某水电站机组设计浅析

某本电站运行水头为9.00m~3.00m，规划阶段电站装机容量48MW。对于最大水头在20m及以下的径流式水电站，根据国内外水电工程的实践和运行经验，灯泡贯流式机组已显示其优良的经济合理性和技术可行性，因此本电站宜优先采用灯泡贯流式机组。对于电站装机容量，预可行性阶段将对重点进行优化，投标阶段经初步估算，装机容量暂定为80MW。根据本电站的特点，现就机组的设计特点和难点分析如下：

1)灯泡贯流机组的结构特点

(1)机组整体的支撑方式

本电站采用的灯泡贯流转桨式机组，为卧式布置，尾水管平直出水。管形座作为机组的主支撑，灯泡体下部设置二个球铰支撑，侧面各设一个侧支撑，作为辅助支撑。

(2)机组动部分的支撑方式

机组转动部分的支撑方式，可采用两支点双悬臂结构方式，或三支点单悬臂结构方式。

两支点双悬臂结构方式，即设置一个水轮机径向轴承和一个发电机推力-径向组合轴承，水轮机和发电机采用一根轴结构，即设置一个水轮机径向轴承、一个发电机径向轴承和一个发电机推力-径向组合轴承，水轮机轴和发电机轴采用法兰联接。

2)单机容量和尺寸的特点

在电站装机容量和机组额定水头相同的情况下，电站装机台数越少，单机容量就越大，相应的机组尺寸也越大。

根据本电站的暂定装机容量和运行水头范围，机组台数暂考虑采用4台方案单机容量为20MW，水轮机转轮直径约为5.40m左右。因此不管是从机组的单机容量方面看，还是机组的尺寸方面看，均属于大型灯泡贯流机组。

我国自1980年首台10MW灯泡贯流机组在广东白垢电站投运以来，国内已建和在建大型灯泡机组已有100多台，装机规模达到2000MW。其中，单机容量最大的是桥巩电站，达57MW;转轮直径最大的为长洲等电站，为7.5米;利用水头最高的为湖南的洪江水电站，最大水头达27.3米。

通过合作生产和技术引进，国内制造厂对灯泡机组的设计、加工能力和技术水平有了较大的提高。随着技术的进步，灯泡机组的单机容量和制造尺寸越来越大，并不断向高水头、大直径、大容量发展。但过去国内独立的研发能力有限，对大型灯泡机组大多立足于引进国外水力设计或套用已有机型的模式，以前在小机组上没有表现出来的问题，由于刚强度和受力条件的变化，诸如管形座和转轮室变形，轴系稳定，桨叶激振，叶片裂纹、轮毂内桨叶操作机构单向磨损，转子支臂断裂，转子阻尼条断裂等等问题就在大机组上暴露出来，因此在设计选型，特别是进行机组台数选择时，应该考虑避免或减少机组可能出现的不稳定因素，选择合适的单机容量和转轮直径，降低机组制造难度，使机组能安全可靠地运行。

值得可喜的是，国内对贯流机组的研究已经开始重视并做了大量的工作。东方电机集团签定的国内最大出口项目——巴西杰瑞项目，采用18台单机容量为75MW、转轮直径为7.90m的大型灯泡贯流机组，转轮研究、水力设计、机组结构、受力分析计算等全部由东方电机厂独立完成，经国内专家咨询，认为技术可行，并计划2010年首台机组投入商业运行。巴西杰瑞大型灯泡贯流机组的成功运行，必将对国内外大型灯泡贯流机组的参数选择和结构设计起到标杆的作用。

3)机组设计制造难点分析

单机容量和转轮直径较大，其机组设计制造具有一定的难点和技术风险。难度系数参见表2-1。

(1)水轮机的水力设计

目前国内的制造厂已有应用业绩的灯泡贯流式转轮基本上是用在20m以下的电站，本电站的最大水头仅为9.0m，可以采用的四叶片模型转轮较多，但为了保证水轮机的高效运行、安全稳定运行，同时也为了应用世界先进技术，水轮机的水力设计必须在已有运行业绩的优秀转轮的基础上，针对本电站的特点进行优化开发，完成模型转轮的设计、试验及模型验收试验，并提供全部流道图和数控加工成形的水轮机转轮叶片，只有这样才能保证本电站水轮机水力设计的可靠性和先进性。

大型灯泡机组的水轮机转轮尺寸一般较大，转轮叶片的自振频率较低，与尾水管压力脉动频率比较接近，靠近诱发共振频率而容易出现剧烈振动，特别是对利用机组在超低水头工况不发电时的飞逸特性泄放适当流量来解决电站尾水淤积问题的机组，更不能忽视水轮机的水力稳定性。

