貫流式水輪機基本結(jié)構(gòu)

1、第六節(jié) 貫流式水輪機基本結(jié)構(gòu)一、貫流式水輪機的特點貫流式水輪機是開發(fā)低水頭水力資源的一種新型機組，適用于m以下的水頭。這種機型流道呈直線狀，是一種臥軸水輪機，轉(zhuǎn)輪形狀與軸流式相似，也有定槳和轉(zhuǎn)槳之分，由于水流在流道內(nèi)基本上沿軸向運動不拐彎，因此較大的提高了機組的過水能力和水力效率。此外，與其它機型相比，它還有其它一些顯著特點：（1）從進水到出水方向軸向貫通形狀簡單，過流通道的水力損失減小，施工方便，另外它效率較高，其尾水管恢復(fù)功能可占總水頭的40%以上。（2）貫流式機組有較高的過濾能力和比轉(zhuǎn)速，所以在水頭與功率相同的條件下，貫流式的要比轉(zhuǎn)槳式的直徑小10%左右。（3）貫流式水輪機適合作了逆式水

2、泵水輪機運行，由于進出水流道沒有急轉(zhuǎn)彎，使水泵工況和水輪機工況均能獲得較好的水力性能。如應(yīng)用于潮汐電站上可具有雙向發(fā)電，雙向抽水和雙向泄水等六種功能，很適合綜合開發(fā)利用低水頭水力資源，另外在一般平原地區(qū)的排灌站上可作為可逆式水泵水輪機運行，應(yīng)用范圍比較廣泛。（4）貫流式水電站一般比立軸的軸流式水電站建設(shè)周期短、投資小、收效快、淹沒移民少，電站靠近城鎮(zhèn)，有利于發(fā)揮地區(qū)興建電站的積極性。二、貫流式水輪機的分類根據(jù)貫流式水輪機機組布置形式的不同可將其劃分為以下幾種形式：1軸伸貫流式這種貫流式水輪發(fā)電機組基本上采用臥式布置，水流基本上沿軸向流經(jīng)葉片的進出口，出葉片后，經(jīng)彎形（或稱形）尾水管流出，水輪機

3、臥式軸穿出尾水管與發(fā)電機大軸連接，發(fā)電機水平布置在廠房內(nèi)。軸伸貫流式機組按主軸布置方式可分成前軸伸、后軸伸和斜軸伸等幾種，如圖7-1所示。這種貫流式機組與軸流式相比沒有蝸殼、肘形尾水管，土建工程量小，發(fā)電機敞開布置，易于檢修、運行和維護。但這種機組由于采用直彎尾水管，尾水能量回收效率較低，機組容量大時不僅效率差，而且軸線較長，軸封困難，廠房噪音大都將給運行檢修帶來不方便。所以一般只用于小型機組。2豎井貫流式這種機組主要特點是將發(fā)電機布置在水輪機上游側(cè)的一個混凝土豎井中，發(fā)電機與水輪機的連接通過齒輪或皮帶等增速裝置連在一起如圖7-2所示。圖7-1 軸伸貫流式水輪機組剖面圖、前伸軸；、后伸軸；、斜

4、伸軸該機組除具有一般貫流式水輪機的優(yōu)點外，因發(fā)電機和增速裝置布置在開敞的豎井內(nèi)，通風(fēng)、防潮條件良好，運行和維護方便，機組結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉。例如福建省幸福洋潮汐電站建于80年代末，采用豎井式機組，單位千瓦投 資為2107元。如果采用燈泡式機組，單位千瓦投資將達(dá)到4760元，是豎井式的2. 26倍。由于豎井式具有以上優(yōu)點，所以廣泛應(yīng)用于小型電站機組上。這種機組的缺點為因豎井的存在把進水流道分成兩側(cè)進水，增加了引水流道的水力損失，一般豎井式機組的水力效率比燈泡式的要降低3%左右，如果要作為反向發(fā)電，其效率下降更多。單機容量較大時,一般不采用此種機組，以采用燈泡貫流式機組為宜。圖7-2 豎井貫流式機

