水利工程：三峽左岸水輪機(jī)總體設(shè)計(jì)及合同實(shí)踐

1、水利工程：三峽左岸水輪機(jī)總體設(shè)計(jì)及合同實(shí)踐     作者：黃源芳簡(jiǎn)介：國(guó)內(nèi)外機(jī)電行業(yè)歷經(jīng)數(shù)10年，特別是自上世紀(jì)80年代初期以來(lái)，對(duì)三峽左岸電站水輪機(jī)機(jī)組展開(kāi)了大規(guī)模的研究、設(shè)計(jì)、制造、安裝等工作，取得了重大突破。對(duì)1992年4月全國(guó)人大通過(guò)興建三峽工程以來(lái)，三峽左岸水輪機(jī)的研究、招標(biāo)采購(gòu)和總體設(shè)計(jì)及合同實(shí)踐作了簡(jiǎn)要回顧。關(guān)鍵字：水輪機(jī)，合同，三峽工程1前言中國(guó)三峽總公司從1993年9月成立依始，就在當(dāng)年11月與三峽建委辦公室、長(zhǎng)江水利委員會(huì)一道組織了國(guó)內(nèi)外大公司就三峽機(jī)組技術(shù)進(jìn)行交流研討。10年過(guò)去了，按照工程建設(shè)進(jìn)度，迎來(lái)了三峽左岸第一批機(jī)

2、組并網(wǎng)發(fā)電的時(shí)刻。水輪機(jī)總體設(shè)計(jì)就是研究并依據(jù)其運(yùn)行條件，論證與當(dāng)今技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)的性能要求，并在此基礎(chǔ)上量化為主要技術(shù)參數(shù)，包括性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)影響全局的重要部件的重要結(jié)構(gòu)形式和材料以及特殊制造工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。論證其適用標(biāo)準(zhǔn)包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、制造標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。在總體設(shè)計(jì)經(jīng)審批后再進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)備的招標(biāo)設(shè)計(jì)。2運(yùn)行條件（1）三峽左岸機(jī)組的運(yùn)行條件，隨著三峽工程不同蓄水位方案的論證、不同施工方案的比較、不同建設(shè)方案的評(píng)估結(jié)果不同而異。三峽左岸水輪機(jī)最終運(yùn)行條件的確定，是依據(jù)國(guó)務(wù)院審定的長(zhǎng)江三峽水利樞紐建設(shè)方案，即“一級(jí)開(kāi)發(fā)、一次建成、分期蓄水、連續(xù)移民”，按照三期導(dǎo)流的施工方案建設(shè)，即在開(kāi)

3、工建設(shè)后的第11年利用已建成的左岸大壩和右岸碾壓混凝土圍堰擋水的條件下實(shí)施左岸電站第1批機(jī)組發(fā)電，初期發(fā)電蓄水位為135.0m，以后隨著泥沙研究和移民進(jìn)展，水庫(kù)蓄水位再提高到156.0m，最終正常蓄水位為175.0m。左岸水輪機(jī)的運(yùn)行條件，既要適應(yīng)初期蓄水位較低時(shí)的安全發(fā)電要求，又必須適應(yīng)最終在高蓄水位長(zhǎng)期運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。象三峽這樣大型混流式水輪機(jī)必須在正常蓄水位變幅達(dá)40m條件下運(yùn)行，這是前所未有的，這也是三峽左岸電站不能改變的運(yùn)行條件。（2）三峽電站的尾水與電站下游40km的逕流式葛洲壩電站相接，兩梯級(jí)電站的聯(lián)合調(diào)度涉及汛期防洪安全、長(zhǎng)江航運(yùn)和綜合發(fā)電效益。葛洲壩電站正常蓄水位66

4、m，正常消落最低至6263m，三峽電站下游水位還受長(zhǎng)江來(lái)水量的影響。這樣，三峽左岸電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)采用的運(yùn)行水頭范圍為61113m（表1）。長(zhǎng)江是中國(guó)第一大河，水量豐沛。壩址多年平均水量4500億m3，水庫(kù)庫(kù)容為393億m3，汛期大量棄水。由于左岸電站運(yùn)行條件的特殊性，根據(jù)水輪機(jī)特性和動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較，三峽電站運(yùn)行水頭的分布出現(xiàn)了“非典型狀態(tài)”，而一般運(yùn)行水頭會(huì)比較集中在某一范圍，只有一個(gè)集合點(diǎn)（區(qū)），而三峽運(yùn)行水頭比較集中在高低水頭兩個(gè)區(qū)。對(duì)典型的水頭分布，比較適合葉片不能調(diào)節(jié)的混流式特點(diǎn)。非典型的水頭分布，一般宜采用葉片可調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)漿式、斜流式水輪機(jī)。但經(jīng)多年研究，對(duì)三峽這樣的大型機(jī)組，采用葉片調(diào)

