魏立华，李海军，吴继兵

（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040；2.三峡机电工程技术有限公司，成都 610041）

0 引言

白鹤滩水电站最大水头为243.1 m，额定水头为202 m，最小水头为163.9 m，左、右岸地下厂房各布置8台立轴混流式水轮发电机组，水轮机额定转速为107.1 r/min，额定出力为1015 MW，是目前世界上单机容量最大的混流式水轮发电机组。白鹤滩水电站右岸8台机组均由哈尔滨电机厂有限责任公司研发制造，水轮机转轮采用长短叶片结构，15个长叶片和15个短叶片周向交替排列，这种转轮实际上是一种比常规叶片转轮具有更多叶片数的多叶片转轮。这种结构转轮，由于叶栅稠密，其比传统型转轮的能量、空化、压力脉动、刚强度性能都具有明显的优点。当电站的水头和流量变幅较大时，适应性更好，能够满足机组高水头发最大极限出力和低水头超发的需要，哈电集团设计、制造的白鹤滩右岸转轮综合性能优良，为电站的安全、稳定、高效运行奠定了良好的基础。白鹤滩右岸转轮名义直径D1=8720 mm，最大外形尺寸为φ8870×3795 mm，转轮质量为340 t。

水轮机止漏装置的主要作用是减少机组的容积损失，目前常用的止漏环密封结构有缝隙式、迷宫式、梳齿式、台阶式及双塔或三塔式等。为了减小轴向水推力，同时能够防止和避免反向水推力引起的抬机，转轮上、下止漏环的位置、间隙及长度均需进行合理的搭配。白鹤滩右岸转轮为中高水头混流式转轮，从减小容积损失及便于制造和检修维护角度，转轮上止漏环密封结构采用台阶式，总计5节台阶，上止漏环总高度为300 mm，设置在上冠上端面偏外侧位置。从减小水推力、减轻尾水压力脉动的上传和提高机组稳定性的角度，将下止漏环设在转轮下部，密封结构采用迷宫式，总计5道迷宫，下止漏环总高度为340 mm。白鹤滩右岸转轮上、下止漏环均在转轮本体上加工出来，上、下止漏环的布置位置基本对称。这种结构有利于上冠止漏环外侧和下环止漏环外侧两腔的压力均衡，还能够有效抑制转轮产生水压脉动和振动，减少容积损失、提高效率、降低轴向水推力。

1 白鹤滩右岸转轮止漏环间隙取值分析

图1 白鹤滩转轮

水轮机转轮止漏环间隙的具体数值与转轮结构尺寸有关，原则上止漏环间隙数值需根据制造工艺的可行性尽量选取较小的数值[1,3]，以增强止水效果，减少容积损失，提高水轮机效率。但在工程实际中，止漏环间隙过小，将会增大固定止漏环与转动止漏环相碰及导致止漏环损坏的可能性。因此转轮止漏环间隙值还需综合考虑转轮制造偏差、安装误差和机组运行中止漏环处径向变形、摆度等因素对间隙的影响，应首先保证在各种运行工况下转轮与固定止漏环之间不会刮擦接触，再兼顾提高水轮机水力性能。

白鹤滩右岸水轮机转轮止漏环结构形式如图2所示，上止漏环采用台阶式止漏环结构，下止漏环采用迷宫式止漏环结构。

图2 白鹤滩右岸转轮止漏环结构示意图

白鹤滩右岸水轮机模型转轮直径D1m=426 mm，模型装置上止漏环间隙（理论值）为0.20～0.25 mm，下止漏环间隙（实测值）为0.17～0.18 mm。真机转轮直径为D1=8723 mm，按照模型比例换算后[2]，白鹤滩右岸转轮真机上止漏环间隙值应不超过4.01～5.12 mm，下止漏环间隙应不超过3.48～3.68 mm。

根据资料统计及参考相关标准，混流式水轮机转轮止漏环单侧间隙一般取转轮相应直径的0.5‰左右[3]。白鹤滩右岸转轮上止漏环外侧名义直径为φ7660 mm，下止漏环名义直径为φ7660 mm，上止漏环设计间隙（单侧）取为3.5～4.0 mm。由于模型装置转轮下止漏环间隙较小，致使按照模型比例换算后，真机转轮下止漏环间隙较小。而工程实际中，真机设计时，考虑到机组运行时摆度及部件变形等因素的影响，转轮下止漏环间隙一般应比上止漏环间隙略大些。因此为满足机组运行需求，白鹤滩右岸转轮下止漏环设计间隙（单侧）取为4.0～4.5 mm。

