苏丹上阿特巴拉水电站轴流式转轮的结构设计

郭宏亮 王长志 王春雷 宋成宇

1.前言

转浆式水轮机能够随运行工况与导叶协联调整叶片，使得转轮能够适应复杂的水头环境，对负荷变化适应性好，提高效率。本文主要针对苏丹上阿特巴拉电站的转轮，并结合其他常规项目的比较，来介绍该转轮的结构形式以及特点。

2.机组的概况和主要参数

苏丹上阿特巴拉水力枢纽工程，位于非洲苏丹共和国境内，距离首都喀土穆约460公里，该项目由两座大坝构成，主要功能为灌溉、供水，兼顾发电。大坝总长13公里，水库库容30亿立方米，灌溉面积50万公顷，未来将惠及苏丹三分之一人口。本文的转轮属于其中Rumila大坝中的发电机组。

3.转轮结构

转轮的名义直径5.6mm，6叶片。6叶片的转轮相对5叶片而言叶片受力情况更好，并且拥有更好地抗汽蚀性能。在水力设计上为了得到更好的性能而选取0.46的轮毂比，这样小的轮毂比在我公司也是首次设计制造，对于结构设计上带来很多的困难。该转轮装配主要由转轮体、叶片、枢轴、转臂、接力器、泄水锥、操作机构等部件构成，图1为转轮装配剖视图。采用缸动式接力器，布置在泄水锥里。 转轮装配的整体结构见图1

3.1叶片

叶片采用 ZG06Cr13Ni4Mo 材料铸造，并使用数控设备加工。由于该项目由不拆转轮体而单独拆叶片的要求，所以叶片与枢轴分开，并且采用螺栓把合的方式联接。由于叶片根部是曲面过渡形状而非规则形状，所以螺栓的位置分布也要依据叶片翼型调整，而非均匀布置。该螺栓使用电加热设备进行预紧安装。叶片、转臂和枢轴三者互为独立的部件，首先能够实现叶片的直接拆出，也能够使得枢轴和转臂能够在转轮体内腔里实现安装。根据合同要求枢轴采用不锈钢锻件制成。而转臂由于其形状尺寸不便于锻制，所以采用铸造材料35CrMo，既能滿足生产制造又能达到足够的力学性能。叶片与枢轴转臂之间以两组圆柱销来传递扭矩，每组有两个圆柱销在同一个销孔内。枢轴与转轮体之间装配有大铜瓦和小铜瓦，大铜瓦由铸铝青铜的瓦背和复合材料轴瓦组成，轴瓦采用外购的已有成熟的产品。叶片处的密封采用背靠背式的K型密封（见图2），这种密封能够对两个方向进行起到密封作用，依靠液体的压力将密封件的舌头压在轴颈上，这种密封结构简单，密封效果优良、可靠。

3.2操作机构

转轮叶片的机构，是通过油压驱动接力器动作，然后通过连杆将力矩传递到转臂和叶片上。由于该转轮的运行的最大水头为41.4m，在同类型机组中属于较高水头，而转轮的轮毂比为0.46，在同类转轮中也是比较小的。在水力设计上为了提高转轮的抗汽蚀性能等综合水力性能，给予转轮流道内的空间相对十分狭小。但是根据估算的水力矩，需要的接力器直接很大，经过有水力设计人员的沟通配合，最后选定接力器缸直径1.3m。本项目中采用缸动式接力器，高压油通过受油器和操作油管来驱动缸体动作。接力器活塞和活塞杆为固定部分，缸体为动作部分。接力器缸体、缸盖以及活塞均采用ZG20SiMn铸造而成，而活塞杆则采用性能优良的合金锻钢35CrMo制成。为了方便安装以及增加油压有效作用面积，活塞杆轴颈为阶梯式构造。缸体和缸盖采用螺栓把合连接，螺栓使用电加热方式预紧安装。而活塞与缸体之间有相对运动，因此采用铜质轴瓦。考虑到此处的密封应该为动密封形式，并且是对高压油进行密封，所以在铜瓦上采用了U型密封圈以及专用的RSK轴用密封。这种密封结构简单，效果优良，且经久耐用。操作机构在行程上的特点是当叶片转角在中间位置时转臂刚好在水平方向。这样的目的是为了改善整个操作机构的受力情况，减小圆周方向分力。连接板为双连板结构，考虑到该转轮的应力水平较高，该连板采用Q345钢板制成。连接板与耳柄和转臂之间以销子传递力矩，销子外侧装有进口deva轴瓦。

3.3转轮体

转轮体是操作机构和叶片等部件的载体，其上部与主轴连接，下部安装泄水锥。转轮体的外形和受力情况十分复杂，并且是主要的受力部件，它的刚度和强度直接影响叶片操作的灵活性和叶片密封的可靠性，直接关系到机组的安全稳定运行。转轮体的外部形状为球体，使用ZG06Cr13Ni4Mo铸造而成，不锈钢材料具有良好的抗汽蚀能力。转轮的名义直径为5.6m，轮毂比0.46，其球面直径为2.576m。在同类型机组当中，此转轮的水头、水推力以及水力矩都是偏大的，这些都是结构设计上的难点。因此采用有限元计算的方法，对转轮体的受力情况和变形情况进行分析计算。应力大的区域集中在叶片孔处，是叶片受到水推力时在轴颈处产生的支反力；而变形最大的地方是转轮体下侧与泄水锥连接处，因此该处设置的密封条时考虑足够的压紧量以避免因变形导致的密封性失效。

4.表面喷涂

考虑到水体泥沙含量高，转轮的表面需要进行软喷涂处理，以增强抗磨损、汽蚀的性能。在该转轮上采用两种规格的喷涂材料。叶片上采用的是IRABOND/IRATHANE组合的软喷涂，而其它过流表面采用的是牌号为F512的喷涂材料。其中F512材料在我公司的该型设备中是首次采用，但是其喷涂后硬度更高，并且可以机械加工，因此很适合在转轮体这样的球体表面上使用，并且通过机械加工来保证表面的尺寸要求。

结束语

苏丹上阿特巴拉项目是我国在苏丹尼罗河上中标的首个发电机组，其对当地的经济发展以及对我们国内六叶片轴流式机组的发展都有积极的意义。另外软喷涂以及F512喷涂也是首次在该类型机组中采用，积累了宝贵的经验。

（作者单位：哈尔滨电机厂有限责任公司）

作者简介

郭宏亮：1982年生，2005年毕业于哈尔滨工业大学热能与动力工程学校流体机械专业，现于哈尔滨电机厂有限责任公司产品设计部从事水轮机结构设计，工程师.