5、節(jié)的水輪機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的。這樣就大大增加了左岸電站水輪機(jī)的設(shè)計(jì)難度。實(shí)踐證明，左岸電站水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)者正是由于逐步加深對(duì)這運(yùn)行條件的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)并經(jīng)多次試驗(yàn)，推出了綜合性能水平較高的左岸電站水輪機(jī)。3技術(shù)性能31水力特性水輪機(jī)的技術(shù)性能，主要體現(xiàn)在水力特性上，即能量特性（效率水平，電量大小）、空化性能（安裝高程、維修周期）、穩(wěn)定性能（葉道渦、卡門(mén)渦、尾水管內(nèi)壓力脈動(dòng)）。模型水輪機(jī)與原型水輪機(jī)在能量、空化特性方面有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而在穩(wěn)定性能方面，原型水輪機(jī)穩(wěn)定性涉及的頂蓋振動(dòng)、大軸擺度、噪音等與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等機(jī)械要素有關(guān)的問(wèn)題。國(guó)際水輪機(jī)界還未建立相應(yīng)的比對(duì)關(guān)系。通過(guò)廣泛的國(guó)內(nèi)外技術(shù)交流及針對(duì)三

6、峽特點(diǎn)的研究，對(duì)三峽左岸水輪機(jī)的性能取得了共識(shí)。32比速系數(shù)K上世紀(jì)80年代水輪機(jī)最高已達(dá)到K2548，平均為K21002350的情況下，在國(guó)內(nèi)實(shí)際電站運(yùn)行中并未反映出K值低的水輪機(jī)運(yùn)行就一定穩(wěn)定。論證專家一致同意三峽電站左岸水輪機(jī)K2300。經(jīng)過(guò)2002年對(duì)10個(gè)電站混流式水輪機(jī)的運(yùn)行狀況調(diào)研，表明機(jī)組在采取避開(kāi)振動(dòng)區(qū)運(yùn)行后，與三峽左岸水輪機(jī)K值相近的水輪機(jī)運(yùn)行狀況，并不比其他K值較低的水輪機(jī)差，實(shí)際上其轉(zhuǎn)輪損壞的程度，經(jīng)過(guò)10年運(yùn)行仍屬最佳之列。選擇K2300是合適的。33機(jī)組轉(zhuǎn)速機(jī)組轉(zhuǎn)速是總體設(shè)計(jì)中影響其技術(shù)性能、發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)及工程效益的重要條件，三峽左岸水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速主要集中研究71.4r

7、/min和75r/min兩種方案。由于兩者只相差3.6r/min，所以在影響其效率、發(fā)電量、空化性能、尾水管壓力脈動(dòng)、泥沙磨損方面差別并不大。而對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)而言，75r/min方案對(duì)發(fā)電機(jī)電壓無(wú)論采用20kV或18kV，定子采用空冷還是水冷，槽電流都比較合適。而71.4r/min只有采用發(fā)電機(jī)電壓20kV、空冷方式時(shí)，槽電流才比較合理。而對(duì)機(jī)組重量的影響，71.4r/min與75r/min相比，每臺(tái)機(jī)組重量增加約300t。所以左岸水輪機(jī)比較一致認(rèn)為采用75r/min是合適的。但也有專家認(rèn)為選用71.4r/min的K值和比轉(zhuǎn)速會(huì)有所降低，即綜合參數(shù)水平較低，有利于改善運(yùn)行穩(wěn)定性。這僅是理論上一種

8、分析，工程上的差異可能并不如此。34效率水平在計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)、穩(wěn)定性分析的情況下，效率水平有了很大提高。實(shí)踐證明，三峽左岸水輪機(jī)明確水輪機(jī)模型最優(yōu)效率不低于93%，原型水輪機(jī)最優(yōu)效率不低于95.2%，以無(wú)棄水期的加權(quán)平均效率確定加權(quán)平均效率是合適的，設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)實(shí)踐都證明能達(dá)到并高于這個(gè)性能要求，從而保證三峽發(fā)電量達(dá)到規(guī)劃設(shè)計(jì)的發(fā)電量要求。35空化性能多少年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)表明，混流式水輪機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)不可避免會(huì)出現(xiàn)葉型空蝕破壞。水輪機(jī)運(yùn)行維護(hù)中一項(xiàng)極其重要的工作就是對(duì)空蝕破壞的部位進(jìn)行處理，補(bǔ)焊并修復(fù)葉型。三峽水輪機(jī)能否做到在正常運(yùn)行區(qū)域范圍內(nèi)無(wú)空化運(yùn)行，無(wú)空化運(yùn)

