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摘要：巴基斯坦卡洛特水电站装设4台额定功率为180MW的立轴混流式水轮发电机组。在机组研究、开发和生产中，采用先进、可靠的结构，保障机组安全、稳定、高效的运行。详细介绍了工程设计中论证确定的水轮机参数水平以及通过招标采购的水轮发电机组主要参数和结构特点。卡洛特水电站发电机组设计制造经验可供类似的电站机组选型参考。
关键词：水轮发电机组;混流式水轮发电机;机组参数;机组结构;卡洛特水电站;巴基斯坦
中图法分类号：TM312 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.020
1 工程概况
卡洛特（Karot）水电站是吉拉姆河（Jhelum）规划的5个梯级电站的第四级，上一级电站为阿扎德帕坦（Azad Pattan），下一级电站为曼格拉（Mangla）。
卡洛特水电站工程为单一发电任务的水电枢纽，电站装机容量720 MW。水库正常蓄水位461 m，死水位451 m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3，调节库容4 905万m3，库容系数0.06%，为日调节水库，电站设计引水流量1 248.4 m3/s。电站基本参数如下：
水库正常蓄水位 461.0 m
水库死水位 451.0 m
下游校核洪水位（P=0.2%） 418.08 m
最大水头 79.34 m
最小水头 50.0 m
额定水头 65.0 m
容量 720 MW
台数 4台
2 水轮机型式参数
2.1 型 式
卡洛特水电站运行水轮发电机组运行水头范围在50.0～79.34 m之间，属于中低水头，为混流式水轮发电机组运行的适合区域。
2.2 比转速
比转速和比速系数可以综合反映水轮机技术水平。机组比转速越高，机组尺寸相对越低，进而机组重量减小，投资相应减小，同时这两个参数与效率、磨损、空蚀和稳定性密切相关，需根据电站具体条件和机组生产水平统一考虑。
根据部分与卡洛特水电站水头、机组容量相近的水轮机比转速ns及比速系数K值统计资料表明：比转速在217～235.6 m·kW之間，比速系数在1 750～1 900之间。结合卡洛特电站含沙量、水头区间、转轮能量特性、空化特性等要素，比速系数应在1 850～1 900之间选择，相应的比转速为229.5～235.6 m·kW。
2.3 单位参数
初步确定比转速和比速系数的水平后，再根据工程特点，选择合适的单位转速n1′和单位流量Q1′，进行参数合理匹配。提高水轮机的n1′可以减小机组重量，但增加n1′会从空化、磨损、稳定性等方面对水轮机造成不利影响。加大水轮机的Q1′，在减小水轮机尺寸的同时，又降低厂房尺寸，进而节省工程投资，但增大Q1′会受到转轮强度、空化、磨损等方面的约束。机组的运行经验表明，n1′与Q1′需要匹配合适。
综上，卡洛特水电站的比转速宜在229.5～235.6 m·kW之间，其对应的单位转速是74～76 r/min。
2.4 水轮机尾水管压力脉动值
在一些运行工况下， 部分大、中型混流式机组出现了不稳定运行、机组振动、噪音较大，甚至引起厂房振动和机组出力摆动等情况。卡洛特电站水头不高，因此压力脉动需要引起足够重视，对该电站水轮机的尾水管压力脉动混频双振幅值指标要求见表1[1]。
2.5 水轮机主要参数水平
结合水轮机模型试验成果和该电站运行特点，确定水轮机性能参数水平如下[1]：
比转速ns 229.5～235.6m·kW
比速系数K 1850～1900
最优单位转速n10′ 74～76 r/min
限制点单位流量Q1′ 0.95～1.0 m3/s
模型最高效率ηoptM ≥94.0 %
真机最高效率ηoptT ≥95.5 %
限制工况点模型临界
空化系数σm ≤0.105 电站空化系数σp ≥0.193
2.6 水轮发电机组主要参数
水轮机模型验收完成了水力开发预期的所有试验，试验结果表明，模型水轮机及换算得到的原型效率、出力、空化、压力脉动等性能指标均满足水力开发条件预期目标要求。卡洛特水电站机组主要参数见表2和表3。
