水利工程論文-大型軸伸貫流式水輪發(fā)電機組的設計與開發(fā)摘要：國內目前轉輪直徑最大的帶增速器的軸伸貫流式水輪發(fā)電機組已投入發(fā)電。介紹這方面的代表東風電機公司開發(fā)大型軸伸貫流式水輪發(fā)電機組的設計思路、結構特點等。關鍵詞：軸伸貫流水輪發(fā)電機組結構設計1概述大型軸伸貫流式水輪發(fā)電機組是東風電機公司開發(fā)的一種結構簡單、性能優(yōu)良、安裝維護方便的機型，它適用于低水頭、大流量電站的裝機，一般使用水頭在2.518m，直徑等級在D13m以及單機額定出力N=5MW以下的機組。該機型發(fā)電機移出燈泡體，露在水輪機外，還可采用各種形式的增速裝置。由于可采用常規(guī)發(fā)電機，中小型機組經濟性顯著。在中小型水力資源的開發(fā)中，軸伸貫流比燈泡貫流投資少、經濟性好，在安裝、使用、維修、保養(yǎng)上比燈泡貫流方便，在性能方面也和燈泡貫流機接近。下表列出了東風電機公司已投入運行的部分該類機型及典型電站。2總體布置軸伸貫流水輪機組，水流從進水管引入，經導水機構、轉輪、尾水管排至尾水渠道。轉輪室后的肘管成S型，水輪機主軸從肘管中水平穿過后通過增速器與常規(guī)發(fā)電機聯(lián)結。水輪發(fā)電機組設2導1推共3個軸承，其中水輪機側設有2個軸承。水輪機徑向軸承布置于固定支座內，徑向推力軸承布置于肘管密封座與增速器間的廠房地板上；發(fā)電機的徑向軸承布置于轉子的下游側。發(fā)電機和水輪機軸承共用一個供油系統(tǒng)，集中供油。為保證機組的運行穩(wěn)定，發(fā)電機機坑底部距流道有足夠的距離。軸伸貫流水輪機是水平軸向布置的，沒有蝸殼，流道也是軸向的，水流平行于水輪機軸流向轉輪，可以把導水機構布置在靠近轉輪葉片的位置上，從而充分控制轉輪入口處的水流條件，使轉輪具有更佳的抗氣蝕性能。導水機構采用錐形布置，16只導葉成圓錐狀布置在內外配水環(huán)之間，其錐角為65?？紤]機組運行的穩(wěn)定性，進水管的座環(huán)與尾水管大部分埋入混凝土中。水輪機進水管頂部開有方形孔，以供裝卸燈泡體內工件時使用。對于流道內的水輪機部分設有4根固定支柱，其中上支柱是油、氣、水管路的入口，下支柱是排水管、排油管的出口，并且水輪機流道內的零部件重量以及動載荷通過固定支柱傳遞到基礎上。調速器與油壓裝置分開布置，設置于水輪機上游側，通過操作油管、反饋鋼絲繩與水輪機的導水機構相連。軸承高位油箱布置在距機組中心線810m的副廠房內，回油箱及增速器的液壓站布置于水輪機機坑內?？傮w布置見圖。3水輪機主要結構特點3.1轉輪及主軸軸伸貫流水輪機轉輪參數(shù)選擇與燈泡貫流式轉輪不同。例如葉柵稠密度1/t值的大小，是影響單位轉速、單位流量的重要因素。選擇較小的1/t值，轉輪就具有大的過流能力和高的單位轉速。然而“S”型尾水管限制過大的流量通過，因1/t值過小，水流能量轉換不充分引起水力效率下降。因此，軸伸貫流水輪機轉輪采用周邊較小的1/t值，而靠近輪轂處采用較大的1/t值，葉片平均稠密度也較大，葉片進出水邊均為曲線。除此之外，葉片相對的扭角較燈泡轉輪稍小，這樣選擇參數(shù)設計出的轉輪具有優(yōu)良的能量和氣蝕特性。對于轉槳式軸伸貫流式水輪機，其轉輪的轉槳機構為帶操作架的直連桿機構。槳葉回復機構設在受油器上，通過扇形板和鋼絲繩將機械運動輸出。轉輪葉片的密封采用多層“U”橡膠。為便于轉輪安裝，轉輪泄水錐分為上下兩部分。轉槳式軸伸貫流式水輪機支撐方式與定槳式相同，均為兩支點支撐。由于主軸長、跨距大，為增加主軸剛度，減輕主軸重量，主軸采用空心鍛件，或采用厚壁無縫鋼管、焊接法蘭結構。