(本网讯)2011年8月5日下午，为纪念葛洲坝水利枢纽投产运行30周年，总结和展示葛洲坝工程建设与运行管理的成就与经验，促进水电开发和经济社会可持续发展，中国水力发电工程学会和中国长江电力股份有限公司共同举办的“水电开发与经济社会可持续发展——纪念葛洲坝水利枢纽运行30周年”主题论坛在葛洲坝水利枢纽工程所在地湖北宜昌隆重举行。 

　　本网做现场直播：http://www.hydropower.org.cn/zt/gzb30n/ 。 


　　东方电机股份有限公司总经理贺建华作主旨报告。

东方电机轴流式水电机组的技术发展与创新

东方电机股份有限公司  贺建华

　　一、概述

　　东方电机有限公司（以下简称“东方电机”）是我国大型发电设备制造的核心企业。以制造单机容量36MW辽宁下回龙山电站轴流式水轮发电机组为开端，东方电机发扬敢于拼博的精神，广大技术人员和工人同志在资料极其匮乏和设备条件不足情况下，在上世纪七十年代未研制成功了长江葛洲坝水电站170MW轴流式水轮发电机组,该机组1983年荣获全国优秀产品“金龙奖”,1985年荣获国家科学技术进步特等奖。

　　到2011年，东方电机共设计制造了轴流式水轮发电机组106台套，单机容量为170MW的葛洲坝轴流式水轮发电机组仍保持着目前世界上转轮直径最大的低水头立轴转桨式机组的记录，叙利亚迪斯林105MW轴流转桨式水轮发电机组为我国出口最大容量的轴流转桨式水轮发电机组。

东方电机研制的100MW及以上轴流转桨式水轮发电机组

 

　　二、葛洲坝水电站170MW轴流转桨式水轮发电机组的研制

　　长江葛洲坝水利枢纽工程是由毛主席亲自批准，周总理亲自过问的重大水电工程项目，是长江干流上第一个大型工程，是长江三峡工程的组成部分。

　　葛洲坝工程的特点是水头低，装机容量大。经过多次的调查、讨论，确定葛洲坝电站采用轴流转桨式水轮发电机组，并要求设计制造尽可能大的机组。我国当时的设计制造能力与这个要求同有很大差距。我国曾生产过的最大的轴流转浆式机组是转轮直径8 m的60MW机组。如果对葛洲坝电站采用8米直径、容量约为70MW的机组，要装30-40台。这样多的机组不仅增加了材料消耗和制造的工作量，而且给工程的布置带来难以克服的困难。要想达到预期的装机容量，只有向两岸开山，投资将大大增加，对电站的运行、检验等管理工作也会带来很多不便。因此，设计制造大型机组对葛洲坝工程的意义是重大的。经过研究，葛洲坝轴流转桨式水轮发电机组单机容量被确定为170MW和125MW两种。电站准备安装2台170MW机组和19台125MW机组。2台170MW机组由东方电机负责研制。

　　当时的东方电机在国内机电行业还处于名不见经传的位置，能参与到葛洲坝这样的国家重点工程中，无疑是一次难得的机遇和挑战！从那一刻起，面对这场关乎荣誉和梦想的挑战，地处西南一隅的东方电机，便走上了一条艰难的自主创新的征程。

　　葛洲坝机组总高48米，如果把它看作一幢大楼，大约有15层。总重量4200多吨。水轮机转轮直径11.3米，四叶片水轮机转轮比南斯拉夫铁门电站同类型世界最大机组转轮还要大一米。机组名义出力170MW，额定出力176 MW，与世界同类最大机组基本相等。像这样的特大型机组，以东方电机的实力能完成吗？怀疑的眼光和反对的声音铺天盖地。勇于创新、敢于探索的东电人此时表现出了可为天下先、敢为天下先、能为天下先的英勇气魄和无畏精神，向上级部门立下了军令状：一定完成这项光荣而艰巨的任务，为中国争光！

