水轮机结构设计的发展

《东方 电机 》 年 第 期 水轮机结构设计的发展 谭叔楠 一 张沪俊 摘要 本文总结 了我厂 公 司 水轮机结构设计的发展历程 。 主要介绍 了大 型混流 式水轮机 、 大型轴流 式水轮机 、 贯流式水轮机 、 水泵水轮机及水轮机进水 阀门的结 构设计 。 文 中还介绍 了公 司通过 消化吸收 国外厂 家的先进技术 , 以及近年来所采用 的水抢机新结构 。 关键词 水轮机 结构 设计 总结 引 言 我公司在水轮机设计方面曾走过 了光辉 的历程 。 在六十年代 , 设计制造了双牌 、 石 泉等电站水轮机 , 七十年代 , 设计制造了丹 江 口 、 龚嘴 、 乌江渡 、 长湖等电站水轮机 八 十年代 , 又成功设计制造了龙羊峡 、 安康 、 大 化 、 铜街子 、 葛洲坝等电站水轮机 。 龙羊峡 机组单机容量 , 居全 国水电机组单 机容量之冠 。 葛洲坝 水轮机至今仍 是世界上尺寸最大的轴流式水轮机 。 八十年以来 , 随着我国改革开放 , 通过 出 口 机组和国际合作 , 与世界各著名水轮机 制造公司接触机会增多 , 了解了国际上在水 轮机设计中的经验和特点 , 拓宽了我们的设 计思路 , 使我公司在水轮机设计 、 制造方面 日益接近当前世界水平 。 近十年来 , 我公司 在新产品开发 、 新技术和新材料应用 、 设计 手段现代化等方面获得了飞速的发展 。 大型混流式水轮机 混流式水轮机是我公司主导产品 , 几年 来 , 先后研制了安康 、 漫湾 、 宝珠寺 、 李家 峡 、 江娅 、 大朝山等大型混流式水轮机 , 目 前我公司仍然保持水电机组单机容量全国第 一 。 在大型混流式水轮机设计中 , 广泛吸收 国外先进技术 , 在机组结构与性能方面 已达 到或接近世界先进水平 。 漫湾电站水轮机 漫湾电站水轮机采用我公司自行研制的 转轮 , 具有国内先进水平 , 在结构设计中 采用了多项新技术 。 漫湾电站水轮机首次实现了顶盖取水用 作机组冷却 。为满足 电站转轮互换性要求 , 转 轮与主轴采用摩擦键结构 。 参照国外先进经 验 , 设置了主轴中心孔补气装置 , 并取得 良 好的运行效果 。 漫湾水轮机是我国首次装设 筒形阀的机组 , 首台机组于 年 月投 产 , 几年来五台机组运行良好 , 被誉为全国 水电 “ 五朵金花 ” 中最绚丽的一朵 。 李家峡电站水轮机 李家 峡 电站 水 轮发 电机 组 单 机 容 量 , 是 目前我国 自行设计 、 制造单机容 量最大的水电机组 。 李家峡 电站水轮机首次 采用引进国外转轮技术进行设计和制造 。 水 来稿时间 年 月 《东方 电机 》 年第 期 轮机结构设计是在我公司以往成功的基础上 作了多方面的改进 。 李家峡转轮是我公司 目前生产的最大的 混流式转轮 。 由于受运输尺寸限制 , 转轮采 用分瓣结构 。 首次采用平行式座环 。 主轴与 转轮连接采用销套抗剪 , 主轴和转轮分别用 世模加工 , 具有互换性 。 此外 , 导叶限位装 置 、 导轴承 、 主轴密封和主轴中心孔补气装 置等都有较大的改进 。 李家峡首台机组于 年 月投运 , 经 过一年来的运行 , 机组运行稳定 , 各项指标 符合 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 要求 , 并获得安全运行 天和发 电 亿 两项全国第一 。 李家峡电站水 轮机是我国运行最好的机组之一 。 有圆弧导流板 。 