5、組剖面圖3燈泡貫流式這種機組的發(fā)電機密封安裝在水輪機上游側(cè)一個燈泡型的金屬殼體中，發(fā)電機主軸與水輪機轉(zhuǎn)輪水平連接。水流基本上軸向通過流道，軸對稱流過轉(zhuǎn)輪葉片，然后流出直錐形尾水管，參見圖1-11所示。機組的軸系支承結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軸承、推力軸承都布置在燈泡體內(nèi)。由于貫流式機組水流暢直，水力效率比較高，有較大的單位流量和較高的單位轉(zhuǎn)速，在同一水頭，同一出力下，發(fā)電機與水輪機尺寸都較小，從而縮小了廠房尺寸，減少土建工程量。但是發(fā)電機裝在水下密閉的燈泡體內(nèi)，給電機的通風(fēng)冷卻、密封、軸承的布置和運行檢修帶來困難， 對電機的設(shè)計制造提出了特殊要求，增加了造價。即使如此它與立式軸流式機組相比仍具有明顯的優(yōu)點。燈泡

6、式機組雖然是一種新型機組，但近20年來也積累了許多成功的經(jīng)驗，并逐漸向較高水頭和較大容量發(fā)展，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。4全貫流式這種機組采用臥式布置，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁極與水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片合為一體，發(fā)電機磁極直接安裝在水輪機葉片的邊緣上，密封隔離磁極與流道內(nèi)的水流，防止?jié)B漏，參見圖1-8。該機型主要特點為：取消了水輪機與發(fā)電機的傳動軸，縮短了軸線尺寸，結(jié)構(gòu)緊湊，廠房尺寸減小，使整個工程造價降低，而且增大了機組的轉(zhuǎn)動慣量，有利于機組的穩(wěn)定運行。但葉片與發(fā)電機轉(zhuǎn)子連接結(jié)構(gòu)比較特殊，制造工藝要求很高，轉(zhuǎn)子輪緣密封復(fù)雜且不可靠。雖然在上世紀(jì)五十年代就出現(xiàn)了這樣的機組，但至今未得推廣。當(dāng)前某些外國公司，在密

7、封結(jié)構(gòu)型式和材料等方面的研制工作已取得進展，并已將這種機型應(yīng)用在某些大型潮汐水電站上。目前，我國對全貫流式水輪機尚處于試驗研究階段。5其它形式貫流式水輪機除了以上幾種型式外，還有明槽式和虹吸式等。其特點類似于軸伸式水輪機：容量不大，應(yīng)用水頭較低，機組結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)電機布置在水面以上，運行、安裝、檢修較為方便。同軸伸貫流式機組一樣，通常只用于小型水電站上。我國對貫流式水輪機的研究起步較晚，且進展緩慢。除燈泡貫流式機組已有大型機組外，其他各類貫流式機組的單機規(guī)模基本上還限于小型，同時各類貫流式水輪機的轉(zhuǎn)輪品種很少。因此貫流式水輪機的型譜尚未正式編制出來?，F(xiàn)參考國外有關(guān)資料列出各類貫流式水輪機的適用范

8、圍于表7-1，供使用中參考。表7-1僅是根據(jù)一般情況分類，實際應(yīng)用時各類水輪機根據(jù)不同的葉片數(shù)尚可具體劃分水頭應(yīng)用范圍。國內(nèi)一般認(rèn)為燈泡貫流機組的應(yīng)用尚受到燈泡直徑的限制，即認(rèn)為當(dāng)水輪機轉(zhuǎn)輪直徑2.5m時燈泡空間進人比較困難，應(yīng)考慮選用其他形式的貫流式機組或改用整裝燈泡貫流式機組。表7-1 貫流式水輪機適用范圍水輪機形式適用水頭（m）流量（m3/s）容量（MW）備注全貫流式小于4089001.590新型結(jié)構(gòu)、輪緣式發(fā)電機燈泡貫流式小于2549002.590軸伸貫流式小于254900.2530整裝齒輪傳動燈泡式小于83210.11整裝皮帶傳動全貫流式小于1271000.46豎井貫流式小于9450

