)水輪機參數(shù)樂灘二期草街萬安（5#機）沙灣銀盤平班班多深溪溝單機功率Pr(MW)150125113120150135120165水輪機出力Ptr(MW)153.1128.2115.3123.1152.6138.5122.45168.4最大水頭Hmax (m)31.525.432.328.2435.123941.540額定水頭Hr (m

4、)19.5202224.526.53435.530最小水頭Hmin (m)8.657.91221.2413.027.1433.020.1轉(zhuǎn)輪型號ZZA813aZZ(VS)410ZZD345eZZD345ePO40DZS486FI026bZZK40轉(zhuǎn)輪直徑D1 (m)10.49.58.58.58.67.226.68.3葉片數(shù)55556566額定轉(zhuǎn)速nr (r/min)62.568.1876.976.983.3107.14115.490.9額定流量Qr (m3/s)863.9698.4579.5549.5631.46440.29374.5611.24額定效率r (%)92.691.5692.793

5、.0694.7494.0893.8最高效率max(%)92.9994.694.7295.2794.7395.3吸出高度Hs (m)-9.5-8.92-8.54-8.54-8.07-7.67-14.13-12.2額定點單位轉(zhuǎn)速n1r (r/min)147.2144.8139.4132.06139.16132.7127.83137.7額定點單位流量Q1r (m3/s)1.8091.7301.711.541.6591.4491.4431.62額定點比轉(zhuǎn)速nsr (m.KW)596.8577.2554495.0541.2485.7466.0531.3額定點比速系數(shù)Kr2635.42581.226002

6、450.12786.02831.82776.62910水輪機難度系數(shù)D12·HMax3407229223342040259720331807.72755.6首臺機組投產(chǎn)時間200420102005200920112004201020103.2 水輪機主要參數(shù)選擇(1) 額定轉(zhuǎn)速軸流轉(zhuǎn)槳式機組同步轉(zhuǎn)速所處的區(qū)域一般為中低轉(zhuǎn)速區(qū)，在該區(qū)域相鄰?fù)睫D(zhuǎn)速差距不大，可選同步轉(zhuǎn)速方案多，因此同步轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確選擇是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機設(shè)計的難點和重點。招標(biāo)前與潛在的機組投標(biāo)人進行的技術(shù)交流中，各廠推薦的同步轉(zhuǎn)速不盡相同，從83.3100r/min均有；根據(jù)深溪溝電站的實際情況，綜合考慮了近年來外水輪機制造

7、商的設(shè)計水平、試驗方法、材料性能及加工裝備能力，以及本電站廠房覆蓋層較深厚允許開挖的特點，并考慮發(fā)電機經(jīng)濟合理槽電流對同步轉(zhuǎn)速的要求，機組招標(biāo)階段確定機組同步轉(zhuǎn)速選擇為90.9 r/min，對應(yīng)比轉(zhuǎn)速ns為531.3 m·kW、比速系數(shù)K為2910，略高于國內(nèi)已投產(chǎn)機組參數(shù)（見表1）。(2) 空化性能參數(shù)一般來說，水輪機空化系數(shù)s隨比轉(zhuǎn)速ns的增大而增大，選擇較大的裝置空化系數(shù)有利于提高水輪機的抗空蝕能力，但也將直接增加地面廠房的土建工程量和投資。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的空蝕破壞除了常規(guī)的葉片背面外，還有葉片與轉(zhuǎn)輪室間和葉片與輪轂間的氣蝕，同時深溪溝電站地處峽谷地帶，下游尾水變幅近20m，

8、因此空化性能的合理選擇是本電站設(shè)計的另一個難點和重點，需綜合考慮水輪機性能和電站地形、地質(zhì)條件等因素。1) 水輪機安裝高程從可研階段開始，我們根據(jù)國內(nèi)外科研單位的統(tǒng)計公式和統(tǒng)計曲線，并廣泛征詢國內(nèi)（含合資）機組制造廠關(guān)于深溪溝電站機組參數(shù)的研究成果，推薦水輪機導(dǎo)葉中心線安裝高程安=612.35m，最終的招標(biāo)和技施設(shè)計成果與之一致，水輪機轉(zhuǎn)輪中心高程為608.636m，對應(yīng)的吸出高度為-12.2m，電站裝置空化系數(shù)為p=0.7175。2) 空化安全系數(shù)K及模型空化系數(shù)的選擇由于軸流機組為帶氣泡運行，存在轉(zhuǎn)輪間隙氣蝕、頭部氣蝕及輪轂氣蝕，因此水輪機的初生空化系數(shù)很難確定，通常對軸流式水輪機空化系數(shù)

9、的安全系數(shù)K=P/C進行規(guī)定。根據(jù)與國內(nèi)各主要機組制造商的交流，安全系數(shù)K取值的主要觀點如下：a) 東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司：P/c=1.31.4；b) 東方電機股份有限公司：P/s1.2，P /-11.3，軸流式初生空化系數(shù)很難確定，建議i不作考核；c) 天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司：臨界空化系數(shù)取為s0.5，P/0.51.1；d) 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司：P/s=1.25；e) 上海福伊特水電設(shè)備有限公司：水輪機空化系數(shù)采用許用空化系數(shù)adm，adm/-1 =1.7。許用空化系數(shù)adm的定義為同時滿足以下條件：葉片表面空化（葉片背面），葉片頭部空化，包括低單位轉(zhuǎn)速（高水頭）處的葉片負