根据电站要求 , 在座环上下 环板处均设有足够数量的地脚螺栓 , 以承受 蜗壳部分水压力 。 转轮采用操作架叶片转动 机构 , 采用双向 型叶片密封 。 为降低叶片 操作力矩 , 叶片大铜瓦采用进 口新型材料 。 叶 片外缘设有裙边结构 , 提高叶片抗空蚀能 力 。 叶片型线采用数控加工 , 保证 良好的水力性 能 。 高坝洲水轮机首次采用转轮悬挂在支持 盖下部的起吊方法 , 有效地解决电站厂房高 度不足的矛盾 。 高坝洲水轮机于 年完成设计 , 将于 年投入运行 。 贯流式水轮机 大型轴流式水轮机 继葛洲坝机组之后 , 我公司又成功开发 大化 、 万安 、 铜街子 、 和高坝洲等大型轴流 式水轮机 。 由于技术进步 , 水轮机效率不断 提高 , 结构设计不断完善 。 迪什林水轮机 迪什林项 目是我公司最大的出口叙利亚 的水电 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 , 也是我国水电出口 中轴流式水 轮机单机容量最大的机组 。 水轮机单机容量 , 年开始设计 , 年完成共 台机组制造合同 。 迪斯林水轮机通过了外商 的模型见证试验 , 在结构设计中 , 采用水轮 机与发电机一根轴 、 接力器对角布置 、 轴承 斜楔调节等优化设计 , 使机组总体布局合理 , 同时也提高了机组的经济指标 。 高坝洲水轮机 高坝洲水电站位于湖北清江上 , 是隔河 岩水电站的反调节电站 。 电站装设 台单机 容 量 轴 流 转 桨 式 机 组 , 总 装 机 。 本机组是吸收了国内外近年来先进 技术设计而成 。 座环采用铸焊结构 , 在与蜗壳相接处设 我国低水头水力资源十分丰富 , 贯流式 水电机组有着广阔的发展前景 , 公司从 。 年初就开始贯流机技术开发工作 , 先后完成 石溪 口 、 流滩坝 、 黄泥滩贯流机的设计制造 任务 , 目前正在进行红岩子贯流式水轮机的 设计 。 、 石溪 口电站水轮机 电站 位 于 重 庆 市 茶 江 上 , 转 轮 直 径 , 额定水头 , 出力 。 水 轮机座环有 个固定导叶起着支撑作用 , 整 个座环有两个支腿 与混凝土支承基础相连 。 转轮采用无操作架的缸动结构 , 转轮接力器 置于泄水锥内 。 石溪 口 电站贯流机是我公司起步机组 , 于 年开始设计 , 于 年 月投产发 电 。 石溪 口 电站贯流机运行情况 良好 , 较同 类型机组在技术上有较大的进步 。 流滩坝与黄泥滩电站水轮机 流滩坝电站位于四川沪县沱江上 , 电站 装机 台 贯流式机组 。 机组于 年开始设计 , 首台机组于 年 月投产 发电 。 流滩坝电站贯流机是我公司设计 、 制造 《东方 电机 》 年第 期 大型贯流机的试验机组 , 机组参数 、 结构型 式 、 设计方法 、 制造工艺等都参照国际大型 贯流机标准 。 黄泥滩电站水轮机与流滩坝电站水轮机 在尺寸和结构上基本相同 , 三台机组分别于 年 月 、 年 月和 年 月投 产发电 , 水轮机运行情况 良好 , 受到用户的 好评 。 红岩子电站贯流机 红岩子电站贯流机单机容量 , 是 我公司迈进大型贯流机行列的重要机组 。 采 用引进国外转轮技术进行设计 , 除叶片外其 余均 由我公司制造 , 经过多年技术准备 , 我 们有足够的信心和能力设计制造好红岩子贯 流 式水轮机 。 目前机组正 在设计 中 , 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 年投产发电 。 