9、行的技術(shù)能否應(yīng)用到大水輪機(jī)上經(jīng)過(guò)研究分析，結(jié)論是肯定的，總體設(shè)計(jì)中的結(jié)論是：在已設(shè)定的安裝高程（57.0m）和設(shè)計(jì)吸出高度（5.0m）條件下，在正常運(yùn)行區(qū)域（高水頭下70%100%負(fù)荷范圍內(nèi)）內(nèi)不出現(xiàn)空蝕破壞，即空化限制線不在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)模型驗(yàn)收試驗(yàn)和共同努力，合同方全部滿足該項(xiàng)技術(shù)要求。在運(yùn)行實(shí)踐中，還要密切觀察在正常運(yùn)行條件滿足上述要求的情況下，是否有空蝕破壞發(fā)生。36穩(wěn)定運(yùn)行范圍所謂穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，就是機(jī)組在運(yùn)行特性曲線上的這一區(qū)域運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)異常的振動(dòng)、噪音等不穩(wěn)定現(xiàn)象。在該區(qū)域的運(yùn)行時(shí)間不受限制。由于混流式水輪機(jī)葉片不可調(diào)節(jié)的限制，其穩(wěn)定運(yùn)行范圍不可能覆蓋在整個(gè)水頭范圍內(nèi)從零

10、負(fù)荷到滿負(fù)荷的區(qū)域。三峽水輪機(jī)正常運(yùn)行范圍的確定，既要充分發(fā)揮水電機(jī)組運(yùn)行靈活的特點(diǎn)，又要依據(jù)以往700MW機(jī)組過(guò)去運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)實(shí)例（如：美國(guó)大古力第三電廠的600MW和700MW機(jī)組，巴西巴拉圭伊泰普電站的700MW），保證機(jī)組的安全。因此，三峽左岸水輪機(jī)規(guī)定的穩(wěn)定運(yùn)行范圍是：凈水頭在額定水頭80.6m及以下，負(fù)荷為相應(yīng)出力的70%以上。在凈水頭為80.6m至最大水頭113m時(shí)運(yùn)行負(fù)荷為額定出力的70%以上。國(guó)內(nèi)水電站設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行為各水頭下出力的45%以上。水電站水質(zhì)較好且水中含沙量少；其充分條件是通過(guò)模型驗(yàn)收試驗(yàn)預(yù)測(cè)真機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行各項(xiàng)穩(wěn)定性數(shù)值，并據(jù)此調(diào)整運(yùn)行范圍。10個(gè)電站

11、混流式水輪機(jī)運(yùn)行狀況調(diào)查表明，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)的裂紋破壞與較長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷或超低負(fù)荷有關(guān)運(yùn)行有關(guān)。經(jīng)過(guò)運(yùn)行實(shí)踐，10個(gè)電站對(duì)其混流式水輪機(jī)規(guī)定的運(yùn)行范圍最低負(fù)荷都高于45%，一般而言，象三峽左岸這樣的運(yùn)行條件，穩(wěn)定運(yùn)行范圍最低限定在70%負(fù)荷是必要的。37穩(wěn)定性能通常是指原型水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性能。原型水輪機(jī)的穩(wěn)定性能是指水輪機(jī)固定部件的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)部件擺度（徑向振動(dòng)）、與調(diào)速器和/或電網(wǎng)影響有關(guān)的出力擺動(dòng)等。這些指標(biāo)的大小直接與水輪機(jī)通流部件包括轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。一般而言，無(wú)論是水力因素還是結(jié)構(gòu)因素引起的振動(dòng)（擺度），只要其值在規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)允許范圍內(nèi)就是安全的。因?yàn)檫@些具有外特征的

12、穩(wěn)定性指標(biāo)是可以用傳統(tǒng)的方法測(cè)定的，是可以通過(guò)原型水輪機(jī)的在線監(jiān)測(cè)或定期監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)給出的。近年來(lái)大型混流式運(yùn)行的狀況令人擔(dān)擾，一方面是實(shí)際運(yùn)行范圍與合同規(guī)定的允許運(yùn)行范圍有較大變化，即較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在合同規(guī)定不允許或應(yīng)限制（時(shí)間）運(yùn)行的運(yùn)行工況。另一方面是在這種運(yùn)行條件下大多數(shù)機(jī)組的水輪機(jī)葉片或出現(xiàn)裂紋或受空蝕破壞。在1999年4月三峽總公司在北京召開(kāi)的“三峽水輪機(jī)模型試驗(yàn)成果評(píng)審會(huì)”的會(huì)議紀(jì)要反映了國(guó)內(nèi)專家對(duì)三峽水輪機(jī)穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)：“四個(gè)國(guó)際著名的水輪機(jī)公司經(jīng)過(guò)不懈的努力研制開(kāi)發(fā)的模型雖然達(dá)到了很高的水平，但仍未能使其壓力脈動(dòng)全面達(dá)到合同保證值。三峽水輪機(jī)水頭變幅為61113m，最大水頭與最

