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1、水轮机挂治水电厂机械专业培训讲义第一章 水轮机培训教材一、概述挂治水电站位于沅水干流上游河段清水江的中下游，坝址位于贵州省黔东南苗族侗族自治州锦屏县境内，是沅水规划梯级的第3级，上距三板溪水电站18km，下距锦屏县城7km。本工程以发电为主，兼有改善航运条件等综合利用要求。挂治水电站为低水头河床式电站，具有日调节性能，电站正常蓄水位322.00m，相应库容4184万m3，死水位320.00m，调节库容710万m3。50年一遇设计洪水位为323.52m，500年一遇校核洪水位为326.46m，水库总库容5859万m3。电站总装机容量为150MW，采用3台单机容量50MW的ZZLH595轴流转桨式

2、机组。电站保证出力42.5MW，多年平均年发电量4.021亿kWh，装机年利用小时数2681h。挂治水电站枢纽主要由溢流坝、河床式厂房、两岸非溢流坝及消力池等建筑物组成。坝顶高程327.00m，最大坝高44.00m，坝顶长317.10m。枢纽布置采用右厂左坝布置方案，即混凝土溢流坝，布置于左侧主河槽内，厂房布置在右侧漫滩上；左右坝头采用混凝土重力坝与岸坡衔接；消力池分为左深右浅两区。电站按“无人值班”（少人值守）原则设计，所有合同设备均应满足“无人值班”（少人值守）的要求。二、水轮机结构数据表一： 转轮名称参数标称直径：5800mm进口直径 5800mm最大外径 5150mm转轮总高 3543

3、mm叶片数5材料 ZG20SiMn表二： 主轴名称参数材料锻钢20SiMn主轴长度 6960mm主轴直径1050mm主轴法兰直径 1978mm主轴重量 44t表三： 主轴密封名称参数主轴密封材料 橡胶主轴密封形式活塞式端面密封和平板密封主轴密封冷却与润滑水量 60L/min主轴密封冷却与润滑水压 0.150.25MPa主轴密封水质要求 清洁水主轴密封用压缩空气A、最高气压0.7MPaB、最低气压 0.5MPaC、用气量 3L/次主轴密封漏水量不大于 30L/min主轴密封使用寿命不小于 35000h 表四： 导轴承名称参数型式 稀油润滑分块瓦轴承材料 ZSnSb11Cu6轴承体材料ZG20Si

4、Mn轴瓦数目12轴瓦设计间隙0.380.43mm尺寸（外径高） 1400315mm宽径比L/Dp0.025轴承最大面压MPa0.76重量 14t冷却水量50L/min冷却水压0.20.3MPa冷却器压降 0.03Mh2O冷却器设计压力MPa冷却器试验水压 MPa冷却器试压时间 30min用油量 1.7m3； 用油牌号：LTSA46表五： 座环名称参数材料TSTE355 Z35 ZG20SiMn外径9920mm内劲6640mm高度 320mm固定导叶数12分瓣数4每瓣尺寸 992065003770mm重量23.5t总重量 94t底环名称参数材料ZG270-500外径7750mm内径5935mm高

5、度 320mm分瓣数4每瓣尺寸 7750mm5935mm320mm重量4.25t总重量 17t表六： 顶盖 名称参数最大直径8110mm高度 780mm厚度20mm分瓣数2每瓣尺寸 81106100780mm每瓣重量 16.5t总重量33t顶盖排水设备自吸式离心水泵潜水泵排水泵型号 QX2591.1扬程 9m流量417L/min电动机型号 Y100L8/1.1电机功率 1.1KW电压380v台数 11表七： 导叶名称参数材料ZG20SiMn尺寸（长宽高）2320742170mm导叶瓣体高度3340mm导叶高度2320mm导叶个数24导叶重量1.5t/个表八： 接力器名称参数材料 Q235布置型

6、式 对称数量 3工作容积0.07m3/个接力器活塞直径350mm接力器行程 599mm设计压力 6.3MPa试验压力 9.5MPa试验时间30min重量 4t/个接力器进排油管径 100mm表九： 支撑盖名称参数材料Q235-A外径6420mm内径3500mm高度 982mm分瓣数2每瓣尺寸 6420mm3500mm982mm重量12.5t总重量 25t表十： 导流锥名称参数材料外径4017mm内径1715mm高度 2560mm每瓣尺寸 401717152560mm重量4.25t表十一： 尾水管名称参数里衬材料 Q235尾水管尺寸高度16210mm宽度 10888mm锥管进口直径5747mm