上设有金属端面密封 。 响洪甸水泵水轮机于 年 月开始 设计 , 年 月完成全部设计文件 。 响洪 甸机组正在工地安装 , 预计 年底投入运 行 。 水轮机进水阀门 水泵水轮机 响洪甸机组是我国首次 自行设计制造的 中型抽水蓄能机组 , 它的设计制造对我国水 泵水轮机国产化和蓄能电站发展产生重大影 响 。 根据用户要求 , 响洪甸水泵水轮机转轮 由奥钢联 公司引进 , 其余部件均 由我 公司设计制造 。 由于水泵水轮机过渡过程复 杂 , 机组振动大 , 在结构设计过程中充分考 虑水泵水轮机运行的特殊性 , 采用有限元计 算手段 , 对座环 、 蜗壳 、 主轴 、 活动导叶 、 顶 盖 、 导叶摩擦装置进行刚强度 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , 确保运 行的安全 。 水泵水轮机主轴密封性能直接影 响机组的正常运行 , 我们专门研制了端面水 压碳精密封装置 , 该密封具有 良好的自润滑 性 , 包括 自身的对偶面磨损较小 。 转轮与主 轴采用插入式销套连接 , 保证转轮的正确配 合 。导叶上设有可靠的限位装置和摩擦装置 , 防止剪断销剪断时导叶发生碰撞和在水中的 摆动 。 为确保导叶密封性能 , 在顶盖和底环 进水阀门是我公司水轮机产品之一 。 近 年来 , 除对传统进水阀门改进和完善外 , 还 先后开发大型蝶阀和筒形阀 , 其中筒形阀已 在我国水电站迅速推广 , 并成为我公司的技 术优势 。 响洪甸电站蝶阀 响洪甸蝶阀作为抽水蓄能机组的进水阀 门在国内已运行的抽水蓄能机组中还是首次 应用 。 根据机组要求 , 阀门要同时满足水轮 机工况和水泵工况下运行 。 响洪甸蝶阀直径 , 也是 目前我公司研制的尺寸最大的阀 门 。 我公司对响洪甸蝶阀进行了重点研究 , 在公司水轮机试验 台上进行 了蝶阀模型试 验 , 测定阀门的阻 力系数 , 流场分布和操作 力 。 采用大型有限元结构分析软件 , 对阀门 各种结构做了分析计算 。 响洪甸蝶门设计是 建立在上述科研基础上 , 具有充分的技术保 证 。 响洪甸阀体采用垂直分半的铸焊结构 , 具有结构简单 、 密封面刚性好的特点 。 活门 采用凸型背板结构 , 中间用两条筋板支撑 , 使 其刚度大大提高 。 采用装配式阀轴 , 解决了 活门加工问题 。 经过水压 、 漏水和应力实测 试验 , 试验结果表明响洪甸蝶阀具有漏水少 , 有足够的刚强度 , 完全符全设计要求 。 漫湾电站筒形阀 年我公司从加拿大 公司引进 了筒形阀技术 , 并首次使用于漫湾水 电站 台机上 。 筒形阀装设在水轮机活动导叶和固 《东方 电机 》 年 第 期 定导叶之间 , 筒体用钢板卷焊 , 筒形阀采用 只直缸接力器操作 , 采用链条机构实现各 接力器同步 。 首台筒形阀于 年 月与机 组同步投入运行 。 目前各台筒形阀动作正常 , 动作总次数已达数千次 。 漫湾筒形阀各项性 能指标均达到设计要求 , 年 月进行了 筒形阀动水关闭试验 , 在各种试验负荷下 , 关 闭过程平稳 , 对机组振动无明显影响 。 漫湾筒形 阀设置是 以 防泥砂为主要 目 的 , 同时具有事故保护作用 。 从漫湾电站实 践看出 , 筒形阀设置符合中国多泥砂河流的 实际要求 。 通过漫湾筒形阀的设计 、 制造 、 安装和 运行 , 使我们获得宝贵的经验 。 