DARYAN 水轮机结构特点

焦钢毅，戴然

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

伊朗DARYAN 水电站混流式水轮发电机组是近年来我国与伊朗发电设备制造领域合作的具有代表性的项目之一，水电站位于伊朗西部Sirvan 河，距科尔曼沙汗省的Paveh 市西北部约25 公里，具备灌溉和发电的作用。电站装有3 台额定出力为71.4MW 的立轴混流式水轮发电机组及其附属设备，机组的设计、制造均全面满足业主的高标准要求，采用当前水电设备的可靠技术。本文从设计角度对该项目水轮机的结构特点做了详细阐述。

1 水轮机总体结构特点及参数

机组形式为立轴混流式机组，焊接式金属蜗壳，机组旋转方向为俯视逆时针，采用水轮机轴、发电机轴两段轴的结构，水轮机轴与发电机轴采用销螺栓联接，水轮机轴与转轮采用螺栓联接，摩擦传递扭矩。水轮机主要包括:埋入部分、导水部分、转动部分等几大部分，安装检修采用上拆方式，水轮机主要性能参数见表1。

表1 水轮机主要性能参数

2 水轮机各部分结构特点

2.1 埋入部分的结构特点

水轮机的埋入部分主要包括座环蜗壳、尾水管、机坑里衬等部件。2.1.1 座环蜗壳

座环蜗壳是水轮机流道内的重要过流部件和支持部件，采用钢板焊接结构，考虑到运输和加工的方便，蜗壳和座环在工地组焊。蜗壳包角为345°，材料选用具有良好性能的高强度中低温压力容器钢板ASTM A516 Gr.70。为便于检修，蜗壳设有一个φ750 进人门，2 个φ300 的手动排水阀，蜗壳及上游压力管道内的水可排到尾水。混凝土浇筑之前，按蜗壳设计压力1.5 倍做水压试验。

座环为钢板焊接式结构，24 个固定导叶支撑座环的上、下环板。28 个M36 基础螺杆用于联接座环与基础，座环通过混凝土承受整个机组的重量。工地安装时，座环上、下法兰的开口值及水平度需精确保证，以满足机组导叶端面间隙的要求。在4 个固定导叶上分别设置1 个φ20 排水孔作为顶盖的自留排水，排至集水井。

2.1.2 尾水管

尾水管分为尾水锥管、尾水肘管、扩散段三部分，总高度约7 492mm，钢衬由钢管焊接而成。为方便安装和检修，尾水锥管上设有一个750×900的长方形进人门，在扩散段底部，设有一个DN300的尾水管排水阀，连至集水井，用于检修时排水。锥管进人门两侧布置4 个孔用于支撑检修平台。

2.1.3 机坑里衬

机坑里衬内径为φ4 300mm，由ASTM A283 Gr.C 钢板焊接，厚度为12mm，工地焊接在座环上。机坑里衬上部布置一个最大载重量为1t 的环形吊车，用于在机坑内吊装导水零件、水导轴承等部件。

2.2 导水部分的结构特点

导水部分主要用于控制蜗壳进入转轮中的水的流量，调整水轮机的出力，在正常和紧急关机时通过控制导叶关闭阻断水流。导水部分主要包括顶盖、底环、导叶、导叶操作机构、接力器等几部分。

2.2.1 顶盖、底环

顶盖采用整体式钢板焊接结构，材料为碳素结构钢板ASTM A283 Gr.C，通过下法兰形式与座环连接，有足够的刚强度支撑控制环、导叶操作机构零件、主轴密封、水导轴承的重量，并能承受轴向水压力及轴承的径向不平衡力。顶盖过流面设有螺钉把合式不锈钢抗磨板，与转轮配合处设有螺钉把合式固定止漏环，并提供相应备品可供更换。抗磨板选用坚硬、耐磨的马氏体不锈钢，为保护转轮，固定止漏环选用比转轮硬度低的奥氏体不锈钢。顶盖上设有6 根DN125 减压排水管以减低机组的轴向水推力，并设有6 个压力测点测量导叶进口与转轮这一区域内的压力。

底环采用厚钢板结构，材料与顶盖相同，为碳素结构钢板ASTM A283 Gr.C，过流面同样设有螺钉把合式马氏体不锈钢抗磨板，鉴于结构空间限制，下固定止漏环焊接在底环上，材料为奥氏体不锈钢。顶盖、底环结构形式详见图1。

图1 顶盖、底环结构形式

2.2.2 导叶及导叶操作机构

导叶采用偏心结构，在整个操作范围内有自关闭趋势，材料选用具有良好抗磨及抗气蚀性的马氏体不锈钢铸钢06Cr13Ni4Mo。导叶轴颈采用三支点结构，上、中、下轴颈座孔内均设有金属自润滑轴瓦。导叶之间的立面密封采用接触式金属密封，与顶盖、底环的端面之间设有聚氨酯端面密封带，保证导叶在全关时的漏水量满足要求。导叶轴颈密封选用聚氨酯U 型密封，有效防止流道内的水进入顶盖和底环内。导叶通过分瓣键、连接板、导叶臂、连杆、偏心销、连杆销与控制环相连。控制环由ASTM A283 Gr.C 钢板焊接而成，可承受接力器传递的扭转力矩，控制环与顶盖的接触面设有分块的金属自润滑抗磨瓦，保证控制环转动时与顶盖接触面的抗磨性，并设有控制环止推压板防止控制环转动时上下跳动。连杆与连接板之间采用偏心销相连，便于工地安装时调整。