(2)水轮机的制造难度分析

单机容量和转轮直径均小于已经发电运行的、国内灯泡贯流机组单机容量最大的桥巩机组(单机容量为57MW，转轮直径为7.45m)，其机组设计制造难度与国内已经投产的大型灯泡贯流机组水平要小，国内制造厂家已具备比较成熟的设计制造经验，相对来说其设计制造的技术风险较小。

水轮机的制造工艺难度一般采用系数TD= × 表示，这是因为水轮机的转轮叶片为三维空间的立体曲面，工作水头愈高，则转轮叶片的过流面愈弯曲，制造工艺难度愈大，而水轮机转轮直径的影响更大一些，计算机辅助制造及与其配套的大型数控铣床在水轮机制造行业得以实际应用，国内已经成功制造并投入实际运行的转轮直径为7.50m，其制造加工转轮直径7.50m以下的转轮叶片已不再是一个难题。

对于大型的灯泡贯流机组，制造加工难度不仅仅是转轮叶片，由于转轮直径的增大，相应的增大了机组其它部件的加工制造难度，如管形座、导水机构、转轮室等等。

特别的，对于大尺寸的转轮叶片，由于受力面积大，转轮叶片产生裂纹的问题应加以重视。

(3)发电机的尺寸难度分析

当发电机的容量一定时，发电机的尺寸与发电机的额定转速成正比。发电机的尺寸难度由发电机的容量与转速的比值来表示，该尺寸难度反映了发电机的尺寸对制造厂设备加工能力的要求。本电站4×20MW方案的发电机尺寸难度系数为0.208，远低于桥巩机组的0.744，其定子机座外径尺寸约为Ø6370mm左右，尺寸制造难度系数较低;对于大容量大尺寸的灯泡贯流式水轮发电机，对其定子机座的刚强度应特别重视，以防止定子受力变形。

哈尔滨电机厂、东方电机厂、天津阿尔斯通公司、东芝(杭州)水电公司等已经为长洲设计制造了42MW的灯泡贯流发电机，东方电机厂、天津阿尔斯通公司也已经为桥巩设计制造了57MW的灯泡贯流发电机，哈尔滨电机厂为洪江电站设计制造的单机容量45MW的灯泡贯流式机组均已投产发电。此外，避免铁芯翘曲和机座的变形等等。因此，发电机的尺寸难度应该是可以克服的。

(5)轴系的布置及机组整体设计

轴承的负荷取决于转动部件的重量，在有多个轴承的转动轴系中，每个轴承分担的负荷则取决于这个轴承在整个轴系受力点中所处的位置。大型灯泡贯流式发电机是采用两径向轴承还是三径向轴承(即采用两支点双悬臂结构方式，或三支点单悬臂结构方式)需针对具体机组的具体轴系来进行分析，且径向轴承的个数及布置关系到整个机组的总体布置和设计、制造难度以及其经济性能，以下对该两种结构的特点进行分析比较。

两径向轴承(即两支点双悬臂结构方式)为国内外大中型灯泡贯流机组采用的最普遍的结构形式，其优点为发电机与水轮机共用一根轴，制造、安装、轴线调整等均较为简单，对于电站今后的运行维护比较方便，已成功运用于许多电站。

三径向轴承(即三支点单悬臂结构方式)用于单个轴承负荷过大，发电机转子轴向较长，悬臂外轴线挠度过大时，在转子上游侧再加一筒式径向轴承，它对于分担发电机侧的径向轴承负荷带来了好处，能使轴承的运行性能变好，且减小了转子的下挠度。其缺点是机组轴系的安装、调整比较困难，国内安装单位缺乏这方面的安装经验，也将增加电厂今后运行、维护的难度。同时整个发电机灯泡体长度需加长，增加轴承的受力支撑部件和连接油路循环、高压油顶起等的管路系统，使灯泡头的布置更显得拥挤。

无论是采用两径向轴承，还是采用三径向轴承，都必须建立在保证机组安全、稳定的基础上，将在以后的设计过程中要求各厂家进行详细的技术论证并最终选择。

(6)发电机的综合制造难度

发电机的综合制造难度采用视在功率与额定转速的乘积来表示，即发电机容量越大，额定转速越高，制造难度越大。本电站4×20MW方案的发电机综合制造难度系数约为1.875，低于国内红花发电机的4.79、桥巩发电机的5.16、洪江发电机的6.47和只见发电机的6.72，综合制造难度系数较低。