三峡电站水轮机性能和结构特点评析

三峡电站水轮机性能和结构特点评析黄源芳 李文学摘要 三峡工程投资巨大，其回收投资的唯一手段是三峡电站的发电收益。因此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如何，是能否发挥工程效益的关键所在。三峡水轮机额定出力710MW，转轮直径达10m，是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水轮机。大容量大尺寸混流式水轮机的结构设计和制造工艺也是一个技术挑战。兹以三峡水轮机模型试验为基础，较为全面地介绍和评析了三峡水轮机主要部件的结构特点和特性。关键词 三峡工程 水轮机 性能 结构三峡水电站共安装额定容量700MW的水轮 发电机组26台。其中左岸电站14台机组通过国际公开招标、议标决标的方式，于1999年9月正式签订了合同。14台额定水头80.6m，额定出力 710MW的混流式水轮机分别由两个集团负责供货，VGS联营体(德国Voith、加拿大GEHydro、德国Soemems)获得了6台的合同，法国 AISTOM集团获得了8台的合同。合同规定两个集团采用各自的水力设计，VGS采用该联营体开发的水力模型，AISTOM则被要求采用挪威 KVAERENER能源公司(以下简称KEN)开发的水力模型。这两个模型最大的共同点是转轮均为X型叶片。1 三峡水轮机性能特点三峡左岸电站机组设计制造合同正在执行，水轮机模型试验已基本完成，转轮的制造也已进入实施阶段，水轮机的性能已基本定型。1.1 运行水头范围宽三峡工程的首要任务是防洪，其次是发电和航 运，因此水库的运行必须服从防洪的要求。每年汛期6-9月的大部分时间，水库必须维持145m低水位运行，以留出足够的防洪库容拦蓄洪水。进入10月，水 库开始蓄水，直至正常蓄水位175m，并尽量维持高水位运行以利于上游航运和多发电。这样，库水位变幅达30m，加上层水位变化的影响，使得水轮机的正常 运行水头范围很宽，达71113m。由于三峡工程量大，施工期长达17年，移民 达110万，为了尽早发挥工程效益，减少施工期资金压力，决定采分期蓄水，连续移民的建设方案，即在2003年至2006年，利用已建成的坝体和三期围堰 挡水发电，此时上游水位限制在135m；2006年汛后，水位允许上升到156m，但汛期水位仍限制在135m；2009年汛后，库水位才蓄至正常水位 175m，汛期则维持145m低水位运行。这种初期降低水位投入运行的方式，更增大了水轮机的运行水头范围，使三峡水轮机的运行水头范围达到 61113m。混流式水轮机能否适应三峡运行水头变幅大的 特点，一直是三峡总公司乃至水电界所担心的问题。通过招标前的技术交流，各投标商对三峡的运行条件有了较深刻的了解，因而进行有针对性的研究。在机组招标 过程中，通过用户和投标商技术人员面对面的澄清再澄清，确认混流式水轮机能够适应三峡61-113m的运行水头范围，因此舍弃了设置临时转轮以适应初期 (2003年至2009年)运行条件，永久转轮适应后期运行条件的方案。合同签定后，中标商进行了进一步的模型开发和试验研究。模型验收试验表明，两个用 于三峡的水力模型基本上都能适应三峡电站水头变幅大的特点。1.2 能量特性较好模型试验表明，两个水力模型按合同规定的两 步法换算到原型的最优效率均高于合同保证的96.26%。