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1、1平班水电站水轮机的性能和结构特点平班水电站水轮机的性能和结构特点广西电力勘察设计研究院 闭贵宁摘要：作为电站核心设备之一的水轮机其性能的好坏和运行可靠性，对电站能否发挥预 期的工程效益起着关键作用。平班水电站水轮机为轴流转桨式水轮机，额定出力 138.5MW，转轮直径 7.22m。本文对该水轮机的性能和主要部件的结构特点进行了较为全面 地介绍和评析。关键词：平班水电站 水轮机 性能 结构平班水电站位于广西壮族自治区与贵州省交界的南盘江上，是红水河梯级 开发规划中的第 3 个梯级水电站。上游距天生桥二级水电站 35.1 km，下游与龙 滩水电站衔接。电站装设 3 台轴流转桨式水轮发电机组，总装
2、机容量为3135MW。水轮机由上海伏伊特西门子水电设备有限公司制造，水轮发电机由天津阿尔斯通水电设备有限公司制造，电站第一台机组已于 2004 年 11 月 30 日投入运行。 一、水轮机性能 平班水电站的水轮机模型于 2002 年 4 月在德国海德海姆的伏伊特西门子水 电公司的低水头水轮机试验台进行了验收试验，试验中除了按合同规定对水轮 机性能保证值进行验证外，为验证电站初期水轮机运行的稳定性，对保证运行 范围以外的工况也进行了观察。 1.1 水轮机参数 水轮机型号: ZZS486-LH-722 机组台数: 3 水轮机名义尺寸: 7220 mm 额定转速: 107.14 r/min 协联飞逸
3、转速: 260 r/min 非协联飞逸转速: 320 r/min 最大水头: 39.0 m 设计水头: 36.1 m 额定水头: 34 m 最小水头: 27.2 m 额定流量: 440.29 m3/s 额定功率: 138.5 MW1.2 水轮机运行范围 平班水电站运行水头范围为：最大水头 39.0m，设计水头 36.1m，额定水头 34 m，最小水头 27.2m。由于主体工程施工分两期进行，一期施工厂房，二期 施工溢流坝，根据施工进度安排，在 1#机组安装完成时，溢流坝金属结构尚未 安装完成，使 1#机组在施工期的运行水头为 22m。通过模型试验和 1#机组初期2运行的情况看，该水轮机在 22
4、m 水头、带 4090MW 负荷的范围内均能稳定运 行。可见，伏伊特西门子水电公司用于平班水电站的水轮机有较宽运行范围特 性，能满足机组初期运行稳定性的要求。 1.3 能量特性 平班水电站水轮机模型效率试验的结果采用 IEC60193 标准中的两步法换 算到原型工况。平班水电站的水轮机模型验收试验能量试验结果见下表： 额定工况效率最优效率加权平均效率 合同保证值94.70%95.32%94.86% 验收试验值（换算到原型）94.74%95.27%94.87%在模型验收试验结果中，水轮机最优效率比合同保证值略小，但仍在合同 要求的水轮机模型试验台综合误差范围内，因此可认为试验结果满足合同要求。平
5、班水电站水轮机有较好的出力特性，其在各水头下的最大出力见下表： 最大水头 (39m)设计水头 （36.1m）额定水头 （34.0m）最小水头 （27.2m）初期运行水头 （22.0m） 138.5MW138.5MW138.5MW122.5MW90.0MW 试验中还在电站装置空化系数下对模型水轮机的效率和出力保证值进行了 复核。复核结果表明：在运行范围内，电站装置空化系数条件对模型水轮机的 效率和出力影响非常小，试验结果仍满足合同要求。 从模型试验的结果看，平班水电站水轮机在能量特性上达到了同类机型的 较高水平。 1.4 空化特性 水轮机运行过程中的空蚀现象，会对水轮机过流部件，特别是转轮叶片表
6、 面造成损坏，它不仅会降低水轮机运行效率，严重时甚至危及部件的结构安全。为减少水轮机空蚀损坏的影响，合同文件规定：在水电站的水头、出力运 行范围内，水轮机的临界空化系数（c）应低于相应工况下电站的空化系数 （y） ，其比值 y /c 应大于 1.10。平班水电站水轮机模型试验的水轮机的 临界空化系数按水轮机模型验收试验规程 （GB/T15613-1995）附录中的方 法 A3 确定。平班水电站装置空化系数与相应工况下的水轮机临界空化系数的 比值见下表： 最大水头 (39m)设计水头 （36.1m）额定水头 （34.0m）最小水头 （27.2m）初期运行水头 （22.0m） 1.3231.211
