三峡右岸巨型全空冷水轮发电机组关键技术——水轮机篇

图 4 优化设计的模型转轮
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3.1.4 最终优化阶段 2003 年 8 月开始为右岸电站设计了多个转轮模型
的方案，根据试验结果的比较最终确定了一个目标转 轮，为了取得综合性能的最优化，在目标转轮上又进 行了多次优化。围绕着目标模型转轮，共设计试验了 A826a、A826b、A854a、A858a、A859a 五个模型转轮， 通过反复筛选，最终选定了 A858a 模型转轮（见图 5）。
三峡右岸机组招标中，业主就明确规定必须要解 决左岸机组存在的问题，哈电公司也正是基于此要求， 开展了右岸机组的一系列研究工作。
2.1 水轮机水力特性的研究 为了解决左岸机组存在的高部分负荷压力脉动问
题，哈电公司确定的三峡右岸水轮机新转轮开发的方 针：在保持或提高左岸水轮机的其他各项性能的前提 下，进一步提高水轮机的水力稳定性。在高比转速的 大型混流式水轮机中，既要保持高效率和良好的能量 指标，又要解决压力脉动问题，在所有保证运行工况 安 全 稳 定 地 工 作 ， 这 也 是 世 界 性 的 难 题 。 Dörfler P．K．(瑞士)指出：比转速 nSr =219 以上的混流式水轮 机存在高部分负荷压力脉动。
（8）注意导叶与固定导叶的搭配，使其有良好的 水力性能。防止导叶出现过低压区，校核导叶和固定 导叶的卡门涡频率。
（9）注重研究叶片进出水边的设计。进水边头部 的设计，力争在保证运行范围内避免出现进水边头部 背面脱流、进水边头部正面脱流、液道涡等有可能带 来的不稳定现象。出水边形状的设计应考虑改善空化， 避免裂纹和振动。
下电站厂房（其中共安装 32 台×840 MVA 和 2 台×
58.8 MVA 机组）、双线五级通航船闸等建筑物组成。
工程拦江大坝全长 1983 m，坝顶高程 185 m，最大坝
高 175 m。水库正常蓄水位 175 m，总库容 393 亿 m3。
水电站总装机容量（额定）2250 万 kW，年发电量 840
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1 概述
三峡工程是目前世界上最大的水电站，也是中国
最大的水利工程。它是综合治理长江中下游防洪问题
的一项关键性措施。并兼有发电、航运、灌溉、供水
和发展库区经济等巨大的综合经济效益，对加快我国
现代化进程，提高综合国力具有重要意义。
三峡工程坝址位于湖北省宜昌县三斗坪镇，距宜
昌市 40 多公里。工程主要由大坝、两岸电站厂房和地
亿 kW·h 以上。
哈电公司三峡右岸电站水轮机为低转速、中水头、
巨型混流式水轮机。
水轮机的具体技术参数：
水轮机型式
立轴混流式
水轮机型号
HL858a-LJ-1044
旋转方向
顺时针（从发电机俯视）
转轮直径 额定水头
D1 = 10440 mm Hr = 85 m
最大水头 最小水头
Hmax = 113 m Hmin = 71 m
Abstract: The research for hydraulic characteristics of model runner as one of the key technologies for first domestic 840 MVA hydrogenerator set of Three Gorges right bank power station is presented in this paper. The problem on flow instability for the runner of the left bank power station in high load field where the pressure pulsation exceeds 5%, is evaluated. According to this situation, the new runner for the right bank power station is designed independently by HEC which has a wider stable operation range, and the pressure fluctuation in high load region is eliminated. Compared to the runner of the left bank power plant, the best efficiency of the model runner comes up to 94.70%, and the cavitation, runway speed and stress intensity characteristics are better. It also shows the time on the design, manufacture and assembly for the huge hydrogenerator sets by our own country is coming. Key words: hydrogenerator sets; model runner; hydraulic stability; pressure pulsation
