小型雙調(diào)式軸伸貫流水輪機(jī)的開發(fā)

徐大榮，程少群

(1．杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 311234；2．杭州誠(chéng)德發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311200)

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小型雙調(diào)式軸伸貫流水輪機(jī)的開發(fā)

徐大榮1，程少群2

(1．杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 311234；2．杭州誠(chéng)德發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311200)

為了更加有效地利用有限的水力資源，對(duì)于低水頭小型軸伸貫流式水電站，國(guó)內(nèi)外越來越多的客戶要求水輪機(jī)采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)；因此，迫切需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造成本低的小型雙調(diào)式軸伸貫流式水輪機(jī)，以便用戶根據(jù)實(shí)際條件優(yōu)選。圖4幅。

軸伸貫流式水輪機(jī)；雙調(diào)結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1 概 述

軸伸貫流式水輪機(jī)是貫流式水輪機(jī)的一種，發(fā)電機(jī)臥式布置于流道之外，具有廠房開挖量少、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是水頭小于25 m、轉(zhuǎn)輪直徑小于3 m的低水頭電站的首選機(jī)型。目前，國(guó)外最大的軸伸貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑是8.6 m，單機(jī)容量最大的是31.5 MW，最大使用水頭是38 m。我國(guó)軸伸貫流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組起步比較晚，技術(shù)水平低，國(guó)內(nèi)已經(jīng)運(yùn)行的軸伸貫流式水輪機(jī)多采用定槳式轉(zhuǎn)輪，槳葉不能調(diào)節(jié)。有的轉(zhuǎn)輪槳葉是半調(diào)節(jié)，在機(jī)組停機(jī)時(shí)打開轉(zhuǎn)輪室，可將葉片的角度進(jìn)行調(diào)整；有的電站水輪機(jī)采用手動(dòng)調(diào)槳裝置，在機(jī)組停機(jī)的時(shí)候，通過蝸輪蝸桿手動(dòng)調(diào)節(jié)槳葉的角度。雙調(diào)式水輪機(jī)就是導(dǎo)葉和槳葉同時(shí)可調(diào)，并保持一定的協(xié)聯(lián)關(guān)系。對(duì)于大中型軸流式機(jī)組和燈泡機(jī)組，水輪機(jī)幾乎都采用了雙調(diào)結(jié)構(gòu)，只有在極少數(shù)水頭和流量變化很小，或者基本不變的大中型軸流式和燈泡機(jī)式電站，才使用定槳式水輪機(jī)。

軸流式和貫流式水輪機(jī)一般在低水頭徑流式水電站中使用。徑流式電站流量一般不能調(diào)節(jié)或者調(diào)節(jié)能力有限，故采用雙調(diào)節(jié)可以適應(yīng)電站的流量變化，使水輪機(jī)始終能夠高效、穩(wěn)定運(yùn)行。目前，在國(guó)內(nèi)軸伸貫流式電站中，只有轉(zhuǎn)輪直徑比較大的水輪機(jī)采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)。對(duì)于轉(zhuǎn)輪直徑小于2 m的軸伸貫流式水輪機(jī)，目前沒有使用雙調(diào)結(jié)構(gòu)，其原因一是水輪機(jī)容量不大，收益不高，采用定槳式水輪機(jī)可以節(jié)省投資；二是轉(zhuǎn)輪直徑小，大多數(shù)直徑在2 m以下，沒有水輪機(jī)廠家設(shè)計(jì)制造過雙調(diào)結(jié)構(gòu)，無雙調(diào)結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)可用。

為了更加有效地利用有限的水力資源，對(duì)于低水頭小型軸伸貫流式水電站，國(guó)內(nèi)外越來越多的客戶要求水輪機(jī)采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)；因此，迫切需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造成本低的小型雙調(diào)式軸伸貫流式水輪機(jī)，以便用戶根據(jù)實(shí)際條件優(yōu)選。

2 水輪機(jī)雙調(diào)結(jié)構(gòu)的說明

對(duì)于槳葉能和導(dǎo)葉一起調(diào)節(jié)，并能保持一定的協(xié)聯(lián)關(guān)系的常規(guī)雙調(diào)結(jié)構(gòu)，一般是在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)設(shè)置槳葉操作機(jī)構(gòu)和槳葉接力器，并通過操作油管和置于機(jī)組外部的受油器連接。調(diào)速器再與受油器連接，通過油路的切換來調(diào)節(jié)槳葉的角度，并把槳葉角度的變化通過一定方式轉(zhuǎn)換成直線位移，以便使導(dǎo)葉和槳葉能保持一定協(xié)聯(lián)關(guān)系。雙調(diào)結(jié)構(gòu)一般有兩種：一種是將槳葉接力器設(shè)置在上游，操作機(jī)構(gòu)在下游(見圖1)；另一種是將槳葉接力器設(shè)置在下游，操作機(jī)構(gòu)在上游(見圖2)。軸流式水輪機(jī)一般采用圖1的雙調(diào)結(jié)構(gòu)，貫流一般采用圖2的結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)幾個(gè)已經(jīng)運(yùn)行的采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)的軸伸貫流水輪機(jī)，其結(jié)構(gòu)類似圖2，轉(zhuǎn)輪直徑都在2.75 m以上。軸伸貫流有前軸伸和后軸伸兩種形式，后軸伸水輪機(jī)效率高，使用廣泛，本文所論述的主要是后軸伸式水輪機(jī)的雙調(diào)結(jié)構(gòu)。