7、锥管高度 6860.8mm肘管出口尺寸 （宽度高度）110204805mm扩散段出口尺寸 （宽度高度） 890011500mm尾水管里衬厚度 20mm尾水管锥管厚度 25mm尾水管里衬长（从机组中心至里衬出口末端）17100mm尾水管里衬总重量 9740t表十二： 机坑里衬名称参数材料Q235内径8300mm壁厚 mm高度5380mm瓣数4重量14t表十三： 环形吊车名称参数起吊重量5t电动机功率 1.55KW表十四： 水轮机设备基本数据名称参数水轮机额定功率WM额定水头20.7m最大水头 25.29m最小水头12.9m最大上游水位323.44m额定上游水位 320m下游正常水位299.457

8、m（Q7500m3/s）下游设计水位297.70m（Q255m3/s）导水机构中心线高程 293.0m 表十五： 水轮机设备基本规格名称参数水轮机型号ZZ(ZK52)LJ580额定水头20.7m下 51.5MW( Q270m3/s）最大水头25.29m下 51.5MW( Q219.8m3/s）最小水头12.9m下 31.8MW( Q280m3/s）额定转速 115.4rpm飞逸转速 315rpm旋转方向 俯视顺时针最大轴向推力 6550KN吸出高度 HS4.54m导叶有效关闭（两段关闭）时间 13s三、水轮机结构水轮机型式为轴流转浆式，混凝土蜗壳，包角为201.73o，设计有一进口中墩，蜗壳平

9、面最大宽度为18.184m；弯肘型尾水管，用微机电液调速器控制机组运行。水轮机包括尾水管里衬、蜗壳、基础环、底环、座环、固定导叶、导叶和导水机构、导叶接力器、顶盖和支撑盖、导流锥、补气装置、蜗壳、转轮、主轴、导轴承、主轴密封、机坑里衬、机坑内电动起吊装置和基础埋件等。导水机构包括调速器环、连杆、拐臂、分半键、导叶、导叶上、中、下轴套、付拐臂。 1、埋入部件埋入部件包括尾水管及里衬、转轮室、座环、蜗壳进人门和机坑里衬以及上、下衬板等。（1）尾水管及里衬尾水管的作用是使转轮的水流排入河床，减少水头损失。尾水管肘管采用Q235-A钢板焊接制成。尾水管型式为弯肘形，水平扩散段设有1个中墩，在中墩的头部

10、设有护衬板，即中墩护头，并设有加强筋以保证强度和钢度。尾水管最大宽度为16.848m。尾水管进口距转轮中心2m处设有4个不锈钢测压测头，测量尾水管真空度；距离转轮中心5.8m处设有2只不锈钢测压测头，测量压力脉动；尾水管出口设置6个测量尾水压力的不锈钢测压头。尾水管直锥管段里衬采用16mm的Q235钢板焊接制作，里衬成圆锥形。尾水管里衬锥管上设有外开式进人门，孔口尺寸为600mm。下部设有检查尾水管内积水情况的阀门。设有一套尾水管内的可以拆卸式转轮检修平台。尾水管提供一只600mm的液压操作盘形阀，排水阀设有可靠的密封，以便排空尾水管内积水，方便检修。尾水管里衬与转轮之间设有凑合节，其长度为5

11、00mm的不锈钢锥体。（2）转轮室转轮室由钢板压型并焊接而成，有足够的厚度、强度和钢度，外部有足够的加强筋板。转轮室与叶片相关的部分为球面，易于产生间隙气蚀的喉管部分用不锈钢材料，转轮室与叶片的间隙为2.5mm3.8mm之间。转轮室为分瓣结构，其内表面粗糙度要求6.3m。把合面用螺栓连接。转轮室下部里衬为S135不锈钢材料制造，以提高其抗磨蚀能力，其余部分为Q235-A制造。（3）座环座环的作用是承受整个机组及其上部混流土重量及水轮机轴向水推力，以最小水力损失将水流引入导水机构，机组安装时以它为基础。它即是承重件，也是过流件，还是基准件，因此必须有足够强度，刚度和良好的水力性能。座环采用了蝶形

