( 本網訊)2011年8月5日下午，為紀念葛洲壩水利樞紐投產運行30周年，總結和展示葛洲壩工程建設與運行管理的成就與經驗，促進水電開發和經濟社會可持續發展，188BETApp 和中國長江電力股份有限公司共同舉辦的“水電開發與經濟社會可持續發展——紀念葛洲壩水利樞紐運行30周年”主題論壇在葛洲壩水利樞紐工程所在地湖北宜昌隆重舉行。

　　本網做現場直播：//www.trellya.com/zt/gzb30n/ 。


　　東方電機股份有限公司總經理賀建華作主旨報告。

東方電機軸流式水電機組的技術發展與創新

東方電機股份有限公司 賀建華

　　一、概述

　　東方電機有限公司（以下簡稱“東方電機”）是我國大型發電設備製造的核心企業。以製造單機容量36MW遼寧下回龍山電站軸流式水輪發電機組為開端，東方電機發揚敢於拚博的精神，廣大技術人員和工人同誌在資料極其匱乏和設備條件不足情況下，在上世紀七十年代未研製成功了長江葛洲壩水電站170MW軸流式水輪發電機組,該機組1983年榮獲全國優秀產品“金龍獎”,1985年榮獲國家科學技術進步特等獎。

　　到2011年，東方電機共設計製造了軸流式水輪發電機組106台套，單機容量為170MW的葛洲壩軸流式水輪發電機組仍保持著目前世界上轉輪直徑最大的低水頭立軸轉槳式機組的記錄，敘利亞迪斯林105MW軸流轉槳式水輪發電機組為我國出口最大容量的軸流轉槳式水輪發電機組。

東方電機研製的100MW及以上軸流轉槳式水輪發電機組

　　二、葛洲壩水電站170MW軸流轉槳式水輪發電機組的研製

　　長江葛洲壩水利樞紐工程是由毛主席親自批準，周總理親自過問的重大水電工程項目，是長江幹流上第一個大型工程，是長江三峽工程的組成部分。

　　葛洲壩工程的特點是水頭低，裝機容量大。經過多次的調查、討論，確定葛洲壩電站采用軸流轉槳式水輪發電機組，並要求設計製造盡可能大的機組。我國當時的設計製造能力與這個要求同有很大差距。我國曾生產過的最大的軸流轉漿式機組是轉輪直徑8 m的60MW機組。如果對葛洲壩電站采用8米直徑、容量約為70MW的機組，要裝30-40台。這樣多的機組不僅增加了材料消耗和製造的工作量，而且給工程的布置帶來難以克服的困難。要想達到預期的裝機容量，隻有向兩岸開山，投資將大大增加，對電站的運行、檢驗等管理工作也會帶來很多不便。因此，設計製造大型機組對葛洲壩工程的意義是重大的。經過研究，葛洲壩軸流轉槳式水輪發電機組單機容量被確定為170MW和125MW兩種。電站準備安裝2台170MW機組和19台125MW機組。2台170MW機組由東方電機負責研製。

　　當時的東方電機在國內機電行業還處於名不見經傳的位置，能參與到葛洲壩這樣的國家重點工程中，無疑是一次難得的機遇和挑戰！從那一刻起，麵對這場關乎榮譽和夢想的挑戰，地處西南一隅的東方電機，便走上了一條艱難的自主創新的征程。

　　葛洲壩機組總高48米，如果把它看作一幢大樓，大約有15層。總重量4200多噸。水輪機轉輪直徑11.3米，四葉片水輪機轉輪比南斯拉夫鐵門電站同類型世界最大機組轉輪還要大一米。機組名義出力170MW，額定出力176 MW，與世界同類最大機組基本相等。像這樣的特大型機組，以東方電機的實力能完成嗎？懷疑的眼光和反對的聲音鋪天蓋地。勇於創新、敢於探索的東電人此時表現出了可為天下先、敢為天下先、能為天下先的英勇氣魄和無畏精神，向上級部門立下了軍令狀：一定完成這項光榮而艱巨的任務，為中國爭光！