　　自主设计制造170MW轴流转浆式机组在我国还是首次。因此，在机组设计和制造过程中，不可避免地面临着许多新的关键性的技术难题。例如，四个叶片、轮毂比为0.4的水轮机转轮能不能提高使用水头，怎样保证负荷为3800t的大型推力轴承安全可靠地运行，在大型轴流式机组上如何防止反水锤抬机等等，都是决定机组研制成败的关键问题。

　　东方电机在接受了2台170MW机组的试制任务后，为了保证机组将来运行稳定可靠，以科学的态度采取了三大步骤：一是对原来联合设计的图纸进行了一丝不苟的全面复查、校核；二是进一步加强科学试验，先后同40多个大专院校、科研所、设计、生产、电站等单位合作，进行了55项重大科研项目的试验研究；三是加强生产准备，抓技术措施计划的实施，以确保加工的顺利进行。

　　1970年以来，在国家有关部局的领导和组织下，东方电机将自主创新开发和联合攻关取得的45项科学成果用到了机组的设计制造上。机组的主要结构性能取得了中间机组的试验数据和长期运行的考验；主要的零部件都有了可靠的强度和刚度的计算数据和试验数据，为机组的安全、长期满发提供了可靠的基础。

　　170MW葛洲坝轴流转桨式水轮发电机组于1976年在东方电机投产试制，1979年、1980年先后完成了第一台、第二台的试制任务。1981年2月，第一台机组的试制开始同位安装，同年7月投入试运行。1981年12月27日，经国家启动验收委员会检查验收，两台机组正式移交电厂并网发电。经过30年的实践考验，证明机组的设计和制造是成功的。

　　三、东方电机轴流式水轮机水力开发技术

　　轴流转桨式水轮发电机组作为水力发电的主要机型之一,在东方电机的科研开发和生产中占有十分重要的地位。在上世纪九十年代，东方电机设计生产了葛洲坝大机、葛洲坝小机、万安、大化、铜街子、迪斯林等几十台转轮直径达7m及其以上的电站机组，其中葛洲坝大机转轮直径达11.3m,迄今仍居世界之最，东方电机在轴流转桨式水轮发电机组的制造方面取得了良好的业绩。

　　为满足新建电站或老电站增容改造的要求。自2000年以来，东方电机加强了对轴流转桨式水轮机的水力设计、模型加工及模型试验工作，通过葛洲坝电站增容改造、沙湾、万安、巴江口、喜河、土卡河、洛富明、斯瑞博等电站轴流式水轮机的水力开发和试验研究，东方电机在轴流转桨式水轮机的水力开发、模型试验及装置加工上迈上了一个新的台阶，轴流转桨式水轮机水力开发达到了国际先进水平。

　　1 东方电机轴流式水力设计技术的进步和创新

　　东方电机水轮机水力设计技术的大幅度提升是和三峡电站建设紧密联系在一起的。以三峡电站建设为契机，国内发电设备制造企业成功引进主要针对混流式水轮机水力设计的CFD技术，东方电机经过不断摸索、二次开发和技术创新，将CFD技术应用于轴流式水轮机水力设计，提升了轴流式水轮机的水力设计水平。

　　在轴流转桨式水轮机水力设计及试验研究方面，东方电机抓住了以下几个关键：

　　（1）   叶片几何设计及CFD流动分析结果的优劣评判标准已经完善，这是通过大量的转轮设计和模型试验结果，并通过真机的成功运行经验总结而来的。

　　（2）   在如何提高转轮的能量性能及改善转轮的空化性能方面有了较为可靠的设计思路。

　　（3）   转轮和尾水管的最佳水力匹配、转轮和蜗壳及导水机构的最佳水力匹配的相关设计经验得到升华总结，使得轴流转桨式水轮机的整体水力性能得到较大提高。

　　2 东方电机轴流式水轮机水力设计技术创新前后性能参数的对比

　　近十年来，东方电机设计研发了具有完全自主知识产权的多个轴流式转轮和相应水力通流部件，这些转轮已经陆续使用到国内外许多电站，获得业界的一致好评。下表是东方电机轴流式水轮机水力设计技术创新前后试验参数的对比数据。

