軸伸貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用與創(chuàng)新

解再益

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100）

軸伸貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用與創(chuàng)新

解再益

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100）

摘要：在低水頭中小型水電站的開發(fā)利用中，軸伸貫流式水輪發(fā)電機(jī)組因以其流道直、效率高、單位流量大、單位轉(zhuǎn)速高等許多優(yōu)點，在國內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用起來。本文介紹軸伸貫流式水輪機(jī)的一些結(jié)構(gòu)特點及創(chuàng)新設(shè)計等。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；軸伸貫流式水輪機(jī)組；設(shè)計；創(chuàng)新

1概論

到20世紀(jì)80年代，使用水頭在2.5～20m貫流式水輪機(jī)的研究和應(yīng)用，取得突破性的進(jìn)展。1986年天津電氣傳動設(shè)計研究所（以下簡稱天傳所）成功研制出具備高的水力效率和良好空蝕性能的GZ006軸伸貫流式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪，填補了國內(nèi)空白。1988 年7月國內(nèi)首臺軸伸貫流式發(fā)電機(jī)（GD006-WZ-180配SFW1250-20/2150）成功投入運行。而后天傳所相繼開發(fā)出的GZ008、GZ007等一系列模型轉(zhuǎn)輪，為軸伸貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用推廣提供了可靠的技術(shù)保障。

在低水頭小型水電站的開發(fā)過程中，軸伸貫流式水輪機(jī)因為投資少，因此當(dāng)經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)輪直徑在D1≤3m，單機(jī)容量N＜5MW時，我們推薦使用軸伸貫流式水輪機(jī)。

國內(nèi)已運行的軸伸貫流水輪機(jī)多采用定槳式轉(zhuǎn)輪，目前軸伸貫流水輪機(jī)應(yīng)用的最大轉(zhuǎn)輪直徑2.9m，最大單機(jī)容量3.5MW，最大使用水頭22m。

2總體結(jié)構(gòu)與布置形式

軸伸貫流式水輪機(jī)采用水平軸向布置，結(jié)構(gòu)上明顯的特征是導(dǎo)葉與機(jī)組中心線成65°布置，采用軸向錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。軸伸貫流式水輪機(jī)流道由進(jìn)水管、座環(huán)、錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室、尾水錐管和S型尾水肘管及尾水渠組成。軸伸貫流式水輪機(jī)的流道是軸向的，水流平行于水輪機(jī)軸流向轉(zhuǎn)輪。這樣可以將上游來水以盡可能少的水力損失、均勻地引入錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，形成理想的環(huán)量進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室，然后高效地轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)的機(jī)械能，尾水錐管和S型尾水肘管把轉(zhuǎn)輪出口的能量進(jìn)行充分的回收。

水輪機(jī)的進(jìn)水管頂部開有吊物進(jìn)人孔，以供裝卸燈泡體內(nèi)工件時使用。座環(huán)由四根支柱、兩個底腳組成，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，水輪機(jī)流道內(nèi)零部件重量以及動載荷通過座環(huán)傳遞到基礎(chǔ)上。考慮機(jī)組運行的穩(wěn)定性，進(jìn)水管與S型尾水肘管大部分埋入混凝土中。

水輪機(jī)主軸從肘管中水平穿過后通過與常規(guī)發(fā)電機(jī)聯(lián)結(jié)，發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)軸承共用一個供油系統(tǒng)，集中供油。為保證機(jī)組運行穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)機(jī)坑底部距流道有足夠距離。調(diào)速器與水輪機(jī)的控制環(huán)相連，實現(xiàn)機(jī)組的開機(jī)、并網(wǎng)、增減負(fù)荷和停機(jī)。軸承高位油箱布置在距機(jī)組中心線高約10m的副廠房內(nèi)，回油箱及液壓站布置于水輪機(jī)機(jī)坑內(nèi)（總體布置見圖1）。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速較高時，可與常規(guī)發(fā)電機(jī)直接聯(lián)接；若發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低，可通過增速器與發(fā)電機(jī)聯(lián)接（見圖2）。