圖1 雙調(diào)結(jié)構(gòu)示意一

圖2 雙調(diào)結(jié)構(gòu)示意二

3 小型軸伸貫流式水輪機(jī)的雙調(diào)結(jié)構(gòu)

對(duì)于軸流式和貫流式水輪機(jī)，導(dǎo)葉和槳葉保持協(xié)聯(lián)的雙調(diào)結(jié)構(gòu)，是水輪機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是整個(gè)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分。小型軸伸貫流式水輪機(jī)因轉(zhuǎn)輪尺寸小，布置空間有限，水輪機(jī)雙調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其困難。為解決槳葉接力器和槳葉操作機(jī)構(gòu)都布置于轉(zhuǎn)輪內(nèi)存在困難的問題，必須將轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。為此，將槳葉接力器外置，與受油器設(shè)計(jì)成為整體，通過直桿連接槳葉操作結(jié)構(gòu)操作槳葉；這樣就取消了復(fù)雜的操作油管，并使轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)成整體的外置受油器和接力器叫油分配操作器。油分配操作器將受油器和接力器的功能合二為一，設(shè)置在上游燈泡體內(nèi)，即水輪機(jī)軸頭位置(見圖3)。

圖3 小型軸伸貫流式水輪機(jī)的雙調(diào)結(jié)構(gòu)示意

圖3是1個(gè)轉(zhuǎn)輪直徑為1.4 m的軸伸貫流雙調(diào)式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪接力器外置，操作桿代替了操作油管，主軸和轉(zhuǎn)輪體內(nèi)無油。與手動(dòng)調(diào)槳式機(jī)組布置方案類似，只是將蝸輪蝸桿裝置改成了油分配操作器。油分配操作器既可以將來至調(diào)速器的壓力油分配給接力器，又能推動(dòng)操作桿移動(dòng)，達(dá)到控制槳葉角度的目的(見圖4)。

圖4 油分配操作器結(jié)構(gòu)示意

如圖4所示，整個(gè)裝置除了支架、位移信號(hào)器和油分配器外殼是不轉(zhuǎn)動(dòng)的以外，其余都是和主軸一起旋轉(zhuǎn)的。油分配器外殼的壓力油開關(guān)腔分別和調(diào)速器的開關(guān)油路聯(lián)接，外殼雖然不與主軸一起旋轉(zhuǎn)，但和接力器活塞桿一起做直線運(yùn)動(dòng)，并通過位移信號(hào)器將槳葉角度的變化傳給調(diào)速器。油分配器外殼的壓力油開關(guān)腔相當(dāng)于常規(guī)液壓接力器的開關(guān)腔，運(yùn)行原理是一樣的，當(dāng)其中一腔接通壓力油的時(shí)候，另一腔無壓，并起到排油的作用。

4 優(yōu) 點(diǎn)

小型軸伸貫流式水輪機(jī)雙調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于油分配操作器的設(shè)計(jì)。這種新穎的設(shè)計(jì)思路，將常規(guī)雙調(diào)結(jié)構(gòu)的受油器、操作油管和槳葉接力器的功能集于一身，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。因?qū)~接力器外置，取消了操作油管，使整個(gè)雙調(diào)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。油分配操作器設(shè)置于水輪機(jī)的上游側(cè)燈泡體內(nèi)，可以很方便地更換接力器密封件，無需拆卸轉(zhuǎn)輪，使安裝維護(hù)變得非常方便。

(2)更加環(huán)保。因轉(zhuǎn)輪體內(nèi)無油，而且槳葉接力器移出轉(zhuǎn)輪體，降低了轉(zhuǎn)輪漏油的可能性，減少了對(duì)下游水資源的污染。

(3)油分配操作器可以系列化設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)，無需單獨(dú)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)制造成本低。與手動(dòng)調(diào)槳結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本更低；與純定槳相比，制造成本增加得不多，但可以顯著提高水輪機(jī)加權(quán)平均效率，增加電站的發(fā)電量。

5 結(jié) 論

小型雙調(diào)軸伸貫流式水輪機(jī)的開發(fā)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白，使轉(zhuǎn)輪直徑大于1 m的水輪機(jī)都可以采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)。用戶和設(shè)計(jì)院可以根據(jù)電站的實(shí)際水頭、流量變化情況，做經(jīng)濟(jì)比較方案，擇優(yōu)選擇不同的結(jié)構(gòu)。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2014-11-20

徐大榮(1975-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)和水輪機(jī)選型開發(fā)設(shè)計(jì)工作。E_mail：xuqingcuan@163.com