额定转速
n = 75 r/min
飞逸转速
n = 150.0 r/min
额定出力
Nr = 710 MW
最大出力
852 MW
额定流量
Q = 960 m3/s
吸出高度
－5 m
轴向水推力
28900 kN
最大压力上升
152.4 m·H2O
图 1 水轮机剖面
2 三峡右岸水轮机研制的目标
三峡左岸 14 台机组是由国内、外 8 家企业组成的 两个联合体承包制造的，其中哈电公司与挪威的 KVÆRNER 公司、瑞士的 ABB 公司和法国的 ALSTOM 公司组成的联合体，共承制了 8 台机组。东方电机公 司与德国 SIEMENS 公司和 VOITH 公司、加拿大 GE 公司组成的另一联合体承制另外的 6 台机组。左岸机 组主要是引进国外技术，水轮机和发电机都是采用国 外设计，整体技术具有当代领先的水平，水轮机的效 率达到了 94.5 %以上，发电机也采用了当时最新的结 构。随着左岸机组投运后，机组也暴露出一些问题， 水轮机主要是在稳定性方面，由于追求了较高的水力 效率，因此在运行的负荷区内，存在高部分负荷的压 力脉动（压力脉动幅值大于 5 %，主频是转频的 1.4 倍）， 这对机组安全稳定运行，特别是转轮的安全，有一定 的影响和危害。
前言
2007 年 11 月 26 日至 28 日，由国务院长江三峡三 期工程验收委员会枢纽工程验收组对三峡右岸首批机 组通过启动验收，这标志着我国已经具备了特大型水 轮发电机组的先进的科研、设计技术和生产能力，标 志着我国依托大型工程通过“引进、消化、吸收、再 创新”推动国家重大装备发展与应用的战略取得了丰 硕成果，充分展示了我国提高自主创新能力、建设创 新型国家的重大成就。
（6）减小水轮机的涡带出现的范围，减小水轮机 的涡带空腔体积。涡带范围的减小，自然可以扩大稳 定运行范围。减小空腔体积，提高尾水管水体的固有 频率，从而有可能避开尾水管共振，避开高部分负荷 压力脉动。
（7）合理选择蜗壳与转轮的搭配。在大蜗壳小转 轮和小蜗壳大转轮的方案中选择了后者。这样可以减 小整个流道的总体压力梯度，有利于效率和稳定性的 提高。
2.2 研究的基本设计理念 （1）通过扩大稳定运行范围，在保证的运行范围
内尽量减轻或消除高部分负荷压力脉动（降低幅值、 消除中频、移出保证范围），尽量避免叶片进水边正、 背面脱流和叶道涡的出现，扩大无涡区，减小部分负 荷压力脉动，注意避免卡门涡等引起的共振。
（2）设计应在提高稳定性的基础上，不断优化其 能量指标，尽量使水轮机在高水头有较高的效率、在 低水头有较大的输出功率。
右岸首批发电机组中，由哈尔滨电机厂有限责任 公司（以下简称哈电公司）生产的巨型全空冷水轮发 电机组，以其优良的水力性能、创新的发电机全空冷
方式和独特的绝缘工艺等三大关键技术更是创下了新 的世界之最，哈电公司生产的三峡右岸 26 号机组是目 前世界上采用全空冷技术的最大容量的机组，其发电 机最大功率为 840 MVA，该机组于 2007 年 7 月 10 日 移交电厂后，已经过首稳百日的考核，机组运行稳定， 各项性能指标达到设计标准。哈电公司自主开发、自 主设计、自主制造的全空冷水轮发电机组，运用了众 多的新技术和新工艺，它的成功开发不仅是哈电公司 数十年努力的成果，也是中国水电事业众多精英和专 家共同工作的结晶。本文仅就在该机组上运用的多项 先进技术的基础上，着重讲述具有哈电自主知识产权 的三项关键技术之一的模型转轮的水力特性的研究。
是进行理论研究和探索，目标参数并未最终确定。从 2003 年 5 月开始，在前几个阶段成果的基础上，针对 三峡右岸参数，不断优化转轮设计，进行创新的水力 研究。其间共设计试验了 A722d、A818、A848、A850、 A851、A852、A854、A858、A859、A860 十余个模型 转轮（见图 4）。
化来掌握部分压力脉动和高部分负荷压力脉动的变化 规律，研究消除高部分负荷压力脉动的转轮水力设计 方法。共设计试验了 A794、A824、A825、A826 四个 模型转轮（见图 3）。
A824
A826
图 3 压力脉动试验的模型转轮
3.1.3 三峡右岸模型转轮的设计 虽然在很早就开始进行了右岸转轮设计，但主要
（3）应保证水轮机在无空化工况下运行。 （4）结合额定水头的提高，额定工况点流量和最 优工况点的单位流量的减小，适当降低模型的比转速。 （5）尽量增加额定单位流量与最优单位流量的比 值。这样，一方面可以扩大水轮机的稳定运行范围，
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三峡右岸巨型全空冷水轮发电机组关键技术——水轮机篇
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