第３８卷第５期 水电站机电技术 Ｖ０１．３８ Ｎｏ．５ ２０１５年Ｏ５月 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｍａｙ．２０１５ ５ —高尾水位电站混流式水轮机补气装置设计 应金仁，熊建平 （东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江杭州３１００１６） 摘要：介绍了一种适用于高尾水位电站的混流武水轮机主轴中心孔补气装置的结构及特点，该装置由补气阀及浮 筒阀两部分组成。补气阀的主要作用是在电站需要补气的工况下，实现自然补气，破坏尾水管真空状态，从而降低尾 水管压力脉动及机组振动；浮筒阀的作用是在电站尾水位高于中心孔补气阀，并且补气阀密封失效的情况下，浮筒 阊浸入水中而浮起，浮筒阀上部密封与补气管固定部分密合而达到密封止水效果。该结构补气装置在我公司两个高 尾水位电站得到成功应用。 关键词：高尾水位电站；混流式水轮机补气装置；设计 中图分类号：Ｆ４０７．９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—５３８７（２０ｌ５）０５－０００５－－０３ ＤＯＩ：１０．１３５９９￣．ｃｎｋｉ．１１—５１３０．２０１５．０５．００２ ０前言 气量可根据模型试验结果推算。 １．２补气装置原理 有些高水头电站，尤其是地下式厂房电站，其最 对于高尾水位电站，考虑补气装置在各种运行 高尾水位高于主轴中心孔补气装置的高程。针对 工况下的安全可靠性显得尤为重要，我们所设计的 这些高尾水位电站，我们应采取防止尾水通过补气 主轴中 ｔ：ｆＬ￣ｂ气装置由补气阀及浮筒阀两部分组成。 阀倒灌的措施。为避免这种尾水倒灌的现象，可设置 补气阀的主要原理是在转轮泄水锥及尾水管真 一种具有可靠的“逆止阀”功能的补气装置。 空达到一定程度下，通过主轴中心孔补气管靠真空 为此，我们设计了一种适用于高尾水位电站的 吸力将位于发电机小轴上方的补气阀打开，即在水 混流式水轮机主轴中心孔补气装置，该补气装置在 轮机需要补气的产生尾水真空工况下，实现自然补 我公司设计、制造的２座高尾水位电站得到成功应 气，从而减小尾水管压力脉动及机组的振动。 用，保证了电站和机组的安全运行。 为了保证高尾水位电站补气阀密封失效时，补 １补气装置功能及原理 气管中水流不漏入发电机中，我们在补气阀下方增 设了一个单向“逆止阀”——浮筒阀，浮筒阀的原理 １．１补气装置功能 是在水流倒灌入主轴中心孔补气管管路的特殊工况 主轴中心孔补气装置的功能是保证在尾水管中 时，其中的浮筒阀浸入水中因浮力作用而浮起，这时 产生回旋涡带和真空时能补入必要的空气量，有效 浮筒阀上部密封与补气管固定部分密合而达到止水 减少水轮机尾水管压力脉动。在部分负荷或非设计 效果，防止尾水倒灌进入补气阀中，相当于单向逆止 工况下，尾水管可能形成一定的真空度，使水轮机尾 阀的作用；水轮机正常运行情况下，浮筒阀靠自身重 水管压力脉动及振动增大，同时也将加剧空蚀破坏， 量下落而支撑在浮筒阀阀体下部法兰上，此时不影 主轴中心孔补气装置能通过对尾水真空补气有效地 响补气阀的正常补气工作。 消除这种影响。补气阀的过流面积及补气管径与机 组所需的最大补气量相匹配，可通过水轮机模型试 ２补气装置结构设计 验确定。同时，补气系统设计时应考虑设置可靠的渗 ２．１补气装置总体设计 漏水排除装置，确保机组运行安全、稳定。 