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摘 要：湘祁水电站为湘江干流十一个梯级开发的第六级水电站，电站共装设4台单机容量20 MW的水轮发电机组，4台机组全由浙富供货，本文主要介绍该水轮机的基本性能要求和结构特点。
关键词：水电站；水轮机；结构设计
中图分类号：TV72 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0104-02
1 工程概况及主要参数
湘祁水电站工程为湘江干流十一个梯级开发的第六级，位于湖南省永州市祁阳县和衡阳市祁东县交界处，是一个以发电、航运为主，兼顾灌溉、旅游等综合效益的工程。坝址右岸属祁阳县黄泥塘镇范围，距上游黄泥塘镇约6 km，祁阳县城约48 km；坝址左岸属祁东县归阳镇范围，距下游归阳镇约3 km，祁东县城约32 km。坝址控制流域面积27 118 km2，占湘江总流域面积的28.7%，坝址多年平均流量为777 m3/s。
电站厂房内装4台灯泡贯流式水轮发电机组，装机容量80 MW，年利用小时4 169 h，年平均发电量3.335亿kW·h，湘祁电站水轮机主要参数如表1所示。
2 结构综述
湘祁水电站水轮机为灯泡贯流式水轮机，水轮机和发电机共用一根主轴， 主轴水平方式布置，两端分别与转轮和转子直接相连接，直锥形尾水管。机组转动部分采用两支点双悬臂结构。机组旋转方向为从发电机端向下游方向看顺时针。发电机被安置在完全密封的灯泡体内，灯泡体成为水轮机流道组成部分。机组的支撑采用管形座上、下两根竖井为主支撑，发电机水平和垂直防振支撑为辅助支撑的方式，确保机组具有足够的刚性和稳定性。
水轮机主要由以下几部分组成：埋入部分（管型座、尾水管里衬、发电机框架盖板等）；固定部分（导水机构、转轮室、伸缩节、水导水封、受油器、接力器等）；转动部分（转轮、主轴及操作油管等）；油、气、水辅助系统。
3 主要部件结构设计概述
3.1 管形座
管形座由外壳体、内壳体、上竖井、下竖井组成，内壳体、外壳体通过上、下竖井组成一个整体，各部分均由Q235-B钢板焊接而成。
外壳体与混凝土接触的外表面布置有加强筋板和锚钉以增加其刚度及与混凝土连接的强度，为便于运输外壳体分四瓣，进水口有合缝法兰，螺栓联接，联结法兰在现场封水焊，出水口分瓣面处工厂开坡口，现场焊接，内壳体分别与上游侧发电机定子和下游侧的内导环用法兰联接，结合面有可靠的止水措施。为便于运输，内壳体分两瓣制造，通过螺栓联接，联结法兰现场封焊。
上、下竖井外表面布置有一定数量的筋板和锚钉，竖井与内、外壳体之间采用对接焊的形式，组装焊接工作在现场进行。
管形座安装时使用松紧螺扣和管子千斤顶进行调整，以保证安装到位。
3.2 导水机构
导水机构为锥形导水机构，由内导环、外导环、导叶、导叶轴承、控制环、重锤、连杆拐臂及导叶保护装置等组成。
导叶采用20 SiMn整铸，机加工后，在相邻导叶之间的接触立面上设有4 mm厚的不锈钢堆焊层。这些不锈钢堆焊层要延伸到导叶的整个高度，加工后的宽度不小于20 mm；导叶的接触面在导叶关闭状态下用偏心销精确调整以减少漏水量，接触面的加工保证导叶在最大水头下关闭并实施压紧力时，沿导叶接触面间的压力保持相等。导叶各轴径处设置5 mm厚的不锈钢保护层。导叶轴径的轴承为自润滑球轴承，不需另设润滑系统。内、外导环上的导叶轴承为球铰轴承，轴径各处设置可靠的轴径密封。
外导环为分半结构，分半结合面采用法兰连接并有可靠的止漏措施。内导环为整体结构，内、外导环的上、下游面均有法兰。外导环还配有与水轮机管型座及转轮室连接的法兰及螺栓。
导叶采用弹簧连杆的保护方式，当导叶卡阻而导致弯曲连杆作用时，弹簧连杆弹簧变形，其它导叶正常关闭，可避免导叶的摆动。再次开机时弹簧连杆自动恢复，不需要停机更换。
