水泵水轮机结构介绍

广州蓄能水电厂水泵水轮机结构介绍

肖苏平

一．简介

广州蓄能水电厂分二期建设，一、二期工程分别安装4×300MW可逆式水泵水轮机，单机容量（发电工况）300MW，总装机容量2400 MW。一期（称A厂）工程于1994年全部建成。二期（称B厂）工程于1999年全部建成。一、二期工程于2000年3月全部投产。8×300MW机组投产后，已成为当今世界最大的抽水蓄能电厂。

可逆式水泵水轮机在抽水、发电起动，停机操作灵活方便，在电网峰荷时放水发电，在低谷负荷时利用系统多余的电能抽水，在电网中起到了填谷调峰的积极作用，使系统中的所有各种电站的负荷趋于均匀，提高了整个电力系统的经济运行。

本电站两期工程共装设八台可逆式水泵水轮机。每台机组设备包括：水泵水轮机、调速系统、进水球阀、尾水事故闸门以及相应的操作控制系统，各种连接管路、阀门、管件、表计、自动化元件、控制电缆、备品、专用工具、实验设备等。A厂水泵水轮机由法国Neyrpic 公司承制、供货，B厂由德国Voith承制、供货。

电站工程主要特征数据如下：

上库水位：正常蓄水位816.8 m

最低蓄水位797.0 m

下库水位：正常蓄水位287.4 m

最低蓄水位275.0 m

电站毛水头：最大水头541.8 m

额定水头522.0 m

最小水头509.6 m

二．水泵水轮机基本参数

水泵水轮机为竖轴单级、可逆、法兰西斯式，具有可调导水机构，与电动发电机轴直接连接。A、B厂水泵水轮机主要参数如下：

A厂B厂额定转速：水轮机工况500 r/min 500 r/min

水泵工况500 r/min 500 r/min 旋转方向（俯视）：水轮机工况为顺时针

水泵工况为反时针转轮直径：进口直径3886mm 3802 mm 出口直径2312mm 2090 mm 额定出力：水轮机工况306 MW 308 MW

水泵工况330 MW 330 MW 水轮机最大出力：306 MW 352 MW

水轮机额定流量：62.88m/s 65.95m/s

水轮机最大流量：68.7m/s 72.92m/s

水泵最大流量：60.03m/s 57.3m/s

水泵最小流量：53.73m/s 50.6m/s

水泵水轮机总重：450 t

转动惯量GD2: 3600t.m2

轴向最大水推力：正常运行时，水轮机工况1500 kN

水泵工况1500 kN

过渡工况时，最大向上3600 kN

最大向下4800 kN 蜗壳进水方向：与厂房纵向中心线成65º角最大飞逸转速：稳态700 r/min 690 r/min

瞬态725 r/min 725 r/min 安装高程：205m 205 m

最小淹没深度：-70 m -70 m

三．水泵水轮机结构

水泵水轮机为单级、立轴、混流可逆式，电动发电机为悬吊式，主轴有三个径向导轴承荷一个推力轴承。水导轴承布置在主轴密封德上方，下导轴承布置在电动发电机下机架上，上导轴承布置在推力轴承上方，推力轴承布置在电动发电机上机架上。

水泵水轮机由转轮、主轴、导轴承、主轴密封、座环、蜗壳、顶盖、底环、泄流环（基础环）、止漏环（迷宫环）、抗磨板、导叶及其操作机构、机坑里衬、机坑内环形吊车、尾水管等组成。

水泵水轮机的拆装采用中拆方式。水泵水轮机所有可拆部件包括转轮、主轴（包括中间轴）、水导轴承、轴承支座、顶盖、导叶、导叶接力器、导水机构、主轴密封装置等。

根据设备的结构特点和习惯，我们将水泵水轮机分成三大部分，即：转动部分，固定部分和埋入部分。下面就机组的各个部件的构成和作用分别作简要介绍。

1．转动部分

转动部分及其相关部件主要包括：转轮、主轴、中间轴、主轴密封、水导轴承等。转动部分是机组的核心组成部分，是水能转换成机械能/电能的关键设备。

1.1．转轮

转轮是实现水能转换的主要部件，它将大部分水能转换成转轮的旋转机械能，并通过水轮机主轴传递给发电机主轴及其转子，所以它是水轮机的主体，水轮机转轮的设计和制造水平，是水轮机质量的主要标志。

转轮由上冠、叶片（9片）、下环和泄水锥焊接而成，材料16Cr5Ni不锈钢，重量

34 t。转轮与上方的顶盖及下方底环和相邻的导叶形成完整的水流通道，作用是将水能/

机械能转换成机械能/水能。

可逆式水泵水轮机的转轮要适应两种工况的要求，其特征形状与离心泵更为相似。

高水头转轮的外形十分扁平，其进口直径与出口直径的比率为2：1或更大，转轮进口宽度（导叶高度）在直径的10%以下；叶片数少但叶片薄而长，包角很大，能到180°或更高。很多混流可逆式机组都使用6～7个叶片，近年来为向更高水头发展，使用到8～9片。因为可逆式机组的过流量相对较小，水轮机工况进口处叶片角度只有10°～12°，为改善水轮机和水泵工况的稳定性，叶片出口边经常作成有后倾角，而不是在一个垂直面上。

1.2．主轴/中间轴

主轴是水轮机的重要部件之一。其作用是承受水轮机转动部分的重量及轴向水推力所产生的拉力，同时传递转轮产生的扭矩。可概括的说成，水轮机主轴要同时承受拉、扭及径向力的综合作用。

水轮机主轴主要由上、下法兰及轴身三部分组成，上端与中间轴用螺栓联接，下端与转轮上冠法兰用螺栓和销钉套联接，联接螺栓是从定位销中间穿过，此法比较独特，螺栓数量为18个M90×6，螺栓的拉伸值为0.68mm，拉伸方法采用加热棒加热法。结构为整锻中空。材料：CK35N，主轴直径Ф990mm，长度为2700mm，水导轴承处Ф1280mm，重量23t。

中间轴为碳钢整锻，下方与水轮机主轴由18个M130×6螺栓联接，上方与发电机下端轴联接。中间轴重量14.5t。中间轴是为实现水泵水轮机组中拆而特别设计的。1.3．转轮拆卸方式

蓄能机组的转轮在大修时需取出进行修理，立式机组转轮的拆卸要牵涉很多其他重大部件的拆卸，实际上影响整个水泵水轮机以致电动发电机的总体结构设计。现在大型立式机组转轮的拆卸可以有三种方式：或将尾水锥管和底环以及转轮由下方取出；或取出一段中间轴并拆卸顶盖后，将转轮由机坑取出；或用传统方式，吊出电机转子并拆除顶盖后由上方取出转轮，以上三中拆卸方式分别称为下拆、中拆和上拆方式。我厂一期为下拆，二期为中拆。

1.4．主轴密封及检修密封

1.4.1．主轴密封

主轴密封紧靠水轮机主轴下法兰端面，在水导轴承下方由内顶盖支撑，密封形式为弹簧复位式流体静

封。其作用是有效

地阻挡水流从主轴

与顶盖之间的间隙

上溢，防止水导轴

承及顶盖被淹，维

持轴承和机组的安

全运行。

从其结构简图我们可以说明其工作原理，旋转抗磨环⑸直接把合在主轴⑴下端法兰