三峽水輪機(jī)示意圖
三峽水電站32套70萬千瓦發(fā)電機(jī)組由水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主變壓器及附屬設(shè)備組成，設(shè)備總重超過20萬噸，多數(shù)為超重型特大部件。左岸廠房14套機(jī)組有Alstom和VGS兩種構(gòu)型，右岸廠房12套機(jī)組和地下廠房6套機(jī)組，經(jīng)過Alstom、哈電、東電完善設(shè)計，成功消除了對空化敏感的特殊壓力脈動區(qū)，使水輪機(jī)運行穩(wěn)定性有了進(jìn)一步提高。
三峽工程最早建設(shè)的左岸14臺機(jī)組，中標(biāo)外商都是國際一流企業(yè)，但實際制造供貨分散在17個國家100多個工廠，又逢制造企業(yè)兼并改組，富有經(jīng)驗的原產(chǎn)地只生產(chǎn)一些關(guān)鍵部件，其他部件轉(zhuǎn)移到子公司，甚至關(guān)鍵的定子線棒德國Siemens公司交給巴西生產(chǎn)（2號機(jī)組1941個水接頭返廠重焊)，瑞士ABB磁極裝配在西班牙生產(chǎn)(5號機(jī)組磁極返修后，轉(zhuǎn)子才耐壓通過)，ABB推力頭和鏡板在意大利生產(chǎn)（5號機(jī)組推力頭止口與軸領(lǐng)偏心0.3mm，需要修磨放大止口間隙），出現(xiàn)不少質(zhì)量問題，經(jīng)過返修最終達(dá)到了技術(shù)要求。左岸還有55%的部件由國內(nèi)企業(yè)制造，這批機(jī)組質(zhì)量責(zé)任在總供貨外商，在運行期間逐步進(jìn)行升級改造。右岸電站12臺機(jī)組有8臺實現(xiàn)國產(chǎn)，地下電站6臺機(jī)組全部實現(xiàn)國產(chǎn)。總體來說，機(jī)組設(shè)計制造代表了當(dāng)今國際先進(jìn)水平。
三峽水電站由于自然條件和以防洪為主的需要，初期水頭61-94米，后期水頭為71-113米，每年汛前水庫水位降到145米高程，防洪庫容221.5億立方米，水頭變幅很大，額定水頭80.6米，給水輪機(jī)設(shè)計增加了難度。每套水輪機(jī)組主要由引水管、座環(huán)、蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、主軸、下機(jī)架、頂蓋、轉(zhuǎn)子支架、定子鐵芯、定子線圈、尾水管等部件組成。單臺機(jī)組出力700MW，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪名義直徑9.709/10.427m(VGS/Alstom)，是當(dāng)今世界最大的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。機(jī)組采用三個導(dǎo)軸承的半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承負(fù)荷5050/5520噸，為當(dāng)今世界之最。發(fā)電機(jī)額定出力778MVA，功率因數(shù)0.9，為提高在高水頭下水輪機(jī)運行的穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)設(shè)計最大出力840MVA，可連續(xù)運行。發(fā)電機(jī)額定電壓20kV，采用定子繞組水冷、轉(zhuǎn)子空冷的冷卻方式。發(fā)電機(jī)定子機(jī)座外徑21.42/20.9m，定子鐵芯內(nèi)徑18.5/18.8m,鐵芯高度3.13/2.95m，單臺機(jī)組重約7000噸，均為世界之最。
【水輪機(jī)進(jìn)水機(jī)構(gòu)】
引水管
每臺機(jī)組有一根直徑12.8米的特大型鋼制引水管，由壩體進(jìn)水口延伸到下游電站水輪機(jī)蝸殼前部，被澆筑在混凝土壩體中，是永久不修復(fù)部件。由72個管節(jié)組成，分上斜直段、下彎段、下平段、和錐管漸變段四部分，采用壁厚26-60mm的60kgf/mm2級高強(qiáng)度鋼板卷制而成。單節(jié)重量在20-50噸之間。
三峽上游水庫的水經(jīng)大壩引水口鋼制閘門進(jìn)入引水管，以每秒1020立方米的流量傾瀉而下，再流入蝸殼做圓周旋轉(zhuǎn)運動，形成雷霆萬鈞般的強(qiáng)大沖擊力，經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，將水流均勻、軸對稱地送入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，推動轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)。引水管還要承受來自水庫內(nèi)393億立方米水形成的巨大壓力，一旦鋼管爆裂，澆筑在管道上面2-3米厚的混凝土根本難以抵擋這萬鈞之力。而大壩進(jìn)水口鋼制閘門至少需3.5分鐘才能關(guān)閉，此期間下游廠房早已發(fā)生機(jī)毀人亡事故。因此對引水管鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸性能和沖擊韌性等4大指標(biāo)有嚴(yán)格的要求。