导水机构在工厂内连同全部零件一起进行预装配，并做控制环行程和导叶开度关系试验。控制环采用钢板焊接结构。控制环与外导环之间采用滚动摩擦副，滚珠材料为不锈钢，干油润滑，并便于拆装。
导水机构在工厂预装配，分瓣运至工地，现场把合螺栓。
3.3 转轮
转轮采用我公司ZB3型号的三叶片转轮，其轮毂比为0.34，能量性能及气蚀性能良好，是适合湘祁水电站水头段的优秀贯流式转轮。
转轮主要由转轮体、三个叶片、拐臂、操作机构及泄水锥等组成。转轮体采用ZG20SiMn铸造而成，桨叶端部活动范围内的轮毂表面加工成球形，减少桨叶与轮毂之间的间隙，降低通过此间隙的漏水量。转轮体桨叶活动范围表面堆焊5 mm厚的不锈钢层。
桨叶接力器采用缸动式结构，即活塞和活塞杆被固定，接力器缸移动，带动连杆、拐臂进而驱动叶片。同时由于采用缸动结构，使转轮的重心移向上游，所以使机组更稳定可靠。这种方式还能够使操作油管不产生轴向运动。
桨叶密封采用多道“V”型密封，密封性能好、结构简单可靠、检修方便，可在不拆卸叶片情况下更换叶片的密封件。叶片在运行中不漏油，不进水，转动灵活，无卡阻现象。
轮毂体与主轴通过销钉传递扭矩。轮毂油由轮毂油箱通过受油器经轮毂供油管，到达轮毂体内，其油压总是稍高于流道中的水压力，以防止水进入轮毂体内。
为便于安装和运输，采用叶片与拐臂分开的结构。转轮在厂内预装，并做动作试验和静平衡试验，预装后拆除叶片，其余整体运至工地。
3.4 主轴和水导轴承、水封
主轴采用20 SiMn锻制，采用双法兰中空结构。主轴全部精加工，在出厂前主轴与轴承配合的表面抛光。主轴在精加工后作超声波检查。主轴内腔为操作油管和转轮体充油的通道。主轴与发电机转子、水轮机转轮采用接螺栓连接，靠扭矩销传递扭矩。
水导轴承体由轴承支撑板支撑，轴承支撑板安装在导水机构内导环上，轴承支撑板为一扇形斜面结构，通过轴系计算确定轴承的上台量及斜面的倾斜度，从而适应主轴的挠度，并可保证转轮与转轮室之间的间隙均匀。水导轴承采用外循环强制润滑方式，轴承油系统采用一次冷却方式。轴承设有高压顶起装置，在机组起动和停机时能形成油膜，防止烧瓦。
主轴密封上设有调整螺栓，以调整橡胶板密封的压紧量。主轴还设有检修密封，采用充气围带式检修密封，用于检修、更换主轴密封。检修密封充气压力为0.5～0.7 MPa。现场安装管道、阀门和一个带报警的联锁装置，防止充气条件下启动水轮机，并保证排气后检修密封和主轴脱离。
3.5 尾水管
尾水管采用钢板里衬，进口及渐变段各设四个不锈钢测头，测量尾水管真空压力值。尾水管上设有单独引出的压力脉动测点4个，沿圆周方向均布。
靠近转轮室的尾水管处设有φ600进人孔一个，进人门的转动轴和螺栓用不锈钢制造。尾水管里衬外壁配有与混凝土结合的锚具、调整固定设施以及止水筋板，并在合适的部位设一排水槽，浇筑混凝土时里衬内有支撑以防止发生变形。
尾水管里衬有足够的强度和刚度，里衬外侧设有和水流方向垂直的筋板和型钢补强，加强筋中设置足够的孔洞，以便里衬和混凝土之间不产生气腔。根据运输条件，尾水管里衬分节制作。里衬表面平滑，无波浪凸凹及其它能引起局部空蚀的不规则形状。尾水管里衬底部开一定数量的混凝土浇注孔，灌浆孔和排气孔，并带堵板，灌浆完成后封焊并打磨光滑。
4 结 语
2011年12月，湘祁电站1号机组投入使用，至2012年8月25日4号机组投入使用，按期完成了四台机组并网发电，4台机顺利运行，说明机组的设计是成功的。湘祁电站的成功发电，对缓解湘南地区电力紧张局面，促进永州、衡阳两市的经济发展具有十分重要的意义。
参考文献：
[1] 韩凤琴，占志英，吴家声行，等.水轮机比水能数值预测法研究[J].水电能源科学，2008，（3）.
