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(東方電氣東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站187 MW混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉鐘，鄧佑林

(東方電氣東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站裝設(shè)10臺(tái)單機(jī)容量187 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，是東方電氣東方電機(jī)有限公司自主設(shè)計(jì)制造的中高水頭混流式機(jī)組。主要介紹了吉布Ⅲ水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

吉布Ⅲ水電站；水輪機(jī)；結(jié)構(gòu)

0 概 況

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站位于埃塞俄比亞西南的Sodo市附近，距其首都Addis Ababa約360 km，是奧莫河梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第3級(jí)電站，電站總裝機(jī)容量1 870 MW，設(shè)有10臺(tái)187 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。吉布Ⅲ水電站為埃塞俄比亞最大的水電站，也是非洲已投運(yùn)的裝機(jī)容量最大的水電項(xiàng)目。吉布Ⅲ水電項(xiàng)目是中國(guó)迄今單個(gè)水電設(shè)備出口總?cè)萘孔畲蟮乃婍?xiàng)目，是中國(guó)“一帶一路”的精品工程。

1 水輪機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

水輪機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

吉布Ⅲ水電站水輪發(fā)電機(jī)組為立軸混流式，俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)共用一根軸，軸設(shè)置兩個(gè)滑轉(zhuǎn)子，用于布置水導(dǎo)軸承和發(fā)電機(jī)下導(dǎo)軸承。水輪機(jī)設(shè)水導(dǎo)軸承，水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架之間、水輪機(jī)軸和轉(zhuǎn)輪之間均采用銷(xiāo)釘螺栓聯(lián)接并以此傳遞扭矩。按照合同要求，轉(zhuǎn)輪應(yīng)從尾水管錐管拆出，導(dǎo)葉下軸套也要求下拆，這是目前為止國(guó)內(nèi)設(shè)

表1 水輪機(jī)基本參數(shù)

計(jì)和制造的轉(zhuǎn)輪直徑最大、重量最重的下拆機(jī)組，整體結(jié)構(gòu)布置較為困難。水輪機(jī)剖面圖詳見(jiàn)圖1。

2.1 轉(zhuǎn) 輪

轉(zhuǎn)輪直徑D1為3 600 mm，有15個(gè)葉片。上冠、下環(huán)和葉片均采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼AOD精煉鑄造，為鑄焊結(jié)構(gòu)。葉片采用五軸數(shù)控加工后與上冠、下環(huán)焊為整體。上冠處采用頂蓋設(shè)平壓管路的辦法，以減小上冠與頂蓋間的水壓力。轉(zhuǎn)輪采用長(zhǎng)泄水錐并與上冠把合成一體，按照水力模型全模擬，以減小尾水的壓力脈動(dòng)。

圖1 水輪機(jī)剖面

轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)的設(shè)計(jì)關(guān)系到水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，是中高水頭轉(zhuǎn)輪的重點(diǎn)之一。吉布Ⅲ水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)均采用迷宮式止漏環(huán)，迷宮的數(shù)量、寬度、深度、位置和間隙均經(jīng)過(guò)精確計(jì)算，以保證上冠、下環(huán)軸向力基本平衡。

按照合同要求，轉(zhuǎn)輪應(yīng)從尾水管錐管拆出。因此，提供了專門(mén)的轉(zhuǎn)輪下拆工具，包括下拆平臺(tái)、下拆軌道和小車(chē)等，并且對(duì)轉(zhuǎn)輪下拆方案進(jìn)行反復(fù)推敲，布置了一套方便可行的下拆方案：即每臺(tái)機(jī)均在尾水廊道埋設(shè)兩條軌道，從機(jī)組中心延伸到吊物孔處。尾水管錐管分為上段和中段，將錐管中段和混凝土中的肘管采用螺栓把合并設(shè)置伸縮節(jié)，將錐管中段拆卸后再拆卸錐管上段，最終將轉(zhuǎn)輪整體吊下，從尾水管廊道運(yùn)出。

為防止轉(zhuǎn)輪下拆及回裝時(shí)和頂蓋、底環(huán)產(chǎn)生碰撞，設(shè)計(jì)了全新的下拆導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，能有效防止由于轉(zhuǎn)輪吊下(或者吊上)時(shí)的不平衡性產(chǎn)生的偏移。