13、小水頭之比達(dá)1.85倍，且負(fù)荷權(quán)重集中在高低兩個(gè)水頭段。這樣特殊的運(yùn)行條件加上混流式水輪機(jī)的固有特性，給三峽水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的難度，補(bǔ)充見(jiàn)證試驗(yàn)再一次證實(shí)了這一點(diǎn)。專家們認(rèn)為在此條件下要全面地達(dá)到合同中的壓力脈動(dòng)保證值是極其困難的?！睂?shí)際上，過(guò)去大型混流式水輪機(jī)模型試驗(yàn)從未全面達(dá)到過(guò)合同保證值（見(jiàn)表2），只不過(guò)三峽左岸水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)是第一個(gè)明確揭露這個(gè)問(wèn)題而引起各方關(guān)注和震驚而已。表2只列出其中一項(xiàng)指標(biāo)為例說(shuō)明未滿足合同要求而已。前述電站模型驗(yàn)收試驗(yàn)尾水管壓力脈動(dòng)值都沒(méi)有全面達(dá)到合同保證值，都獲得通過(guò)。道理很簡(jiǎn)單，因?yàn)镮EC/TL4規(guī)定模型驗(yàn)收試驗(yàn)是在水輪機(jī)軸中心孔未進(jìn)行自然補(bǔ)氣的

14、條件下測(cè)定的。實(shí)際上模型試驗(yàn)時(shí)模擬自然補(bǔ)氣后尾水管壓力脈動(dòng)都有所降低。原型水輪機(jī)軸中心孔都設(shè)有自然補(bǔ)氣裝置?？傊?，對(duì)穩(wěn)定性的要求，首先是不允許出現(xiàn)以任何理由發(fā)生在任何運(yùn)行工況下的共振，葉片高應(yīng)力區(qū)的動(dòng)應(yīng)力加強(qiáng)觀測(cè)并確認(rèn)在允許范圍內(nèi)，在正常運(yùn)行范圍內(nèi)不允許有害的葉道渦，有害的卡門(mén)渦發(fā)生，尾水管壓力脈動(dòng)值要求不應(yīng)高于H7m，并有相應(yīng)的輔助補(bǔ)氣措施。4部件的總體設(shè)計(jì)部件的總體設(shè)計(jì)，主要目的是為業(yè)主和/或工程設(shè)計(jì)單位進(jìn)行電站廠房總體設(shè)計(jì)所需的控制性參數(shù)，如蝸殼寬度、尾水管高度等。為給機(jī)組供貨單位作為總圖設(shè)計(jì)所需的控制性參數(shù)，如導(dǎo)葉高度，導(dǎo)葉分布周直徑等。為招標(biāo)文件編制反映業(yè)主意圖的對(duì)主要部件的結(jié)構(gòu)和材

15、料要求，如轉(zhuǎn)輪是否整體或分半，是否采用不銹鋼材料等。41與電站廠房總體設(shè)計(jì)有關(guān)的因素電站廠房的型式由樞紐布置的總體規(guī)劃確定，電站廠房總體設(shè)計(jì)根據(jù)水輪機(jī)總體設(shè)計(jì)的要求而定。影響電站廠房主要尺寸的因素，如機(jī)組段尺寸、廠房長(zhǎng)度和順?biāo)鞣较虻膹S房寬度、尾水管高度、水輪機(jī)安裝高程等則由水輪機(jī)總體設(shè)計(jì)確定。三峽左岸電站為壩后式廠房，經(jīng)過(guò)多種方案比較和與國(guó)內(nèi)外廠家研討的結(jié)果，從有利于改善水輪機(jī)性能包括穩(wěn)定性能出發(fā)，尾水管高度和長(zhǎng)度比常規(guī)的100m水頭段的尾管尺寸要大，即采用h3.0D和L5.0D。尾水管高度（至導(dǎo)葉中心線計(jì)）為30m，長(zhǎng)度為80m。國(guó)內(nèi)外廠家推薦的三峽電站水輪機(jī)尾水管尺寸見(jiàn)表3。機(jī)組段尺寸適

16、應(yīng)充水打壓試驗(yàn)的蝸殼又適應(yīng)外包彈性層的需要，確定為34.325m。詳見(jiàn)表3。水輪機(jī)安裝高程一般宜在工廠進(jìn)行初步設(shè)計(jì)并經(jīng)模型試驗(yàn)后才由工廠提出建議。但三峽左岸電站卻需要在招標(biāo)文件中作為一項(xiàng)已定條件提出，以便有利工程設(shè)計(jì)和施工。在綜合權(quán)衡各方案的利弊之后，考慮到各公司水力設(shè)計(jì)的差異的影響，左岸電站水輪機(jī)Hs5m，相應(yīng)于下游最低水位62m的水輪機(jī)安裝高程為57.0m。三峽左岸電站的工程實(shí)踐和左岸電站水輪機(jī)合同執(zhí)行的實(shí)踐證明，上述水輪機(jī)總體參數(shù)在水輪機(jī)合同簽訂前的確定，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了方便，特別有利于位于左岸岸坡廠房部分的施工，為開(kāi)工后第11個(gè)年頭即2003年4臺(tái)700MW機(jī)組發(fā)電奠定了堅(jiān)實(shí)的基