　　自主設計製造170MW軸流轉漿式機組在我國還是首次。因此，在機組設計和製造過程中，不可避免地麵臨著許多新的關鍵性的技術難題。例如，四個葉片、輪轂比為0.4的水輪機轉輪能不能提高使用水頭，怎樣保證負荷為3800t的大型推力軸承安全可靠地運行，在大型軸流式機組上如何防止反水錘抬機等等，都是決定機組研製成敗的關鍵問題。

　　東方電機在接受了2台170MW機組的試製任務後，為了保證機組將來運行穩定可靠，以科學的態度采取了三大步驟：一是對原來聯合設計的圖紙進行了一絲不苟的全麵複查、校核；二是進一步加強科學試驗，先後同40多個大專院校、科研所、設計、生產、電站等單位合作，進行了55項重大科研項目的試驗研究；三是加強生產準備，抓技術措施計劃的實施，以確保加工的順利進行。

　　1970年以來，在國家有關部局的領導和組織下，東方電機將自主創新開發和聯合攻關取得的45項科學成果用到了機組的設計製造上。機組的主要結構性能取得了中間機組的試驗數據和長期運行的考驗；主要的零部件都有了可靠的強度和剛度的計算數據和試驗數據，為機組的安全、長期滿發提供了可靠的基礎。

　　170MW葛洲壩軸流轉槳式水輪發電機組於1976年在東方電機投產試製，1979年、1980年先後完成了第一台、第二台的試製任務。1981年2月，第一台機組的試製開始同位安裝，同年7月投入試運行。1981年12月27日，經國家啟動驗收委員會檢查驗收，兩台機組正式移交電廠並網發電。經過30年的實踐考驗，證明機組的設計和製造是成功的。

　　三、東方電機軸流式水輪機水力開發技術

　　軸流轉槳式水輪發電機組作為水力發電的主要機型之一,在東方電機的科研開發和生產中占有十分重要的地位。在上世紀九十年代，東方電機設計生產了葛洲壩大機、葛洲壩小機、萬安、大化、銅街子、迪斯林等幾十台轉輪直徑達7m及其以上的電站機組，其中葛洲壩大機轉輪直徑達11.3m,迄今仍居世界之最，東方電機在軸流轉槳式水輪發電機組的製造方麵取得了良好的業績。

　　為滿足新建電站或老電站增容改造的要求。自2000年以來，東方電機加強了對軸流轉槳式水輪機的水力設計、模型加工及模型試驗工作，通過葛洲壩電站增容改造、沙灣、萬安、巴江口、喜河、土卡河、洛富明、斯瑞博等電站軸流式水輪機的水力開發和試驗研究，東方電機在軸流轉槳式水輪機的水力開發、模型試驗及裝置加工上邁上了一個新的台階，軸流轉槳式水輪機水力開發達到了國際先進水平。

　　1東方電機軸流式水力設計技術的進步和創新

　　東方電機水輪機水力設計技術的大幅度提升是和三峽電站建設緊密聯係在一起的。以三峽電站建設為契機，國內發電設備製造企業成功引進主要針對混流式水輪機水力設計的CFD技術，東方電機經過不斷摸索、二次開發和技術創新，將CFD技術應用於軸流式水輪機水力設計，提升了軸流式水輪機的水力設計水平。

　　在軸流轉槳式水輪機水力設計及試驗研究方麵，東方電機抓住了以下幾個關鍵：

　　（1） 葉片幾何設計及CFD流動分析結果的優劣評判標準已經完善，這是通過大量的轉輪設計和模型試驗結果，並通過真機的成功運行經驗總結而來的。

　　（2） 在如何提高轉輪的能量性能及改善轉輪的空化性能方麵有了較為可靠的設計思路。

　　（3） 轉輪和尾水管的最佳水力匹配、轉輪和蝸殼及導水機構的最佳水力匹配的相關設計經驗得到升華總結，使得軸流轉槳式水輪機的整體水力性能得到較大提高。

　　2東方電機軸流式水輪機水力設計技術創新前後性能參數的對比

　　近十年來，東方電機設計研發了具有完全自主知識產權的多個軸流式轉輪和相應水力通流部件，這些轉輪已經陸續使用到國內外許多電站，獲得業界的一致好評。下表是東方電機軸流式水輪機水力設計技術創新前後試驗參數的對比數據。