12、边平行式的钢板焊接结构，由上环、下环和一二只固定导叶组成。分为4瓣,座环应有足够的强度和刚度，以保证当蜗壳充水和放空时支承传递到其上部的所有重量，在水轮机所有运行工况时的最大水压力下，无有害变形。固定导叶由ZG20SiMn整铸而成，必须是流线形的。在水中固定导叶的自然频率在任何运行工况下与旋涡频率不会发生共振，填实座环下面的混凝土，在座环上设置了灌浆孔和排气孔。在现场安装时为了使用千斤顶和系紧拉杆，座环还设置了适当数量的垫片和连接件。为浇捣混凝土的需要，座环定位和固定座环位置使用了系紧拉杆、松紧螺丝、支架和千斤顶等。座环上设置有能排除水轮机机坑的渗漏水，在蜗壳未端设排水管，排水管管径不小于15

13、0mm，以便把水轮机机坑的渗漏水自流排到电站的集水廊道。并在排水通道进口处装设可拆卸的拦污网，以防止排水通道和管路堵塞。为了调整座环对水平、园度和同心度的要求，厂家提供了一套支臂可调的测量工具。使其达到设计要求。（4）蜗壳蜗壳的作用是使进入导水叶以前的水流形成一定的旋转，并轴对称地，均匀地将水流引入导水机构。蜗壳为型段面混凝土蜗壳，包角为201.73，设有一个中墩，蜗壳平面最大宽度为18.184m。蜗壳设置了一个不小于650mm的进人孔门，装有向外开的门铰链，铰链销子材料为不锈钢，并有足够的间隙。为了密封的目的，在门框上设有不锈钢带帽螺丝与O形橡皮密封环或其它相当的密封结构，门的内表面应与蜗壳

14、的内表面齐平。下部设有检查尾水管内积水情况的阀门。蜗壳进口最低处设有一个DN400mm的液压操作盘形排水阀，其操作油压为4.0MPa。蜗壳上游进口部分设置6个不锈钢测压管的测孔，以测量蜗壳进口压力。在蜗壳X轴偏向Y轴60断面设有5个不锈钢测压计测头，以测量蜗壳末端水压力。测压管均采用DN20的不锈钢管制作。（5）蜗壳与座环连接上、下衬板上、下衬板分块制作，在工地焊接，过流面焊缝打磨光滑。(6 ) 机坑里衬机坑里衬为结构件，用钢板焊接而成，分块运至工地焊接，外壁设有环筋、竖筋和拉筋，浇筑在机坑混凝土内，里衬设有进人门和两只排水泵坑衬。2、导水机构 导水机构主要有24只活动导叶、顶盖、支撑盖、导流

15、锥、底环、导叶轴套、控制环以及转动机构组成，用三只接力器操作，改变其导叶开口以调节流量。（1）导叶和控制环控制环采用钢板螺环把合结构。控制环底面和侧面装有环向抗磨板，抗磨板具有自润滑性能，不需要润滑油系统。连杆和接力器的推拉杆的连接处有自润滑的轴衬。控制环能把接力器的操作和力矩同时地分配给所有导叶。导叶操作机构的部件包括接力器杆、导叶控制环、拐臂、连接板、活动导叶、自润滑轴承和销。连接板偏心销6575（偏心值为6mm）。导叶轴颈的轴承为自润滑式，每一个导叶设置一个可在垂直方向调节的自润滑推力轴承，这些导叶推力轴承也可以与导叶的导轴承组成一个整体，导叶推力轴承和附件应防止由于运行时水力或机械力的