7、1.2731.1491.16 模型验收试验表明，平班水电站水轮机有较好的空化特性，在合同文件规 定的水头、出力运行范围内，各种工况下电站装置空化系数与相应工况下的水 轮机临界空化系数的比值基本不低于 1.1，满足合同要求，并有一定安全空化裕 度。 1.5 稳定性 水轮机的运行稳定性主要表现为水力振动和机械振动。造成机组运行不稳 定的原因是多方面的，其中，水力因素包括尾水管涡带、卡门涡流、流道内的 不均匀流场及空化等。而尾水管涡带将引起尾水管内压力的波动，从而使机组 振动加剧，摆度与出力波动加大。3为保证平班水电站机组的稳定运行，在合同文件中对水轮机的压力脉动值 作了规定：在 39m34m 运行
8、水头及相应水头下 35100保证出力范围内， 尾水管压力脉动值（峰-峰值）不大于相应水头的 6；在 34m 以下运行水头及 相应水头下 35100保证出力范围内，尾水管压力脉动值（峰-峰值）不大 于相应水头的 8。 模型试验结果表明，平班水电站水轮机在合同规定的运行范围内，尾水管 压力脉动值（峰-峰值）均未超过相应水头的 6%，说明其有较好的稳定运行特 性。二、水轮机主要部件结构特点 2.1 转轮 平班水电站水轮机转轮由转轮体、五个可调节的不锈钢桨叶、桨叶接力器、 桨叶操作机构和泄水锥组成。转轮叶片外径为 7220 mm，轮毂比为 0.44。叶片 由安装在转轮体内耐磨轴瓦来导向。在不拆叶片的情
9、况下，可以更换叶片枢轴 密封。为防止水进入转轮体中，设置轮毂高位油箱使转轮体内的油压大于最大 尾水位水压。 转轮桨叶采用 AOD 精炼 G-X5CrNi13 4（与 ZG0Cr13Ni4Mo 相当）不锈钢 铸造，其表面采用数控加工。桨叶密封采用多层 V 型密封，具有双向密封性能， 能防止漏油和水进入转轮体，并能在不拆卸叶片的情况下更换。 转轮体采用 G-X20MnMoNi55 材料铸造加工制成。桨叶接力器采用缸动式 结构，即桨叶接力器缸上下运动，活塞不动。接力器布置在转轮体内、叶片中 心线以下。这种布置可以降低转轮体高度，减少转轮重量。更重要的是，缸动 式布置方式，其操作油管无需上下窜动，可避
10、免受油器浮动瓦过量磨损，防止 出现窜油现象。 2.2 主轴密封 平班水电站水轮机采用静压式轴向密封，密封润滑水进入到静止密封环与 旋转密封环之间的密封腔中，并形成一个分离的抗磨环和密封环的水膜。这样 使得密封的泄漏量达到很小。密封环由特殊酚醇树脂材料制成，并由许多不锈 钢弹簧紧压在抗磨环上，这样就保证了在机组静止且润滑水关闭后仍具有密封 功能。 主轴密封静止部分安装在导流锥上，靠近水轮机主轴法兰端，抗磨环固定 在主轴法兰端面与主轴一起旋转。密封环为自补偿型，使作用在密封环上的水 压力是均匀的，因此密封对外部水压的变化并不敏感，这对尾水压变化较大的 轴流转桨式水轮机来说尤其有利。1水水 轮轮 机
11、机 主主 轴轴2 支支 撑撑 环环3 滑滑 环环4 密密 封封 环环5 抗抗 磨磨 环环6 磨磨 损损 指指 示示 计计7 检检 修修 密密 封封4主 轴 密 封 结 构 简 图2.3 受油器 调速器控制的压力油通过受油器和操作油管供应到转轮接力器中，受油器 安装在发电机顶部，负责将油从固定着的油路引入转动着的操作油管。 平班水电站受油器采用浮动瓦结 构，布置于受油器里面的浮动瓦可以 使油从静止油腔流至转动油腔，浮动 瓦具有自调节功能，可以补偿油管的 轴向移动。浮动瓦采用自润滑材料制 成，不会因磨损而污染润滑油。在受 油器的顶端及底部均设有可靠的密封。在水轮机和发电机主轴中心孔内 有四根操作油
12、管，其中两根用来使叶 片开启，另两根用来使叶片关闭。主 轴中心孔内还设有一根中心杆，其一 端与桨叶接力器相连，另一端伸出受 油器顶部，用以对桨叶接力器行程即 转轮叶片的转角做出反馈。受 油 器 结 构 简 图2.4 导轴承 平班水电站水轮机导轴承采用稀油润滑轴承、分块瓦结构。为减少机组转 动部分的摆度，保证机组的稳定运行，水导轴承布置在支持盖底部以尽量靠近 水轮机。 水轮机导轴承冷却采用外循环冷 却方式。外循环冷却系统由两台油泵、一台热交换器以及相应的管道阀门组 成，循环油管路上设有电接点流量计5和温度计以监控系统运行。 水导轴承轴承体采用钢板焊接结 构。轴承分块瓦里衬采用巴氏合金材 料，并经 100的超声波探伤检测， 以确保巴氏合金与母体金属牢固而全 面地结合。 水导轴承分块瓦间隙调整和固定 采用楔形块形式，并设置限位块保证 其不会松动。分块瓦具有自调节功能， 它能根据载荷及圆周速度的大小使自 己始终处于最优位置。水导轴承轴承结构简图参考资料： 1 平班水电站模型验收试验报告 2 平班水电站水轮机产品技术条件及说明书