非弃水期原型加权平均效率分别达94.39%和93.96%，非弃水期电量、弃水期电量和总年电 量均超过合同保证值，若按三峡26台机组计，总的年平均电量将达880108kwh。可以说两个水力模型在能量特性上达到了国际较高水平。水轮机效率和电量比较见表1。表1 水轮机效率和电量比较模型1模型2合同保证值验收试验值合同保证值验收试验值模型最优效率(%)94.3595.2694.5194.54原型最优效率(%)96.2696.7996.2696.27单机总年电量(106kWh)33733382336033971.3 空化和耐磨损性能较好空蚀是水轮机运行中常见的现象。水中含有泥沙时，空蚀常常与泥沙磨损联合作用，导致水轮机过流部件，特别是转轮叶片表面快速破坏，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。长江水中泥沙二峡坝址处多年平均含沙量为1.2kg/m3。虽然建库后泥沙会大量沉积库底，但在最初运行的10间仍有约1/3的泥沙过机。在每年长达4个月的汛期，平均过机泥沙含量将在0.5kg/m3以上。由于汛期水量大，水轮机多处于低水头满开度运行，水轮机内流速大，这更使泥沙磨损加剧。在这种条件下运行，水轮机部件是否会因空蚀和泥沙磨损的联合作用而发生过量金属失重?这也是水轮机设计和运行人员普遍关注的问题。模型验收试验表明，转轮叶片压力面和负压面 进口初生空化限制线均在合同规定的正常运行范围之外。由于模型水力设计优异，且真机转轮、活动导叶等用耐磨损的不锈钢材料制造，因而卖方对真机在空蚀和泥 沙磨损双重作用下不会导致过量金属失重很有信心。卖方在合同中保证，水轮机在投入商业运行2年或8000h后，由于空蚀和泥沙磨损联合作用引起水轮机转 轮、导叶和尾水管里衬等的金属失重之和，分别不超过52kg和25kg；且任一处金属剥蚀深度不超过10mm，任一连续的金属剥蚀区面积不大于0.5m2。这比IEC609规程“水轮机、蓄能泵、水泵水轮机空蚀评定”(1978)推荐的水轮机在清水中仅因空蚀而导致的金属失重还低。对于10m直径转轮，IEC609推荐的金属失重量上下限约为46.8187.2kg，金属剥蚀深度约为15.523.2mm。1.4 预期稳定性能较好表征水轮发电机组稳定性的主要参数为机组振 动，轴线摆度，出力波动，噪音等。造成机组运行不稳定的原因是多方面的，就水轮机的水力设计而言，主要有尾水管涡带，叶道涡流和卡门涡流等。其中卡门涡流 可以通过适当调整翼型出水边型线或直接对真机进行修型而得到改善，而层水管涡带和叶道涡流对混流式水轮机是不可避免的。叶道涡流会产生噪音；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。三峡水轮机模型验收试验表明，在合同规定的 水轮机正常运行范围内，没有出现叶道涡流，且尾水管无涡带区较宽。在出现尾水管涡带的区域，尾水管压力脉动值也较小。在正常运行范围内，在80.6m以下 的低水头区，尾水管压力脉动值在3%以下；在80.6m以上的水头区，尾水管压力脉动值一般在8%以下。尽管按合同规定，尾水管压力脉动值未全面满足保证 值要求，但基本满足了原招标文件的要求。两个供货集团都明确保证，真机将能在整个运行范围内安全稳定运行。实际上在正常运行区域，在很宽的工作水头范围 内，压力脉动的绝对值都不大于8m，达到了国际较好水平，预期的稳定性能较好。1.5 出力大三峡水轮机的初期运行水头范围为 61113m，后期运行水头范围为71113m，额定水头为80.6m。