在引进技术 的基础上 , 通过消化吸收 , 并在多方面进行 改进 , 其性能已优于原外商技术 , 形成具有 东电特色的筒形阀 , 筒形阀在我国水电站上 的首次应用获得成功 , 为今后在其它 电站的 推广使用提供了丰富的经验 。 大朝山电站筒形阀 年 月 , 我公司又获得大朝山电 站 台水轮发 电机组及其筒形 阀的供货合 同 。 大朝山筒形阀在漫湾的基础上作了更进 一步改进 , 使其结构更加完善和合理 。 改进 了接力器推力轴承结构 , 使接力器传递效率 比原漫湾结构提高一倍多 。 改进接力器提升 杆与筒体连接结构 , 实现在机坑内拆卸和更 换提升杆连接螺栓而无需把筒形 阀吊出机 坑 。 经过专家多次评审 , 认为大朝山筒形阀 的可靠性进一步提高 , 可作为机组事故阀门 保护 , 因此在大朝山水轮机进水 口不再设有 快速闸门 。 入地了解外国公司设计经验和特点 , 对提高 我公司技术水平有重要的作用 。近十年来 , 先 后与外国 家公司进行了 个项 目的合作生 产 。 年 , 我公司与 日本东芝公司合作投 标获得向前南斯拉夫威斯格拉特电站提供三 套 轴流式水轮机的供货合同 , 我公 司分包其中三套固定部件的生产 。 年 , 我公司与法国奈尔皮克公司合 作 , 分包了从化电站 水泵水轮机共 套导水机构的生产 。 年 , 我公司与伏依特公司合作 , 分 包了十三陵电站共 套水泵水轮机 转轮除 外 和球阀的生产 。 年 , 我公司作为中方联合体与加拿 大 公 司 合作 , 为 二 滩 电站 提 供 套 水轮机的大部分部件的生产 。 年 , 我公司与克瓦纳公司合作 , 提 供贵港电站 台 贯流式水轮发 电机 组 , 其中我公司分包座环 、 导叶外环 、 导叶 内环 、 控制环 、 转轮室和导水机构厂内预装 等项任务 。 通过上述合作生产 , 同外商交流设计经 验 , 开拓了我们设计思路 , 在消化 、 吸收的 基础上 , 改进了我们的设计 , 加快了我们的 技术进步 。 新结构应用 合作生产 合作生产是公司技术进步的重要组成部 分 , 通过与外国公司合作生产 , 可以具体深 在消化 、吸收国外先进技术的基础上 , 逐 步形成具有东电特色的新结构 。 座环 、 蜗壳新结构 李家峡水轮机首次采用平行式座环蜗壳 新结构 , 接着在响洪甸 、 江娅和大朝山水轮 机上使用 。 与传统蝶形边座环蜗壳相 比 , 新 结构具有如下明显的优点 结构简单 , 制造方便 , 包括蜗壳尾 部在内所有钢板均可实现计算机下料 。 《东方电机 》 年 第 期 对固定导叶不产生弯矩作用 , 受力 均匀 。 具有与蝶形边座环相似的水力性能 。 分瓣转轮新结构 我公司是制造分瓣转轮最多的厂家 , 目 前在李家峡和大朝 山水轮机采用的分瓣转轮 新结构上有世界领先水平 , 它有如下特点 采用埋入式螺栓把合分瓣上冠 , 可 大幅度降低转轮高度 , 解决运输尺寸限制问 题 。 不再设置转轮引水盖板 , 避免因引 水盖板开裂而影响机组正常运行 。 叶片和下环分瓣面采用不焊透焊缝 , 减少焊量 , 避免工件变形和降低焊接残余应 力 。 采用整体焊接 , 整体退火后再分开 的工艺方案 , 叶片分瓣面基本不发生错牙现 象 , 保持叶片型线准确 。 转轮与主轴连接 转轮具有互换性 已成为用户对水轮机结 构的要求 。 我公司先后在漫湾 、 宝珠寺 、 大 朝山和江娅水轮机上采用了摩擦键结构 , 即 主轴与转轮靠摩擦传递扭矩 , 联轴螺栓施加 预紧力 , 只受拉力而不受剪切力 。 为了可靠 起见 , 用键作为后备传递扭矩 。 