10、壓面頭部空化和高單位轉(zhuǎn)速（低水頭）處的葉片正壓面頭部空化，轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙空化，輪轂空化；f) 原通用電氣亞洲水電設(shè)備有限公司：臨界空化系數(shù)c取為0.2，真機吸出高度Hs為計算值（K=1）加-0.5-1.3m裕量。最終招標(biāo)及合同文件規(guī)定：電站裝置空化系數(shù)P與初生空化系數(shù)i及臨界空化系數(shù)c之比應(yīng)滿足： P/i1.05，P /c1.3（臨界空化系數(shù)c定義為與無空化狀態(tài)下效率相比，效率下降1%所對應(yīng)的空化系數(shù)，簡稱-1；初生空化系數(shù)i定義為隨著吸出高度的減小，在轉(zhuǎn)輪槳葉表面開始出現(xiàn)可見氣泡時所對應(yīng)的空化系數(shù)。）經(jīng)水輪機模型驗收試驗，=i0.6377，c=0.5450。p/i=1.125、p/c

11、=1.317，均有一定的安全裕量且滿足合同規(guī)定。(3) 水輪機主要參數(shù)成果經(jīng)過機組采購招標(biāo)、模型試驗和結(jié)構(gòu)設(shè)計，水輪機主要參數(shù)成果如表1。4. 水輪機主要部件結(jié)構(gòu)特點深溪溝電站水輪發(fā)電機組設(shè)有發(fā)電機上導(dǎo)軸承、推力/下導(dǎo)組合軸承和水導(dǎo)軸承，推力軸承支撐于發(fā)電機下機架上。4.1 轉(zhuǎn)輪及槳葉操作機構(gòu)(1) 轉(zhuǎn)輪槳葉數(shù)轉(zhuǎn)輪公稱直徑8.3米，額定操作油壓為6.3MPa；國內(nèi)近年來類似水頭及容量軸流式水輪機采用5葉片及6葉片方案的均有，但考慮6葉片與5葉片轉(zhuǎn)輪相比，可有效減少葉片正、背面壓差，改善葉片空化性能；且由于受力面增加，可以減少葉片單位面積承受的壓力，增加轉(zhuǎn)輪整體的剛強度，轉(zhuǎn)輪運行的穩(wěn)定性及壓力脈

12、動性能更優(yōu)異，在水輪機能量指標(biāo)不受影響的條件下，深溪溝電站水輪機轉(zhuǎn)輪采用6葉片方案。(2) 槳葉密封槳葉采用多道雙向“V”型密封，防止漏油滲入河水以及河水進入輪轂體內(nèi)；密封條采用不銹鋼分塊密封壓板和固定螺栓固定，可在不拆卸槳葉的情況下更換密封條。(3) 輪轂比選擇在機組招標(biāo)前與機組制造商的技術(shù)交流上，各廠家推薦的轉(zhuǎn)輪輪轂比為0.420.51，通過分析后認為，減小輪轂比可減少轉(zhuǎn)輪端部及葉型的水力損失，使得轉(zhuǎn)輪的效率增加（見圖1），近年來隨著新材料的運用輪轂比有逐漸減小的趨勢；但輪轂體的減小同時會帶來低水頭和小流量工況下脫體損失急劇增加，轉(zhuǎn)輪能量指標(biāo)下降劇烈，因此輪轂比不可能減小過多。圖1 輪轂比

13、大小對轉(zhuǎn)輪效率的影響1根據(jù)統(tǒng)計公式資料，轉(zhuǎn)輪輪轂比可按以下公式計算2DB/D10.25+94.64/ns由上述公式此可計算得輪轂比約為0.43。通過主機廠的CFD分析及水力模型試驗驗證，最終深溪溝電站轉(zhuǎn)輪輪轂比采用0.45。4.2 轉(zhuǎn)輪組裝目前國內(nèi)軸流轉(zhuǎn)槳式機組的槳葉操作機構(gòu)通常采用缸動式（活塞缸及操作機構(gòu)在輪轂體下方）或活塞動式（活塞在輪轂體上方、操作架在輪轂體下方）的結(jié)構(gòu)形式，受操作架及連桿機構(gòu)安裝的限制，轉(zhuǎn)輪在現(xiàn)場組裝時均先倒置，待完成操作架及連桿機構(gòu)安裝后后再進行翻身，由此給現(xiàn)場施工及后期檢修人員帶來不便。圖2 輪轂體結(jié)構(gòu)考慮到上述問題，深溪溝電站的水輪機槳葉操作機構(gòu)最終采用了活塞布置