根據(jù)軸伸貫流式水輪機的特點，其支撐位置、主軸直徑和內孔尺寸應經多方案優(yōu)選而定。軸伸貫流式水輪機結構復雜，發(fā)電機轉速低，與小機組相比，尺寸大、重量重，故要求水輪機拆裝時不移動發(fā)電機。為此，在兩軸之間設置分半過渡法蘭，就能很方便地單獨拆裝、維護水輪機或發(fā)電機。軸伸貫流式水輪機主軸特長，其主軸、轉輪的安裝是一個重要問題。絕大部分的軸伸貫流式水輪機主軸從肘管出軸處拉出，這會增加廠房的寬度，同時要移動增速器、推力軸承、發(fā)電機等。也有采用轉輪室、直錐管、肘管按軸線水平分開的，這樣雖然解決了主軸的吊裝問題，但又增加了機殼的安裝麻煩，提高了機組的制造成本。于是，采取轉輪室、直錐管進行分半，伸縮節(jié)設在直錐管與肘管之間。水輪機主軸與發(fā)電機大軸之間設分半過渡法蘭，在拆卸轉輪及主軸時，可以不移動其它部件而達到拆卸目的，主軸及轉輪可以直接從分半轉輪室、分半直錐管處吊裝。3.2導水機構導葉采用整體鑄鋼，二支點結構。導葉翼型為空間扭曲型線，上、下軸承均采用自潤滑材料軸承。導葉軸頭密封處可采用熱套不銹鋼或鍍鉻保護的措施，以防銹蝕影響密封圈的性能。為了便于安裝，導葉短軸設在導葉內環(huán)上，與導葉內環(huán)軸孔配合。導葉密封采用“Y”型加“O”型密封。導葉軸與導葉臂采用圓柱銷分半鍵傳遞轉矩。導葉上、下端面間隙的調整是通過導葉軸端的螺栓及調整墊環(huán)厚度來實現(xiàn)的，在關閉狀態(tài)下其端面總間隙為0.81.8mm，立面局部間隙在1/4導葉高度范圍小于0.15mm，這個要求既能保證漏水量小，又能保證機構的運作靈活。16個導葉分別裝有剪斷銷及剪斷銷信號器，當導葉之間有異物時剪斷銷剪斷并發(fā)出信號，以保護其它零件不受損害。由于貫流式機組的導水機構呈錐形布置，連板的運行是空間立體運動，剪斷銷的受力復雜，有剪切力，還有一定的扭矩，很容易發(fā)生剪斷。因此，連板及剪斷銷的設計是一個重點。導葉立面采用金屬密封，頭尾部可根據(jù)需要在密合面堆焊不銹鋼。用金屬密封作為立面密封，結構簡單方便，加工制作能完全保證密封的嚴密性，同時貫流機組水頭低、滲漏不大，金屬密封形式也便于導水機構的安裝與調整。隨著新材料的應用，在導葉密封面噴涂防腐、耐磨的復合密封材料也在增多，有著良好的發(fā)展前景。導葉外環(huán)外殼斜向均布著16個搭子孔，用以裝設導葉的上支點。導葉外環(huán)為薄殼焊接件，剛性差，為了增大導水機構的整體剛度，在結構設計上適當?shù)夭贾铆h(huán)向或縱向筋板是必要的。但為解決整體吊裝的變形給安裝帶來的麻煩，設計專用的整體吊裝和翻身定位支撐工具則更為重要。控制環(huán)為滾動摩擦環(huán)軸承結構。在控制環(huán)的滑動面上設有鋼球，鋼球之間裝有尼龍隔球柱，可減少鋼球之間的摩擦，使控制環(huán)具有小的摩擦力矩，保證控制環(huán)動作靈活。導水機構設有控制擺式接力器。控制環(huán)大耳孔與接力器推拉桿相連，小孔與導葉連板的叉頭鉸接。另外，控制環(huán)上還設有裝回復鋼絲的圓槽?？刂骗h(huán)在接力器的作用下作圓周往復運動時，帶動連板，連板再將操作力傳遞給與之鉸接的導葉臂，從而實現(xiàn)對導葉的控制。另外，在空間導水機構傳動的運動和力學分析的基礎上，控制環(huán)采用了單耳孔、單導葉接力器的結構，這種系統(tǒng)結構緊湊，布置清晰，安裝調試方便。機組停機時，需對導水機構進行鎖錠，該功能由接力器實現(xiàn)。鎖錠有兩方面的內容，即從原理上對控制油管路進行鎖錠和從機構上對接力器推拉桿進行硬鎖錠。接力器設計時無自動鎖錠，只在導葉全關位置設有人工鎖錠，這是一道十分可靠的防護措施。