这就是说，在相当大的运行水头范围内(80.6113m)，水轮机的实际出 力将可以超过额定出力710MW。在接近最高水头运行时，水轮机的出力将远远高于710MW。为此，在高水头运行时，为避免和减轻小开度运行时产生激烈的 压力脉动，发电机设置了840MVA的最大容量，且规定在额定功率因数Cos0.9时，发电机在最大容量下能长期连续稳定运行。由于功率因数可在 0.91.0之间变化，发电机的最大有功将可以在756840MW之间变化，相应的水轮机出力将达767852MW，导叶开度将可相应增大8%左 右。按这一原则设计的三峡机组，适当改善了水轮机在高水头小开度运行的稳定性能，水轮机出力也提高了8%20%，还可增大电站的调峰备用容量。模型验收 试验表明，三峡水轮机在额定水头时的出力裕度约为3%，在8485m时出力即可达767MW，在91m左右即可达852MW。从这个意义上说，三峡水轮 机是世界上出力最大的水轮机。2 结构特点2.1 尾水管为弯肘形尾水管。总高度(从导水机构中心线 至尾水管底部最低点)为30m，约为转轮直径的3倍，这个值比通常的推荐值要大，目的是有利于防止或减轻尾水管涡带冲击肘管底部时水流对转轮的反作用力， 有利于增加机组运行的稳定性。尾水管总长度(从机组中心线至尾水管出口)为50m，约为转轮直径的5倍。这个值也比通常的推荐值要大，可适当提高尾水管的 回能系数。模型试验证明上述决定是正确的，尽管这相应增加了一些工程量。尾水管出口总宽31.9m，高12.4m，由2个宽2.45m的支墩分隔成净宽 9m的三个出口。整个尾水管出口扩散段的布置相对于机组中心线不对称。鉴于国内外水头变幅大的机组都出现过尾水锥 管里衬被撕裂的严重问题，如巴基斯坦塔贝拉电站和国内潘家口电站等，所以三峡机组从转轮出口开始直至水流速度不大于6m/s的尾水管内壁，以及支墩鼻端都 安装了厚钢板里衬，厚度与伊太普相同，达25mm。从转轮出口开始的一段高度为1.5m的里衬(包括基础环的一部分)为不锈钢，以抵抗空蚀和防止撕裂，其 余部位为Q235A和Q235B。另外，在里衬外围除间隔一定高度布置有加强环筋外，还安装有每平方米6至8根V形拉锚。所有这些措施，都是为了加强尾水 管里衬的强度和里衬与周边混凝土结合度，以抵抗机组在恶劣工况下运行时尾水管内空化和压力波动对里衬的破坏。尾水管里衬由卖方分包商在现场埋件加工厂制 作。2.2 蜗壳蜗壳与内径为12.4m的引水钢管相连，在机组XX方向上最大外部尺寸约为34m，YY方向最大外部尺寸约为29.4m。蜗壳材料为高强钢板NKHITEN610U2，这对减小钢板厚度从而减少现场焊接工作量有利。单台蜗壳重达700t。蜗壳进口断面供货范围为距XX轴线 12.7m。进口延伸段分4节，蜗壳本体分31和27节，在现场埋件加工厂制作。有24节凑合节，每个凑合节的两边均留有100mm的现场切割余量。蜗 壳进入门直径800mm，位于第四象限与Y轴夹角43处。蜗壳本体环节多数由45块钢板卷焊而成，尾部少数几节由1块或3块组成。钢板厚度在设计时考 虑了3mm腐蚀余量。蜗壳按单独承受最大水头时内水压力加水锤压 力设计。按照卖方的设计，蜗壳应做1.5倍最大压力的水压试验并保压浇筑周边混凝土。由于电站施工进度紧，水压试验设备难以布置，蜗壳焊缝质量可采用多种 有效措施检验，经过充分论证，决定蜗壳不做1.5倍水压试验。为了保证蜗壳与周边混凝土受力合理，蜗壳将在70mWC的内水压力下浇混凝土。