【水輪機(jī)引水機(jī)構(gòu)】
蝸殼
蝸殼是引水機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，外型如同蝸牛殼，進(jìn)口最大直徑12.4米，從進(jìn)口開始斷面逐漸縮小，截面半徑從最6.2米到2.1米不等，尺寸及重量均為國內(nèi)之最。而且兩家供貨商的結(jié)構(gòu)設(shè)計也不一樣，VGS的蝸殼有33節(jié)，總重690噸，阿爾斯通的蝸殼有30節(jié)，總重739噸。采用60kg/mm2級高強(qiáng)鋼板卷制，板厚24-120毫米，設(shè)計時考慮了3mm腐蝕余量。左岸機(jī)組蝸殼現(xiàn)場安裝的二類以上焊縫總長度超過12.6公里，耗用焊條超過185噸。
蝸殼由于尺寸巨大，因此內(nèi)水壓力和水溫的變化對蝸殼變形影響較大。三峽壩址處歷年河水水溫為1.4-29.5℃，在高溫季節(jié)和低溫季節(jié)保壓澆混凝土的效果相差很大。因此澆筑蝸殼周邊混凝土?xí)r既要控制內(nèi)水壓力，又要控制水溫，還要考慮周邊混凝土上升過程中產(chǎn)生的熱量對蝸殼變形的影響。
【水輪機(jī)座環(huán)】
座環(huán)
座環(huán)位于水輪機(jī)底部蝸殼內(nèi)側(cè)，上部安裝水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，為平板式組焊結(jié)構(gòu)，由上、下環(huán)板、固定導(dǎo)葉、導(dǎo)流板、過渡板、大舌板等部件組成。VGS供貨的環(huán)座總重382噸，考慮到運輸需要，分為6瓣，單瓣最重約70.5噸，組裝后最大外徑約14.5米，高4.265米。ALSTOM供貨的環(huán)座總重345.5噸，單瓣最重約65噸，組裝后最大外徑約15米。座環(huán)分6瓣在工廠制作并退火，在現(xiàn)場機(jī)坑內(nèi)用預(yù)應(yīng)力螺栓把合后組焊成整體，所有焊縫需磁粉和超聲波探傷，相關(guān)尺寸精度要求高，制造裝配難度較大。
【水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)】
導(dǎo)葉
導(dǎo)水機(jī)構(gòu)位于蝸殼內(nèi)部，通過活動導(dǎo)葉調(diào)節(jié)水輪機(jī)進(jìn)水流量從而控制水輪機(jī)工況的部件。三峽水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由底環(huán)、頂蓋、24片導(dǎo)葉、控制環(huán)及導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)等大小千余個零件組成，總重近千噸。
底環(huán)直徑11.6米，高0.7米，重達(dá)112噸，由4瓣28噸的構(gòu)件組裝而成。頂蓋直徑13.29米，高2.275米，重達(dá)380噸，分4瓣在工廠制作并作消除應(yīng)力處理。24片導(dǎo)葉每片長約3米，重達(dá)11噸。
導(dǎo)葉是水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中最重要的鑄鍛件之一，它的制造一直是大型水輪機(jī)組制造面臨的一大難題。此類高端部件依賴進(jìn)口。
【水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪】
轉(zhuǎn)輪
轉(zhuǎn)輪是水輪發(fā)電機(jī)組的心臟，由上冠、下環(huán)、葉片、泄水錐等部分組成。是水輪機(jī)中技術(shù)含量最高，制造難度最大，制造周期最長的部件。