9、00.130三、燈泡貫流式水輪機的基本結(jié)構(gòu)燈泡貫流式水輪機適用水頭范圍廣，效率高，較其它類型貫流式機組有突出的優(yōu)點，因而在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，當(dāng)前國內(nèi)已有大型機組出現(xiàn)。燈泡貫流式機組的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其總體布置大致有兩種布置方式：一是以管形殼為主要支撐的布置方式；二是以水輪機固定導(dǎo)葉（座環(huán)）為主要支撐的布置方式。兩種方式各有特點，現(xiàn)分別予以敘述。1、以管形殼為主要支撐的布置方式如圖7-3所示，以管形殼為主要支撐方式的布置，整臺機組的受力主要通過管形殼傳遞至廠房基礎(chǔ)。發(fā)電機燈泡頭下的球面支承主要是用來平衡燈泡頭定子部分所引起的浮力。發(fā)電機定子兩側(cè)的支座是為了防止機組在運行中引起振動。整臺機組以兩支

10、點為主要方式，即水輪機端通過水導(dǎo)軸承，發(fā)電機端通過組合軸承將機組轉(zhuǎn)動部分的受力傳遞至管形殼，再傳至廠房基礎(chǔ)。發(fā)電機燈泡頭下的球面支承允許發(fā)電機燈泡頭和定子有微小的位移，一般為mm。這樣，整臺機組結(jié)構(gòu)比較輕巧，受力也簡單明了，易于計算。由圖7-3可知，燈泡體內(nèi)的水輪機端，可由管形殼內(nèi)爬梯進人。燈泡體內(nèi)的發(fā)電機端可由發(fā)電機進人孔進入。由于燈泡頭允許有微小的移動，故發(fā)電機進人孔與發(fā)電機蓋板之間的結(jié)構(gòu)也是允許進人孔的豎井可以有微小的移動。發(fā)電機下蓋板為多孔結(jié)構(gòu)，主要是增加在水流通過時的阻力。也就是當(dāng)機組關(guān)機所形成的水錘，通過多孔結(jié)構(gòu)的減壓，使發(fā)電電機蓋板的結(jié)構(gòu)可以輕巧一些。機組安裝時，燈泡頭和發(fā)電機定

11、子轉(zhuǎn)子等可以從發(fā)電機蓋板孔中吊入。機組主軸（包括組合軸承和導(dǎo)軸承）、轉(zhuǎn)輪等均可從轉(zhuǎn)輪室打開后吊入。圖7-3燈泡式水輪機組總圖1-內(nèi)管形殼；2-外管形殼；3-前錐體；4-人孔管；5-框架；6-蓋板；7-導(dǎo)水板；8-導(dǎo)流板；9-排水閥；10-轉(zhuǎn)輪室；11-吸出管；12-外配水環(huán)；13-內(nèi)配水環(huán)；14-導(dǎo)水錐；15-導(dǎo)葉外軸承；16-導(dǎo)葉內(nèi)軸承；17-拐臂；18、19-連桿；20-控制環(huán)；21-關(guān)閉重錘；22-轉(zhuǎn)輪體；23-葉片；24-泄水錐；25-軸承支持環(huán)；26-組合軸承；27-轉(zhuǎn)輪側(cè)導(dǎo)軸承；28-葉片回復(fù)裝置；29-受油器；30-發(fā)電機定子；31-轉(zhuǎn)子；32-冷卻套；33-燈泡頭；34-中間臺

