公格尔水电站大型水斗式水轮机设计

安 刚

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000)

1 工程概况

公格尔水电站是盖孜河流域梯级开发的第一级电站，是盖孜河梯级开发的龙头水库工程，位于新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜州阿克陶县境内。电站采用坝后引水式开发，装机容量为200 MW，工程开发任务是灌溉、发电和防洪。电站在系统中担任调峰、调频、事故备用和部分基荷运行任务，主要由大坝、溢洪道、导流兼泄洪冲沙洞、发电引水系统(设置调压井)、压力管道(一管三机，约18 km)和地面电站厂房等建筑物组成。

2 电站基本参数

水库正常蓄水位3 290.0 m，死水位3 280.0 m，调节性能为不完全多年调节。最高尾水位2 627.34 m，正常尾水位(3台机满发)2 625.49 m；最大水头(毛水头)665 m，加权平均水头(净水头)632.6 m，额定水头(净水头)607.0 m，最小水头(净水头)607.0 m；多年平均悬移质含沙量(天然河道)1.181 9 kg/m3。

电站装机容量200 MW，多年平均年发电量6.7亿kW·h，年利用小时数3 350 h，保证出力71.5 MW。

3 水轮机的选择

水斗式水轮机以其使用水头高、结构简单的优点，广泛用于高水头水电站。目前，水头超过450 m左右的水电站大多采用水斗式水轮机。水斗式水轮机的流量与转轮直径无关，仅和射流直径有关。因此，和反击式水轮机不同，同一个型号的水斗式水轮机转轮，根据电站的实际情况选择合理的转轮直径、转速和射流直径就可以在很大的水头范围内获得良好的水轮机能量性能。这一点从理论上和实践上都得到了很好的证明。

在能量性能得到保证的同时，保证水斗具有足够的强度更为重要。根据对水斗各断面应力的分析和计算，水斗应力与水斗转轮直径和单个射流直径的比值(m值)有关。在同样水头下，m越大，应力越低；m越小，应力越高；即在保持水斗同样应力的情况下，高水头必须选择大的m值，低水头m值可取小一些。因此从转轮强度看，同一个型号的水斗式转轮，也可在很大的水头范围内安全运行。

但是，在电站参数已定的情况下，大m值对应的转轮直径大，水轮机尺寸也大，工程造价就高，反之亦然。因此在水轮机选型和确定水轮机各参数时，应根据强度、能量性能和工程造价选择合理的数值(见表1)。

表1 国内大型水斗式水轮机统计

(1)转轮

转轮是水轮机的心脏，是实现能量转换的关键部件，转轮的特性对水轮机性能的好坏起着决定性的作用。通过对公格尔水电站机组参数详细分析和计算，选用了奥地利安德里茨(ANDRITZ)集团的进口整锻转轮及配套喷嘴和喷针。模型转轮采用(PV6)，水轮机参数如下所示(见表2)。

表2 水轮机参数

转轮及斗叶都是由 X—3CrNiMo134不锈钢整体锻造出来。由于转轮采用整体锻造，斗叶通过数控铣床铣出，故其材质要比铸造品质要好很多，整锻转轮及水斗几乎不存在任何缺陷，具有良好的抗疲劳性能，能够有效地防止转轮斗叶的断斗和掉块现象的发生(见图1)。

(2)喷嘴装配

每台机包含6个喷嘴，喷嘴为直流式，配内置式接力器。在安装阶段，可以通过调节法兰调整喷嘴的位置，整个喷嘴可以从配水环管上拆除和检修，喷针头和喷嘴口环喷有碳化钨抗磨涂层(或等同材料)，喷涂后的部件可以有效地延长使用寿命。喷嘴设有保护板，可使其不受溅流的冲击。折向器由油压操作，在紧急关机时动作。折向器的接力器为双向，开启为油压作用，由弹簧关闭(见表3)。

表3 喷嘴装配主要材料

(3)配水环管

配水环管采用可焊性好的高强度钢板WDL610D制作，采用钢板焊接结构，将根据运输条件限制进行分瓣运输，配水环管上预留现场组焊所需的精加工焊缝坡口。配水环管将在厂内进行预装。配水环管的设计压力为800 m，采用保压浇注。

(4)机壳及转轮室

机壳采用钢板焊接结构，机壳上部设有机壳盖，机壳盖现场调节后焊接固定在机壳上，机壳盖上装有水导轴承支座。机壳上设有装拆转轮和喷嘴的吊具，机壳底采用全钢衬结构。在尾水出流方向，机壳下缘和最高机坑水位之间保证有必要的通气高度。为满足运输和便于安装，机壳分为两瓣，现场螺栓把合。

转轮室至球阀层设置宽3.4 m的转轮运输通道、密封门和轨道，转轮室底部设有平水栅。

(5)水导轴承

水导轴承采用6块瓦、巴氏合金瓦衬、稀油自循环润滑轴承，其轴瓦材料为Q345C和巴氏合金。

4 水轮机补气措施

由于水斗式水轮机转轮的通风效应，水轮机转轮室内可能出现几种压力。水轮机在运行过程中由于水流从转轮上跌落排出，将在转轮室产生真空而影响水轮机效率；为了避免机壳内出现不良的运行工况，必需采取补气的方法将机壳内的压力与大气应力进行平衡。

从转轮室到尾水渠之间设6根DN200埋管，埋管离转轮室有足够的距离。管道的供气量为水轮机最大流量的20%～30%，空气流速控制在20～30 m/s，6个喷嘴补气管对称布置，自然补气。

另外，在水轮机导轴承的周围空间设置额外的2根DN150中心补气孔补气管。

5 结 语

截止目前，公格尔水电站已安全稳定运行4 a，累计发电量约30亿kW·h，为边疆地区发展创造了良好的经济效益和社会效益。工程建设过程中积累了许多高水头水轮发电机组制造、设计、安装、运行等方面经验，希望对国内水斗式水轮机应用选型时提供一定的借鉴参考。