2.2 主軸

主軸采用優(yōu)質(zhì)低合金鋼整鍛，兩端法蘭均為外法蘭結(jié)構(gòu)。與常規(guī)水輪機(jī)主軸不同的是，由于整個(gè)機(jī)組布置的需要，水輪發(fā)電機(jī)組采用一根軸結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)的下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子放在了主軸上，因此本機(jī)主軸有兩個(gè)滑轉(zhuǎn)子。主軸為中空式結(jié)構(gòu)，主軸與轉(zhuǎn)子采用銷(xiāo)釘螺栓聯(lián)接并以此傳遞扭矩，主軸與轉(zhuǎn)輪也采用銷(xiāo)釘螺栓聯(lián)接并以此傳遞扭矩的結(jié)構(gòu)。為了工作密封布置的需要，銷(xiāo)釘螺栓沉入主軸法蘭通孔內(nèi)，在工地用電加熱器進(jìn)行拉伸緊固。

2.3 頂蓋

頂蓋采用碳素鋼板焊接的整體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)計(jì)算選取合適的材料和厚度以保證頂蓋有足夠的剛強(qiáng)度。

為減小導(dǎo)葉在關(guān)閉時(shí)導(dǎo)葉與頂蓋間的漏水量，在頂蓋上對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉全關(guān)位置密合處有可更換的導(dǎo)葉端面密封，密封條的材料為鑄鋁青銅。在頂蓋過(guò)流面上設(shè)置不銹鋼抗磨板，抗磨板帶有耐腐蝕的金屬螺釘，并與抗磨板間打磨平齊且充分緊固。頂蓋上設(shè)有迷宮式不銹鋼固定止漏環(huán)，材料硬度比轉(zhuǎn)輪硬度低HB50以上。

頂蓋除了設(shè)有自流排水管，用以將主軸密封和導(dǎo)葉軸頸密封的漏水排出，另外還提供了2臺(tái)潛水泵，1臺(tái)主用，1臺(tái)備用。頂蓋上還設(shè)置10根減壓排水管以減低轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋接觸腔的壓力。

為了滿足合同在不拆軸承的前提下應(yīng)能夠更換密封的要求，頂蓋上開(kāi)有進(jìn)人孔，在需要調(diào)整或者更換密封時(shí)，可以拆去進(jìn)人孔附近的兩個(gè)連桿，進(jìn)入密封安裝位置進(jìn)行操作。

2.4 底環(huán)

底環(huán)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，底環(huán)與座環(huán)之間采用螺栓把合、銷(xiāo)子定位的結(jié)構(gòu)形式。

在對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉全關(guān)位置密合處設(shè)置有端面密封裝置，密封條的材料為鑄鋁青銅。底環(huán)上設(shè)有間隙式固定止漏環(huán)，材料為不銹鋼，其硬度比轉(zhuǎn)輪硬度低HB50以上。為了滿足轉(zhuǎn)輪下拆的需要，底環(huán)止漏環(huán)設(shè)計(jì)為可拆式，上部用螺栓與底環(huán)連接，下端用螺栓與錐管上段連接。止漏環(huán)間隙通過(guò)錐管上段法蘭上的4個(gè)螺孔測(cè)量。

2.5 控制環(huán)

控制環(huán)為鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)。上環(huán)板設(shè)2個(gè)大耳孔與接力器相連，下環(huán)板設(shè)24個(gè)小耳孔與導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)的連桿相連接。

控制環(huán)在大、小耳孔中設(shè)置自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承，在下部?jī)?nèi)圓處和底部與頂蓋接觸處，設(shè)置由自潤(rùn)滑材料制成的側(cè)抗磨板和底抗磨板。在頂蓋(水導(dǎo)軸承座)與控制環(huán)之間設(shè)置壓板，以防止導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)因受力不均而引起的控制環(huán)上抬。

2.6 導(dǎo)葉

導(dǎo)葉為整鑄不銹鋼結(jié)構(gòu)，材料為不銹鋼。導(dǎo)葉為三支點(diǎn)非對(duì)稱型導(dǎo)葉，導(dǎo)葉數(shù)為24個(gè)。與導(dǎo)葉三支點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的上、中、下軸承，采用自潤(rùn)滑高分子材料。為了滿足合同要求的不拆導(dǎo)葉更換導(dǎo)葉軸承的要求，導(dǎo)葉上、中軸承是裝在套筒上，而導(dǎo)葉下軸承是裝在可下拆的軸座上。