1-水圖輪1機(jī)，G2D-0推0力6-軸W承Z，-32-7發(fā)0電水機(jī)輪，4機(jī)-導(dǎo)軸承與SFW3000-31/3250直聯(lián)方式布置圖1-水輪機(jī)，2-推力軸承，3-發(fā)電機(jī)，4-導(dǎo)軸承

表1為我公司近年來生產(chǎn)的軸伸貫流式水輪機(jī)機(jī)型：

3軸伸貫流式水輪機(jī)的創(chuàng)新改進(jìn)設(shè)計

我廠在軸伸貫流式水輪機(jī)的設(shè)計開發(fā)方面，消化吸收國內(nèi)先進(jìn)的設(shè)計思想，不斷的創(chuàng)新與發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面具有一些特點。

3.1主軸密封裝配的改進(jìn)

主軸密封采用聚四氟乙稀盤根工作密封和空氣圍帶停機(jī)密封結(jié)構(gòu)（見圖3）。聚四氟乙稀盤根的特點是：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(yīng)，轉(zhuǎn)軸的粗糙度要高，這樣摩擦損失就小，我們在主軸上塞焊一段不銹鋼護(hù)套，這樣主軸表面既有足夠的耐磨度和硬度，又能長時間維持這種粗糙度，可以滿足這種密封結(jié)構(gòu)的要求。

這種密封結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)整方便，且具有良好的封水性能，使用壽命長。它主要由密封座、壓環(huán)、工字環(huán)、甩水罩及錐形罩等組成，在工字環(huán)內(nèi)通以0.15～0.2MPa的清潔水，當(dāng)密封潤滑水接通后，水壓使盤根與主軸不銹鋼護(hù)套表面接觸，起到封水作用。這樣既不會因摩擦而燒壞主軸，又能達(dá)到很好的密封效果，經(jīng)過多個電站使用，發(fā)現(xiàn)這種密封效果好。

3.2導(dǎo)葉保護(hù)裝置的創(chuàng)新設(shè)計

軸伸貫流水輪機(jī)采用錐向錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，其導(dǎo)葉傳動機(jī)構(gòu)是空間運動的，剪斷銷除了承受剪切力外還受到扭矩的作用，容易疲勞斷裂。剪斷銷被剪斷，導(dǎo)葉可能會失控，與相鄰導(dǎo)葉相碰，誘發(fā)相鄰剪斷銷被剪斷的連鎖反應(yīng)，而且剪斷銷被剪斷后，機(jī)組的振動非常大，破壞性很強。

早期的軸伸貫流式水輪機(jī)采用常規(guī)的剪斷銷裝置，我們現(xiàn)在更新為剪斷銷加摩擦副保護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，導(dǎo)葉間隔布置剪斷銷，這樣可以在剪斷銷被剪斷后，由于摩擦副對導(dǎo)葉臂有阻力，使導(dǎo)葉不會轉(zhuǎn)動到與相鄰導(dǎo)葉相碰。從而保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。這一結(jié)構(gòu)在電站的實際運用中證明是十分可靠的。

3.3軸承的內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

在設(shè)計陜西洛河下桃電站時，我們使用前導(dǎo)軸承采用賽龍材料的水潤滑軸承，水輪機(jī)的推力軸承為φ250雙向推力軸承，是內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，因而取消了傳統(tǒng)設(shè)計中采用的外循環(huán)潤滑油供油裝置。這樣就省去了集油供油裝置、重力油箱以及油管路控制系統(tǒng)，這不僅降低了機(jī)組的造價，方便了機(jī)組的安裝維護(hù)，使機(jī)組布置簡單清晰，同時也避免了由于輔助設(shè)施及控制元件會發(fā)生的事故隱患，增加了機(jī)組運行的安全穩(wěn)定。

