灯泡贯流式机组发展前景展望

文章编号：1005-006X(2010)04-0068-02

电 站 系 统 工 程 Power System Engineering Vol.26 No.4

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灯泡贯流式机组发展前景展望

Prospect of Development of Bulb Tubular Turbine

哈尔滨电站工程有限责任公司 马彦龙

1 哈电集团公司灯泡贯流型产品的发展

国内外的低水头资源都十分丰富，灯泡贯流式水轮机有着广阔的发展前景。在20世纪90年代中期，哈电集团下属的哈尔滨电机厂有限责任公司（HEC）凭借雄厚的技术实力开展了大型灯泡贯流式水轮机的研制工作，虽然在此领域介入较晚，但起点较高。

哈尔滨电机厂有限责任公司（HEC）自行设计制造的第一台灯泡式机组——广东江口电站20 MW灯泡机组（转轮直径6.4m）于1998年投产运行。在此基础上，HEC通过开展国际合作同日立公司合作承担湖南凌津滩电站9台30 MW（转轮直径6.9 m）大型灯泡机组制造合同，于1999年首台投产运行。进入2000年后继续开展广泛的国际合作，通过与日立公司合作，共同承担5台湖南洪江45 MW（转轮直径5.46 m）中型灯泡机组合同于2002年首台运行发电，其容量居国内首位；通过与奥地利安德里兹公司合作，共同承担5台湖南株州航电28 MW（转轮直径7.5 m）大型灯泡机组合同于2005年首台运行发电，其转轮直径居国内首位。近年来，又通过引进国外厂家的水力设计，自行设计制造了红花、长州、大顶子山等大中型灯泡机组。

通过与国外厂家的合作，HEC吸收了先进技术、博采众长，形成了哈电集团在大中型灯泡式水轮机方面的设计制造特点。除了上述合作项目外，HEC还自行设计开发木京、春水、丰海、鸭姆潭、康扬、下福、富金坝、炳灵等水电项目。2004年承担6台出口印度竹拉兰39 MW（转轮直径6.2 m）大型灯泡机组合同。

轴的加工和安装调整，还可以避免轴承油雾对机组的污染，也为轴承的维护和检修提供了便利条件。

(1) 机组支撑基本有两种方式：①管形座的数个流线形固定导叶做为主要支撑，发电机侧下部的支撑和水平方向的防振支撑为辅助支撑；②灯泡体下部与固定导叶之间设有流线形的混凝土支墩，并设上、下固定导叶。

(2) 转轮：转轮轮毂比，三叶片为0.3；四叶片为0.38、0.40；五叶片为0.41；KUMKOY采用的是四叶片。

转轮叶片操作机构：KUMKOY灯泡式机组采用了利用活塞上、下运动带动传动机构动作而使叶片转动的“充压式”结构，即整个转轮体内腔承受的是高压油；近期基本采用缸动式操作结构，由于接力器布置在转轮体内的下游侧，故可减少转轮至水导间的悬臂距离，比如凌津滩和洪江。

(3) 叶片：叶片与枢轴分别铸造，然后用螺钉及销连接，这种结构方便了叶片及枢轴本身的铸造和加工，并可减小水流方向水轮机井的尺寸，对提高机组稳定性有一定好处，然而却增加了因连接而引起的工作量；叶片与枢轴一体的结构，在近期机组的设计中，在叶片的外缘侧设置一定高度的裙边，通过实践证明对防止叶片与转轮室的汽蚀起一定作用，由于裙边的自调心作用，对减小水导摆度也有一些好处。

(4) 叶片密封的结构：通过引进国外先进技术采用“D”型密封技术。材料采用耐油耐磨优质橡胶。由于“D”型密封可采用直模压制，沿直线呈45°方向切割后模粘成圆，制作简单，装拆更换方便，在密

封的径向和轴向给出合适的压紧量后，便可在运行中获得优良的密封性能。

(5) 主轴密封：近年根据水头高低、机组尺寸、运行工况、泥沙含量等因素，设计了多种成熟的密封形式，根据电站的运行条件，有多种密封形式可供选择：平板密封+L形密封；水压浮动环式密封；双L形密封；径向弹簧力补偿扇形瓦密封。

平板密封+L型密封为HEC公司在技术引进的基础上进行开发创造的哈电主打密封型式之一，此密封具有性能可靠、漏水量小，并可在多泥砂电站应用的优点。

水压浮动环式密封为HEC公司专为多泥砂电站自行设计开发的密封型式，具有补偿量大，密封可靠的优点，此密封型式已在多泥砂电站成功应用。

由HEC公司自行设计开发的双L形密封在日立公司做

2 灯泡贯流式机组的结构特征

2.1 设计制造的特点

根据机组的容量、转速和主轴的刚度等因素，基本采用两导轴承方案，水轮机导轴承位于转轮上游侧，发电机推导组合轴承位于发电机转子下游侧；两轴承均布置在水轮机腔内，这样可以使机组结构紧凑，缩短主轴的长度，有益于主