为避免导叶被流道中的异物卡住而损坏导叶操作机构的各部件，设置由剪断销、摩擦轴衬、导叶限位块组成的导水机构保护装置。接力器传递的力矩由剪断销和摩擦轴衬共同承担，当导叶被异物卡住时，剪断销所受力矩迅速增大而剪断，剪断信号器发出信号。导叶限位块和摩擦轴衬保证剪断销剪断后导叶不在流道中随意摆动，与其它导叶相撞。导叶操作机构具体结构形式详见图2。

图2 导叶操作机构结构形式

2.2.3 导叶接力器

机组在+Y 侧布置2 个φ350mm 的接力器，接力器行程为276mm，操作油压6.3MPa。1 号接力器在导叶全关时设有自动锁定装置;2 号接力器在导叶全开时设有手动锁定装置。

2.3 转动部分的结构特点

机组转动部分主要包括转轮、主轴、水导轴承、主轴密封、中心补气装置等。

2.3.1 转轮

转轮采用铸焊结构，上冠、下环、叶片均采用耐磨和抗气蚀性良好的铸钢0Cr13Ni4Mo 制造，组焊后所有焊缝均进行退火并做超声波和着色探伤，转轮设计和制造保证有足够强度，能够承受任何作用在转轮上的最大水压力和离心力，和使用寿命内周期性变动荷载而不发生任何有害变形，并有足够的刚度支撑本身和主轴的重量。

转轮上装有不锈钢材料的泵板装置，当机组运行时，转轮带动泵板内腔的水转动，使泵板进出口处的水产生压差，由顶盖内的减压排水管将水排出，大大减小主轴密封处的水压力。

2.3.2 主轴

水轮机主轴采用双法兰空心厚壁轴，材质为ASTM A668 Class D 整体锻造。轴身外径φ800mm，内径φ500mm。主轴与转轮法兰采用18 个M90X6 的螺栓联接，摩擦传递扭矩，在转轮与主轴配合的法兰面喷涂一薄层摩擦剂，通过液压拉伸器预紧螺栓，靠摩擦力传递扭矩。主轴上端与发电机轴采用18 个M90X6 的销螺栓联接，通过螺栓的销段传递扭矩，水轮机轴采用镗模的形式加工，保证和发电机轴的同心度。

2.3.3 主轴密封

主轴密封采用端面水压式橡胶密封，结构形式见图3。

图3 主轴密封结构形式

此种形式的密封具有安全、可靠、寿命长、自平衡调整等特点，具体原理为压力润滑水将橡胶密封块顶起，在密封块与转环之间形成水膜，封住流道过来的水，同时通过排水管将润滑水排自流排到集水井。通过上止漏环和转轮上泵板的作用，主轴密封前的压力水的流量和压力均有所降低，使密封更加可靠。

充气橡胶式检修密封安装在工作密封下面，当轴承、密封或机组长时间停机时，向检修密封中通入压缩空气，可启动检修密封。

2.3.4 水导轴承

水导轴承为油润滑筒式轴承，润滑油采用自泵外循环冷却的方式。具体结构形式见图4，轴承直径φ815mm，巴氏合金里衬高415mm，由轴承体、甩油盆、上油箱等部件组成。轴承体分四瓣，内表面为巴士合金ZSnSb11-6，与主轴之间的间隙为0.18 ～0.25mm。为监测轴承的运行状态，在轴承内设一个油位信号器，两个测温电阻测量瓦温，一个测温电阻测量油温，一个油混水信号器等自动化元件。

图4 水导轴承的结构形式

2.3.5 主轴中心孔补气装置

为确保机组在部分负荷工况下能够稳定运行，在发电机上端设置补气阀，通过主轴中心孔进行自然补气，补气阀直径为φ250mm，设有缓冲装置、DN100 的排水管及DN250 的补气管，补气过程与机组的运行水头、导叶开度有关，需要补气时，该系统能快速自动开启和自动关闭，并可通过缓冲装置有效防止开启和关闭过程中阀体与阀座相撞。

3 结语

伊朗DARYAN 水电站混流式水轮机的设计采用了当前水电设备的先进、可靠技术，完全满足业主方的高标准要求，预示着我国水电设备的设计制造水平有能力在国际市场中占据一席之地，为我公司国际市场的开发又添一笔重要业绩，也进一步增强了我公司开发国际市场的信心。

［1］ 徐灏.机械设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2006.6.

［2］ 哈尔滨大电机研究所. 水轮机设计手册［M］. 北京:机械工业出版社，1976.

［3］ 程良骏. 水轮机［M］. 北京:机械工业出版社，1981.

［4］ 黄源芳，刘光宁，樊世英. 原型水轮机运行研究［M］.北京:中国电力出版社，2010.4.

［5］ 吴新润. 哈电大型混流式水轮机的最近技术状况［C］. 第十四次中国水电设备学术讨论会论文集.2000.