3 水轮发电机组结构特点
3.1 水轮机
3.1.1 总体结构
水轮机采用常规立轴混流式，金属蜗壳、弯肘尾水管结构形式。
3.1.2 转轮
转轮主要部件上冠、下环及叶片的材质为铸钢04Cr13Ni5Mo。叶片采用五轴数控机床进行加工，再与上冠、下环组焊成整体后精加工。在上冠上设间隙式止漏环，以减小顶盖下腔压力，进而减小主轴密封漏水量。在下环上也设置间隙式止漏环。在转轮上冠上采用不开泄水孔的结构形式。
3.1.3 主轴
水轮机主轴材质采用锻钢20MnSX，分3段锻造，厂内组焊加工。轴领直径？2 135 mm，轴身外径？1 600 mm，内径？1 250 mm，长6 250 mm，法兰直径？2 300 mm。水轮机轴与发电机轴的连接采用销钉螺栓联接形式，与转轮连接采用螺栓把合的结构形式。
3.1.4 水轮机导轴承
水轮机导轴承为稀油润滑、非同心分瓦块自润滑轴承。油冷却系统为内循环式，冷却器布置在油箱内部。
轴承上布置有油位信号器和油混水报警装置，轴瓦上均安装了测温装置。
轴承冷却器为箱型，冷却水管采用翅片式铜管，为双向进水式，并能正、反向工作。轴瓦工地不需刮瓦，轴瓦间隙调节靠楔块完成，易调整且可靠。
3.1.5 主轴密封
水轮机主轴密封分别由工作密封和检修密封组成。
工作密封采用自补偿端面密封，摩擦副为复合材料制成的密封块和不锈钢滑环，以清洁的压力水作为密封的调节、润滑和冷却剂。
检修密封采用传统的空气围带式，应经常检查其气密性和封水性，定期检查橡胶圈的磨损情况。
3.1.6 蜗壳、尾水管
蜗壳为钢板焊接结构，材料选用高强度钢板B610CF。为防止水击压力对蜗壳的影响，在蜗壳延伸段布置了止推环。蜗壳流道尺寸与模型全模拟。
尾水管锥管段和肘管段设有金属里衬，在工地拼焊成型。锥管段设有900×700 mm进人门。
3.1.7 座环、基础环
座环采用平行式带过渡板和导流环组焊结构。座环上、下环板采用带纵向特性的抗层状撕裂钢板Q345B-Z25。固定导叶材料为钢板Q345B。在座环上有4个固定导叶设置有直径？60自流排水孔。
基础环把合在座环上，底环与基础环采用加垫工地配磨的方式安装。
3.1.8 顶盖与底环
顶盖采用钢板焊接结构，分两瓣。在顶盖过流面设置有不锈钢抗磨板，采用塞焊方式固定。在转轮上冠相对位置设有不锈钢固定止漏环。
顶盖上设置8根顶盖平压管，将泄漏水引至尾水管。顶盖排水管延顶盖径向短筋板布置，增强了排水管的刚度，可有效地保护排水管焊缝，以防因水力振动造成焊缝脱落而影响机组的安全运行。
底环采用厚钢板焊接结构形式，底环过流面采用塞焊方式固定的不锈钢抗磨板。在转轮下环相对位置设有不锈钢固定止漏环。
3.1.9 导水机构
导叶为整体铸造形式，在导叶轴径处设有3个轴承，分别安装在顶盖和底环上。导叶操作机构连接接力器和导叶，并配置了导叶保护装置等。
水輪机设有2个双作用直缸接力器，采用油压操作来控制导叶的开启。水轮机接力器布置在水轮机基坑的接力器坑衬内，接力器支座板与机坑里衬形成整体。
为确保机组运行维修安全，接力器设有液压锁锭、机械锁锭两个锁锭装置。
3.1.10 补气装置
在发电机主轴考虑了中心补气措施，用以保证机组在部分负荷下能稳定运行，当转轮下部出现真空时自动补气。发电机轴和水轮机轴的？1250mm内孔设置DN400的补气管，一直通过轴系内孔延伸至转轮上冠出口。
补气阀为浮球式弹簧液压缓冲式结构，安全可靠。在补气管进口处，设置有消音器，以消除补气时的噪音。
3.1.11 排水系统
每台机组设有直径为？600的尾水管排水阀和一个直径为？500的蜗壳排水阀，供机组停机排水时使用。两个排水阀均采用液压操作，尾水管排水阀将尾水管中的水排至检修排水廊道中，蜗壳排水阀将蜗壳内的水排至尾水管中。
3.2 发电机
3.2.1 总体结构
水轮发电机采用常规的立轴半伞型结构， 采用密闭自循环空气通风冷却方式。推力轴承布置在下机架上，冷却方式为内部循环冷却;下导轴承和推力轴承共一个油槽。整个轴系由上端轴、中心体、发电机轴、水轮机轴和转轮组成，由上、下导轴承和水导轴承提供支撑。
