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广州蓄能水电厂水泵水轮机结构介绍肖苏平一.简介广州蓄能水电厂分二期建设,一、二期工程分别安装4×300MW可逆式水泵水轮机,单机容量(发电工况300MW,总装机容量2400MW。一期(称A厂工程于1994年全部建成。二期(称B厂工程于1999年全部建成。一、二期工程于2000年3月全部投产。8×300MW机组投产后,已成为当今世界最大的抽水蓄能电厂。可逆式水泵水轮机在抽水、发电起动,停机操作灵活方便,在电网峰荷时放水发电,在低谷负荷时利用系统多余的电能抽水,在电网中起到了填谷调峰的积极作用,使系统中的所有各种电站的负荷趋于均匀,提高了整个电力系统的经济运行。本电站两期工程共装设八台可逆式水泵水轮机。每台机组设备包括:水泵水轮机、调速系统、进水球阀、尾水事故闸门以及相应的操作控制系统,各种连接管路、阀门、管件、表计、自动化元件、控制电缆、备品、专用工具、实验设备等。A厂水泵水轮机由法国Neyrpic公司承制、供货,B厂由德国Voith承制、供货。电站工程主要特征数据如下:上库水位:正常蓄水位816.8m最低蓄水位797.0m下库水位:正常蓄水位287.4m最低蓄水位275.0m电站毛水头:最大水头541.8m额定水头522.0m最小水头509.6m二.水泵水轮机基本参数水泵水轮机为竖轴单级、可逆、法兰西斯式,具有可调导水机构,与电动发电机轴直接连接。A、B厂水泵水轮机主要参数如下:A厂B厂额定转速:水轮机工况500r/min500r/min水泵工况500r/min500r/min旋转方向(俯视:水轮机工况为顺时针水泵工况为反时针转轮直径:进口直径3886mm3802mm出口直径2312mm2090mm额定出力:水轮机工况306MW308MW水泵工况330MW330MW水轮机最大出力:306MW352MW水轮机额定流量:62.88m/s65.95m/s水轮机最大流量:68.7m/s72.92m/s水泵最大流量:60.03m/s57.3m/s水泵最小流量:53.73m/s50.6m/s水泵水轮机总重:450t转动惯量GD2:3600t.m2轴向最大水推力:正常运行时,水轮机工况1500kN水泵工况1500kN过渡工况时,最大向上3600kN最大向下4800kN蜗壳进水方向:与厂房纵向中心线成65º角最大飞逸转速:稳态700r/min690r/min瞬态725r/min725r/min安装高程:205m205m最小淹没深度:-70m-70m三.水泵水轮机结构水泵水轮机为单级、立轴、混流可逆式,电动发电机为悬吊式,主轴有三个径向导轴承荷一个推力轴承。水导轴承布臵在主轴密封德上方,下导轴承布臵在电动发电机下机架上,上导轴承布臵在推力轴承上方,推力轴承布臵在电动发电机上机架上。水泵水轮机由转轮、主轴、导轴承、主轴密封、座环、蜗壳、顶盖、底环、泄流环(基础环、止漏环(迷宫环、抗磨板、导叶及其操作机构、机坑里衬、机坑内环形吊车、尾水管等组成。水泵水轮机的拆装采用中拆方式。水泵水轮机所有可拆部件包括转轮、主轴(包括中间轴、水导轴承、轴承支座、顶盖、导叶、导叶接力器、导水机构、主轴密封装臵等。根据设备的结构特点和习惯,我们将水泵水轮机分成三大部分,即:转动部分,固定部分和埋入部分。下面就机组的各个部件的构成和作用分别作简要介绍。1.转动部分转动部分及其相关部件主要包括:转轮、主轴、中间轴、主轴密封、水导轴承等。转动部分是机组的核心组成部分,是水能转换成机械能/电能的关键设备。1.1.转轮转轮是实现水能转换的主要部件,它将大部分水能转换成转轮的旋转机械能,并通过水轮机主轴传递给发电机主轴及其转子,所以它是水轮机的主体,水轮机转轮的设计和制造水平,是水轮机质量的主要标志。转轮由上冠、叶片(9片、下环和泄水锥焊接而成,材料16Cr5Ni不锈钢,重量34t。转轮与上方的顶盖及下方底环和相邻的导叶形成完整的水流通道,作用是将水能/机械能转换成机械能/水能。