12、板；35-人孔；36-梯子；37-膨脹水箱；38-基礎(chǔ)支撐；39-出人通道；40-導(dǎo)風(fēng)洞；41-扇形隔板；42-油箱；43-排水管機組檢修時，上游流道內(nèi)的水可通過打開排水閥經(jīng)排水管排至集水廊道。下游尾水管內(nèi)的積水也可通過排水管排至集水廊道。2、以固定導(dǎo)葉（座環(huán)）為主要支撐的布置方式由圖7-4所示，燈泡機組主要通過固定導(dǎo)葉（座環(huán)）將轉(zhuǎn)動部分、定子等的受力傳至廠房基礎(chǔ)。發(fā)電機燈泡頭（機殼體）的受力由發(fā)電機進入孔（上支柱）和下支柱來承受。其組合軸承雙向推力軸承和發(fā)電機導(dǎo)軸承所承受的力，可由拉桿直接傳至廠房基礎(chǔ)。其受油器位于發(fā)電機轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)輪之間，因而需設(shè)發(fā)電機軸和水輪機軸。圖7-4 以固定導(dǎo)葉（座環(huán)）

13、為主要支撐的燈泡貫流機組1-機殼可拆前蓋；2-機殼體；3-下支柱；4-發(fā)電機轉(zhuǎn)子；5-座環(huán)；6-水輪機主軸；7-圓錐式導(dǎo)水機構(gòu)；8-接力器；9-轉(zhuǎn)輪；10-錐管；11-尾水管；12-基礎(chǔ)環(huán)；13-轉(zhuǎn)輪室；14-水輪機主軸；15-受油器；16-發(fā)電機定子；17-拉桿；18-中環(huán)；19-上支柱；20-雙向推立軸承；21-發(fā)電機軸承；22-發(fā)電機軸由于燈泡頭與發(fā)電機進人孔都是預(yù)埋的，故安裝時的發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子均從其上方的發(fā)電機蓋板吊入。水輪機轉(zhuǎn)輪可從轉(zhuǎn)輪室打開后吊入。對于大型燈泡貫流機組，應(yīng)選用三軸承結(jié)構(gòu)。如圖7-5所示。圖7-5 三軸承布置的燈泡機組1-受油器；2-定子冷卻水進口；3-發(fā)電機軸；4

14、-燈泡頭；5、19-發(fā)電機軸承；6-發(fā)電機定子；7-發(fā)電機轉(zhuǎn)子；8-推力軸承；9-水輪機內(nèi)座環(huán)；10-水輪機座環(huán)；11-錐形導(dǎo)水機構(gòu)；12-水輪機軸；13-水導(dǎo)軸承；14-操作油管；15-轉(zhuǎn)輪室；16-轉(zhuǎn)輪；17-轉(zhuǎn)輪接力器；18-集油槽發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端設(shè)導(dǎo)軸承。推力軸承位于下游。水輪機導(dǎo)軸承仍位于水輪機端。其主要支撐由水輪機座環(huán)來承受。發(fā)電機進人孔為斜向布置。在發(fā)電機上方設(shè)發(fā)電機蓋板，以利吊入發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子等。水輪機上方設(shè)有可卸的轉(zhuǎn)輪室，以利安裝。以固定導(dǎo)葉（座環(huán)）為主要支撐的布置方式，其受力方式較為復(fù)雜，而且結(jié)構(gòu)比較笨重。目前的燈泡式機組的布置，均推薦采用管形殼為主要支撐方式。3、燈泡貫流式

15、機組的結(jié)構(gòu)燈泡貫流式機組的主要部件可大致分為以下幾個部分：（1）埋設(shè)部件包括尾水管里襯、管形殼（內(nèi)殼體，外殼體）發(fā)電機進人框架、蓋板、墩子蓋板，接力器基礎(chǔ)以及下部支承，側(cè)向支承基礎(chǔ)板等。 1）尾水管里襯大型燈泡機組的尾水管里襯，一般分成37節(jié)，運到現(xiàn)場后再拼焊成整體。如管形殼與尾水管里襯一起安裝，則對尾水管的基礎(chǔ)環(huán)法蘭面要求可低一些。因為機組的高程、中心，水平均以管形殼的法蘭面為基準(zhǔn)。如管形殼晚安裝，先裝尾水管里襯，以便廠房先蓋起留下機坑，則對尾水管基礎(chǔ)環(huán)的要求高些。大型燈泡機組尾水管基礎(chǔ)環(huán)是分節(jié)運至工地后再拼焊成整體。故在現(xiàn)場拼焊時應(yīng)用儀器監(jiān)視變形，以免波浪度超差。2）管形殼管形殼分為外殼體