部分代表性机组数据表

水头范围/m 转轮直径/m 转速/r·min-1 最大/MW

6.40 78.95 20.80 江口 12.1～3.0 电站名称

凌津滩 13.2～2.2 洪江 27.3～8.4 珠洲 11.3～3.0 印度JURALA 21.0～9.0

6.90 78.95 30.90 5.46 136.40 48.19 7.50 65.20 31.76 6.20 100.00 39.00

收稿日期：2010-01-03

马彦龙(1970-)，男，工程师。哈尔滨，150040

第4期 马彦龙：灯泡贯流式机组发展前景展望 69

据。

开展了产品结构三维设计。三维设计法是指产品结构设计根据用户标书的功能要求，首先进行三维立体造型设计，在三维中检查其结构要素是否满足标书要求，以及各部件之间是否发生干涉。对转轮、导水机构等一些部套还可以进行动态模拟，确保设计的合理性和先进性。三维设计合格后，在此基础上再生成二维车间制造图纸，此项设计方法的应用为提高设计的准确性、合理性和提高产品设计质量提供了可靠保证。

真机尺寸性能试验后，首次在洪江电站上成功应用。具有结构简单、安装运行维护方便、密封效果优良的优点。

径向弹簧力补偿扇形瓦密封，是HEC公司的优势密封结构之一，其具有随动性好、补偿量大、运行维护简单等突出优点，并可针对密封漏水量及润滑冷却水供水量进行定量分析、计算。

(6) 导水机构：导叶传动机构提供自复位的弹簧连杆式保护元件，具有不需运行维护的优点。内外配水环球面，采用数控加工。 (7) 转轮室：采用数控加工，转轮室下游侧连接法兰采用楔形密

封结构，在保证加工精度的前提下可保证零泄漏。 2.2 设计手段的先进性

HEC公司于20世纪90年代初引进的前、后处理功能和分析功能都以较强的美国SDRC公司I-DEAS和ANALYSE程序进行大部件（如管形座、转轮室等）刚度、强度计算达到优化设计的目的；并可进行整机的固有频率和振型计算（包括管形座、转轮室、导水机构、转轮等），为分析灯泡贯流式机组的整机稳定性、避免水下共振提供了重要的依据，此项技术在国内处于领先地位且已达到国际先进水平; 在轴系稳定计算方面，哈电拥有自开发软件和国外引进软件，不仅可以进行正常工况临界转速计算，更能进行网机藕合计算，确保电网处于非正常干扰时的轴系稳定，并提供各工况下的主轴挠度及轴承载荷，为结构设计提供重要依（上接第67页）唯一途径，改造在活塞杆材料和连接结构两方面采取措施。

3 结束语

近几年，我公司国际水电项目逐渐增多，市场分布越来越广泛，继完成了菲律宾安盖特水电项目后，哈尔滨电站工程有限责任公司作为总承包方分别于2003年4月和2005年1月与越南松达公司正式签订了越南SESAN－3A（轴流转桨式机组，总装机容量2×54 MW）机电供货合同和越南宣光（混流式机组，总装机容量3×114 MW）机电供货项目；2008年4月，公司又同土耳其IC-ICTAS公司签订了3个水电项目，其中的KUMKOY灯泡贯流式水轮发电机组，就是土耳其3个水电项目之一。

经过多年的磨砺，哈电积累了可靠的设计制造经验和丰富的施工运行经验，灯泡贯流式机组必将成为我们拓展越来越激烈的国际水电市场的主力机型。 □

编辑：巨 川

度有一定提升。

(2) 优化结构是提高疲劳强度非常有效的途径，哈电公司成功地开发研制出巨型超级螺母连接方案，此结构在大型水电机组上首次采用，水口机组采用的超级螺母螺纹尺寸达M580, 是世界上最大的超级螺母，它在以下几方面改善了转轮活塞杆的抗疲劳能力：增大了活塞杆薄弱断面的尺寸；优化了活塞杆上断面突变部位的结构；优化结构增加活塞杆预应力；超级螺母、垫圈和顶紧螺栓采用超高强度材料，保证活塞杆上能够施加上足够的预紧力。

1.活塞盘 2.活塞环 3.螺栓 4锁片 5.螺母 6.活塞杆 7.卡环 8.操作架 9.中间环 10.超级螺母

巨型超级螺母连接方案的强度计算结果

(1) 在实际操作油压2.8 MPa工况下，结构最大应力为164 MPa，满足强度条件。

(2) 在最大操作油压4.0 MPa工况下，结构最大应力为177 MPa，满足强度条件。

(3) 疲劳计算按实际操作油压工况计算，疲劳安全系数为2.4，具有足够的安全余量。

图3 巨型超级螺母连接方案

(1) 活塞杆材料改进。

提高疲劳强度的有效途径之一就是提高结构件的机械强度，采用综合性能优良的高强度等级的材料，水口机组原设计方案活塞盘和活塞杆为一体结构，其中活塞盘采用20SiMn铸造，活塞杆采用20SiMn锻造，然后把活塞盘和活塞杆焊接成一体，为了采用优良的高强度等级的材料，改造方案把活塞盘和活塞杆改为法兰连接结构，其中活塞盘采用20SiMn铸造(采用原活塞盘加工掉活塞杆，再加工出连接法兰和连接螺栓孔)，活塞杆采用35CrMo锻造（带连接法兰），然后用连接螺栓把合成整体。

锻钢35CrMo机械强度比锻钢20SiMn机械强度高一个等级，综合性能与锻钢20SiMn相当，因此活塞杆的疲劳强

3 结 论

巨型超级螺母连接方案于2008年在水口机组6号上安装使用，超级螺母连接方案的研制，把疲劳设计方法应用于水电机组的设计中，提高了水电机组的设计水平，世界上最大的M580超级螺母的成功制造使哈电具备制造超级螺母的制造技术。 □

编辑：巨 川