发电机的空气冷却系统采用固定挡风板端部回风的密闭循环，发电机励磁采用静止可控硅励磁系统。
3.2.2 定子
发电机定子主要由铁芯、机座及绕组组成。机座采用4瓣钢板焊接结构，在工地组焊成整圆。
定子铁心采用优质进口硅钢片50W250冲制而成。铁心轴向均匀设有通风沟。定子铁心由上端设有蝶形弹簧的穿芯螺杆拉紧，铁心收缩变形时，螺杆和碟簧就可起到补偿作用，保证定子铁心不发生松动。
发电机线棒在机坑内下线。定子线圈采用绝缘槽衬结构，定子线棒采用小于360线换位。定子线圈固定采用槽楔下垫弹性波纹板。
3.2.3 转子 轉子支架为圆盘式焊接结构。中心体和分瓣扇形支臂在工地焊成整体。
磁轭采用优质高强钢叠压而成，用高强度螺杆把合成整体。磁轭和支架连接方式采用热打键[2]。
磁极铁心采用高强钢DCL350，并通过T尾结构与磁轭相连。磁极线圈由异型铜排制成。磁极托板采用高强度环氧玻璃坯布整体热压而成。
3.2.4 发电机轴承
发电机推力轴承共设有16块瓦，推力瓦采用塑料瓦。推力轴承采用具有良好调节性能的弹性油箱支撑，以保证推力瓦受力均匀。推力轴承采用内循环的冷却方式。
上、下导轴承均为分块瓦，且为楔子板支撑，上导轴承共12块钨金瓦，下导轴承共18块钨金瓦。下导轴承和推力轴承采用合油槽结构。
3.2.5 上、下机架
上下机架由中心体和支臂构成，均在工地焊接而成。上机架采用多边形框架结构，具有足够的支撑刚度，并可有效地改善发电机基础的受力。下机架采用8条支臂，整个下机架能通过发电机定子整体吊出。
3.2.6 附属系统
发电机采用机械制动系统。制动器能利用压缩空气进行自动复位，制动块材料为非金属无石棉。
发电机分别在上导轴承油槽和组合轴承（推力轴承和下导轴承）油槽设置了防油雾装置，将有效防止油雾污染发电机。
发电机在滑环室布置有碳粉收集装置，既能避免碳粉污染，又能有效降低集电环温度。
4 结 语
卡洛特水电站发电水头不高，但变幅较大，且过机泥沙含量较大，因此在机组设计的过程中适当降低了机组的参数水平，采用成熟、可靠的结构形式，同时机组的主要过流部件也增加了抗磨涂层，这些措施为机组的安全稳定运行提供了有力保障。
参考文献：
[1] 长江勘测规划设计研究有限公司. 巴基斯坦Karot水电站可行性研究报告[R]. 武汉： 长江勘测规划设计研究有限公司，2015.
[2] 代开锋，柳飞，郭学洋，等. 沐若水电站水轮发电机组主要参数及结构选择[J]. 人民长江，2013，44（8）： 64-67.
（编辑：唐湘茜）
Parameters selection and structure characteristics of hydro generator set of Karot Hydropower Station in Pakistan
DAI Kaifeng，HE Zhifeng，GUI Shaobo，HE Changyan
（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）
Abstract：Four vertical shaft turbines with rated power of 180 MW will be installed in Karot Hydropower Station. During the process of research， design and manufacture， the advanced and reliable scheme and structure of the turbines were designed to ensure safe， stable and effective operation of turbine units. This paper introduces the parameters of hydraulic turbine determined in design and the main parameters and structural features of the turbine units procured by bidding in detail.