16、及內(nèi)殼體。外殼體由上、下部分，四塊側(cè)向塊和前錐體組成。內(nèi)殼體由上、下兩半組成。外殼體上游面與發(fā)電機進人孔的框架，墩子蓋板連接。下游面與外導(dǎo)水環(huán)連接。內(nèi)殼體的上游面與定子機座連接，下游面與內(nèi)導(dǎo)水環(huán)連接。管形殼的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足受力要求。先根據(jù)機組的外部荷載，確定管形殼的受力情況，然后參考已有相近機組的結(jié)構(gòu)尺寸定出機組管形殼的結(jié)構(gòu)，再按受力分析對各部位進行校核，使其剛、強度均能滿足規(guī)范要求。3）發(fā)電機進人孔的框架、蓋板發(fā)電機進人孔的框架、蓋板，是為了安裝檢修時吊入發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子，主軸和燈泡頭等部件，并可固定發(fā)電機進人孔豎井。大型燈泡機組的發(fā)電機蓋板還分為蓋板和下蓋板。下蓋板為多孔板，目的是減少甩負(fù)荷升壓

17、時對蓋板的升壓值。對于能正、反向運行的燈泡機組，框架基礎(chǔ)應(yīng)考慮在反向運行緊急停機時的反水錘壓力?？蚣芑A(chǔ)板宜與管形殼的內(nèi)殼體焊為整體。4）球面支承與側(cè)向支承燈泡頭下的球面支承是承受燈泡頭、定子等部件的重量，在充水后承受浮力。并允許燈泡體有微小的位移（小于1mm），這可減輕燈泡體的結(jié)構(gòu)。設(shè)立側(cè)向支承的目的是可以承受燈泡體的側(cè)向力，并可防止燈泡體在運行時產(chǎn)生振動。5）圍板在發(fā)電機下部支墩與定子外殼之間設(shè)立圍板，其目的是為了導(dǎo)向水流，并可減少運行中水的阻力。圍板下部用螺栓與支墩相連。上部隨定子外殼切割而成。（2）導(dǎo)水機構(gòu)燈泡機組的導(dǎo)水機構(gòu)與立式機組不同，為錐形導(dǎo)水機構(gòu)。其部件由控制環(huán)、連桿、拐臂錐形

18、導(dǎo)葉和內(nèi)、外導(dǎo)水環(huán)等組成，各部分結(jié)構(gòu)請參考圖7-6。為防止機組飛逸，在控制環(huán)的右側(cè)設(shè)有關(guān)閉重錘。當(dāng)調(diào)速器失去油壓時，可依靠重錘所形成的關(guān)閉力矩，加上導(dǎo)葉水力矩有自關(guān)趨勢，能可靠的關(guān)閉導(dǎo)葉。但在有油壓而調(diào)速器的主配壓閥卡住時，難以實現(xiàn)快速關(guān)閉。因此應(yīng)設(shè)置事故配壓閥。當(dāng)主配壓閥卡住時，高壓油可直接通過事故配壓閥進入接力器，從而關(guān)閉導(dǎo)葉。內(nèi)外導(dǎo)水環(huán)均為球面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉兩端面亦為球面，這樣能保證導(dǎo)葉在轉(zhuǎn)動時能有效的封水。圖7-6 錐形導(dǎo)水機構(gòu)1-內(nèi)導(dǎo)水環(huán)；2-軸銷；3-控制環(huán)；4-剪斷銷；5-連桿；6-拐臂；7-活動導(dǎo)葉；8-外導(dǎo)水環(huán)；9-軸套；10-轉(zhuǎn)輪室由于導(dǎo)葉擔(dān)負(fù)著在轉(zhuǎn)輪前，導(dǎo)葉后的水流形成轉(zhuǎn)輪所