关键词：水电站；水轮机；结构设计
中图分类号：TV72 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0104-02
1 工程概况及主要参数
湘祁水电站工程为湘江干流十一个梯级开发的第六级，位于湖南省永州市祁阳县和衡阳市祁东县交界处，是一个以发电、航运为主，兼顾灌溉、旅游等综合效益的工程。坝址右岸属祁阳县黄泥塘镇范围，距上游黄泥塘镇约6 km，祁阳县城约48 km；坝址左岸属祁东县归阳镇范围，距下游归阳镇约3 km，祁东县城约32 km。坝址控制流域面积27 118 km2，占湘江总流域面积的28.7%，坝址多年平均流量为777 m3/s。
电站厂房内装4台灯泡贯流式水轮发电机组，装机容量80 MW，年利用小时4 169 h，年平均发电量3.335亿kW·h，湘祁电站水轮机主要参数如表1所示。
2 结构综述
湘祁水电站水轮机为灯泡贯流式水轮机，水轮机和发电机共用一根主轴， 主轴水平方式布置，两端分别与转轮和转子直接相连接，直锥形尾水管。机组转动部分采用两支点双悬臂结构。机组旋转方向为从发电机端向下游方向看顺时针。发电机被安置在完全密封的灯泡体内，灯泡体成为水轮机流道组成部分。机组的支撑采用管形座上、下两根竖井为主支撑，发电机水平和垂直防振支撑为辅助支撑的方式，确保机组具有足够的刚性和稳定性。
水轮机主要由以下几部分组成：埋入部分（管型座、尾水管里衬、发电机框架盖板等）；固定部分（导水机构、转轮室、伸缩节、水导水封、受油器、接力器等）；转动部分（转轮、主轴及操作油管等）；油、气、水辅助系统。
3 主要部件结构设计概述
3.1 管形座
管形座由外壳体、内壳体、上竖井、下竖井组成，内壳体、外壳体通过上、下竖井组成一个整体，各部分均由Q235-B钢板焊接而成。
外壳体与混凝土接触的外表面布置有加强筋板和锚钉以增加其刚度及与混凝土连接的强度，为便于运输外壳体分四瓣，进水口有合缝法兰，螺栓联接，联结法兰在现场封水焊，出水口分瓣面处工厂开坡口，现场焊接，内壳体分别与上游侧发电机定子和下游侧的内导环用法兰联接，结合面有可靠的止水措施。为便于运输，内壳体分两瓣制造，通过螺栓联接，联结法兰现场封焊。
上、下竖井外表面布置有一定数量的筋板和锚钉，竖井与内、外壳体之间采用对接焊的形式，组装焊接工作在现场进行。
管形座安装时使用松紧螺扣和管子千斤顶进行调整，以保证安装到位。
3.2 导水机构
导水机构为锥形导水机构，由内导环、外导环、导叶、导叶轴承、控制环、重锤、连杆拐臂及导叶保护装置等组成。
导叶采用20 SiMn整铸，机加工后，在相邻导叶之间的接触立面上设有4 mm厚的不锈钢堆焊层。这些不锈钢堆焊层要延伸到导叶的整个高度，加工后的宽度不小于20 mm；导叶的接触面在导叶关闭状态下用偏心销精确调整以减少漏水量，接触面的加工保证导叶在最大水头下关闭并实施压紧力时，沿导叶接触面间的压力保持相等。导叶各轴径处设置5 mm厚的不锈钢保护层。导叶轴径的轴承为自润滑球轴承，不需另设润滑系统。内、外导环上的导叶轴承为球铰轴承，轴径各处设置可靠的轴径密封。
外导环为分半结构，分半结合面采用法兰连接并有可靠的止漏措施。内导环为整体结构，内、外导环的上、下游面均有法兰。外导环还配有与水轮机管型座及转轮室连接的法兰及螺栓。
导叶采用弹簧连杆的保护方式，当导叶卡阻而导致弯曲连杆作用时，弹簧连杆弹簧变形，其它导叶正常关闭，可避免导叶的摆动。再次开机时弹簧连杆自动恢复，不需要停机更换。