Key words：hydro generator set; Francis turbine; unit parameter; unit structure; Karot Hydropower Station; Pakistan
关键词：水轮发电机组;混流式水轮发电机;机组参数;机组结构;卡洛特水电站;巴基斯坦
中图法分类号：TM312 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.020
1 工程概况
卡洛特（Karot）水电站是吉拉姆河（Jhelum）规划的5个梯级电站的第四级，上一级电站为阿扎德帕坦（Azad Pattan），下一级电站为曼格拉（Mangla）。
卡洛特水电站工程为单一发电任务的水电枢纽，电站装机容量720 MW。水库正常蓄水位461 m，死水位451 m，正常蓄水位以下库容1.52亿m3，调节库容4 905万m3，库容系数0.06%，为日调节水库，电站设计引水流量1 248.4 m3/s。电站基本参数如下：
水库正常蓄水位 461.0 m
水库死水位 451.0 m
下游校核洪水位（P=0.2%） 418.08 m
最大水头 79.34 m
最小水头 50.0 m
额定水头 65.0 m
容量 720 MW
台数 4台
2 水轮机型式参数
2.1 型 式
卡洛特水电站运行水轮发电机组运行水头范围在50.0～79.34 m之间，属于中低水头，为混流式水轮发电机组运行的适合区域。
2.2 比转速
比转速和比速系数可以综合反映水轮机技术水平。机组比转速越高，机组尺寸相对越低，进而机组重量减小，投资相应减小，同时这两个参数与效率、磨损、空蚀和稳定性密切相关，需根据电站具体条件和机组生产水平统一考虑。
根据部分与卡洛特水电站水头、机组容量相近的水轮机比转速ns及比速系数K值统计资料表明：比转速在217～235.6 m·kW之間，比速系数在1 750～1 900之间。结合卡洛特电站含沙量、水头区间、转轮能量特性、空化特性等要素，比速系数应在1 850～1 900之间选择，相应的比转速为229.5～235.6 m·kW。
2.3 单位参数
初步确定比转速和比速系数的水平后，再根据工程特点，选择合适的单位转速n1′和单位流量Q1′，进行参数合理匹配。提高水轮机的n1′可以减小机组重量，但增加n1′会从空化、磨损、稳定性等方面对水轮机造成不利影响。加大水轮机的Q1′，在减小水轮机尺寸的同时，又降低厂房尺寸，进而节省工程投资，但增大Q1′会受到转轮强度、空化、磨损等方面的约束。机组的运行经验表明，n1′与Q1′需要匹配合适。
综上，卡洛特水电站的比转速宜在229.5～235.6 m·kW之间，其对应的单位转速是74～76 r/min。
2.4 水轮机尾水管压力脉动值
在一些运行工况下， 部分大、中型混流式机组出现了不稳定运行、机组振动、噪音较大，甚至引起厂房振动和机组出力摆动等情况。卡洛特电站水头不高，因此压力脉动需要引起足够重视，对该电站水轮机的尾水管压力脉动混频双振幅值指标要求见表1[1]。
2.5 水轮机主要参数水平
结合水轮机模型试验成果和该电站运行特点，确定水轮机性能参数水平如下[1]：
比转速ns 229.5～235.6m·kW
比速系数K 1850～1900
最优单位转速n10′ 74～76 r/min
限制点单位流量Q1′ 0.95～1.0 m3/s
模型最高效率ηoptM ≥94.0 %
真机最高效率ηoptT ≥95.5 %
限制工况点模型临界
空化系数σm ≤0.105 电站空化系数σp ≥0.193
2.6 水轮发电机组主要参数
水轮机模型验收完成了水力开发预期的所有试验，试验结果表明，模型水轮机及换算得到的原型效率、出力、空化、压力脉动等性能指标均满足水力开发条件预期目标要求。卡洛特水电站机组主要参数见表2和表3。
3 水轮发电机组结构特点
3.1 水轮机
3.1.1 总体结构
水轮机采用常规立轴混流式，金属蜗壳、弯肘尾水管结构形式。
3.1.2 转轮
