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；、

4、后伸軸；、斜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、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

5、豎井貫流式機組剖面圖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)，給電機的通風冷卻、密封、軸承的布置和運行檢修帶來困難， 對電機的設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

6、的優(yōu)點。燈泡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)子輪緣密封復雜且不可靠。雖然在上世紀五十年代就出現(xiàn)了這樣的機組，但至今未得推廣。當前某些外

7、國公司，在密封結(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)?；旧线€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)參考國外有關資料列出各類貫流式水

8、輪機的適用范圍于表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用范圍。國內(nèi)一般認為燈泡貫流機組的應用尚受到燈泡直徑的限制，即認為當水輪機轉(zhuǎn)輪直徑2.5m時燈泡空間進人比較困難，應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

9、式小于1271000.46 豎井貫流式小于945000.130 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)外得到廣泛應用，當前國內(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。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

10、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。整臺機組以兩支點為主要方式，即水輪機端通過水導軸承，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。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。也就是當機組關機所形成的水錘，通過多孔結(jié)

11、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-導水板；8-導流板；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-導水錐；15-導葉外軸承；16-導葉內(nèi)軸承；17-拐臂；18、19-連桿；20-控制環(huán)；21-關閉重錘；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)導軸承；28-葉片回復裝置；

12、29-受油器；30-發(fā)電機定子；31-轉(zhuǎn)子；32-冷卻套；33-燈泡頭；34-中間臺板；35-人孔；36-梯子；37-膨脹水箱；38-基礎支撐；39-出人通道；40-導風洞；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葉（座環(huán)）將轉(zhuǎn)動部分、定子等的受力傳至廠房基礎。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)電機導軸承所承受的力，可由拉桿直接傳至廠房基礎。其受油

13、器位于發(fā)電機轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)輪之間，因而需設發(fā)電機軸和水輪機軸。 圖7-4 以固定導葉（座環(huán)）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-圓錐式導水機構(gòu)；8-接力器；9-轉(zhuǎn)輪；10-錐管；11-尾水管；12-基礎環(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，應選

14、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-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-錐形導水機構(gòu)；12-水輪機軸；13-水導軸承；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)子兩端設導軸承。推力軸承位于下游。水輪機導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。水輪機上方設有可卸的轉(zhuǎn)輪室，以利安裝。以固定導葉（座環(huán)）為主要支撐

15、的布置方式，其受力方式較為復雜，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，接力器基礎以及下部支承，側(cè)向支承基礎板等。 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。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，則對尾水管基礎環(huán)的要求高些。大型燈泡

16、機組尾水管基礎環(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)導水環(huán)連接。管形殼的結(jié)構(gòu)應滿足受力要求。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

17、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，目的是減少甩負荷升壓時對蓋板的升壓值。對于能正、反向運行的燈泡機組，框架基礎應考慮在反向運行緊急停機時的反水錘壓力?？蚣芑A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立圍板，其目的是為了導向水流，并可減少運行中水的阻力。圍板下部用螺栓與支墩相連

18、。上部隨定子外殼切割而成。（2）導水機構(gòu)燈泡機組的導水機構(gòu)與立式機組不同，為錐形導水機構(gòu)。其部件由控制環(huán)、連桿、拐臂錐形導葉和內(nèi)、外導水環(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)設有關閉重錘。當調(diào)速器失去油壓時，可依靠重錘所形成的關閉力矩，加上導葉水力矩有自關趨勢，能可靠的關閉導葉。但在有油壓而調(diào)速器的主配壓閥卡住時，難以實現(xiàn)快速關閉。因此應設置事故配壓閥。當主配壓閥卡住時，高壓油可直接通過事故配壓閥進入接力器，從而關閉導葉。內(nèi)外導水環(huán)均為球面結(jié)構(gòu)，導葉兩端面亦為球面，這樣能保證導葉在轉(zhuǎn)動時能有效的封水。圖7-6 錐形導水機構(gòu)1-內(nèi)導水環(huán)；2-軸銷；3-控制環(huán)；4-剪斷

19、銷；5-連桿；6-拐臂；7-活動導葉；8-外導水環(huán)；9-軸套；10-轉(zhuǎn)輪室由于導葉擔負著在轉(zhuǎn)輪前，導葉后的水流形成轉(zhuǎn)輪所需要的環(huán)量，故導葉形狀為空間扭曲面。為保證導葉間在關閉時能有效的封水，除要求兩端面的間隙較小外（一般為mm ），還要求導葉的立面間隙較小，一般為mm。需要將空間扭曲的導葉按錐形要求加設立面密封。（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，ZGOCr13Ni6M

20、O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，設有抗空蝕邊。為防止水進入轉(zhuǎn)輪體腔內(nèi)，一般設有重力油箱，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。上部設有觀察孔，下部設有進人孔，以利檢修。為防止汽

21、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）水導軸承水輪機導軸承位于水輪機轉(zhuǎn)輪側(cè)。由于水輪機轉(zhuǎn)輪為懸臂形式，故要求水導軸承除承受徑向力外，還應適應懸臂引起的撓度（轉(zhuǎn)角）變化。目前適應以上要求的導軸承結(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)導軸承由圖7-8可知，水導軸承分兩瓣。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。為適應軸的傾斜位移，法蘭凸緣與扇形支承連接時的套管應比凸緣長0.2mm，套管外徑應比凸緣螺孔直徑小2mm。這樣，在運行時主軸產(chǎn)生較小的撓度變形，可由法蘭凸緣和軸承套管來承受。較大的變形則應由扇形支承板來承擔。圖7-9所示為水導軸承，其為球面軸承。通過球面