1.1 白鹤滩右岸机组运行时转轮止漏环极端最小间隙值的复核分析

根据水轮机整体结构布置和机组运行各结构部件受力变形、振动及摆度等特点，转轮止漏环极端最小间隙设计时一般需考虑：在各种运行工况下转轮上、下止漏环处由于离心力作用产生的最大径向变形值，转轮制造偏差，安装累积误差及转轮止漏环处运行摆度等。综合上述因素计算出转动止漏环与固定止漏环的最大偏心量（计算中所有的变形、偏差及摆度均按同方向考虑），进而计算出机组运行过程中固定止漏环与转轮止漏环不会发生刮擦故障的极端最小间隙值。实际上真机运行中由于各工况作用力方向、各部件尺寸偏差及结构变形等方向一般并不完全是同一方向，因此机组运行过程中，转轮止漏环与固定止漏环的实际最小间隙会比按上述方法计算的结果略大一些。

根据白鹤滩右岸电站相关转轮、顶盖、基础环刚强度计算和主轴挠度的计算结果，转轮上、下止漏环及上、下固定止漏环的径向变形分别如表1～表3所示。由于下固定止漏环的径向变形方向沿半径向外，因此计算转轮止漏环间隙时下固定止漏环处的径向变形不做考虑。

表1 白鹤滩右岸转轮上下止漏环处径向变形 mm

表2 白鹤滩右岸顶盖径向变形计算结果 mm

表3 白鹤滩右岸基础环径向变形计算结果 mm

参考相关标准内容[4]，在计算机组运行止漏环极端最小间隙时还综合考虑了转轮上、下止漏环处的摆度（含主轴挠度），上、下固定止漏环同轴度，转轮、主轴同轴度及轴线安装偏差等因素对止漏环间隙数值的影响。

白鹤滩右岸水轮机安装允许偏差及运行时止漏环极限最小间隙取值分析如表4所示。

由表4可以看出，正常运行工况时，白鹤滩右岸转轮上、下止漏环极端最小间隙值分别为1.856 mm和2.43 mm；异常运行工况时，白鹤滩右岸转轮上、下止漏环极端最小间隙值分别为0.787 mm和1.18 mm，因此白鹤滩右岸转轮上、下止漏环最小间隙的理论设计值分别取为3.5 mm和4.0 mm，当安装出现极限偏差时[4]，转轮上、下止漏环处实际的最小安装间隙应分别为3.15 mm和3.6 mm，此间隙值仍大于各工况下转轮上、下止漏环极端最小间隙的计算值，因此白鹤滩转轮上、下止漏环最小间隙的设计值是安全、合理的。

表4 白鹤滩右岸水轮机安装允许偏差及止漏环极限最小间隙值 mm

1.2 白鹤滩右岸转轮止漏环间隙最大值的取值

关于混流式水轮机转轮止漏环最大间隙的取值，我们首先根据IEC标准相关内容[2]，并参照真机止漏环间隙不超过按模型比例换算间隙的原则[3]来设计转轮止漏环最大间隙，同时根据转轮、顶盖及基础环结构的工艺性和制造厂生产能力确定转轮止漏环和固定止漏环的设计公差，最终按照转轮止漏环和固定止漏环的实际制造公差核算上、下止漏环的最大间隙和最小间隙。

由于制造和安装工艺不同，模型装置转轮下止漏环间隙比上止漏环间隙小，致使按照模型比例换算后，真机转轮下止漏环间隙也很小。而实际上机组运行时，转轮下止漏环处摆度大于上止漏环的摆度，因此设计时，为满足机组运行要求，需考虑运行中上、下止漏环摆度及变形等因素的影响，转轮下止漏环设计间隙一般比上止漏环设计间隙略大些。

综上，白鹤滩右岸水轮机按照止漏环最大间隙不超过按模型比例换算后真机转轮上止漏环间隙值的原则，并在上文介绍的止漏环最小间隙取值基础上，结合转轮上、下止漏环及上、下固定止漏环的制造公差，设计转轮上止漏环最大单侧间隙为4.0 mm，下止漏环最大单侧间隙为4.5 mm。

2 结语

白鹤滩右岸转轮上止漏环单侧间隙设计为3.5～4.0 mm，下止漏环单侧间隙设计为4.0～4.5 mm。通过本文的分析可见，转轮上、下止漏环的最小设计间隙值均可以保证机组运行中出现极端状况时，固定止漏环与转轮止漏环之间仍然具有足够的安全距离。同时，转轮上、下止漏环的最大间隙值也均小于按模型比例换算的上止漏环间隙值。因此，白鹤滩右岸转轮上、下止漏环间隙的取值是合理的。