四川关州水电站水轮机结构设计.docx

广西水利水电GUANGXIWATERRESOURCESHYDROPOWERENGINEERING2013(6)

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·机电技术·

四川关州水电站水轮机结构设计

陈柱，秦波，桂亚琴

(重庆水轮机厂有限责任公司，重庆400054)

[摘要]关州水电站为高水头、大容量的混流式水轮机机组，水轮机设计技术参数、结构件强度要求高。对水轮机转轮、转轮摩擦传递扭矩方式、转轮止漏装置、导叶传动机构、主轴下法兰对转轮补气结构、顶盖和蜗壳座环的优化设计和蜗壳水压试验工具的设计。

[关键词]混流式水轮机；转动部分；埋入部分；补气结构；I-Deas

[中图分类号]TK730.2[文献标志码]B[文章编号]1003-1510(2013)06-0063-05

1概述

关州水电站位于四川省甘孜州丹巴县，属小金川干流最下一级，海拔高度为1845.37m(水轮机安装水平中心线),多年平均过机含沙量为0.045kg/m3。安装有3台单机容量为99MW的水轮发电机组，以一管三机的进水方式布置，机组在236-268m水头范围内运行。由于该类型机组属于高水头、大容量的混流式机组，而我公司在300m水头左右、100MW级的混流式水轮机产品尚属空白，因此，在机组设计过程中，需要查阅大量技术资料，借鉴相关成熟经验及技术，并对主要部件进行了详细计算分析，以保证项目进度，确保电站安全稳定运行，满足电站经济运行指标。

2水轮机主要技术参数及结构设计

关州水电站水轮机型号为HLA920-LJ-303,额定水头240m,额定流量46.79m3/s,额定转速333.3

r/min,额定功率103.1MW;配套水轮发电机型号为SF99-18/6000,结构形式是立轴悬式空冷三相同步发电机；配套进水球阀直径为φ2500,压力等级为4.0MPa。

水轮机主要部套包括转动部分、导水机构部分、埋入部分、水导轴承部分、主轴密封部分、导叶接力器部分、管路部分(见图1)。以下将对水轮机的结构设计及结构特点进行详细介绍。

图1水轮机剖面总图

2.1转动部分

转动部分主要由转轮、主轴组成。在结构设计中，需要对转轮型号及材料、主轴直径及材料、转轮与主轴扭矩的传递方式进行选取，还要对转轮止漏装置进行设计。

2.1.1转轮

转轮担负能量及力矩传递的作用，是水电站设

备的核心部件。经过筛选，选定该电站转轮型号为A920,将模型转轮参数与真机进行计算对比(见表1)可以看出，额定工况点在最优工况点右侧(对照水轮机模型综合特性曲线图),且单位流量Q,没超过限制工况点，因此，一旦水头在高段运行时，流量减小，转轮效率将增大，这就保证了机组满负荷运行；该转轮推荐使用水头为320m,而关州电站最大水头268m,保证了转轮的使用性能。

[收稿日期]2013-06-24

[作者简介]陈柱(1982-)广西玉林人，重庆水轮机厂有限责任公司工程师，硕士，主要从事水轮机流道CFD分析，有限元分析及结构设计工作。

陈柱，秦波，桂亚琴：四川关州水电站水轮机结构设计

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表1模型转轮与真机计算参数对比

单位转速/(r/min)

单位流量/

(m3/s)

单位比转速

/(m·kW)

效率/%

模型

最优工况

63.6

0.268

100.3

94.68

限定工况

63.6

0.358

113.3

90.5

真机

额定工况

65.2

0.329

93.78

转轮材料根据其强度、抗汽蚀和泥沙磨损要求进行选取，对转轮上冠、下环、叶片材料均选取ZG00Cr16Ni5Mo不锈钢材质，受限于叶片厚度(70mm),采用压膜成型工艺难度大，决定采用超低碳马氏体不锈钢(屈服强度为800MPa,可焊性、耐磨性好)精炼铸造。转轮制作采用上冠、下环与叶片组焊而成，其表面硬度不低于HB300。

2.1.2主轴

主轴作为传递扭矩及承受轴向力的受力部件，其强度和刚度必须满足要求。而主轴直径大小决定了主轴的强度和刚度，根据设计手册,对额定转速、主轴最大传递的功率为116471kVA,选取两组不一样的主轴外径值进行计算(计算结果见表2),参考我公司部分已运行电站的主轴尺寸选取情况(见表3),并考虑轴承系列尺寸设计，决定将主轴外径选定为φ850mm。

通过对机组主轴轴系的扭转振动计算，得出机组轴系临界转速大于1.25倍机组飞逸转速。主轴材料按JB/T1270-2002标准选取为20SiMn锻钢。

表2主轴扭应力计算值

主轴外径/mm

内孔直径/mm

扭应力/MPa

800

200