适合高尾水位电站的水轮机主轴中心孔补气装 通过模型试验研究，可最大限度地减小由于补 收稿日期：２０１５－０１－２２ 气而导致的水轮机效率降低，原型机补气系统的补 作者简介：应金仁（１９７５一）。男，工程师，从事水轮Ｏｌ，ｆ￣构设计和水力 选型设计工作。 ６ 水电姑 电旋求 第３８卷 置，在水轮机轴、中间轴、发电机轴内设置有中心补 气管，补气管设置有支撑，通过螺栓和法兰进行连 排泄。 ２ 接，在法兰面设置有密封圈，补气装置布置在发电机 上端轴的上部。 主轴中心孔补气装置主要特点是：装置由补气 阀及浮筒阀两部分组成，同时设置了补气管路系统、 排水管路系统、装置水密封结构及轴电流绝缘结构 等，形成了完整的补气装置结构，保证补气装置在各 种需要补气的工况下能实现自动补气，并且防止水 流倒灌人补气阀。图１为主轴中心孔补气阀装配结 构示意图。 １一密封内座，２一刷形密封，３一密封支撑 图２刷形密封结构示意图 ２．３浮简阀 浮筒阀设置在补气阀下方，浮筒阀下方与中心 孔补气阀管路相连通，浮筒阀上端固接于阀座下方。 浮筒阀包括：内壁设有导向板的阀体和位于阀体内 外壁设有导向块的浮筒，阀体底部设有用于支撑浮 筒的支脚，导向块与导向板滑动配合，浮筒阀的浮筒 可随导向块沿导向板上下运动。阀座、浮筒阀阀体与 滑环轴三者通过法兰和螺栓连接固定。与浮筒阀浮 筒接触的法兰上设有密封件，通过压紧螺栓和压板 将密封件固定于所述法兰。浮筒上方设与法兰上密 封件相配合的凸块，浮筒受尾水位上浮向上滑动至 顶端时，因受浮力作用，凸块与密封件紧压。 由于在补气阀下方设置浮筒阀，高尾水位主轴 １一补气阀，２一阀座，３一浮筒阀，４一阀体保护罩， ５一补气管，６一排水管 图１主轴中心孔补气装置 中心孔补气装置工作时，若尾水管内出现真空需补 气，浮筒阀的浮筒在自重作用下下落，补气装置正常 补气；若尾水位较高，则浮筒阀的浮筒被水流顶起， 最终与固定于法兰上的密封件接触并压紧，从而主 轴中心孔处于封闭状态，防【Ｅ尾水倒灌进人补气阀中。 ２．２补气阀 补气阀安装于发电机上端轴上方，与阀座连接， 阀座固定于发电机上端轴的上端。补气阀两端分别 与进气管、排水管、浮筒阀及中心孔补气管连接。 浮筒阀装配通过计算，确定了阀体的大小，综合 考虑了重量和上浮力的大小，使阀装配满足在补气 设计时，应考虑在尾水管出现真空时，补气阀能 装置不同工作情况下上浮和落下的功能。同时因设 自动开启，实现自然补气，同时，如果尾水管中未出 置在主轴补气管内，有一定的旋转速度。阀本体采用 现真空时，补气阀能自动关闭，所以补气阀弹簧计算 是需要特别关注的。同时设计时考虑弹簧力的可调 性，可通过螺母来调整弹簧压缩量，从而调整到所需 了不锈钢材料，以保证阀本体有足够的强度。阀体导 向带和导向块均采用不锈钢材料。阀体法兰密封采 用抗磨损的特殊聚胺脂密封材料，使阀体上浮时，与 真空即可开启补气阀的弹簧力。 筒体形成密封。 在补气阀进气腔和排水腔之间设置有密封结 浮筒阀设置的作用在于，不管在何种水位下补 构，该处可采用刷形密封结构（见图２所示）或迷宫 气装置均能保持安全有效地运行，可靠性高，特别适 间隙密封结构，也可根据需要选择其它合适的密封 用于高尾水位的电站，在水流倒灌进入中心孔补气 结构。在补气阀上部也设置了一道０形密封，如果 管时，浮筒阀相当于管路设计中的单向逆止阀。 该密封也失效了，则补气阀上腔有可能充水，在转动 浮筒阀上部设置有端面密封，当浮筒阀上浮时， 部件与固定部件之间的漏水可由补气阀排水管进行 上部密封可有效防止高尾水倒灌到补气阀内。 