可逆式水泵水轮机的转轮要适应两种工况的要求,其特征形状与离心泵更为相似。高水头转轮的外形十分扁平,其进口直径与出口直径的比率为2:1或更大,转轮进口宽度(导叶高度在直径的10%以下;叶片数少但叶片薄而长,包角很大,能到180°或更高。很多混流可逆式机组都使用6~7个叶片,近年来为向更高水头发展,使用到8~9片。因为可逆式机组的过流量相对较小,水轮机工况进口处叶片角度只有10°~12°,为改善水轮机和水泵工况的稳定性,叶片出口边经常作成有后倾角,而不是在一个垂直面上。1.2.主轴/中间轴主轴是水轮机的重要部件之一。其作用是承受水轮机转动部分的重量及轴向水推力所产生的拉力,同时传递转轮产生的扭矩。可概括的说成,水轮机主轴要同时承受拉、扭及径向力的综合作用。水轮机主轴主要由上、下法兰及轴身三部分组成,上端与中间轴用螺栓联接,下端与转轮上冠法兰用螺栓和销钉套联接,联接螺栓是从定位销中间穿过,此法比较独特,螺栓数量为18个M90×6,螺栓的拉伸值为0.68mm,拉伸方法采用加热棒加热法。结构为整锻中空。材料:CK35N,主轴直径Ф990mm,长度为2700mm,水导轴承处Ф1280mm,重量23t。中间轴为碳钢整锻,下方与水轮机主轴由18个M130×6螺栓联接,上方与发电机下端轴联接。中间轴重量14.5t。中间轴是为实现水泵水轮机组中拆而特别设计的。1.3.转轮拆卸方式蓄能机组的转轮在大修时需取出进行修理,立式机组转轮的拆卸要牵涉很多其他重大部件的拆卸,实际上影响整个水泵水轮机以致电动发电机的总体结构设计。现在大型立式机组转轮的拆卸可以有三种方式:或将尾水锥管和底环以及转轮由下方取出;或取出一段中间轴并拆卸顶盖后,将转轮由机坑取出;或用传统方式,吊出电机转子并拆除顶盖后由上方取出转轮,以上三中拆卸方式分别称为下拆、中拆和上拆方式。我厂一期为下拆,二期为中拆。1.4.主轴密封及检修密封1.4.1.主轴密封主轴密封紧靠水轮机主轴下法兰端面,在水导轴承下方由内顶盖支撑,密封形式为弹簧复位式流体静压平衡径向机械密封。其作用是有效地阻挡水流从主轴与顶盖之间的间隙上溢,防止水淹,维持轴承和机组的安全运行。从其结构简图我们可以说明其工作原理,旋转抗磨环⑸直接把合在主轴⑴下端法兰上端面与静止密封环⑷相对,密封环在弹簧和尾水水压的作用下紧压着抗磨环,使其起到密封的作用,当机组在运行时,密封环内腔给适当压力的过滤后的润滑水(冷却水,在密封环与抗磨环之间建立一层水膜,其作用相当于流体静压轴承将旋转抗磨环与静止密封环分开,使它们不发生直接摩擦从而减少磨损量和热量。密封环内腔的冷却水水压应大于尾水压力,并保持在9.5bar,工作流量应保持在10.5mз/h左右。主轴密封润滑(冷却水用水,直接取直引水压力钢管经过消能环管减压,减压后经过过滤器和旋流器直接通至密封环内腔。由于在弹簧的作用下密封环压紧抗磨环,所以在机组停机时切断冷却水的情况下,密封环仍然起到密封作用。只有在机组运行时才投入冷却水。为了监视主轴密封在运行过程的情况,设臵二种安全装臵:一种是温度监视,密封环内环端面互成120°角分别装有一个温度传感器,如果密封环与抗磨环之间间隙太小,或水膜受到破坏,则转动过程中必将造成温度升高,当温度过高必然损坏密封环,温度达45°时跳机;另一种是压力传感器,监视密封环冷却水供水压力,正常情况下冷却水供水压力必须高于尾水压力的0.4bar及以上,才能保证主轴密封的正常工作。此外,为了监视密封快的磨损程度,装设有标尺,可供读数,如果经过长时间的运行,密封快被磨损到一定程度时,则应进行更换。主轴密封对机组过渡过程中没有特别要求,即密封有较强的抗振性。经过主轴密封内环的少量漏水会自流排至集水井。1.4.2.检修密封检修密封位于水轮机轴下法兰轴面,在机组停机检修或主轴密封损坏时,打开检修密封操作三通阀,将压縮空气充入空气围带使其抱紧法兰轴面从而防止水淹水车室。在机组正常运行时或机组尚未完全停止时,不得投入检修密封,所以检修密封的操作设为手动投退。