連板球鉸采用了標準關節(jié)軸承。為防止灰塵等進入軸承內，軸承裝有軸承壓蓋及密封銅片。軸承壓蓋裝有油杯，通過定期加注潤滑油，以保證連板拐臂動作靈活。采用關節(jié)軸承，使連扳球鉸具有一定的自調心作用，可對導水機構在制造、安裝過程中產生的偏差進行一定的補償。工地安裝時，導水機構應整體吊裝。整體吊裝前，應將導葉全部置于全關位置，然后用拉筋將相鄰兩導葉互相搭焊，這樣16只導葉形成一個整體的支撐環(huán)，具有足夠的剛度。3.3主軸密封主軸密封共3道，第1道為梳齒密封，第2道為水壓活塞式工作密封，第3道為檢修密封。梳齒密封主要起降壓和防止大顆粒雜質進入，對第2道密封起保護減量作用。為減小磨損，梳齒密封采用不銹鋼材料制成。工作密封采用水壓活塞式密封，密封環(huán)采用性能好的中硬橡膠。特點：可儲存潤滑水，利于接觸面潤滑；凹槽式儲水保證通水孔不會因磨損而堵塞；密封活塞上布置大小合適的進水孔，以使活塞上腔與內腔形成適量的壓差；使壽命長，安裝、調整、維護方便。設計、加工時為控制漏水量，凹槽及導向孔、進水孔尺寸應嚴格控制。對于多泥沙水電站，使用活塞式端面橡膠密封應注意密封水壓一定要大于漏水壓力。為了保證活塞自由運動，在安裝時，應使活塞與活塞體之間有0.05mm間隙。停機檢修密封根據(jù)機組的大小分別采用填料密封或空氣圍帶密封。采用填料密封時，填料為發(fā)辮編織式聚四氟乙烯浸漬碳纖維填料，它由多股碳纖維絲呈人字形編織而成，斷面呈方形。其特點是：松軟，容易浸漬潤滑劑，對軸的振動和偏心有浮動彈性，致密性好，能滿足主軸密封對填料的性能要求。同時與之相對應，轉軸的粗糙度要高，這樣摩擦損失就小，通常密封面的粗糙度應高于3.2m，軸表面有足夠的硬度，并能長時間維持這種粗糙度，采用噴涂或堆焊不銹鋼可以滿足此要求。采用空氣圍帶，在機組正常時，圍帶不充壓縮空氣呈自由狀態(tài)，與小軸圓柱面有1.52.0mm的間隙；停機時，圍帶充以0.50.7MPa的壓縮空氣，膨脹抱住小軸密封面，起到密封作用。空氣圍帶只在機組停機時使用，因此對軸的要求要低些。主軸密封是控制漏水量而不是絕對封水，為了確保密封的安全可靠，須對漏出的水作有效處理。因此在檢修密封位置之后，設計時在轉動部分設置甩水環(huán)，尾水罩上設集水管，甩水環(huán)將漏出的水封住并通過離心力作用甩入尾水罩內，在重力作用下通過尾水罩上的采水管排出。通過采用以上措施，可以有效防止主軸密封漏水進入水輪機導軸承。3.4增速器低水頭電站采不采用增速器，直接影響到電機的造價。如廣東陽江雙捷電站1000kW40極的發(fā)電機和1000kW8極的發(fā)電機價格之比近3倍，遠遠超過水輪機價格，如果采用增速器后1000kW8極的發(fā)電機的總價也不超過1000kW40極的發(fā)電機價的一半，有利于低水頭水力資源開發(fā)投資的積極性。所以，為了提高發(fā)電機的單機容量，縮小體積，降低成本，應當優(yōu)先采用加增速器方案。在帶增速器的機組中，增速比及所傳遞的功率較大。東風電機公司設計的軸伸貫流水輪機組常采用行星齒輪增速器。該增速器的增速比一般較大，采用獨立的供油系統(tǒng)，發(fā)電機與增速器采用柱銷聯(lián)軸器聯(lián)接。以柱銷聯(lián)軸器取代以往的齒輪聯(lián)軸器，可以有效減小噪音，改善運行環(huán)境。為消除行星齒輪增速器傳動時的力矩波動，與之相配的聯(lián)軸器為柱銷聯(lián)軸器。由于柱銷與柱銷孔為間隙配合，且柱銷富有彈性，它允許兩軸在徑向有0.150.25mm的位移量，在軸向有0.53mm的位移量，從而可獲得補償兩軸相