17、礎(chǔ)。上述水輪機(jī)總體參數(shù)值的確定，通過(guò)合同談判落實(shí)和水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)的觀測(cè)，有力地保證了水輪機(jī)綜合性能達(dá)到國(guó)際較高水平。特別是尾水管高度和長(zhǎng)度比常規(guī)尺寸有所增加，在三峽左岸運(yùn)行條件不利的情況，對(duì)尾水管壓力脈動(dòng)的改善起到重要作用。安裝高程的確定，是基于下游最低尾水位62m這一條件，由于在電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)下游水位很可能比這要高，實(shí)際上也為電站運(yùn)行留下安全裕度。對(duì)大型機(jī)組的總體設(shè)計(jì)，從有利于工程施工出發(fā)，在機(jī)組合同簽訂前，需明確水輪機(jī)總體設(shè)計(jì)控制參數(shù)時(shí)，必須從水輪機(jī)安全運(yùn)行出發(fā)，為合同廠家進(jìn)行水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮，對(duì)其控制參數(shù)水平要留有足夠余地。否則，當(dāng)水輪機(jī)性能不能滿足要求時(shí)，廠房設(shè)計(jì)和土建開(kāi)挖木

18、以成舟，土建方案將難以改變，會(huì)給水輪機(jī)總體設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行留下“終身”遺憾。42與水輪機(jī)總圖設(shè)計(jì)有關(guān)的因素除前述與電站廠房總圖設(shè)計(jì)有關(guān)的蝸殼尺寸，尾水管尺寸以及水輪機(jī)安裝高程（導(dǎo)葉中心線）以外，與水輪機(jī)總圖設(shè)計(jì)有關(guān)的因素主要是，導(dǎo)葉高度、導(dǎo)葉中心分布圓直徑以及水輪機(jī)坑直徑等，這些都與轉(zhuǎn)輪直徑、機(jī)組轉(zhuǎn)速等有關(guān)。三峽左岸電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)長(zhǎng)期研究和比選，在71.4rpm和75rpm之間確定為后者。轉(zhuǎn)輪直徑在機(jī)組轉(zhuǎn)速已定，機(jī)組額定出力700MW和水輪機(jī)額定水頭80.6m已定的前提下可以由投標(biāo)者自行決定。在研究三峽左岸水輪機(jī)穩(wěn)定性能時(shí)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，一種意見(jiàn)認(rèn)為通過(guò)提高額定水頭，減少轉(zhuǎn)輪直徑，降低導(dǎo)葉高度

19、，當(dāng)然也縮小導(dǎo)葉分布周直徑，可以提高水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)。一種意見(jiàn)認(rèn)為三峽左岸電站水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)已達(dá)到的穩(wěn)定性能，優(yōu)于已有大型水輪機(jī)的驗(yàn)收試驗(yàn)所達(dá)到的指標(biāo)，原型水輪機(jī)的運(yùn)行表現(xiàn)還有待觀察。設(shè)計(jì)階段提高額定水頭，將使原型機(jī)增加汛期出力受阻的機(jī)會(huì)，而穩(wěn)定性能是否能獲得改善或有多大改進(jìn)，還有待密切關(guān)注。43主要部件結(jié)構(gòu)型式和材料要求在水輪機(jī)總體設(shè)計(jì)中，主要部件的結(jié)構(gòu)型式及應(yīng)用材料，直接關(guān)系到制造工藝、運(yùn)輸方式、工地條件以及價(jià)格水平等因素，所以對(duì)主要部件的基本尺寸、結(jié)構(gòu)型式和應(yīng)用材料必須進(jìn)行全面研究設(shè)計(jì)，供業(yè)主和投標(biāo)廠商優(yōu)化決策，以指導(dǎo)相關(guān)工作順利進(jìn)行。水輪機(jī)主要部件為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、主軸、頂蓋、

20、座環(huán)等，在總體設(shè)計(jì)階段都應(yīng)有所研究，但重點(diǎn)應(yīng)研究轉(zhuǎn)輪、座環(huán)等。三峽左岸水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)型式，曾比較過(guò)應(yīng)用于美國(guó)大古力第三電廠水輪機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)將上冠、下環(huán)、葉片組焊成整體加工、退火然后在工地交付業(yè)主的方式。這種在電站工地組焊加工成整體的形式，在三峽電站多達(dá)26臺(tái)轉(zhuǎn)輪，每年交付4臺(tái)的情況，經(jīng)過(guò)論證是經(jīng)濟(jì)的、可行的。最終決定采用由供貨方將整體轉(zhuǎn)輪運(yùn)輸?shù)诫娬粳F(xiàn)場(chǎng)的方式，一是國(guó)內(nèi)哈電、東電已按在其工廠內(nèi)用常規(guī)的加工方式進(jìn)行大型車間改建的工作，如果在現(xiàn)場(chǎng)加工則其大型車間內(nèi)的大型立車和大型橋機(jī)將無(wú)用武之地；二是三峽有非常有利的水運(yùn)條件，國(guó)外設(shè)備可以海運(yùn)至上海再沿長(zhǎng)江運(yùn)輸?shù)饺龒{工地，整體轉(zhuǎn)輪重約450t，上海港