16、作用，引起导叶与抗磨板之间的过分挤压。导叶轴颈通过顶盖处的导叶轴套内装有切实可靠的导叶轴颈密封。导叶最大开口应留有不少于5%的裕量。导叶保护装置配有动作信号监测系统，当保护装置动作时发出指示和报警的电气信号。提供给水轮机坑内所有需要的触头和导线，信号导线接到水轮机端子箱内。导叶密封装置： 顶盖与座环的上部连接，底环固定在座环的下部，形成流道并支持导水叶。顶盖和底环、抗磨板处装有可进行拆卸和更换的金属导叶密封以减小通过导叶顶端和底部间隙的渗漏。该金属密封带有橡胶块，以保证与导叶端部的接触密封。密封应延伸至导叶杆，完全地密封住与导叶端部之间的间隙。（2）传动机构导水机构的操纵机构的作用是在压力油作

17、用下，克服导叶的水力矩及传动机构的摩擦力矩，形成对导叶在各种开度下的操作力矩。导水机构的作用是形成环量，以保证水轮机高效率地进行能量转换；调节流量，以适应负荷变化的需要开停机。导叶的操作机构采用弯曲连杆的形式，当发生事故产生异常作用力时，通过弯曲连杆进行自保护，并通过一套弯曲连杆信号装置自动报警，而其余的导叶仍可以关闭，避免了采用剪断销结构发生剪断的现象。导叶的里面间隙由连杆的长度通过偏心销来调节，其两端设有自润滑的球铰轴承。（3）顶盖与支撑盖顶 盖： 水轮机顶盖的作用是与底环一起构成过流通道，防止水流上溢；支撑导叶，传动机构以及操作机构；支撑导轴承以及其它附属装置。顶盖排水设施，将上迷宫环漏

18、水排入尾水管内，以减少水推力；顶盖设置有足够容量的2台电动排水泵，可在最高尾水位下，当空心固定导叶排水受阻时排除顶盖积水。排水泵为潜水泵。顶盖应保证各部分的连接整体有足够的刚度，能安全可靠地承受最大压力，水推力和所有其它作用于它上面的力，以及支承导水机构、导轴承、轴承支座等部件，而不会产生过大有害的变形。顶盖用的螺栓和定位销连接到座环的法兰上，并设有顶起顶盖的专用螺孔。顶盖应保证各个部分和组合整体的刚度以减少机组整个运行范围包括在最大飞逸转速下连续运行的振动。为了与导叶上轴颈配合，在顶盖上设有自润滑可拆卸的轴承（上轴套）。顶盖上设置有止漏环间隙检查孔，足够数量的测压孔以便测量转轮与活动导叶之间

19、、转轮与顶盖之间的压力或压力脉动。以及足够数量的强迫补气接口和管路。顶盖和底环采用钢板焊接结构，并具有足够的强度和刚度。分瓣组合用螺栓把合，顶盖和底环设置有不锈钢抗磨板。支撑盖采用Q235-A钢板制作，在支撑盖上4990位置设置3个300真空破坏阀，以便事故停机时向顶盖下补入空气，防止机组抬机。真空破坏阀不向外溢水渗水，阀杆为不锈钢。在支撑盖上5650位置，设有4只不锈钢测压头，以便测量导叶后的压力。在与支撑盖联结的导流锥上设有可拆卸的为防止抬机摩擦的聚氨脂橡胶板。为了保证水轮机在导叶部分开启的工况下稳定运行，水轮机设置了大轴中心孔自然补气装置，自然补气装置能自动开启和自动停止。自然补气装置应

20、动作灵活可靠。并尽可能减少由于自然补气而导致水轮机效率降低。尽量不采用强迫补气方式，但可需在顶盖预留强迫补气孔和相应管路。补气系统应有排水措施，补气入口应有消音或隔音装置。（4）导流锥（5）底环底环可安全地支承最大水压力和所有作用在其上面的其它负载，而不产生有害的变形。底环置于基础环上，用螺栓及一定数量的定位销钉与基础环连接，并能从座环和基础环上拆卸。为了与导叶下轴颈配合，在底环上设置有自润滑可拆卸的轴承（下轴套）。在顶盖和底环上装有不锈钢固定止漏环，它与转轮上的转动止漏环相匹配并且硬度不同，硬度差不小于布氏硬度40点。固定止漏环可进行更换。在顶盖上设有一定数量的检查孔，以便在顶盖和转轮之间的