轴流式水轮机水力设计技术创新前后转轮同台对比性能参数试验数据

 

　　从上表可以看出，东方电机最近新研发的转轮，在效率水平上有了大幅度的提高，最优效率提高了3～4%,大流量区的效率提高了近8～10%；空化性能方面，新转轮在保持较高的效率水平和稳定性同时，较之老转轮也有不同程度的提高。新研发的转轮完全可以满足新建电站或老电站增容改造中枯水期通过提高效率、丰水期通过增大流量从而获得尽可能多的电能的要求，为电站带来实实在在的经济效益。

　　3 量体裁衣式的水力设计技术使轴流式水轮机水力研发更趋于完善

　　量体裁衣式的水力设计已经成为东方电机轴流式水轮机水力开发的固有模式。每个电站有每个电站的特点，它的运行水头、土建挖深、泥沙含量、流道控制尺寸以及电站对于不同季节的出力、空蚀和稳定性要求等均会呈现多样的特点，东方电机水力设计工程师根据电站的诸多情况，有针对性地开展水力设计，力求最大化地满足电站的实际运行要求。

　　在四川铜街子电站的增容改造中，电站要求除在额定水头31m时水轮机额定出力由154MW增大到178.57MW外，重点强调如何提高枯水期时的发电量问题。针对枯水期电站处于高水头运行的实际情况，东方电机在水力设计中有意识地降低了设计点的单位转速，对高水头低单位转度的不同流量区域进行详细的流动分析计算，最大限度地降低水力损失。2010年底，东方电机顺利通过了铜街子电站业主及专家的水力模型验收试验。试验结果表明，新开发的D642转轮，较之改造前各项水力性能参数有了大幅度的提高，特别是高水头区域，效率水平提高了4%左右，切切实实为电站在枯水期带来了较多的电能收益。

　　在黄河上游青铜峡电站的增容改造中，电站要求在保持一定增容幅度的前提下，重点解决如何改善电站的泥沙磨损和空蚀破坏的问题。东方电机对青铜峡电站水轮机的固定导叶、活动导叶、转轮体，特别是叶片，进行了详细的CFD分析，在水力设计中关注的关键之处就在于优化与泥沙磨损相关联的性能。设计中重点考虑以下几个方面：

　　（1）   在最危险工况点，尽最大可能降低过流部件表面的相对流速；以叶片为例，在低水头最大保证出力点，叶片表面最大相对流速从33m/s 降低到约31m/s,相对流速降低了6.0%，叶片的磨损强度与相对流速的2～3次方成正比，该区域的磨损强度将较原转轮减小12～18%。

　　（2）   在整个运行区域内，尽量消除叶片进水边进口的正冲角和负冲角，减小叶片头部脱流，从而改善叶片头部区域的泥沙磨损；

　　（3）   叶片流线的曲率变化尽量平缓，避免逆压梯度的出现，叶片出水边区域增大一定厚度 ，从而有效缓减泥沙磨损带来的损害。

　　优良的水力设计加之叶片表面材质的有效处理以及结构设计的共同努力，青铜峡电站投运发电至今，取得了良好的效果，业主给予了高度评价。

　　4 东方电机轴流式水轮机水力研发取得的成效

　　近十年来，东方电机轴流式水轮机水力研发获得了不同层次的多项奖励，其中“陕西喜河、云南土卡河电站轴流式水轮机水力开发和模型试验研究”项目获得中国机械工会联合会2005年度技术创新奖励，同时获得东方电气集团科技进步一等奖；“四川沙湾电站轴流式水轮机水力研发”获得四川德阳市金桥工程奖，并获得东方电机重大项目奖；“轴流式水轮机方蜗壳及导水机构CFD分析优化” 获东方电气集团科技进步三等奖，“葛洲坝水轮机转轮水力开发和模型试验研究”获东方电机科技进步一等奖。

