小型軸流轉槳式水輪機的開發

徐大榮，馬志龍（.杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 334；.杭州水利水電勘測設計院有限公司，浙江 杭州 30006）

小型軸流轉槳式水輪機的開發

徐大榮1，馬志龍2
（1.杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 311234；2.杭州水利水電勘測設計院有限公司，浙江 杭州 310006）

摘要：為了更加有效地利用有限的水力資源，對于轉輪直徑小于1.6m，容量小于0.3MW的低水頭小型軸流式水電站，國內外越來越多的客戶需要采用槳葉和導葉能協聯調節的轉槳式水輪機。因此，迫切需要開發一種結構簡單，生產制造成本低的小型軸流轉槳式水輪機，以便用戶根據實際條件優選。

關鍵詞：軸流轉槳式水輪機；雙調；協聯

1　引言

轉槳式水輪機，就是導葉和槳葉同時可調，并保持一定協聯關系的水輪機，也可稱雙調式水輪機。對于大中型軸流式機組和燈泡機組，水輪機幾乎都采用了雙調結構。只有在極少數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式電站，才使用定槳式水輪機。

軸流式和貫流式水輪機，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節或者調節能力有限，故而水輪機采用雙調節，以適應電站的流量變化，使水輪機始終能夠高效、穩定運行。目前，在國內軸流式電站中，對于轉輪直徑小于1.6m的小型軸流式水輪機，目前幾乎沒有使用雙調結構。其原因主要有兩個：一是水輪機容量不大，收益不高，采用定槳式水輪機結構可以節省投資；二是轉輪直徑小，大多數直徑在1.6m以下，沒有水輪機廠家設計制造過雙調結構，無雙調結構的水輪機可用。

為了更加有效地利用有限的水力資源，對于轉輪直徑小于1.6m，容量小于0.3MW的低水頭小型軸流式水電站，國內外越來越多的客戶需要采用槳葉和導葉能協聯調節的轉槳式水輪機。因此，迫切需要開發一種結構簡單，生產制造成本低的小型軸流轉槳式水輪機，以便用戶根據實際條件優選。

2　水輪機槳葉和導葉雙調結構的說明

圖1

對于槳葉能和導葉一起調節，并能保持一定的協聯關系的常規雙調結構，一般是在轉輪體內設置槳葉操作機構和槳葉接力器，并通過操作油管和置于機組外部的受油器連接。調速器再與受油器連接，通過油路的切換來調節槳葉的角度，并把槳葉角度的變化通過一定方式轉換成直線位移，以便使導葉和槳葉能保持一定協聯關系。現在普遍使用的槳葉協聯調節結構一般有兩種，一種是將槳葉接力器設置在上游，操作機構在下游（見圖1）；另一種是將槳葉接力器設置在下游（即轉輪泄水錐內），操作機構在上游（見圖2）。設置在上游的接力器一般缸體固定不動，通過活塞桿的移動來調節槳葉的角度；設置在下游的接力器一般活塞桿不動，操作架和接力器缸體設計為一體式結構，通過缸體的移動來調節槳葉的角度。軸流式水輪機一般采用圖1的結構，貫流式水輪機一般采用圖2的結構。目前，這兩種結構廣泛使用在國內外大、中型軸流式和貫流式水輪機中。

圖2

因水輪機的槳葉協聯調節機構的設計比較復雜，需要綜合考慮受油器和操作油管的設計，各個廠家的結構不完全相同，但大同小異。

3　小型軸流轉槳式水輪機導葉和槳葉的雙調結構

對于軸流式和貫流式水輪機，導葉和槳葉保持協聯的雙調結構，是水輪機設計的重點和難點，也是整個水輪機結構中最復雜的部分。小型軸流式水輪機因轉輪尺寸小，布置空間有限，水輪機槳葉協聯的雙調結構設計尤其困難。為解決槳葉接力器和槳葉操作機構都布置于轉輪體內困難的問題，必須將轉輪體內部的結構簡化。為此，可將槳葉接力器移出轉輪體外，并通過提高槳葉接力器油壓以縮小接力器尺寸。根據這一思路，可以做兩種設計方案：一種是常規油壓（6.3MPa）方案，另一種是高油壓（12～16MPa）方案。現以一個設計水頭為15m，轉輪直徑為1.35m的軸流轉槳式水輪機設計為例進行說明，其相配的電機額定功率為1500kW。

3.1常規油壓方案(油壓為6.3MPa)

根據計算，6.3MPa的操作油壓，槳葉接力器的直徑需要240mm。1.35m直徑水輪機的轉輪，其輪轂外徑只有535mm，要將槳葉接力器設置在轉輪體內是不可能的。所以需要將接力器移出轉輪體外，立式布置的軸流轉槳式水輪機有3個位置可以設置接力器：

