新疆ZG水电站水轮机选型及结构优化设计

黎宗亮

（湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙 410000）

1 工程概况

新疆ZG水电站是新疆叶尔羌河干流阿尔塔什以下河段水电规划梯级开发中的第1级电站，为引水式开发。电站拦河引水枢纽正常引水位1 611.00 m，压力前池正常水位1 608.00 m，引水系统为引水明渠+引水隧洞发电，发电流量375.6 m3/s。电站总装机容量180 MW，装机年利用小时数3 054 h，多年平均年发电量5.253亿kW·h；电站建成后在电力系统基荷运行。本电站按“无人值班”与“少人值守”的自动化相结合原则设计，采用计算机监控系统。

2 电站基本参数

（1）水头参数

表1 水头参数表

（2）泥沙特性

多年平均悬移质含沙量（闸址处）：1.29 kg/m3。

3 水轮机选型设计

3.1 比转速和比速系数的选择

水轮机的单位转速、单位流量和出力只能分别从不同的方面反映水轮机的性能。而比转速ns和比速系数K则衡量水轮机能量特性、运行综合性能和电站投资经济性。对水轮机而言，随着比转速的提高，在相同水头与出力下，能缩减水轮机的尺寸，这样能降低水轮机的成本及节约动力厂房的投资。而对于发电机，由于可以用较小的磁极数，也缩小了发电机尺寸和制造成本，所以提高比转速能对水轮发电机组的经济性十分有利。但是比转速提高要充分考虑机组空化性能、泥沙磨损、运行稳定性等因素，综上分析在水轮机选型时，应针对电站的具体情况，对比转速ns和比速系数K进行技术经济比较分析。

根据新疆ZG水电站的基本技术参数，经初步设计和技术经济比较计算，考虑本电站泥沙含量较大的特殊性，充分利用水资源，减少停机时间，在经济性和技术安全性比较后，最终选用水轮机型号：HLY251-LJ-350（曲线见图1），额定转速166.7 r/min，比转速为244.7 m·kW，比速系数为1 798。

图1 HLY251-LJ-350水轮机真机运行图

3.2 转轮模型的选择

新疆ZG水电站水头范围51.22～59 m，经过数十年的水轮机设计及试验研究，目前我国拥有许多个优秀转轮的转轮库。特别是近年来在引进、吸收国外先进技术的基础上，将设计与试验相结合，不断地总结经验，拥有大批性能优良的模型转轮。新疆ZG水电站属于100 m水头段范围，该水头段积累了丰富的经验并取得了很好的成果，经过机组技术性能参数的比较分析，最终选用的HLY251转轮。

表2 HLY251模型转轮参数表

表3 HLY251-LJ-350真机工况参数表

4 结构优化设计

新疆ZG水电站主机设备为单机容量45 MW，60 m以下水头段的立式混流式水轮机组。ZG水电站水轮机设计过程中，为了解决一些常见的难题，针对这一类型的水轮机常规结构进行了进一步的优化设计。

4.1 转轮

为使转轮有较好的抗裂纹和抗泥沙磨损性能，在机械结构设计、材质和制造工艺等方面都应采取措施。

（1）在转轮的结构设计上，影响转轮疲劳强度的因素：应力集中的影响；转轮静应力水平的影响；动态应力的影响等。其中，转轮过渡圆角处的应力集中，转轮的动、静态应力水平是设计转轮时可以调节的因素，因此想办法降低应力是转轮设计的关键一环。

（2）转轮选用优质的耐磨蚀材料，根据多种试验表明，叶片常用材料中，马氏体不锈钢耐磨蚀性能最好。本电站转轮整体上冠和下环应采用04Cr13Ni5Mo不锈钢铸造,叶片采用04Cr13Ni5Mo钢板模压，转轮上冠、下环均采用AOD精炼；转轮叶片、上冠、下环经数控加工，保证叶片表面粗糙度，减少磨损。