转轮主要部件上冠、下环及叶片的材质为铸钢04Cr13Ni5Mo。叶片采用五轴数控机床进行加工，再与上冠、下环组焊成整体后精加工。在上冠上设间隙式止漏环，以减小顶盖下腔压力，进而减小主轴密封漏水量。在下环上也设置间隙式止漏环。在转轮上冠上采用不开泄水孔的结构形式。
3.1.3 主轴
水轮机主轴材质采用锻钢20MnSX，分3段锻造，厂内组焊加工。轴领直径？2 135 mm，轴身外径？1 600 mm，内径？1 250 mm，长6 250 mm，法兰直径？2 300 mm。水轮机轴与发电机轴的连接采用销钉螺栓联接形式，与转轮连接采用螺栓把合的结构形式。
3.1.4 水轮机导轴承
水轮机导轴承为稀油润滑、非同心分瓦块自润滑轴承。油冷却系统为内循环式，冷却器布置在油箱内部。
轴承上布置有油位信号器和油混水报警装置，轴瓦上均安装了测温装置。
轴承冷却器为箱型，冷却水管采用翅片式铜管，为双向进水式，并能正、反向工作。轴瓦工地不需刮瓦，轴瓦间隙调节靠楔块完成，易调整且可靠。
3.1.5 主轴密封
水轮机主轴密封分别由工作密封和检修密封组成。
工作密封采用自补偿端面密封，摩擦副为复合材料制成的密封块和不锈钢滑环，以清洁的压力水作为密封的调节、润滑和冷却剂。
检修密封采用传统的空气围带式，应经常检查其气密性和封水性，定期检查橡胶圈的磨损情况。
3.1.6 蜗壳、尾水管
蜗壳为钢板焊接结构，材料选用高强度钢板B610CF。为防止水击压力对蜗壳的影响，在蜗壳延伸段布置了止推环。蜗壳流道尺寸与模型全模拟。
尾水管锥管段和肘管段设有金属里衬，在工地拼焊成型。锥管段设有900×700 mm进人门。
3.1.7 座环、基础环
座环采用平行式带过渡板和导流环组焊结构。座环上、下环板采用带纵向特性的抗层状撕裂钢板Q345B-Z25。固定导叶材料为钢板Q345B。在座环上有4个固定导叶设置有直径？60自流排水孔。
基础环把合在座环上，底环与基础环采用加垫工地配磨的方式安装。
3.1.8 顶盖与底环
顶盖采用钢板焊接结构，分两瓣。在顶盖过流面设置有不锈钢抗磨板，采用塞焊方式固定。在转轮上冠相对位置设有不锈钢固定止漏环。
顶盖上设置8根顶盖平压管，将泄漏水引至尾水管。顶盖排水管延顶盖径向短筋板布置，增强了排水管的刚度，可有效地保护排水管焊缝，以防因水力振动造成焊缝脱落而影响机组的安全运行。
底环采用厚钢板焊接结构形式，底环过流面采用塞焊方式固定的不锈钢抗磨板。在转轮下环相对位置设有不锈钢固定止漏环。
3.1.9 导水机构
导叶为整体铸造形式，在导叶轴径处设有3个轴承，分别安装在顶盖和底环上。导叶操作机构连接接力器和导叶，并配置了导叶保护装置等。
水輪机设有2个双作用直缸接力器，采用油压操作来控制导叶的开启。水轮机接力器布置在水轮机基坑的接力器坑衬内，接力器支座板与机坑里衬形成整体。
为确保机组运行维修安全，接力器设有液压锁锭、机械锁锭两个锁锭装置。
3.1.10 补气装置
在发电机主轴考虑了中心补气措施，用以保证机组在部分负荷下能稳定运行，当转轮下部出现真空时自动补气。发电机轴和水轮机轴的？1250mm内孔设置DN400的补气管，一直通过轴系内孔延伸至转轮上冠出口。
补气阀为浮球式弹簧液压缓冲式结构，安全可靠。在补气管进口处，设置有消音器，以消除补气时的噪音。
3.1.11 排水系统
每台机组设有直径为？600的尾水管排水阀和一个直径为？500的蜗壳排水阀，供机组停机排水时使用。两个排水阀均采用液压操作，尾水管排水阀将尾水管中的水排至检修排水廊道中，蜗壳排水阀将蜗壳内的水排至尾水管中。
3.2 发电机
3.2.1 总体结构
水轮发电机采用常规的立轴半伞型结构， 采用密闭自循环空气通风冷却方式。推力轴承布置在下机架上，冷却方式为内部循环冷却;下导轴承和推力轴承共一个油槽。整个轴系由上端轴、中心体、发电机轴、水轮机轴和转轮组成，由上、下导轴承和水导轴承提供支撑。
发电机的空气冷却系统采用固定挡风板端部回风的密闭循环，发电机励磁采用静止可控硅励磁系统。
3.2.2 定子
发电机定子主要由铁芯、机座及绕组组成。机座采用4瓣钢板焊接结构，在工地组焊成整圆。