軸流式水輪機水力設計技術創新前後轉輪同台對比性能參數試驗數據

　　從上表可以看出，東方電機最近新研發的轉輪，在效率水平上有了大幅度的提高，最優效率提高了3～4%,大流量區的效率提高了近8～10%；空化性能方麵，新轉輪在保持較高的效率水平和穩定性同時，較之老轉輪也有不同程度的提高。新研發的轉輪完全可以滿足新建電站或老電站增容改造中枯水期通過提高效率、豐水期通過增大流量從而獲得盡可能多的電能的要求，為電站帶來實實在在的經濟效益。

　　3量體裁衣式的水力設計技術使軸流式水輪機水力研發更趨於完善

　　量體裁衣式的水力設計已經成為東方電機軸流式水輪機水力開發的固有模式。每個電站有每個電站的特點，它的運行水頭、土建挖深、泥沙含量、流道控製尺寸以及電站對於不同季節的出力、空蝕和穩定性要求等均會呈現多樣的特點，東方電機水力設計工程師根據電站的諸多情況，有針對性地開展水力設計，力求最大化地滿足電站的實際運行要求。

　　在四川銅街子電站的增容改造中，電站要求除在額定水頭31m時水輪機額定出力由154MW增大到178.57MW外，重點強調如何提高枯水期時的發電量問題。針對枯水期電站處於高水頭運行的實際情況，東方電機在水力設計中有意識地降低了設計點的單位轉速，對高水頭低單位轉度的不同流量區域進行詳細的流動分析計算，最大限度地降低水力損失。2010年底，東方電機順利通過了銅街子電站業主及專家的水力模型驗收試驗。試驗結果表明，新開發的D642轉輪，較之改造前各項水力性能參數有了大幅度的提高，特別是高水頭區域，效率水平提高了4%左右，切切實實為電站在枯水期帶來了較多的電能收益。

　　在黃河上遊青銅峽電站的增容改造中，電站要求在保持一定增容幅度的前提下，重點解決如何改善電站的泥沙磨損和空蝕破壞的問題。東方電機對青銅峽電站水輪機的固定導葉、活動導葉、轉輪體，特別是葉片，進行了詳細的CFD分析，在水力設計中關注的關鍵之處就在於優化與泥沙磨損相關聯的性能。設計中重點考慮以下幾個方麵：

　　（1） 在最危險工況點，盡最大可能降低過流部件表麵的相對流速；以葉片為例，在低水頭最大保證出力點，葉片表麵最大相對流速從33m/s 降低到約31m/s,相對流速降低了6.0%，葉片的磨損強度與相對流速的2～3次方成正比，該區域的磨損強度將較原轉輪減小12～18%。

　　（2） 在整個運行區域內，盡量消除葉片進水邊進口的正衝角和負衝角，減小葉片頭部脫流，從而改善葉片頭部區域的泥沙磨損；

　　（3） 葉片流線的曲率變化盡量平緩，避免逆壓梯度的出現，葉片出水邊區域增大一定厚度 ，從而有效緩減泥沙磨損帶來的損害。

　　優良的水力設計加之葉片表麵材質的有效處理以及結構設計的共同努力，青銅峽電站投運發電至今，取得了良好的效果，業主給予了高度評價。

　　4東方電機軸流式水輪機水力研發取得的成效

　　近十年來，東方電機軸流式水輪機水力研發獲得了不同層次的多項獎勵，其中“陝西喜河、雲南土卡河電站軸流式水輪機水力開發和模型試驗研究”項目獲得中國機械工會聯合會2005年度技術創新獎勵，同時獲得東方電氣集團科技進步一等獎；“四川沙灣電站軸流式水輪機水力研發”獲得四川德陽市金橋工程獎，並獲得東方電機重大項目獎；“軸流式水輪機方蝸殼及導水機構CFD分析優化” 獲東方電氣集團科技進步三等獎，“葛洲壩水輪機轉輪水力開發和模型試驗研究”獲東方電機科技進步一等獎。