2.7 導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)

導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)由導(dǎo)葉臂、連桿裝配、連接板、套筒裝配、連桿銷(xiāo)、連桿偏心銷(xiāo)、剪斷銷(xiāo)等組成。

導(dǎo)葉與導(dǎo)葉臂之間設(shè)置1個(gè)圓柱銷(xiāo)，用于傳遞導(dǎo)葉操作力矩。導(dǎo)葉套筒為長(zhǎng)套筒結(jié)構(gòu)形式。在導(dǎo)葉臂和套筒之間設(shè)置了止推環(huán)，以防止導(dǎo)葉在水壓力的作用下上浮，碰撞頂蓋和影響連桿受力。

連桿為雙夾板帶偏心銷(xiāo)結(jié)構(gòu)，用偏心銷(xiāo)的偏心量來(lái)彌補(bǔ)因加工造成的各連接件間的形位誤差，在連桿與連接板的連接處設(shè)有自潤(rùn)滑軸承。在每個(gè)導(dǎo)葉臂與連接板之間設(shè)置有剪斷銷(xiāo)，以保證在某個(gè)導(dǎo)葉被異物卡住后，其他導(dǎo)葉能正常動(dòng)作。剪斷銷(xiāo)裝有電動(dòng)信號(hào)保護(hù)裝置，當(dāng)剪斷銷(xiāo)剪斷時(shí)能自動(dòng)報(bào)警。

在導(dǎo)葉臂與連接板之間設(shè)置摩擦環(huán)，以防止導(dǎo)葉在剪斷銷(xiāo)斷開(kāi)后反復(fù)急速擺動(dòng)而撞擊相鄰導(dǎo)葉；同時(shí)在頂蓋上還設(shè)有雙向?qū)~限位塊，可以保證在摩擦環(huán)失效后也能防止導(dǎo)葉在剪斷銷(xiāo)斷開(kāi)后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，撞擊相鄰導(dǎo)葉、相鄰導(dǎo)葉傳動(dòng)部件和轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊。導(dǎo)葉限位塊的限制范圍以導(dǎo)葉最大可能開(kāi)度時(shí)的導(dǎo)葉臂轉(zhuǎn)角為準(zhǔn)。

2.8 水導(dǎo)軸承

水輪機(jī)導(dǎo)軸承為稀油潤(rùn)滑導(dǎo)軸承采用分塊瓦式。油冷卻系統(tǒng)為內(nèi)循環(huán)式，冷卻器布置在油箱內(nèi)部，冷卻水管材料為雙金屬翅片式位于軸承體下面。軸承冷卻器為雙向進(jìn)水式，并能正、反向工作。軸承冷卻水壓為0.2～0.5 MPa，試驗(yàn)壓力0.75 MPa。其結(jié)構(gòu)可以較方便地從上部對(duì)導(dǎo)軸承進(jìn)行檢查、調(diào)整和更換一部分導(dǎo)軸承部件。軸瓦采用巴氏合金瓦襯，并采用非同心瓦，工地不需刮瓦，軸瓦間隙調(diào)節(jié)是靠楔塊完成，易調(diào)整并且可靠。

軸承中設(shè)有8塊軸瓦，每塊瓦上裝有1只鉑熱電阻測(cè)溫計(jì)，另有2只鉑熱電阻測(cè)溫計(jì)用于測(cè)量油溫，應(yīng)對(duì)稱安放在±X或±Y方位上。該兩塊瓦上其中各有1只用于報(bào)警用。軸瓦最高運(yùn)行溫度為60 ℃，報(bào)警溫度為65 ℃，停機(jī)溫度為70 ℃。在軸承油箱上設(shè)有油位計(jì)，以監(jiān)測(cè)軸承油箱內(nèi)的油位。

軸承蓋靠近主軸處，采用迷宮式防油霧結(jié)構(gòu)，中間有足夠的空間防止油霧溢出。

2.9 主軸密封

主軸密封由工作密封和檢修密封組成，安裝在主軸法蘭上部的端面上。

工作密封為水力恒壓平衡軸向密封。其工作原理為：不銹鋼密封滑環(huán)固定在主軸轉(zhuǎn)輪端法蘭背面上，復(fù)合材料制成的密封圈把合在密封環(huán)上，密封環(huán)安裝在支持環(huán)的內(nèi)側(cè)，滑動(dòng)接觸面設(shè)有密封圈。工作時(shí)依靠密封環(huán)的自重力、密封環(huán)與支持環(huán)間的彈簧力、密封腔內(nèi)的水壓力與被密封水壓達(dá)到平衡，建立密封水膜達(dá)到密封效果。密封環(huán)采用不銹鋼板。密封環(huán)與密封圈設(shè)有通水孔，依靠清潔水潤(rùn)滑防止干摩擦燒損密封圈。在密封環(huán)上裝有傳感器用于測(cè)量密封圈的磨損量。