21、和三峽重件碼頭都可滿足安全吊運(yùn)轉(zhuǎn)輪的要求。在三峽左岸14臺(tái)水輪機(jī)合同執(zhí)行過(guò)程中，VGS供貨的6臺(tái)轉(zhuǎn)輪完全按原投標(biāo)建議方案的分工，其中2臺(tái)在加拿大GE水電公司制造，由蒙特利爾港直達(dá)上海。2臺(tái)由伏依特巴西工廠將轉(zhuǎn)輪葉片，上冠、下環(huán)分別加工完成，海運(yùn)到上海?？乒荆上？乒驹谄滠囬g內(nèi)完成組焊、加工、退火等工序，然后由黃埔江碼頭駛?cè)腴L(zhǎng)江抵達(dá)三峽工地。最后2臺(tái)東電公司在其車間內(nèi)完成上冠、下環(huán)、葉片的加工、裝配、退火、靜平衡等工序，由大件運(yùn)輸公路駛達(dá)大渡河碼頭直接進(jìn)入長(zhǎng)江運(yùn)抵三峽重件碼頭。在三峽斷航期間，受影響的設(shè)備采用提前或推后交貨等避開(kāi)斷航時(shí)段的方式進(jìn)行。阿爾斯通供貨的8臺(tái)轉(zhuǎn)輪，業(yè)主指定有3臺(tái)分包給

22、挪威克瓦納公司（并購(gòu)后現(xiàn)為通用電氣水電公司挪威公司）。這3臺(tái)轉(zhuǎn)輪曾希望采用質(zhì)量更好的模壓成型的葉片，合同中明確有模壓葉片工藝技術(shù)轉(zhuǎn)讓的條款。但由于三峽左岸水輪機(jī)葉片的尺寸大無(wú)法實(shí)現(xiàn)，最終還是采用鑄件葉片。由挪威克瓦納租用哈電在葫蘆島的大件加工廠由克瓦納負(fù)責(zé)將其加工好的上冠、下環(huán)在大件車間內(nèi)完成組焊、加工、退火等工序，整體轉(zhuǎn)輪由渤海經(jīng)水路運(yùn)抵三峽工地。其中3臺(tái)轉(zhuǎn)輪由法國(guó)阿爾斯通公司供貨，合同規(guī)定整體轉(zhuǎn)輪應(yīng)在法國(guó)格勒諾布爾（Grenoble）加工完成，由公司運(yùn)抵法國(guó)馬賽港。在第三次設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)上，法方列出10多條理由說(shuō)明難以按原承諾將整體轉(zhuǎn)輪從格市運(yùn)到馬賽港。最終方案為在格市將葉片、上冠、下環(huán)分別加

23、工完成后公路運(yùn)輸?shù)胶＿呅〕抢骷s塔（LA?CIO），在車間內(nèi)完成組焊、加工、退火等工序，利用大船廠船塢的起吊設(shè)備，海運(yùn)到上海港。由于組焊工藝等原因，由阿爾斯通制造的3臺(tái)轉(zhuǎn)輪交貨期已經(jīng)滯后，分包給哈電制造的2臺(tái)轉(zhuǎn)輪，上冠、下環(huán)、葉片在哈爾濱工廠內(nèi)分別加工完成后運(yùn)到葫蘆島大件加工廠，在取得克瓦納組焊加工的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和操作工人具有加工實(shí)踐以后，完成哈電自己供貨的2臺(tái)轉(zhuǎn)輪在大件廠的工序不應(yīng)存在什么問(wèn)題。表4列出三峽左岸電站轉(zhuǎn)輪與國(guó)內(nèi)外大型電站轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特征比較。轉(zhuǎn)輪的材料應(yīng)用是總體設(shè)計(jì)中重要一環(huán)。三峽左岸水輪機(jī)在水中有一定泥沙的條件下運(yùn)行，下游葛洲壩轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)葉片空蝕、磨損都較嚴(yán)重，且近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不銹鋼