　　通过近十年的艰苦努力和不断创新，东方电机在轴流式水轮机水力研发方面取得丰硕成果。水轮机转轮核心技术的技术储备趋于丰富和完善，近十年投运的十多台电站机组运行稳定、出力充沛，社会效益和经济效益显著。

　　四、东方电机轴流式水轮发电机组设计技术

　　1 水轮机设计技术

　　轴流转桨式水轮机由埋入部分、导水机构、主轴装配、转轮装配、轴承装配、密封装配、受油器装配、接力器装配和水气管路等组成。

　　1.1  埋入部分

　　埋入部分由尾水管肘管里衬、锥管里衬、座环、基础环、转轮室、机坑里衬、地板和地基等组成。

　　尾水管肘管里衬和锥管里衬为钢板焊接结构，尾水管进人门设置在锥管或转轮室上。座环由上环和固定导叶螺栓把合组成，采用合金钢结构。

　　在座环与蜗壳相接处，设有带圆弧的导流板。座环下环设有地脚螺栓以承受顶盖传递点水压力等；受运输条件的限制，座环采用分瓣结构，其结合面已精加工，工地把合成整圆后封焊；对于大型轴流式机组座环采用上环板与固定导叶把合方式，固定导叶下部直接与基础把合，基础上预埋的把合固定导叶用地脚螺栓采用模板定位。

　　机坑里衬由钢板焊接而成，外壁设有环筋，竖筋和拉筋。机坑里衬的设有进人门，一般在第二象限和第四象限的45°方向对称布置有2个接力器坑衬。

　　座环下面设有基础环，转轮室位于基础环相接，基础环和转轮室外均设有足够的加强筋。为方便运输，基础环和转轮室均为分瓣结构，工地把合成整圆。基础环和转轮室的过流面为不锈钢板制造，以增加其抗空蚀和抗磨损能力。

　　1.2  导水机构

　　导水机构由顶盖、支持盖、导叶、底环、控制环及传动机构组成。采用传统的控制环通过连杆带动导叶臂转动操作导叶机构。

　　受运输条件的限制，顶盖、支持盖、底环、控制环均为分瓣结构，运输到工地组合成整圆。顶盖和支持盖在工地组合成整圆后封焊。顶盖及底环的导叶端面关闭处设有不锈钢板抗磨板和金属密封，以增加其抗空蚀能力和减少漏水量。导水机构设有具有有自关闭趋势的导叶，导叶的搭接处焊有不锈钢板以便导叶关闭严密，每个导叶均设有剪断销装置，当剪断销破坏时能自动报警。

　　支持盖上设有一个进入门，以方便进入流道，真空破坏阀也布置在支持盖内。另外，支持盖上还装设一个锁锭装置，用于停机检修时将控制环锁在全关位置，确保安全。

　　1.3  转轮装配

　　转轮由叶片、转轮体和操作机构等组成，转轮体材料采用铸钢ZG20SiMn，叶片材料为铸造钢ZG06Cr13Ni4Mo，叶片采用内外裙边结构，以减少磨损和提高叶片的抗空蚀能力，并提高叶片工作的可靠性。传动结构采用可靠的带操作架结构或缸动结构，叶片密封采用双向多层的“V ”型密封，密封件采用机械加工而成的耐油耐水聚氨酯，可防止漏油或转轮体内进水，转轮接力器缸与活塞间采用组合密封结构，不再采用传统的活塞环结构。

　　1.4  主轴及操作油管

　　水轮发电机组采用分段主轴结构，轴下接转轮，上接发电机轴。水轮机主轴采用锻钢20SiMn精加工制成。主轴为中空轴结构，其内设有分节的操作油管，主轴与转轮连接采用螺栓结构，销子传递扭矩。