在李家峡和 响洪甸水轮机采用销套传递扭矩 , 主轴和转 轮使用同一套镬模分别加工销套孔 。 实践证 明加工精度完全满足设计要求 。 导叶限位装置 根据水力模型试验结果 , 在导叶失步条 件下作用在导叶上的水力矩远大于同步时的 水力矩 。 为了防止导叶相互碰撞和发生碰击 转轮叶片事故发生 , 需要加强导叶限位装置 设计 。 除设置可靠的导叶全开与全关限位块 外 , 还设置有导叶摩擦装置 。 在李家峡 、 响 洪甸和大朝山等机组中 , 采用借助连接的夹 紧 力在摩擦套和导叶臂处产生摩擦力矩 , 防 止在剪断销剪断后导叶在水中的摆动 。 导轴承结构 普遍采用非同心分块瓦油轴承 。 轴瓦借 助斜楔调节 , 具有稳定性好的特点 。 非同心 轴瓦承载能力大且不需刮瓦 。 为了提高轴承 刚度 , 轴承体直接把合在顶盖环板上 , 并有 足够数量 的销子传递 作用在轴承 上 的径向 力 。 为防止油雾溢出 , 普遍采用双层油箱盖 。 主轴中心孔补气装置 主轴中心孔补气是改善尾水管压力脉动 的最好方法之一 。 在漫湾 、 宝珠寺 、 李家峡 、 大朝山等机组均设置主轴中心孔补气装置 。 补气阀位于机组顶端 , 通过补气罩把补气管 道引到厂外 。 电站实际运行表明 , 主轴中心 孔补气效果 良好 , 漫湾机组在吸出高度 一 时 仍 能 补 气 , 李 家 峡 机 组 在 出 力 区间都能有效补气 技术墓础工作 结构设计软件系统 。年我们基本完成水轮机结构设计 软件系统研制工作 , 该系统包括通用部分 、埋 入部分 、 导水机构 、 混流式转轮 、 轴流式转 轮 、 主轴 、 轴承 、 接力器 、 锥形导水机构等 部分 , 是一个 比较系统 、 比较完整的设计计 算软件 。 经过几年实践 , 证明该软件系统实 用性强 , 受设计人员好评 , 目前已全面普及 并取代传统计算 。 在大部件刚强度计算方面 , 普遍采用大 型有限元分析软件 。 通过漫湾 、 铜街子 、 流 滩坝 、 宝珠寺 、 李家峡 、 大朝山等电站水轮 机的结构优化设计 , 取得良好的经济效益 。 设计现代化 经过多年的努力 , 在 年已全面实现 计算机绘图 , 彻底淘汰绘图板 , 减轻设计人 员的劳动强度 , 同时也提高了设计质量和缩 短设计周期 。 利用计算机造型技术 , 方便准确地解决 《东方电机 》 年第 期 了设计中出现的某些难题 。 例如在二滩设计 中 , 利用造型技术成功地解决了蜗壳过渡板 和蜗壳进人门加强板的下料问题 。 在江坯水 轮机设计中 , 采用三维造型技术检查导水机 构运动关系 。 目前 , 计算机 已成为设计工作中必不可 少的工具 。 设计标准化 设计标准化工作是提高设计质量 、 缩短 设计周期必不可少的技术基础工作 , 在充分 汲取外国先进技术的基础上 , 经过不懈努力 , 现基本形成一套满足实际要求的设计标准体 系 , 它主要包括如下内容 零部件标准 。 现 已完成真空破坏阀 、 尾水管排水阀 、 蜗壳排水阀 、 尾水管进人门 、 蜗壳进人门 、 集油装置 、 顶盖排水用射流泵 、 水轮机埋设基础件等多项标准系列设计 。 设计规范 包括审查规范 、 计算规 范和结构要素三部分 。 目前 已完成混流式转 轮和主轴两部分 。 谭叔楠 副总设计师 水机处副主任 高级 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师 张沪俊 副 总工程师 高级工程师 迫什林水轮机转轮预装