一是位于水輪機軸內，與轉輪連接的法蘭位置。需要加大設計水輪機法蘭，同時加大轉輪體上部尺寸，以便與水輪機大軸法蘭連接（見圖3）。

圖3

二是位于電機和水機軸法蘭連接位置，水輪機軸內部（見圖4）。向下通過一直桿與水輪機操作機構連接，向上通過操作油管與裝于電機頭部的受油器連接。

圖4

三是位于電機頭部，受油器下面位置。將槳葉接力器和受油器聯合設計成一個整體。向下通過一直桿與水輪機操作機構連接（見下頁圖5）。

因軸流式機組一般是立式布置，電機在上，水機在下，整個軸系比較長。對于一個轉輪直徑是1.35m的水輪機，配1.5MW水輪發電機的機組，水機軸和電機軸連起來的總長最少也有5m左右。如果將接力器外置于電機上面，連接接力器和槳葉操作機構的直桿的長度將近5m左右。為增加直桿的穩定性，需要至少設置3個支撐點，支點的距離將近3m，同心度難于保證，運行時直桿容易憋勁。若將槳葉接力器設置于水輪機大軸法蘭內，雖然直桿的長度最短，穩定性最好，但因需要增大大軸法蘭尺寸，不能滿足轉輪上部流道尺寸。如果將接力器設置于水機軸和電機軸法蘭連接部位，可將直桿的長度縮短至3m以下，設計一個支點，兩端受壓，既可以增加穩定性，又降低了直桿的同心度要求。

圖6是1.35m軸流轉槳式水輪機轉輪、槳葉接力器和受油器的結構設計方案。接力器采用常規油壓（6.3MPa），直徑為240mm，位置設置在電機軸與水機軸法蘭連接部位。接力器向下通過長度為2.7 m，直徑為120mm的推拉桿與轉輪內的槳葉操作機構相連，向上通過一個長為3.5m的壓力油管與電機頭部的受油器相連。電機主軸內是高壓油，水機主軸和轉輪體內是空氣，槳葉操作機構的所有相對滑動部位均采用自潤滑軸承。因轉輪體內不需要油，故可取消操作油管和受油器內部的回油腔，使其結構設計更加簡化。且葉片采用單支點，使轉輪體內更容易布置槳葉操作機構。

圖5

圖6

圖7

3.2高油壓方案（油壓為12MPa以上）

將槳葉接力器油壓提高到12MPa，根據計算，接力器直徑只需160mm。接力器尺寸縮小很多，可布置在水輪機軸內，與轉輪連接的法蘭位置處。高油壓接力器通過活塞桿與槳葉操作機構連接，向上通過5m長的操作油管與受油器連接。電機軸和水機軸內均為高壓油，轉輪體內為空氣，槳葉操作機構的所有相對滑動部位均采用自潤滑軸承。

圖7是1.35m軸流轉槳式水輪機轉輪、槳葉接力器和受油器的結構設計方案。槳葉接力器設置在水機軸法蘭內部，通過較短的活塞桿與操作機構連接。與接力器置于電機和水機軸連接位置相比，操作穩定性能增加，但油壓相對較高，受油器油封的設計需要加強。

上述兩種小型水輪機轉槳方案，均在實際設計中得到運用，是可行的。隨著液壓密封技術的不斷發展，高油壓技術在各行各業得到廣泛應用。在專業液壓接力器制造行業，16MPa是屬于中油壓，30MPa才是高油壓。有的調速器廠家現在已經開發出用于轉槳式機組的高油壓調速器，所以筆者更傾向于采用高油壓方案。

4　小型軸流式水輪雙調結構的優點

小型軸流式水輪機雙調結構設計的難點在于受油器和將槳葉接力器外置于水機軸法蘭內的設計。因接力器外置，可采用新式液壓接力器結構。使用先進的油壓密封，使接力器不漏油或者漏油極少。因而可以因一步取消轉輪體內的回油設置，從常規的3腔油路改成2腔油路設計，使受油器和操作油管結構簡化，整個結構設計具有如下幾個優點：

（1）采用先進的受油器設計思路

整個受油器是不固定的，隨著大軸的擺動而擺動，也叫搖擺式受油器。在實際運行時，操作油管不受徑向力，不容易憋勁，受油器瓦磨損較少，可以保證各壓力腔不相互竄油。

（2）結構簡單，安裝維護方便

因將槳葉接力器外置于水機法蘭內，取消了回油腔，使整個雙調結構非常簡單。只需將電機軸吊起一定的高度，就很方便的更換接力器的密封件，無需大修。

（3）更加環保

因轉輪體內無油，而且槳葉接力器移出轉輪體，降低了轉輪漏油的可能性，減少對下游水資源的污染。

5　結輪

小型雙調軸流式水輪機的開發，使轉輪直徑大于1.0m的水輪機都可以采用雙調結構。用戶和設計院可以根據電站的實際水頭、流量變化情況，做經濟比較方案，擇優選擇不同的結構。小型雙調軸流式水輪機，具有結構簡單、維護方便以及運行可靠、成本低、經濟適用的優點，一定會被廣大用戶和設計院接受，并會在不久的將來得到推廣。

中圖分類號：TK733

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0015-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.004

收稿日期：2014-11-12

作者簡介：徐大榮（1975-），男，高級工程師，從事水輪機的結構研究設計和水輪機選型開發設計工作。