24、材料與20SiMn材料價(jià)差縮小，各方對(duì)轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)和葉片全部采用不銹鋼材料并無(wú)異議。大型不銹鋼的上冠、葉片鑄件，在合同執(zhí)行實(shí)踐中，需對(duì)阿爾斯通訂購(gòu)的重達(dá)180t的上冠不銹鋼鑄件，由于出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)1m的貫穿性裂紋而被拒收的情況。14臺(tái)轉(zhuǎn)輪中多數(shù)葉片鑄件存在合同規(guī)定必須拒收的缺陷，經(jīng)過(guò)清除或補(bǔ)焊處理后經(jīng)無(wú)損探傷檢查質(zhì)量均滿足要求。個(gè)別葉片有較重大鑄造缺陷位于主要受力部位，經(jīng)補(bǔ)焊后探傷質(zhì)量也滿足要求。鑒于國(guó)內(nèi)一些電站出現(xiàn)過(guò)葉片鑄造缺陷，補(bǔ)焊后由于補(bǔ)焊金屬與葉片母材并未熔化成一體，在較惡劣的運(yùn)行工況下，運(yùn)行中很快出現(xiàn)局部裂紋的教訓(xùn)，類似葉片只允許在運(yùn)行中“監(jiān)督使用，以觀后效”。5驗(yàn)收試驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)水輪

25、機(jī)總體設(shè)計(jì)必須明確驗(yàn)收試驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)的項(xiàng)目、驗(yàn)收（檢驗(yàn)）標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)計(jì)檢驗(yàn)的時(shí)間安排。因?yàn)檫@關(guān)系到供貨方的設(shè)計(jì)進(jìn)度、原材料和鑄、鍛件采購(gòu)安排和交貨進(jìn)度，與工程總體進(jìn)度息息相關(guān)。驗(yàn)收試驗(yàn)中最主要的是水輪機(jī)模型（目擊）驗(yàn)收試驗(yàn)，出廠檢驗(yàn)中最重要的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)組裝試驗(yàn)和轉(zhuǎn)輪出廠檢驗(yàn)。51水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)為了保證模型試驗(yàn)的客觀、公正、可比性，根據(jù)目前的技術(shù)水平，驗(yàn)收試驗(yàn)一般規(guī)定在清水中進(jìn)行，穩(wěn)定性能試驗(yàn)規(guī)定在沒(méi)有補(bǔ)氣（自然補(bǔ)氣和壓縮空氣補(bǔ)氣）的情況下進(jìn)行。長(zhǎng)江水中含有泥沙，需研究這是否必要進(jìn)行渾水試驗(yàn)以便更確切了解在含沙水流中能量、空化、穩(wěn)定性能的變化和泥沙磨損的影響，但最終舍棄了進(jìn)行這種試驗(yàn)的必要性。因?yàn)?/p>

26、渾水模型試驗(yàn)難以建立泥沙特性（濃度、粒徑、成分、形狀）和性能指標(biāo)與原型水輪機(jī)相關(guān)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。三峽左岸電站水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)共進(jìn)行了5次。ALSTOM/KE分別在1998年8月、1999年元月和2000年8月進(jìn)行了3次試驗(yàn)。第1次是按IEC的規(guī)定進(jìn)行全面試驗(yàn)，第2次是采用不同形式的轉(zhuǎn)輪泄水錐進(jìn)行改善穩(wěn)定性試驗(yàn)，第3次是按ALSTOM的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行全模擬試驗(yàn)，即轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由負(fù)責(zé)水力設(shè)計(jì)的克瓦納公司的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)輪下迷宮環(huán)位置從其下環(huán)下部改變?yōu)橛韶?fù)責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的ALSTOM的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)輪下迷宮環(huán)位置置于下環(huán)的上部，以及這種改變導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)改變。VGS的模型驗(yàn)收試

27、驗(yàn)進(jìn)行了兩次，分別1998年8月在德國(guó)海登海姆市和1999年4月在加拿大蒙特利爾市進(jìn)行，后者是在前者綜合性能特別是穩(wěn)定性能不能滿足要求下進(jìn)行的。兩個(gè)集團(tuán)最終模型驗(yàn)收試驗(yàn)都比第1次驗(yàn)收時(shí)有較大的改善。中國(guó)三峽總公司在兩個(gè)集團(tuán)的水輪機(jī)模型的能量綜合特性、空化性能均滿足了合同要求，但在某些運(yùn)行區(qū)域的尾水管壓力脈動(dòng)幅值仍未達(dá)到合同保證值的情況下，考慮了兩個(gè)集團(tuán)已做了大量工作，并比以往任何電站所做工作以及驗(yàn)收次數(shù)多的情況，考慮到三峽機(jī)組制造進(jìn)度要求，有條件接受這兩個(gè)集團(tuán)的模型試驗(yàn)。在需要進(jìn)行新轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)，以及在工程建設(shè)進(jìn)度允許時(shí)，為了在同等條件下更確切了解各潛在投標(biāo)者推薦的水輪機(jī)的穩(wěn)定性能，也可以先進(jìn)行