由于蜗壳尺寸巨大，因此内水压力和水温的变 化对蜗壳变形影响较大。三峡坝址处历年最高河水水温为29.5，最低水温为1.4，在高温季节和低温季节保压浇混凝土的效果相差很大。举个例子，对直 径为12.4m的蜗壳进口来说，在水温29.5、内水压力70mWC下保压浇混凝土，其变形量约与水温1.4、内水压力125mWC下保压浇混凝土相 当。因此浇筑蜗壳周边混凝土时既要控制内水压力，又要控制水温，还要考虑周边混凝土上升过程中产生的热量对蜗壳变形的影响。2.3 座环为上、下环板和固定导叶组焊结构。受现场安 装起吊设备容量限制，分6瓣在工厂制作并退火，在现场机坑内用预应力螺栓把合后组焊成整体，每瓣重量不超过80t。其中蜗壳尾部两节和进口舌板与座环一起 在工厂焊接并退火，作为座环的一部分交货，这样便于现场安装。组焊后的座环(带蜗壳短板)总高度超过4m，最大外径约16m，总重量约400t。座环有 34种翼型截面尺寸不同的固定导叶共2324个，高28303000mm。上下环板厚190230mm，为抗层状撕裂钢板。座环的组焊采用对称双 U形坡口中心不焊透焊缝和不对称双V形坡口全焊透焊缝。座环与蜗壳一起充水保压浇混凝土。座环与顶盖和底环的连接螺孔工厂不加工，在工地预装时配作。通过计算，固定导叶中间横断面的静应力不超过所选材料极限强度的1/5，固定导叶与上下环板间焊缝的局部集中应力不超过中间断面平均应力的1.3倍，固定导叶在水中的自振频率不会与可能诱发的卡门涡频率发生共振。2.4 转轮转轮为铸焊结构，整体转轮交货。采用Cr不 低于13%，Ni不低于4%和M0不低于0.5%的不锈钢制作。转轮进口直径约10m，出口直径约9.59.8m，喉径9.49.8m。转轮总高约 5.15.4m，总重约420450t。上冠铸造。止漏环外径84809315mm，密封间隙45mm。均布有减压孔。法兰联轴孔在工厂通过模板 加工。下环铸造。止漏环外径超过10m，密封间隙56mm。叶片铸造，为X叶型。叶片与上冠和下环的交 线较普通叶型长，扭曲程度也较普通叶型大，叶片出口边不在同一轴面内。流场分析表明，这种大扭曲长叶片的X叶型可使水流在叶道内的速度和压力分布更均匀， 对效率、空化和运行的稳定性都有利。叶片数1315片，用5轴数控机床加工，以确保加工精度和与模型转轮的几何相似性，单片重约1618t。由于叶片 较厚，与上冠、下环的焊接采用不全焊透焊缝。有限元计算和已建电站混流式水轮机的运行实践表明，叶片出口与上冠和下环交界处的应力值最大，因此特别加大了 这些部位的过渡圆角半径。 ALSTOM转轮带特殊的泄水锥，分上下两节。上节高约O.8m，为倒锥形；下节为圆柱简，外径约2m，高约1.6m。泄水锥底面出口距转轮底面出口约 30mm。为防止脱落，泄水锥与转轮焊成整体。模型试验表明，这一泄水锥对降低尾水管压力脉动幅值有利。两种转轮剖面示意图见图1。2.5 主轴图1 两种中标转轮剖面示意图为钢板卷焊轴身与锻造法兰组焊的中空结构。有两种外部结构形式：一种无轴领，一种有轴领。无轴领结构，轴长6.68m，轴身外径 4m，壁厚118mm，轴内对应水导轴瓦中心线有一厚120mm宽400mm的环形加强筋。上下法兰均为内法兰，厚400mm。上法兰内径2.8m，下法 兰内径2.6m，法兰与轴身过渡圆弧R150mm。与转轮用20个性20mm的沉头铰制螺栓联接，分布圆直径3.2m。与发电机轴通过30个205mm 的套筒螺栓联接，套简内径115mm，螺栓为M1106，分布圆直径3.57m。