21、环形间隙能方便检查和测量其间隙值。顶盖和底环与导叶上、下端面对应部位设置了可拆卸和更换的抗磨板。上、下抗磨板能完全复盖导叶的摆动区域。抗磨板用不锈钢制造，用不锈钢螺栓固定，螺栓应与抗磨板齐平，抗磨板的厚度应保证在其表面微小损伤时、现场进行补焊而不致于引起板的变形，且加工后板厚不小于18mm。（6）导叶接力器每台水轮机设置3个油压操作的直缸活塞式导叶接力器，操作接力器的压力油来自调速器系统，油压为6.3MPa。接力器具有足够的容量，以满足在带最大负荷时操作导水叶的需要。接力器活塞必须有足够的行程，以保证导叶从全关到全开所需的全部开度和留有的开度裕度。在最小有效油压下，接力器的总容量可满足于导叶承

22、受最大水力矩（包括任何水头、出力和暂态条件下），调速器按规定的导叶关闭或开启时间内驱动导叶全关和全开行程的需要。接力器支座：直缸接力器布置在机坑里衬上游侧内专设的接力器支座上，支座必须是机坑里衬的一个部分，接力器的反作用推力通过机坑里衬传送到周围混凝土上。以防止在接力器操作时发生滑动或摆动。导叶接力器： 导叶接力器的作用是调速器的执行机构，利用来自配压阀的压力油驱动其活塞，从而达到控制导叶的目的。接力器缸和盖采用钢板制造，并装有密封结构以防止漏油，所有操作油口在接力器缸上方，接力器设双层活塞环，以达到通过活塞的漏油最小，接力器活塞杆应镀鉻。每一个接力器缸两端设置有排油和排气的阀门和管道，并配备

23、有全套管道配件和阀门以及从接力器缸排除空气用的2个针阀。接力器缸两端设有压力计。直缸式接力器在靠水轮机主轴端有可拆卸的盖。接力器必须进行150%设计压力并保持30min的油压试验。旁通管和管道连接：接力器设置有缓冲装置，以延迟活动导叶从空载开度向全关位置的关闭速率。旁通连接管配置有止回阀，防止从全关位置开启导叶时不灵敏。回复机构连接：调速器回复机构连接到接力器推拉杆或控制环上。把导叶位置信号传递给调速器的电磁电气反馈装置。传递反馈信号的导线并引至水轮机层端子箱。慢关闭装置：每个接力器装设可调缓冲节流装置，以改变导叶空载到全关位置的关闭速度。但该缓冲装置不应限制空载和全开导叶位置之间的正常移动速

24、度及开启速度。2套锁定装置，一套在导叶关闭位置自动锁定，另外两套在导叶全开位置和关闭位置手动锁定。每一套装置都能承受导叶可能受到的最大水力矩加上调速器最大工作油压时通过接力器传递给锁定装置的力。3、转动部分 转动部分包括转轮、主轴、操作油管、水导轴承、主轴密封和受油器等部件。（1）转轮转轮主要有以下几个部分组成：转轮体、叶片、枢轴、拐臂、操作机构及泄水锥。转轮采用缸动式结构，这种方式能够使操作油管不产生轴向运动。转轮与主轴采用螺栓联结，径向销传递扭距方式。转轮的作用是实现水能转换的主要部件，它能将水能的绝大部分转换成转轮及轴的旋转机械能，并通过水轮机主轴传递给发电机主轴及其转子。因此转轮是水轮

25、机主体，水轮机转轮的设计，制造是衡量水轮机制造水平的主要指标。水流通过转轮叶片组成扭曲型流道时，将水流本身所具有的压能和动能变为叶片旋转的机械能，主轴将机械能传给发电机，由发电机将机械能转换成电能输送给电网。水轮机工况：水轮机在非最优工况运行时，在低水头，小负荷时，由于出口水流非法向流动，形成涡带，涡带聚裂扰动，将引起汽蚀振动。尾水管中空腔汽蚀严重时，引起负荷摇摆和机组低频垂直振动。为了降低汽蚀破坏和减轻振动，往往采用向尾水管进口或叶片出口边补气的措施。（2）主轴及操作油管主轴的作用是承受水轮机转动部分重量及轴向水推力所产生的推力，同时传递转轮所产生的扭矩。所以水轮机主轴要同时承受拉、扭及径向