28、水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)。52轉(zhuǎn)輪出廠檢驗(yàn)水輪機(jī)各主要部件制造過(guò)程中，轉(zhuǎn)輪制造周期最長(zhǎng)，轉(zhuǎn)輪制造工藝最復(fù)雜，要求檢驗(yàn)的項(xiàng)目最多。在水輪機(jī)總體設(shè)計(jì)必須明確其檢驗(yàn)的內(nèi)容。在轉(zhuǎn)輪出廠檢驗(yàn)以前，上冠、下環(huán)、葉片的制造質(zhì)量已經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格。組焊加工后整體轉(zhuǎn)輪的加工已基本完成。轉(zhuǎn)輪作為一個(gè)核心部件還需經(jīng)過(guò)全面出廠檢驗(yàn)。三峽左岸電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出廠檢驗(yàn)的內(nèi)容，主要包括：（1）轉(zhuǎn)輪制造過(guò)程文件的審查。對(duì)轉(zhuǎn)輪各個(gè)部分（上冠、下環(huán)、葉片、上下止漏環(huán)、泄水錐）從設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)變更、原材料采購(gòu)鑄造件質(zhì)量、部件加工，到轉(zhuǎn)輪組焊、無(wú)損探傷、熱處理、精加工到整體靜平衡等整個(gè)過(guò)程的文件作認(rèn)真審閱，審閱文件是否完整，有關(guān)變更的依據(jù)，所有

29、質(zhì)量檢查文件是否都已簽字，所有檢查項(xiàng)目是否合格。（2）轉(zhuǎn)輪與模型的相似性檢查和轉(zhuǎn)輪最終尺寸檢驗(yàn)，主要檢驗(yàn)依據(jù)是經(jīng)過(guò)審批的圖紙要求。主要檢驗(yàn)葉片進(jìn)出口邊的型線誤差、葉片進(jìn)出口角的偏差以及諸如葉片與上冠、下環(huán)連接過(guò)渡圓弧的相似性等項(xiàng)目。這些項(xiàng)目的檢驗(yàn)在轉(zhuǎn)輪倒置時(shí)才便于檢驗(yàn)。為了減少轉(zhuǎn)輪翻轉(zhuǎn)次數(shù)，加快制造速度，除兩個(gè)集團(tuán)第一臺(tái)轉(zhuǎn)輪外，其他都應(yīng)供貨方要求在制造過(guò)程中派員到車間用模板進(jìn)行檢查。轉(zhuǎn)輪最終尺寸檢查是目擊驗(yàn)收的大項(xiàng)，共進(jìn)行轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)外徑、轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口直徑、轉(zhuǎn)輪總高、轉(zhuǎn)輪各部高度、上冠聯(lián)軸法蘭及法蘭孔的直徑、進(jìn)口節(jié)距、出口開(kāi)度等共16項(xiàng)。這項(xiàng)工作的驗(yàn)收需要派出熟練的專業(yè)檢驗(yàn)人員參加。（3）轉(zhuǎn)

30、輪焊縫質(zhì)量隨機(jī)抽查。在聽(tīng)取制造商和駐廠檢驗(yàn)人員的報(bào)告后，驗(yàn)收小組需對(duì)葉片與上冠、下環(huán)的連接焊縫質(zhì)量進(jìn)行抽查。這項(xiàng)工作由檢驗(yàn)小組的無(wú)損探傷人員在制造商的配合下進(jìn)行。分別對(duì)選定的2個(gè)葉片用PT和UT進(jìn)行復(fù)查。根據(jù)葉片出水邊較前運(yùn)行中曾有出現(xiàn)裂紋的情況，也對(duì)2個(gè)葉片出水邊的正壓面和負(fù)壓面500×1500mm的區(qū)域做PT抽查。（4）轉(zhuǎn)輪外觀最終檢查。主要用肉眼和放大鏡檢查，用手觸摸和粗糙度測(cè)試檢查轉(zhuǎn)輪表面的制造質(zhì)量。往往能發(fā)現(xiàn)一些淺表裂紋、局部表面粗糙度不滿足以及聯(lián)接過(guò)渡圓角超標(biāo)等問(wèn)題。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，廠家都予以打磨修復(fù)直到滿足要求。在轉(zhuǎn)輪涂漆或防銹涂層后，仍應(yīng)對(duì)其涂層質(zhì)量進(jìn)行檢查。（5）轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)。這是出廠驗(yàn)收中一項(xiàng)重要目擊的試驗(yàn)。首先對(duì)靜平衡原理、方法的合格性進(jìn)行評(píng)估，目擊初步靜平衡的全過(guò)程，對(duì)初步平衡結(jié)果進(jìn)行分析和商定配合的大小位置。應(yīng)注意盡量減少配合的件數(shù)和配置與上冠焊接質(zhì)量。直到不平衡力矩滿足合同要求。由加拿大GE進(jìn)行水力設(shè)計(jì)的云南大朝山電站1#機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果，判斷轉(zhuǎn)輪葉片出口卡門(mén)渦頻率與葉片固有頻率耦合，引起葉片共振，卡門(mén)渦頻率避開(kāi)和消除共振破壞，葉片不再出現(xiàn)裂紋。VGS吸取大朝山的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)業(yè)