定子铁心采用优质进口硅钢片50W250冲制而成。铁心轴向均匀设有通风沟。定子铁心由上端设有蝶形弹簧的穿芯螺杆拉紧，铁心收缩变形时，螺杆和碟簧就可起到补偿作用，保证定子铁心不发生松动。
发电机线棒在机坑内下线。定子线圈采用绝缘槽衬结构，定子线棒采用小于360线换位。定子线圈固定采用槽楔下垫弹性波纹板。
3.2.3 转子 轉子支架为圆盘式焊接结构。中心体和分瓣扇形支臂在工地焊成整体。
磁轭采用优质高强钢叠压而成，用高强度螺杆把合成整体。磁轭和支架连接方式采用热打键[2]。
磁极铁心采用高强钢DCL350，并通过T尾结构与磁轭相连。磁极线圈由异型铜排制成。磁极托板采用高强度环氧玻璃坯布整体热压而成。
3.2.4 发电机轴承
发电机推力轴承共设有16块瓦，推力瓦采用塑料瓦。推力轴承采用具有良好调节性能的弹性油箱支撑，以保证推力瓦受力均匀。推力轴承采用内循环的冷却方式。
上、下导轴承均为分块瓦，且为楔子板支撑，上导轴承共12块钨金瓦，下导轴承共18块钨金瓦。下导轴承和推力轴承采用合油槽结构。
3.2.5 上、下机架
上下机架由中心体和支臂构成，均在工地焊接而成。上机架采用多边形框架结构，具有足够的支撑刚度，并可有效地改善发电机基础的受力。下机架采用8条支臂，整个下机架能通过发电机定子整体吊出。
3.2.6 附属系统
发电机采用机械制动系统。制动器能利用压缩空气进行自动复位，制动块材料为非金属无石棉。
发电机分别在上导轴承油槽和组合轴承（推力轴承和下导轴承）油槽设置了防油雾装置，将有效防止油雾污染发电机。
发电机在滑环室布置有碳粉收集装置，既能避免碳粉污染，又能有效降低集电环温度。
4 结 语
卡洛特水电站发电水头不高，但变幅较大，且过机泥沙含量较大，因此在机组设计的过程中适当降低了机组的参数水平，采用成熟、可靠的结构形式，同时机组的主要过流部件也增加了抗磨涂层，这些措施为机组的安全稳定运行提供了有力保障。
参考文献：
[1] 长江勘测规划设计研究有限公司. 巴基斯坦Karot水电站可行性研究报告[R]. 武汉： 长江勘测规划设计研究有限公司，2015.
[2] 代开锋，柳飞，郭学洋，等. 沐若水电站水轮发电机组主要参数及结构选择[J]. 人民长江，2013，44（8）： 64-67.
（编辑：唐湘茜）
Parameters selection and structure characteristics of hydro generator set of Karot Hydropower Station in Pakistan
DAI Kaifeng，HE Zhifeng，GUI Shaobo，HE Changyan
（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）
Abstract：Four vertical shaft turbines with rated power of 180 MW will be installed in Karot Hydropower Station. During the process of research， design and manufacture， the advanced and reliable scheme and structure of the turbines were designed to ensure safe， stable and effective operation of turbine units. This paper introduces the parameters of hydraulic turbine determined in design and the main parameters and structural features of the turbine units procured by bidding in detail.
Key words：hydro generator set; Francis turbine; unit parameter; unit structure; Karot Hydropower Station; Pakistan