发电机轴为外法兰，水轮机轴为盲孔。带轴领结构，轴长6.3m，外径3.8m。 轴身不等厚，上部壁厚130mm，轴领段壁厚155mm。轴领外径4.1m，高540mm，上部有8个斜向气孔，下部有36个水平平压孔。上法兰为内法 兰，内径约2.2m，厚335mm，与发电机轴采用20个250mm的铰制螺柱连接，其分布圆直径2.9m。下法兰为盲孔半法兰结构，外径4.16m， 内径约2.95m，厚560mm，与转轮采用28个外径28mm套简螺柱连接，螺柱为M1606，分布圆直径3.65m。主轴密封和检修密封分别安装 于下法兰的上端面和圆周面。上下法兰的联接孔用模板加工。轴内安装有用于转轮中心自然补气的补气管，在上下两个法兰处设有补气管支撑件。2.6 活动导叶活动导叶为自润滑二导轴承加止推轴承结构。两种设计的导叶翼型不同，一种为负曲率导叶，另一种为正曲率导叶。导叶数24个，分布圆直径 11.1411.6m，为整体不锈钢铸造，或导叶瓣体由钢板焊接，轴头为锻造或电渣熔铸再与瓣体焊成整体。瓣体高2.822.99m，总高 5.45.7m，单个导叶重约9.5t。端面为橡皮条与抗磨板复合密封，立面为钢对钢的刚性密封，无其它密封件。对负曲率导叶，其出水边上部略薄于下 部，在导叶关闭接力器无压状态下，导叶底部先接触，立面有一楔形间隙，上部设计最大间隙为lmm。在设计的接力器压紧行程下，立面则无间隙，此时底部所受 压力较上部大。由于导叶瓣体高达3m，在运行中导叶底部与顶部的压力差约为3m水柱，导叶的这种立面间隙设计，有利于减小漏水量和延长导叶的使用寿命，在 国内五强溪电站已有应用。导叶枢轴通过骑缝销与拐臂下块相连。拐臂由上下两块组成，上块一端与连杆用销轴相连，中部通过剪断销与下块相连，另一端通过摩擦装置套在下块上。当剪断销剪断后，摩擦装置能有效防止导叶的自由摆动。2.7 顶盖顶盖为钢板焊接的箱型结构，分4瓣在工厂制作并作消除应力处理，在安装现场用螺栓连接成整体。固定止漏环直接焊在顶盖上。底板厚140150mm。外径12.2813.29m(不包括法兰)，导叶枢轴处高1.761.82m。总重约290380t。顶盖与座环用螺栓连接，连接孔在现场安装时 配作。采用在连接螺栓处加垫片的方法调整顶盖的水平。顶盖内设有68个大直径的平压管，以减小转轮的轴向水推力。主轴密封静止部分和检修密封位于顶盖 内。顶盖内积水除利用4个空心固定导叶自流排出外，还内设有12台备用排水泵。通过有限元计算，在各种工况下顶盖内的应力值都较小。即使在最高水头下考虑水锤压力的工况，其极限拉应力也不到90MPa。顶盖各部位的变形值也很小，在各种工况下导轴承支撑环处的径向位移均接近于零。2.8 水导轴承水导轴承为带巴氏合金里衬的分块瓦，尺寸为 24块315mm315mml00mm(宽高厚，下同)和12块430mm430mml30mm。间隙可通过楔形板调节。水导轴承支撑在顶盖 上，通过计算支撑板位置选定在径向间隙接近于零的中性面上，这样可减小因水导支撑基础发生位移而导致主轴摆度的增加。水导轴承为油外循环冷却结构。对于带轴领的 水导轴承，为单油盆结构。从冷却器出来的油经进油总管和支管送至每两个导轴瓦之间，位于油盆底部的排油管则由两台油泵(一台工作一台备用)驱动将油盆中的 油送至冷却器，实现闭路循环。对于无轴领结构的水导轴承，为多油箱结构，包括1个工作油箱，1个溢流回油箱和1个漏油箱。