　　通過近十年的艱苦努力和不斷創新，東方電機在軸流式水輪機水力研發方麵取得豐碩成果。水輪機轉輪核心技術的技術儲備趨於豐富和完善，近十年投運的十多台電站機組運行穩定、出力充沛，社會效益和經濟效益顯著。

　　四、東方電機軸流式水輪發電機組設計技術

　　1水輪機設計技術

　　軸流轉槳式水輪機由埋入部分、導水機構、主軸裝配、轉輪裝配、軸承裝配、密封裝配、受油器裝配、接力器裝配和水氣管路等組成。

　　1.1埋入部分

　　埋入部分由尾水管肘管裏襯、錐管裏襯、座環、基礎環、轉輪室、機坑裏襯、地板和地基等組成。

　　尾水管肘管裏襯和錐管裏襯為鋼板焊接結構，尾水管進人門設置在錐管或轉輪室上。座環由上環和固定導葉螺栓把合組成，采用合金鋼結構。

　　在座環與蝸殼相接處，設有帶圓弧的導流板。座環下環設有地腳螺栓以承受頂蓋傳遞點水壓力等；受運輸條件的限製，座環采用分瓣結構，其結合麵已精加工，工地把合成整圓後封焊；對於大型軸流式機組座環采用上環板與固定導葉把合方式，固定導葉下部直接與基礎把合，基礎上預埋的把合固定導葉用地腳螺栓采用模板定位。

　　機坑裏襯由鋼板焊接而成，外壁設有環筋，豎筋和拉筋。機坑裏襯的設有進人門，一般在第二象限和第四象限的45°方向對稱布置有2個接力器坑襯。

　　座環下麵設有基礎環，轉輪室位於基礎環相接，基礎環和轉輪室外均設有足夠的加強筋。為方便運輸，基礎環和轉輪室均為分瓣結構，工地把合成整圓。基礎環和轉輪室的過流麵為不鏽鋼板製造，以增加其抗空蝕和抗磨損能力。

　　1.2導水機構

　　導水機構由頂蓋、支持蓋、導葉、底環、控製環及傳動機構組成。采用傳統的控製環通過連杆帶動導葉臂轉動操作導葉機構。

　　受運輸條件的限製，頂蓋、支持蓋、底環、控製環均為分瓣結構，運輸到工地組合成整圓。頂蓋和支持蓋在工地組合成整圓後封焊。頂蓋及底環的導葉端麵關閉處設有不鏽鋼板抗磨板和金屬密封，以增加其抗空蝕能力和減少漏水量。導水機構設有具有有自關閉趨勢的導葉，導葉的搭接處焊有不鏽鋼板以便導葉關閉嚴密，每個導葉均設有剪斷銷裝置，當剪斷銷破壞時能自動報警。

　　支持蓋上設有一個進入門，以方便進入流道，真空破壞閥也布置在支持蓋內。另外，支持蓋上還裝設一個鎖錠裝置，用於停機檢修時將控製環鎖在全關位置，確保安全。

　　1.3轉輪裝配

　　轉輪由葉片、轉輪體和操作機構等組成，轉輪體材料采用鑄鋼ZG20SiMn，葉片材料為鑄造鋼ZG06Cr13Ni4Mo，葉片采用內外裙邊結構，以減少磨損和提高葉片的抗空蝕能力，並提高葉片工作的可靠性。傳動結構采用可靠的帶操作架結構或缸動結構，葉片密封采用雙向多層的“V ”型密封，密封件采用機械加工而成的耐油耐水聚氨酯，可防止漏油或轉輪體內進水，轉輪接力器缸與活塞間采用組合密封結構，不再采用傳統的活塞環結構。

　　1.4主軸及操作油管

　　水輪發電機組采用分段主軸結構，軸下接轉輪，上接發電機軸。水輪機主軸采用鍛鋼20SiMn精加工製成。主軸為中空軸結構，其內設有分節的操作油管，主軸與轉輪連接采用螺栓結構，銷子傳遞扭矩。