檢修密封采用空氣圍帶式密封，當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，圍帶充氣膨脹與主軸轉(zhuǎn)輪端法蘭外圓緊密貼合，達(dá)到密封的目的。

2.10 導(dǎo)葉接力器

在水輪機(jī)機(jī)坑里襯的-X偏-Y方向和+Y方向，平行設(shè)置2個(gè)接力器，接力器為油壓操作的單導(dǎo)管直缸接力器，用于操作導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。接力器分段關(guān)閉時(shí)間由油管路上的分段關(guān)閉閥實(shí)現(xiàn)。接力器上設(shè)置有1個(gè)機(jī)械鎖錠裝置，在關(guān)閉位置鎖錠接力器以防止導(dǎo)葉被水沖開(kāi)。鎖錠的投入靠自重落下，鎖錠的拔出通過(guò)在鎖錠缸下腔通入油壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。接力器上還設(shè)置有行程傳感器，可將接力器行程信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給計(jì)算機(jī)。設(shè)有1個(gè)集油裝置用于可能的漏油收集。

2.11 尾水管裝配

尾水管分為錐管上段、錐管中段、錐管下段和肘管。錐管為圓形斷面，肘管為圓方形斷面。錐管上段一部分采用不銹鋼，其余尾水管部分采用碳鋼焊接。尾水管外部均焊有足夠強(qiáng)度的加強(qiáng)筋。

錐管上段進(jìn)口端帶有法蘭，用螺栓與底環(huán)止漏環(huán)連接，錐管法蘭上還設(shè)有4個(gè)測(cè)量止漏環(huán)間隙的螺孔。錐管上段出口端也帶有法蘭，用螺栓與錐管中段連接。錐管中段高進(jìn)口端帶有固定法蘭，用螺栓與錐管上段連接。尾水管錐管上設(shè)有1個(gè)方形密封進(jìn)人門(mén)，進(jìn)人門(mén)的繞軸及螺栓為不銹鋼，進(jìn)人門(mén)下裝設(shè)壓力表和驗(yàn)水閥門(mén)各1個(gè)。在尾水管進(jìn)人門(mén)下方適當(dāng)位置，設(shè)置了2個(gè)小門(mén)和一些孔用于搭接檢修平臺(tái)。置于尾水管內(nèi)的可拆卸檢修平臺(tái)應(yīng)能方便地從尾水管進(jìn)人門(mén)裝入和拆出。

為了滿足轉(zhuǎn)輪下拆的需要，錐管中段與錐管下段采用伸縮節(jié)式法蘭聯(lián)接；同時(shí)在錐管中段上還設(shè)有特殊的支架，供安裝轉(zhuǎn)輪下拆工具用。

2.12 座環(huán)與蝸殼

座環(huán)采用平行式帶過(guò)渡板和導(dǎo)流環(huán)組焊結(jié)構(gòu)，分為2瓣，每瓣分半面設(shè)臨時(shí)分瓣法蘭，分瓣法蘭采用螺栓把合，偏心銷(xiāo)定位，坡口封焊。流道內(nèi)的分瓣法蘭在混凝土澆注后割去，但座環(huán)下部(也就是下拆廊道頂部)的分瓣法蘭應(yīng)保留，其把合孔可以作為后期下拆轉(zhuǎn)輪的臨時(shí)吊攀孔。所有過(guò)渡板(除分瓣面處外)、導(dǎo)流板(除分瓣面處外)、舌板及蝸殼尾部20截面以后部分，均在廠內(nèi)焊為一體。

座環(huán)上、下環(huán)板采用高強(qiáng)度抗層狀撕裂鋼板。固定導(dǎo)葉為23個(gè)，有3組不同的斷面形狀。在第1象限的3個(gè)固定導(dǎo)葉均鉆有自流排水孔。