第５期 应金仁，等：高尾水位电站混流式水轮机补气装置设计 ７ 以上证明：在高尾水位工况下，浮筒阀体积、浮 力足够克服起重力，浮筒阀能起到密封作用。 ２．５进气和排水管路 可以通过排水管顺利排出。 进气管的进气口一般设置在上游最高尾水位之 通过上述多道密封设置，补气装置能够确保在 ｍ的高程位置，并要求进口补气时可能产生 最恶劣的情况下，确保发电机上端不会出现漏水情 上约１的噪音不影响电站运行人员，进气管通过机罩与补 况，从而避免因漏水而导致机组安全事故发生。 气阀上部进气腔连接，原则上进气管面积不应小于 ２．４浮筒阀尺寸核算 针对某一个高尾水位电站，浮筒阀尺寸需考虑 补气阀孔口面积。浮筒阀上部密封与补气阀上部密封是互为备用 的，可在一方失效的情况下保证密封的有效性，从而 防止或减少流人补气阀排水腔的水，可能的少量水 浮筒阀全部浸在水中的浮力约：Ｅ＝８．０ ｋｇｆ 两个方面：一方面为浮筒阀在补气状态下应该有足 够的补气面积。另一方面，当在高尾水位工况下，浮 筒阀受到的浮力应能克服其重力，起到密封的作用。 浮筒阀的计算模型如图３所示。 图３计算模型示意图 补气管直径：Ｄ１＝１３０ ｍｍ 牢 管补气面积：Ａｌ＝３．１４１ ５９×／Ｔ／４＝１３ ２７３ ｍｍ２ 上部补气阀补气面积：Ｄｒ＝１５０ ｍｍ，／ａ＝４７ｍｍ Ａｚ＝３．１４１ ５９×９２× ２２ １４８ １１＇１／＇１＂／。 浮筒阀密封处补气面积： ＝２２０ ｍｍ珏＝３６ｍｍ ＝３．１４１５９× ×／／３＝２４８８１ ｍｍ 浮筒阀圆筒处补气面积：Ｄ外＝２９５ ｍｍ，Ｄ内 ＝２４０ｍｍ Ａ４＝３．１４１５９×（Ｄ外２ Ｄ内 ）＝２３ １１０ ｍｍ 以上证明：在补气状态下，浮筒阀各处补气面积 均大于补气管的补气面积，补气面积是足够的。 浮筒阀总重量：Ｗ＝４．０ ｋｇ 补气阀排水管路设置应考虑周全：一方面，与补 气阀排水腔连接的排水管应留有足够余量，并且汇 人补气阀最低处，并在此处设置排水管路，及时将补 气阀固定部分排水腔的积水排出；另一方面，在补气 阀进气管最低处应设置排水管，其作用是在进气管 路水流倒灌时，能将倒灌的水流及时排空，保证进气 管路畅通、不积水。 进气和排水管路分别采用螺栓法兰和补气腔及 排水腔相连，在位置分布上应考虑外面的管路布置， 以合理布置其方位，方便检修更换法兰密封，便于和 机罩外管路的连接。 ２．６轴电流绝缘系统设置 为了防止轴电流的影响和破坏，补气装置设置 有绝缘套和绝缘垫系统，在发电机顶罩和补气装置 下部阀罩连接处及连接螺栓，补气管和排水管连接 法兰处及连接螺栓均进行了绝缘设置。 ３补气装置工厂试验及电站应用 为了能够验证补气装置是否达到设计要求，我 们设计图中要求进行工厂试验，试验内容包括补气 阀在不同真空时的开启试验、浮筒阀在下部浸入水 中时的浮动（导向滑动）试验、浮筒阀的强度试验等。 设计时充分考虑浮筒阀在电站实际运行状态下的离 心力影响，特别关注浮筒阀导向的设计，确保导向块 在恶劣情况下浸入水中能正常浮起。补气装置经工 厂试验验证合格方可出厂。 在高尾水位的四川某高水头混流式水电站及云 南某中低水头混流式水电站，我们应用了本装置，２ 电站共７台机组，目前补气装置运行情况良好。补气 装置可实现正常补气，同时也实现了防止在补气过 程中尾水倒灌现象，达到了设计要求。 ４结语 随着越来越多的地下厂房电站的应用，很多电 站的运行工况发生在高尾水位条件下，带有浮筒阀 的高尾水位补气装置，无疑很好的解决了高尾水位 补气条件下的尾水倒灌问题，相信高尾水位补气装 置应用将越来越广泛，越来越成熟。