14、于輪轂體下方的活塞帶操作桿結(jié)構(gòu)形式（見圖2），該結(jié)構(gòu)形式由于操作架及連桿機構(gòu)均處于輪轂體上方，安裝人員可從輪轂體上方進行連桿機構(gòu)的裝配，因此轉(zhuǎn)輪組裝過程無需翻身。該結(jié)構(gòu)形式為首次在國內(nèi)軸流機組中應(yīng)用，可減少轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場組裝工作量及縮短組裝時間，避免轉(zhuǎn)輪翻身。4.3 座環(huán)(1) 固定導(dǎo)葉數(shù)選擇固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉數(shù)的組合對流道內(nèi)水力脈動和振動的影響較大，常規(guī)配置為固定導(dǎo)葉數(shù)與活動導(dǎo)葉數(shù)相同。在與俄動技術(shù)交流時，俄方提出希望將固定導(dǎo)葉數(shù)改為12只，并介紹了俄動的研究：隨著活動導(dǎo)葉數(shù)Z2與固定導(dǎo)葉數(shù)Z1比值由小變大，流道內(nèi)水流不穩(wěn)定性呈不規(guī)則的波浪形變化，當(dāng)Z2/ Z1=1時，恰好不穩(wěn)定性處于較高水平；而

15、將固定導(dǎo)葉數(shù)調(diào)整為12只后，水流不穩(wěn)定性將降至較低。我們認可了俄動選擇，且俄動有實際電站運行經(jīng)驗；在剛強度、制造等均落實后，最終將固定導(dǎo)葉數(shù)調(diào)整為12只。與深溪溝電站類似的國外采用12只固定導(dǎo)葉的軸流式水輪機參數(shù)表，見表2。表2 國外采用12只固定導(dǎo)葉的軸流式水輪機參數(shù)表電站名稱國家首臺機組投運時間最大水頭(m) 出力(MW)轉(zhuǎn)輪直徑D1(m)固定導(dǎo)葉數(shù)Z1活動導(dǎo)葉數(shù)Z2Z2/Z1Nizhnekamskay俄羅斯197818.580.51012287/3Cheboksarskay 俄羅斯198018.580.51012287/3Sobradinho巴西198231.81789.512328/3

16、(2) 固定導(dǎo)葉尾部翼型設(shè)計固定導(dǎo)葉尾部翼型原方案為燕尾型，目的為消除導(dǎo)葉固有頻率與卡門渦頻率接近產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，該翼型設(shè)計在俄動生產(chǎn)的多個水電站機組中已成功運用。方案審查時考慮到深溪溝電站的汛期過機泥沙含量大、硬度高，長期運行后燕尾可能被磨損，導(dǎo)葉固有頻率與卡門渦頻率關(guān)系將發(fā)生改變，影響機組運行穩(wěn)定性，后期設(shè)計將固定導(dǎo)葉尾部改為鈍圓形。4.4 主軸聯(lián)接水輪機軸與轉(zhuǎn)輪采用螺栓聯(lián)接，利用銷套傳遞扭矩；與發(fā)電機軸采用銷釘聯(lián)接，摩擦及剪切聯(lián)合傳遞扭矩，為保證聯(lián)接法蘭螺栓孔的加工精度，考慮到浙富公司與東芝水電生產(chǎn)廠房距離較近，原方案為水輪機軸與發(fā)電機軸聯(lián)軸法蘭面螺栓孔采用同鏜絞孔，但受車床加工長度限制

17、，最終由浙富公司提供高精度數(shù)控鏜模，用于東芝水電供貨的發(fā)電機軸聯(lián)接法蘭螺栓孔加工。4.5 推力軸承支撐位置軸流機組將推力軸承支撐于發(fā)電機下機架及水輪機頂蓋上兩種方案均有。為提高水力性能，制造廠渦殼斷面均推薦上翹斷面，水輪機導(dǎo)葉中心到發(fā)電機層高度較高，且水輪機與發(fā)電機由兩家承包人分別提供，為減少水輪機與發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計的相互影響，最終選擇推力軸承支撐于發(fā)電機下機架方案。5. 機組運行情況目前深溪溝水電站的1#4#機組現(xiàn)已全部投產(chǎn)發(fā)電，其中2#機組各測點的振動、擺度實測數(shù)據(jù)見表3（對應(yīng)上游水位658.52m、下游水位623.57m，水輪機凈水頭接近額定水頭；機組發(fā)額定出力）。通過表中數(shù)據(jù)可以看出，機組各測點的振動、擺動指標(biāo)均低于合同及規(guī)范要求，機組運行穩(wěn)定性較好，達到了預(yù)期目標(biāo)。表3 2#水輪發(fā)電機組各測點振動、擺度實測數(shù)據(jù)部 位單位實測值合同保證值國標(biāo)規(guī)定上導(dǎo)擺度X向m116150260Y向m128150下導(dǎo)擺度X向m109250Y向m102250水導(dǎo)擺度X向m118220Y向m97220上機架水平振動X向m21100110Y向m24100110下機架水平振動X向m8100110Y向m12100110下機架垂直振動m196080頂蓋水平振動m107090頂蓋垂直振動m36