3.4轉(zhuǎn)輪及主軸的裝卸方法

軸伸貫流式水輪機(jī)主軸特長，其主軸、轉(zhuǎn)輪的安裝是一個重要問題。以前設(shè)計的軸伸貫流式水輪機(jī)，主軸有的設(shè)計成從肘管出軸處拉出，這會增加廠房的寬度，同時要移動推力軸承、發(fā)電機(jī)等。也有采用轉(zhuǎn)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(jī)組安裝的難度，也提高了機(jī)組的制造成本。現(xiàn)在我們進(jìn)行如下設(shè)計：采取轉(zhuǎn)輪室、直錐管進(jìn)行分半，伸縮節(jié)設(shè)在直錐管與S形肘管之間。這樣，主軸及轉(zhuǎn)輪可以直接從分半轉(zhuǎn)輪室、分半直錐管處吊出吊進(jìn)，這樣降低了制造成本，又方便裝拆，也縮短了廠房寬度，降低了廠房造價。

圖2GD008-WZ-275水輪機(jī)

與SFW800-8/1180發(fā)電機(jī)增速連接方式布置圖

1-水輪機(jī)，2-推力軸承，3-增速器，4-導(dǎo)軸承，5-發(fā)電機(jī)

表1部分軸伸貫流式水輪機(jī)型號

圖3主軸密封結(jié)構(gòu)1-甩水罩，2-不銹鋼護(hù)套，3-聚四氟乙烯盤根，4-工字環(huán)，5-空氣圍帶

圖4導(dǎo)葉保護(hù)裝置1-導(dǎo)葉，2-連扳，3-剪斷銷，4-導(dǎo)葉臂，5-摩擦副

3.5增速器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

在低水頭電站中，如設(shè)計水頭低于5m，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都不超過250r/min，如果采用常規(guī)的直連方式，會造成發(fā)電機(jī)的尺寸很大，帶來價格增高、效率降低、吊車容量和土建投資增大等一系列問題。利用行星齒輪增速器取代常規(guī)的水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)直連的方案，能使發(fā)電機(jī)尺寸成倍減小，上述問題便迎刃而解。

其次，采用增速技術(shù)可以使水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇不受發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的限制，可以根據(jù)水電站的水頭、流量、出力等參數(shù)，最合理地選擇水輪機(jī)最高效率相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，使水輪機(jī)在最佳轉(zhuǎn)速即最優(yōu)工況下運行，發(fā)揮應(yīng)有的高效率。

現(xiàn)在國內(nèi)增速器的專業(yè)制造廠家的設(shè)計水平、制造精度和工藝、材料性能等方面都有了顯著的提高，已研制出了性能優(yōu)良的增速器系列。根據(jù)電站的使用情況，當(dāng)軸伸貫流式機(jī)組的設(shè)計水頭低于5m，轉(zhuǎn)速低于214.3r/min時，我們推薦采用加增速器的方案。

4結(jié)束語

在低水頭中小型水電站的開發(fā)利用中，軸伸貫流式水輪機(jī)具有資源利用充分、投資節(jié)省的優(yōu)勢和電量增值、綜合效益增值的效果，是開發(fā)低水頭徑流式中小型水電站的一種非常經(jīng)濟(jì)適用的水輪機(jī)型式。當(dāng)前，我國的低水頭水力資源的開發(fā)正蓬勃發(fā)展，對選用軸伸貫流機(jī)組的性能、外觀、可靠性、安全穩(wěn)定性等諸方面提出了更高的要求。我們將為軸伸貫流式水輪機(jī)設(shè)計開發(fā)出更加先進(jìn)合理的結(jié)構(gòu)，以滿足市場的需求。

中圖分類號：TK733

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）04-0019-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.006

收稿日期：2015-01-20

作者簡介：解再益（1975-），男，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計工作。