1.5.水导轴承水导轴承的作用,一是承受机组在各种工况下运行时通过主轴传过来的径向力,一是维持已调好的轴线位臵。按润滑剂不同,导轴承主要分为水润滑的橡胶瓦导轴承油润滑的乌金瓦导轴承。乌金瓦导轴承又分为稀油自循环分块瓦导轴承和筒式导轴承。我厂水导轴承为强迫外循环冷却分块式导轴承,位于主轴密封上方。水导轴承由12块轴瓦、支座、静止油箱及强迫外循环冷却系统组成在油箱的盖板上装有空气呼吸器和观察孔,油箱旁装有油位计,整个油箱安装在顶盖上,油箱分成上、下油盆。有关技术参数为:轴颈直径:Φ1280mm线速度:33.5m/sec功率损耗:66kw水导轴承总间隙:0.55mm瓦数量:12块轴承润滑的原理如下,在机坑外的油泵将润滑油从下油盆中吸出,经冷却过滤后输送至各轴瓦之间,冷油工作后,从上油盆溢流到下油盆,油泵又将其从下油盆中吸出,如此反复,实现强迫循环。循环管路系统包括油泵、逆止阀、过滤器和冷却器,以及油位、油量、油温和瓦温传感器。2.固定部分固定部分的主要部件包括:导水机构、顶盖和底环等。2.1导水机构导水机构的作用,是使水流进入转轮之前形成旋转并改变水流的入射角度;当机组出力发生变化时,用来调节流量;正常与事故停机时,用来截断水流。导水机构由顶盖、底环、导叶、导叶轴套、连杆机构和接力器等组成。2.2.导叶和连杆机构导叶安放在转轮与座环之间上下由顶盖和底环上的轴套固定,通过接力器和连杆机构来操纵导叶的开关,并控制流进流出转轮水流的流量。导叶是主要的通流部件之一,其导叶本体为流线型,导叶由上中下三个轴套固定,轴套为青铜自润滑确保轴套转动灵活,导叶与顶盖和底环的端面总间隙为0.40mm,导叶立面间隙原则上为零,各别允许有0.05mm的间隙,但长度不超过导叶高度的1/3为合格。导叶由GX5CrNi134不锈钢整体铸成,共有20个,每个导叶单独配臵一个电液转换器、主配压阀和接力器,反馈装臵采用电器反馈。导叶拐臂把合在导叶顶端并通过销键来传递来自接力器的操作力矩。导叶拐臂下方装有止推环,止推环承受整个导叶的重量,并确保导叶与底环的端面间隙,在底环上的导叶下轴套的底部开孔,将渗漏压力水用埋设管路排至尾水管,消除由于导叶上浮力大于它的自重而产生的向上移动,以防止导叶的上端面与其相对应的顶盖下部发生磨擦和碰撞。导叶高度:371.65mm导叶总高度:2409mm导叶分布圆直径:4500mm导叶重量:1.135t2.3.导叶接力器广蓄B厂采用单导叶接力器,每个接力器驱动一个导叶,接力器一端与拉锚环(固定环铰链式连接,另一端则与导叶拐臂连接,接力器可以在一定范围内摆动。接力器主要由缸体、活塞、推拉杆和前后端盖等组成,活塞由螺帽把合在推拉杆上,推拉杆与导叶拐臂连接,接力器由调速器液压系统控制。单导叶接力器比传统双接力器具有很多优点:多数水泵水轮机采用和常规水轮机一样的导水机构,用一对直线接力器通过控制环来操作导叶。由于水泵水轮机在运行中增减负荷很急速,水力振动大,泵工况时水流对导叶的冲击也很大,故导叶和调节机构的结构都需要比常规水轮机更坚固些。采用单元式接力器,其优点是:①每个导叶的操作机构减到最小尺寸,动作灵活;②每个接力器只控制一个导叶,导叶可以设计成有自关闭趋势;③导叶和接力器始终相连接,由于接力器的缓冲作用导叶不会晃动或失控,不需设臵剪断或拉断装臵;④顶盖上部空间增大,便于维护修理。接力器主要技术参数:活塞直径:200mm推拉杆直径:90mm接力器最大行程:280mm操作油压:64bar2.4.顶盖/内顶盖顶盖由76个的螺栓把合在座环上方,框架式焊接结构,覆盖导叶和转轮的上方。其主要作用有:①形成流道并承受相应的流体压力;②固定和支撑活动导叶及其连杆机构;③支撑水导轴承;④支撑并组成机组的密封,包括主轴密封、检修密封、上迷宫环等。顶盖分成内外顶盖两部分,分别用StE355钢板焊接整体制造。外顶盖最大直径5470mm,最小内径为2400mm,高度1407mm。内顶盖外径为2480mm,最小内径为1666mm,高度为420mm,内