19、需要的環(huán)量，故導(dǎo)葉形狀為空間扭曲面。為保證導(dǎo)葉間在關(guān)閉時能有效的封水，除要求兩端面的間隙較小外（一般為mm ），還要求導(dǎo)葉的立面間隙較小，一般為mm。需要將空間扭曲的導(dǎo)葉按錐形要求加設(shè)立面密封。（3）轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室燈泡式水輪機轉(zhuǎn)輪，按葉片操作方式，可采用活塞套筒式，操作架式和缸動方式等結(jié)構(gòu)。圖7-7為缸動方式的結(jié)構(gòu)，也就是活塞不動，活塞缸帶動連桿、轉(zhuǎn)臂，操作葉片轉(zhuǎn)角度。這種結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。轉(zhuǎn)輪葉片一般采用不銹鋼制造。常用材質(zhì)為ZG0Cr13Ni4MO，ZGOCr13Ni6MO和ZGOGr16Ni15等。圖7-7 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)（缸動結(jié)構(gòu)）1-轉(zhuǎn)輪體；2-聯(lián)桿；3-轉(zhuǎn)臂；4-葉片；5-活塞缸；6-活

20、塞；7-泄水錐；8-泄水錐頭；9-操作油管；10-水封為防止葉片與轉(zhuǎn)輪室間的間隙空蝕，設(shè)有抗空蝕邊。為防止水進入轉(zhuǎn)輪體腔內(nèi)，一般設(shè)有重力油箱，其高程使進人轉(zhuǎn)輪體腔內(nèi)的油壓略高于外部水壓力。轉(zhuǎn)輪的葉片與轉(zhuǎn)輪體間設(shè)有密封，常用的有形和形密封。輪輪葉片的操作油壓常用為40MPa。轉(zhuǎn)輪在正式吊入機坑前，組裝好的轉(zhuǎn)輪應(yīng)做耐壓試驗，要求每小時轉(zhuǎn)動葉片23次，檢查葉片密封處有無漏油現(xiàn)象，一般允許有滴狀滲油現(xiàn)象。轉(zhuǎn)輪室分上下兩瓣。上部設(shè)有觀察孔，下部設(shè)有進人孔，以利檢修。為防止汽蝕，一般在上半部1/4圓周上堆焊不銹鋼或用不銹鋼整鑄。（4）水導(dǎo)軸承水輪機導(dǎo)軸承位于水輪機轉(zhuǎn)輪側(cè)。由于水輪機轉(zhuǎn)輪為懸臂形式，故要求水導(dǎo)軸承除承受徑向力外，還應(yīng)適應(yīng)懸臂引起的撓度（轉(zhuǎn)角）變化。目前適應(yīng)以上要求的導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)有兩種：一是圖7-8所示結(jié)構(gòu)，二是如圖7-9所示的結(jié)構(gòu)。圖7-8 水輪機側(cè)導(dǎo)軸承由圖7-8可知，水導(dǎo)軸承分兩瓣。上部兩邊各留一段巴氏合金以封住油。徑向力通過軸承的凸緣和扇形支承板傳至管形殼。安裝時，先根據(jù)廠家設(shè)計計算提供的尺寸和管形殼安裝的實際位置來調(diào)整軸線。軸線調(diào)整好后再加工扇形支承與連接法蘭凸緣之間的配合片。為適應(yīng)軸的傾斜位移，法蘭凸緣與扇形支承連接時的套管應(yīng)比凸緣長0.2mm，套管外徑應(yīng)比凸緣螺孔直徑小2mm。