（3）优化转轮的结构尺寸、适当加厚局部区域的尺寸、必要时在出水边加三角块。采用高精度静平衡装置进行整体转轮的静平衡，以减少由于翼型和重量偏差引起的水力和机械不平衡；尽量减少残余应力的幅值；叶片按铸件质量标准CCH 70-3进行PT/UT探伤，对于焊接区域采用更高一级的探伤验收标准进行检查，以确保焊接质量；制定严格控制焊接过程中残余应力和变形的焊接工艺规范。

4.2 顶盖排水管路

顶盖排水管路常采用焊接和法兰连接的方式进行制造。为了使其能够实现制造简便且能够快速装拆，新疆ZG电站采用了柔性沟槽式管接头（见图2）和管道拼接方式，使顶盖排水管的安装和制作过程大大简化。结构示意见图3。

图2 管接头

图3 顶盖排水管路

4.3 补气装置

水轮机尾水管水压力脉动引起水轮机的强烈振动，常用补气的方法减振。混流式水轮机一般在30%～60%额定出力时容易在尾水管内发生水流涡带，引起空腔汽蚀和机组振动。补气装置的作用，就是在机组出现不稳定工况时，补入空气，可增加水的弹性，改善机组的运行条件，同时，由于补气破坏了真空，还能防止机组突然甩负荷导水机构紧急关闭时，由于尾水管内产生负水击，下游尾水反冲所产生的强大冲击力或抬机现象。新疆ZG水电站属于大中型机组，为了避免对流道的影响，尾水补气方式采用主轴中心孔补气装置。此补气结构将传统的补气装置的弊端进行优化，取消了传统的补气阀结构，采用简单可靠地密封组件保证主轴中心补气的安全稳定运行，优化后的补气装置（见图4）具有下列优势：

（1）成本低，取消了专用补气阀。

（2）补气装置内部取消补气阀之后，可实现外形尺寸大大缩小，结构更简单，有利于机组的布置及安装。

（3）克服了补气阀易坏的缺点，有利于机组长期稳定地运行，有效的保障了电站的经济利益。

（4）补气量效果好，无噪音。

图4 中心孔补气装置

4.4 盘形排水阀

在水轮机盘形排水阀结构设计时，一般来说，采用成熟可靠、检修方便的平板密封结构，同时也可以根据用户要求，设计所需要的各种排水阀结构，以满足不同电站的需求。水轮机盘形排水阀是机组流道与集水井的一道主密封，是为了机组运转时减小密封漏水量和机组检修时正常启闭设置的。新疆ZG水电站属于泥沙杂质含量大的电站，盘形排水阀结构是否能够正常的密封和启闭显得尤为重要。盘形排水阀工作正常与否，将直接影响到机组正常运行和检修的安全性。为保证ZG水电站的安全生产和检修工作的顺利进行，盘形排水阀设计制造出液压控制的锥形排水阀，使其具有较好的可操作性和密封性，此装置称为液控锥形盘形排水阀（见图5、图6），优化后的盘形排水阀采用关节球轴承，允许少许的安装误差，提高了阀体密封的稳定性；设计了导向架，使密封板具有良好的导向性能，有较高的可操作性。

通过此次对盘形排水阀采用液控锥形盘形排水阀优化结构，大大的优化了检修排水阀门的控制、水平调节定位和导向过程；其结构简单，可靠性高，制造方便；排水阀启闭效果好，可减少电站检修工期，提高电站经济效益。

图5 盘形阀液控机构

图6 锥形密封机构

5 结束语

通过了对新疆ZG电站技术参数和水力情况的分析，从比转速、比速系数、转轮模型参数及真机参数的综合比较，并且结合了类似电站已经成功运行的经验，最后确定ZG水电站水轮机的型号。针对新疆环境的特殊性，对水轮机主要部件进行优化结构设计，充分考虑发电公司其他电站运行过程中遇到的难题，此次ZG水电站水轮机选型和优化结构设计已经达到了预期的效果。