从冷却器出来的油不断地送至工作 油箱导轴瓦之间，经溢流板至溢流回油箱，再由排油管送至冷却器完成循环。另有少部分油从工作油箱漏至漏油箱，经排油管送至冷却器。在轴身上工作油箱的上方 和下方各焊有一个斜向挡油环，以防止油沿轴身爬行到油箱外。这种无轴领结构已在巴西图库鲁依360MW机组上成功应用。3 几个特殊问题的处理3.1 两个不同的水力设计和结构设计左岸电站14台水轮机设计制造合同分别授予 了两个制造集团，因而出现了两个不同的水力设计和结构设计。为了有利于电站土建设计、施工，有利于机组安装、运行、维护和减少备品备件，在合同授予前曾召 集可能中标的投标商进行了面对面的会谈，讨论几家中标而采用一个设计即一套图纸的可能性。由于投标商都是世界知名水电企业，各有优势，都对自己的设计充满 信心，很难放弃自己的设计而接受别人的设计；同时，这些企业相互之间都是竞争对手，也不愿意拿出自己的成果与人共享，此外在商务上也有一些复杂问题，因此 未能实现14台机组采用一套图纸的愿望。另一方面，两套设计也有其有利的一面，可使国内分包厂商通过技术转让，更全面地学习和了解国际先进的水电设备设计 制造技术，对国内发电设备技术发展有更好的促进作用。合同生效后，召开了有业主、工程设计单位和机组所有卖方参加的机组设计协调会。通过设计协调，使不同的制造商在设备布置、关键高程、与土建和其它设备的接口等方面尽可能取得了一致。这样，既方便了土建设计，又为不同制造集团发挥各自的优势留有必要的空间。3.2 常规叶型转轮与X叶型转轮的选取常规叶型叶片进口边前倾明显，出口边位于同 一轴面内，叶片与上冠交线较短。 X叶型叶片进口边前倾不明显甚至后倾，出口边不在同一轴面内，叶片与上冠交线较长，叶片扭曲程度较常规叶型大，从正面看，叶片进口边与出口边叠加象英文字 母X而得名。研究表明，X叶片使水流在转轮流道内的压力和流速分布更均匀，因而转轮在效率、空化和稳定性等方面较优。从当时的投标资料来看，采用常规叶型 水轮机和采用X叶型的水轮机所能达到的最好水平见表2：表2 采用常规叶型转轮和采用X叶型转轮的比较比较项目常规叶型X叶型模型加权平均效率(%)91.4592.19真机加权平均效率(%)93.3094.10单机总年电量(106kwh)3330.63372.9初生空化限制线进入正常运行区未进入正常运行区高水头部分负荷尾水管压力脉动值(%)64从表中可以看出，采用X叶型转轮的水轮机， 性能明显优于采用常规叶型转轮的水轮机。X叶片在国内用得较少，鲁布革水电站使用这种叶型的转轮，效果良好，但水头较高。X叶片对于中低水头和水头变幅大 的巨型机组是否也适用?这一问题一度是三峡机组评标专家们讨论的焦点。经过几轮与投标商的技术澄清，了解到X叶型转轮已在30多座电站运行，其中不乏水头 变幅大的电站。在最终综合评出转轮技术指标排在前三名的投标方案中，前两名均采用的X叶型。最终决标选定的就是X叶型转轮。3.3 模型试验中压力脉动不满足合同保证值的处理模型试验表明，两个水轮机模型的能量和空化 特性都达到或优于合同要求，但尾水管压力脉动值均未能全面满足合同保证值。对此，合同双方都非常重视。双方商定，卖方将进一步改进水力设计，在能量、空化 性能满足合同要求的前提下，可在能量、空化、压力脉动三者之间进行调整，以提高水轮机在高水头区小开度运行的稳定性，然后进行补充模型试验。随后两个集团 均作出了很大努力，或配用新型泄水锥，或改进水力设计后重新做模型。第二轮的补充试验表明，修改后的模型