　　1.5導軸承

　　水導軸承采用非同心分塊瓦稀油潤滑的結構，每塊軸瓦均采用楔子板調整間隙，運行時不甩油、不漏油，具有運行可靠，安裝、調試、維修方便等特點，工地不需要刮瓦，並備有油溫、瓦溫的自動檢測裝置。

　　1.6主軸密封

　　采用端麵水壓密封裝置，在環狀密封塊端麵中間槽內通有潤滑清潔水，阻止泥沙進入密封內，減少密封的磨損，增加密封的可靠性。在機組檢修時，配置有充氣式空氣圍帶檢修密封裝置。

　　1.7導葉接力器

　　一般組設置2個接力器，額定操作油壓為4.0MPa或6.3.0MPa，兩個接力器采用平行式布置，能保證正常情況下導葉的靈活操作，接力器內的密封件均采用油壓行業的組合密封件。

　　1.8受油器

　　受油器設有二個浮動密封環，將調速器操作葉片動作的壓力油引入操作油管和接力器。為防止軸電流，在與發電機相連部位設有絕緣墊和絕緣套等。受油器上還設有觀察孔、轉輪接力器行程和葉片轉角指示板等。

　　2發電機開發技術

　　通過三峽和抽水蓄能打捆項目的技術引進和消化吸收，東方電機全麵提高了水輪發電機設計能力,掌握了水輪發電機關鍵技術，並廣泛應用在軸流式水輪發電機上。

　　2.1電磁與通風冷卻技術

　　通過技術引進和消化吸收，東方電機全麵提高了水輪發電機電磁設計能力，現已具備獨立設計單機容量1000MW級及以上水輪發電機的能力。在電磁參數的選取上特別是在大型發電機電磁振動噪聲的係統分析解決和預防方案上具有獨特的技術，處於國際先進水平。

　　發電機通風冷卻方麵，東方電機是目前世界上唯一一個掌握了單機容量700MW級空冷、水內冷以及蒸發冷卻係統設計技術並涵蓋了產品的企業，其中蒸發冷卻技術是我國居於國際領先水平並具有自主知識產權的技術。

　　通風計算采用專業仿真分析軟件快速有效的建立精確的機組通風係統模型，對流體係統（含液壓係統）進行穩態和瞬態分析，同時對重點產品可以進行三維的流場、溫度場的數值耦合仿真分析。在計算手段和計算準確性不能滿足產品開發的階段，模型試驗是一種很重要的手段。東方電機近年來先後針對600MW～700MW級巨型空冷發電機通風係統設計建造了1：7及國內最大的1：4.8比例的通風模型，對產品開發起到了重要作用。同時，結合真機試驗結果的驗證和修正，大大改進了通風計算的準確性。

　　2.2絕緣技術

　　東方電機已具備自主生產額定電壓為20kV、額定容量為700MW級的水輪發電機的能力，正在研製額定電壓為24～26kV、額定容量達1000MW的巨型水輪發電機，絕緣結構的最高工作場強已達到3.2kV/mm，整體絕緣技術已與世界接軌或同步，並具備多膠模壓、VPI兩套體係。

　　2.3軸承技術

　　東方電機采用三維熱彈流和CFD對推力軸承進行潤滑計算和流場分析，準確性較高。同時新建了高速推力試驗台，對巨型水輪發電機組開展模型研究。

　　2.4獨有的結構設計

　　東方電機通過52年的積累，在水輪發電機結構上形成了獨有的特點。如定子鐵心複合壓板、定子集中繞組、定子換位、轉子磁軛複合彈性鍵、彈簧束支撐等。這些結構已經廣泛成功應用在軸流式水輪發電機上。

　　五、結論

　　2011年，東方電機研製的葛洲壩大機已經成功投運了30年，通過技術的不斷發展和創新，東方電機在軸流式水輪發電機組的開發上取得了長足的進步，總體技術開發能力達到國際先進水平。

　　東方電機軸流式水輪發電機組的不斷進步，得益於國家的扶持，產學研科技攻關，更是與業主長期以來對東方電機的支持分不開的，

　　今後，東方電機將緊跟行業科技發展前沿，積極推進企業技術創新，加強與。業主的交流與溝通，為用戶提供更加優質的產品。