蝸殼按不考慮與混凝土聯(lián)合受力的條件，且升壓水頭為300 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。蝸殼采用全圓斷面，在工地與座環(huán)過(guò)渡板直接掛裝，流道尺寸與模型全模擬。蝸殼尾部20截面以后各節(jié)和舌板，在廠內(nèi)與座環(huán)焊在一起發(fā)貨。蝸殼其余各節(jié)單節(jié)發(fā)貨，工地焊接。蝸殼進(jìn)口段廠內(nèi)焊成兩段發(fā)貨，設(shè)2個(gè)湊合節(jié)。在蝸殼適當(dāng)位置設(shè)置1個(gè)外開(kāi)式進(jìn)人門(mén)。首臺(tái)機(jī)蝸殼與座環(huán)在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝。蝸殼上部表面設(shè)置彈性墊層，在蝸殼末端設(shè)置排水管。

為了防止蝸殼在運(yùn)輸中變形，提供足夠數(shù)量的槽鋼支撐在蝸殼內(nèi)部。待工地蝸殼焊接完后，充水試驗(yàn)前才能割除這些槽鋼。

2.13 主軸補(bǔ)氣裝置

為保證機(jī)組在部分負(fù)荷工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)上端設(shè)置有中心孔補(bǔ)氣裝置。補(bǔ)氣通過(guò)軸系內(nèi)孔延伸至轉(zhuǎn)輪上冠出口位置。補(bǔ)氣閥采用雙重閥結(jié)構(gòu)。進(jìn)口處分別采用兩根鋼管通過(guò)發(fā)電機(jī)上機(jī)架進(jìn)入補(bǔ)氣閥。一根管子布置在靠近水箱底部位置作為排水管，另一根布置在靠近水箱上部位置作為補(bǔ)氣管用。在補(bǔ)氣管進(jìn)口出設(shè)置一個(gè)消音器以消除補(bǔ)氣時(shí)的噪音。

在頂蓋上轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間的無(wú)葉區(qū)預(yù)留6個(gè)迫補(bǔ)氣孔，以作為后期電站強(qiáng)迫補(bǔ)氣的備用。

3 結(jié) 語(yǔ)

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站水輪發(fā)電機(jī)組是目前東方電氣東方電機(jī)有限公司出口非洲裝機(jī)容量和轉(zhuǎn)輪直徑最大的機(jī)組，并且是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和制造的轉(zhuǎn)輪直徑最大、重量最重的下拆機(jī)組。如何確保機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行、制造精度和剛強(qiáng)度、最大限度滿足外國(guó)業(yè)主要求，這給設(shè)計(jì)、制造、材料使用和計(jì)算分析等設(shè)計(jì)工作都帶來(lái)很大難度。依托以往設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，查詢了大量國(guó)外技術(shù)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)，采用多學(xué)科的最新科研成果，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝的優(yōu)化改進(jìn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)，確保了機(jī)組的整體設(shè)計(jì)性能及制造質(zhì)量。

吉布Ⅲ水電站全部10臺(tái)機(jī)組已于2016年9月9日完成發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、性能參數(shù)優(yōu)異，各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均滿足合同要求，其整體技術(shù)水平在國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型中處于先進(jìn)水平，部分技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先，獲得外方的高度評(píng)價(jià)和肯定。中國(guó)駐埃塞俄比亞大使臘翊凡在吉布Ⅲ水電站投運(yùn)慶典儀式上指出，吉布Ⅲ水電站項(xiàng)目作為中國(guó)在非洲最大的能源項(xiàng)目之一，是“東非水塔”變“電塔”的標(biāo)志性工程，中國(guó)水電機(jī)組研制水平和承建能力在世界上再次得到檢驗(yàn)。未來(lái)還需要為“一帶一路”沿線國(guó)家建設(shè)更多像吉布Ⅲ水電站一樣的精品工程，實(shí)現(xiàn)中國(guó)政府提出的互惠互利目標(biāo)。

GIBE Ⅲ hydropower station in Ethiopia installs 10 hydroelectric generating sets within single capacity of 187 MW which are independently designed and manufactured by Dongfang Electric Machinery Co, Ltd. The design characteristics of the structure of Francis turbine in GIBE Ⅲ hydropower station are introduced in detail.

GIBE Ⅲ hydropower station; water turbine; structure

TM312

A

1003-6954(2017)06-0048-05

劉 鐘(1986)，工程碩士、工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

2017-09-15)