26、力的综合作用。水轮机主轴采用双法兰中空薄壁轴，主轴整锻结构，材料为锻钢20SiMn，法兰外径1978mm，轴身外径1050mm，内孔直径550mm，长度6960mm，重量44t，主轴下法兰用20M1104螺杆与转轮联接，上法兰用20M1104螺杆与发电机轴法兰联接。螺杆的预紧采用液压拉伸器拉紧。联接螺杆的材料为高强度合金锻钢。主轴内操作油管分段制作，上端联结受油器操作油管，下段联结转轮活塞操作油管，两根钢管与大轴隔成三腔，外层两腔分别接受调速器开启、关闭腔来油，并传至转轮活塞上下腔，分别操作叶片开启和关闭，中心一腔为回油管，与轮毂相通，供转轮润滑以及密封用。（3）水导轴承水导轴承承受水轮机的径

27、向力，其中主要的是由于转轮静不平衡所产生的离心力（径向），还有由于尾水管中发生空腔汽蚀的横向脉动力和因叶片开口不均以及止漏环间隙不均而产生的径向水推力等。水轮机导轴承的作用是使水轮发电机组保持一个好的轴线位置，能限制大轴的摆度。水轮机导轴承采用斜楔油浸式分块瓦轴承，轴承直径1400mm，轴瓦数量为12块，轴瓦浇铸有高级轴承巴氏合金（ZSnSb11Cu6）覆盖层，并开有用作润滑的油槽。由轴承体、上、下油盆、冷却器、油箱盖等部件组成。轴承采用斜楔调整瓦块，与常规的抗重螺杆调整瓦块相比，具有坚固、耐用，加工和调整方便的优点，而且轴承间隙调好后，能保持稳定不松动。导轴承便于安装、调整、检查和拆卸；满足

28、在不需拆卸导轴承的情况下检修主轴工作密封；并允许转轮和主轴的轴向移动，以满足拆卸和调整发电机推力轴承或清扫主轴连接法兰止口的需要。轴承油箱能刚性地支承轴承元件，并把机组转动部分的最大侧向推力传递到顶盖。轴承油箱应为独立的部件螺栓连接到顶盖上，它竖向分半，分瓣面用螺栓牢固地联接在一起，采用加强的或其它措施以防止侧向推力使其移动。轴承油箱应配有箱盖以防止尘埃或杂物进入轴承。轴承盖应配有透明盖的检查孔。在油箱盖上固定一密封垫，以防止油从轴承油箱渗漏或向轴上爬油。轴承油箱上还设置取油样的取油接口和手阀。设有油位计，并标明允许的最高、最低油位，还设有高低油位报警信号装置和油水混合报警装置。轴承设置了一个

29、完整的独立的润滑系统，这个系统包括了消除甩油和消除从轴承逸出油气的润滑系统。油能自油槽通过轴承进行自循环。设置了挡板以阻止过大的油翻腾和掺气。同时提供了必要的管道和阀门用以满足向轴承充油和排油的需要。所有水轮机的和发电机的轴承和调速器都采用同一种润滑油。在水轮机各种运行工况下，轴瓦温度不超过65，轴承油温不超过55。润滑油冷却器，设置在导轴承油槽内，冷却水由窝壳自流经减压后供给技术供水系统，减压后进口水压0.50.7MPa，短时间能承受0.85MPa的最大工作压力的要求。冷却器的强度应能承受1.05MPa的试验压力要求。试验时间为30min。冷却器的冷却管内径不得小于20mm。冷却器进出水管口应能互换。冷却器的管道采用铜镍合金。冷却器应设计成能防止泥沙的积聚并应易于清理和更换热管。导轴承设有测瓦温、测油温的铂电阻RTD和远传测温探测器及带有信号接点的指示表计。（4）主轴密封及检修密封主轴密封的作用是有效地阻挡水流从主轴与顶盖之间间隙上溢，防止水轮机导轴承及顶盖被淹，维持轴承和机组的正常运行。水封的作用有二，一是当机组停机时，阻止下游水淹没水轮机室（吸出高度为负值时）；另一重要作用是阻止水流流入油槽发生油水混合事故。水封漏水严重会使机组被迫停机造成事故。在导轴承下方装有主轴