三峽左岸Alstom供貨的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑10.427米、高5.08米、喉口直徑9.8米，凈重450噸，由上冠、下環(huán)、15塊葉片、上下止漏環(huán)和泄水錐焊接而成，是目前世界最大的水電鑄鋼焊接件。上冠不銹鋼鑄件重達(dá)112噸，下環(huán)重達(dá)58噸，輪機(jī)葉片最大尺寸為4537×4951×2300毫米，凈重17.49噸，VOD精煉鋼水，探傷要求為CCH70-3，其尺寸、重量、技術(shù)含量、制造難度都堪稱當(dāng)今世界同類產(chǎn)品之最，每片造價高達(dá)200萬元，僅數(shù)控機(jī)床加工費就達(dá)30萬元以上，切削下來的鐵屑重達(dá)數(shù)噸。VGS機(jī)組的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)略有不同，直徑10.07米，高5.565米，喉口直徑9.4米，由上冠、下環(huán)和13塊葉片焊接而成，單塊葉片重22.2噸，轉(zhuǎn)輪總重473噸，加工周期長達(dá)一年多時間，造價超過3000萬元人民幣。
【水輪機(jī)主軸】
水輪機(jī)主軸
三峽水輪機(jī)主軸為內(nèi)法蘭式，居世界同類產(chǎn)品之最，主軸直徑達(dá)4.125米，長6.3米，壁厚116mm，重達(dá)117噸。水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)要通過主軸連接才能發(fā)電，對軸線的精度要求特別嚴(yán)，要求徑向和端面跳動要小于0.05毫米；其尺寸之大和質(zhì)量要求之高，在世界水電設(shè)備制造史上都屬空前。為了滿足這種超大型產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，哈電、東電、二重等企業(yè)引進(jìn)了20-22米數(shù)控立式車床、16米數(shù)控重型臥車、五坐標(biāo)數(shù)控銑加工中心等一批處于國際領(lǐng)先水平的設(shè)備，為今后加工此類超大型產(chǎn)品積累了豐富經(jīng)驗。
【發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子】
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子
三峽70萬機(jī)組左岸發(fā)電機(jī)由Alstom/ABB和VGS聯(lián)合體供貨，右岸實現(xiàn)國產(chǎn)。采用推力軸承置于下機(jī)架的三導(dǎo)軸承半傘式結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子、定子、上機(jī)架、下機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承、空氣冷卻器和永磁機(jī)等部分組成。額定容量777.8MVA/700MW，最大容量840MVA，額定電壓20kV，額定電流22453A，額定轉(zhuǎn)速75rpm，推力軸承總負(fù)荷5520噸，采用定子繞組水冷、轉(zhuǎn)子空冷的冷卻方式，發(fā)電機(jī)總重量達(dá)3443噸，是世界最大的水輪發(fā)電機(jī)。
轉(zhuǎn)子位于定子內(nèi)側(cè)，是發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件，通過主軸與下面的水輪機(jī)連接，主要作用是產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子中心體、圓盤支臂、磁軛、磁極、扭矩塊、上下壓板、永久螺栓、上下?lián)躏L(fēng)板、剎車板等部件組成，VGS供貨的轉(zhuǎn)子最大直徑18.43米，高3.435米，重達(dá)1694.5噸。阿爾斯通供貨的轉(zhuǎn)子最大直徑18.738米，高3.639米，重達(dá)1780噸，是當(dāng)今世界已投產(chǎn)的水輪發(fā)電機(jī)組中重量最重的機(jī)組。加上吊具，吊裝總重量近2000噸。
【發(fā)電機(jī)定子】
發(fā)電機(jī)定子
三峽發(fā)電機(jī)定子由機(jī)座、鐵芯、線圈等部件組成。機(jī)座外徑為21.42/20.9米，鐵芯內(nèi)徑為18.5/18.8米，鐵芯高度為3.13/2.95米，重達(dá)326.4噸。定子電流達(dá)22453A，在如此大的電流和高電壓作用下，發(fā)電機(jī)的定子線圈/線棒，就顯得尤為重要，在發(fā)電機(jī)運行及起、停過程中，線棒承受電磁力、熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力的綜合作用，還有在嚴(yán)重的短路情況下可能發(fā)生的振動和沖擊變形。其是決定發(fā)電機(jī)壽命的關(guān)鍵部件。VGS和Alstom提供的三峽發(fā)電機(jī)都采用定子繞組水冷、轉(zhuǎn)子空冷的冷卻方式，每臺有1020根線棒，線棒主絕緣采用少膠帶真空浸漬工藝制造。