　　1.5  导轴承

　　水导轴承采用非同心分块瓦稀油润滑的结构，每块轴瓦均采用楔子板调整间隙，运行时不甩油、不漏油，具有运行可靠，安装、调试、维修方便等特点，工地不需要刮瓦，并备有油温、瓦温的自动检测装置。

　　1.6  主轴密封

　　采用端面水压密封装置，在环状密封块端面中间槽内通有润滑清洁水，阻止泥沙进入密封内，减少密封的磨损，增加密封的可靠性。在机组检修时，配置有充气式空气围带检修密封装置。

　　1.7  导叶接力器

　　一般组设置2个接力器，额定操作油压为4.0MPa或6.3.0MPa，两个接力器采用平行式布置，能保证正常情况下导叶的灵活操作，接力器内的密封件均采用油压行业的组合密封件。

　　1.8  受油器

　　受油器设有二个浮动密封环，将调速器操作叶片动作的压力油引入操作油管和接力器。为防止轴电流，在与发电机相连部位设有绝缘垫和绝缘套等。受油器上还设有观察孔、转轮接力器行程和叶片转角指示板等。

　　2  发电机开发技术

　　通过三峡和抽水蓄能打捆项目的技术引进和消化吸收，东方电机全面提高了水轮发电机设计能力,掌握了水轮发电机关键技术，并广泛应用在轴流式水轮发电机上。

　　2.1  电磁与通风冷却技术

　　通过技术引进和消化吸收，东方电机全面提高了水轮发电机电磁设计能力，现已具备独立设计单机容量1000MW级及以上水轮发电机的能力。在电磁参数的选取上特别是在大型发电机电磁振动噪声的系统分析解决和预防方案上具有独特的技术，处于国际先进水平。

　　发电机通风冷却方面，东方电机是目前世界上唯一一个掌握了单机容量700MW级空冷、水内冷以及蒸发冷却系统设计技术并涵盖了产品的企业，其中蒸发冷却技术是我国居于国际领先水平并具有自主知识产权的技术。

　　通风计算采用专业仿真分析软件快速有效的建立精确的机组通风系统模型，对流体系统（含液压系统）进行稳态和瞬态分析，同时对重点产品可以进行三维的流场、温度场的数值耦合仿真分析。在计算手段和计算准确性不能满足产品开发的阶段，模型试验是一种很重要的手段。东方电机近年来先后针对600MW～700MW级巨型空冷发电机通风系统设计建造了1：7及国内最大的1：4.8比例的通风模型，对产品开发起到了重要作用。同时，结合真机试验结果的验证和修正，大大改进了通风计算的准确性。

　　2.2  绝缘技术

　　东方电机已具备自主生产额定电压为20kV、额定容量为700MW级的水轮发电机的能力，正在研制额定电压为24～26kV、额定容量达1000MW的巨型水轮发电机，绝缘结构的最高工作场强已达到3.2kV/mm，整体绝缘技术已与世界接轨或同步，并具备多胶模压、VPI两套体系。

　　2.3  轴承技术

　　东方电机采用三维热弹流和CFD对推力轴承进行润滑计算和流场分析，准确性较高。同时新建了高速推力试验台，对巨型水轮发电机组开展模型研究。

　　2.4  独有的结构设计

　　东方电机通过52年的积累，在水轮发电机结构上形成了独有的特点。如定子铁心复合压板、定子集中绕组、定子换位、转子磁轭复合弹性键、弹簧束支撑等。这些结构已经广泛成功应用在轴流式水轮发电机上。

　　五、结论

　　2011年，东方电机研制的葛洲坝大机已经成功投运了30年，通过技术的不断发展和创新，东方电机在轴流式水轮发电机组的开发上取得了长足的进步，总体技术开发能力达到国际先进水平。

　　东方电机轴流式水轮发电机组的不断进步，得益于国家的扶持，产学研科技攻关，更是与业主长期以来对东方电机的支持分不开的，

　　今后，东方电机将紧跟行业科技发展前沿，积极推进企业技术创新，加强与。业主的交流与沟通，为用户提供更加优质的产品。