导水机构在工厂内连同全部零件一起进行预装配，并做控制环行程和导叶开度关系试验。控制环采用钢板焊接结构。控制环与外导环之间采用滚动摩擦副，滚珠材料为不锈钢，干油润滑，并便于拆装。
导水机构在工厂预装配，分瓣运至工地，现场把合螺栓。
3.3 转轮
转轮采用我公司ZB3型号的三叶片转轮，其轮毂比为0.34，能量性能及气蚀性能良好，是适合湘祁水电站水头段的优秀贯流式转轮。
转轮主要由转轮体、三个叶片、拐臂、操作机构及泄水锥等组成。转轮体采用ZG20SiMn铸造而成，桨叶端部活动范围内的轮毂表面加工成球形，减少桨叶与轮毂之间的间隙，降低通过此间隙的漏水量。转轮体桨叶活动范围表面堆焊5 mm厚的不锈钢层。
桨叶接力器采用缸动式结构，即活塞和活塞杆被固定，接力器缸移动，带动连杆、拐臂进而驱动叶片。同时由于采用缸动结构，使转轮的重心移向上游，所以使机组更稳定可靠。这种方式还能够使操作油管不产生轴向运动。
桨叶密封采用多道“V”型密封，密封性能好、结构简单可靠、检修方便，可在不拆卸叶片情况下更换叶片的密封件。叶片在运行中不漏油，不进水，转动灵活，无卡阻现象。
轮毂体与主轴通过销钉传递扭矩。轮毂油由轮毂油箱通过受油器经轮毂供油管，到达轮毂体内，其油压总是稍高于流道中的水压力，以防止水进入轮毂体内。
为便于安装和运输，采用叶片与拐臂分开的结构。转轮在厂内预装，并做动作试验和静平衡试验，预装后拆除叶片，其余整体运至工地。
3.4 主轴和水导轴承、水封
主轴采用20 SiMn锻制，采用双法兰中空结构。主轴全部精加工，在出厂前主轴与轴承配合的表面抛光。主轴在精加工后作超声波检查。主轴内腔为操作油管和转轮体充油的通道。主轴与发电机转子、水轮机转轮采用接螺栓连接，靠扭矩销传递扭矩。
水导轴承体由轴承支撑板支撑，轴承支撑板安装在导水机构内导环上，轴承支撑板为一扇形斜面结构，通过轴系计算确定轴承的上台量及斜面的倾斜度，从而适应主轴的挠度，并可保证转轮与转轮室之间的间隙均匀。水导轴承采用外循环强制润滑方式，轴承油系统采用一次冷却方式。轴承设有高压顶起装置，在机组起动和停机时能形成油膜，防止烧瓦。
主轴密封上设有调整螺栓，以调整橡胶板密封的压紧量。主轴还设有检修密封，采用充气围带式检修密封，用于检修、更换主轴密封。检修密封充气压力为0.5～0.7 MPa。现场安装管道、阀门和一个带报警的联锁装置，防止充气条件下启动水轮机，并保证排气后检修密封和主轴脱离。
3.5 尾水管
尾水管采用钢板里衬，进口及渐变段各设四个不锈钢测头，测量尾水管真空压力值。尾水管上设有单独引出的压力脉动测点4个，沿圆周方向均布。
靠近转轮室的尾水管处设有φ600进人孔一个，进人门的转动轴和螺栓用不锈钢制造。尾水管里衬外壁配有与混凝土结合的锚具、调整固定设施以及止水筋板，并在合适的部位设一排水槽，浇筑混凝土时里衬内有支撑以防止发生变形。
尾水管里衬有足够的强度和刚度，里衬外侧设有和水流方向垂直的筋板和型钢补强，加强筋中设置足够的孔洞，以便里衬和混凝土之间不产生气腔。根据运输条件，尾水管里衬分节制作。里衬表面平滑，无波浪凸凹及其它能引起局部空蚀的不规则形状。尾水管里衬底部开一定数量的混凝土浇注孔，灌浆孔和排气孔，并带堵板，灌浆完成后封焊并打磨光滑。
4 结 语
2011年12月，湘祁电站1号机组投入使用，至2012年8月25日4号机组投入使用，按期完成了四台机组并网发电，4台机顺利运行，说明机组的设计是成功的。湘祁电站的成功发电，对缓解湘南地区电力紧张局面，促进永州、衡阳两市的经济发展具有十分重要的意义。
参考文献：
[1] 韩凤琴，占志英，吴家声行，等.水轮机比水能数值预测法研究[J].水电能源科学，2008，（3）.