水斗式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪噴管位置測量方法研究

劉永新,楊衛(wèi)彬,魏 松

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040)

水斗式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪噴管位置測量方法研究

劉永新,楊衛(wèi)彬,魏 松

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040)

為解決水斗式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪、噴管空間位置測量不準(zhǔn)確問題,分析了水斗式水輪機(jī)工作原理,提出了一種基于水斗式水輪機(jī)射流原理的測量方法。即利用百分表讀取位置偏差,通過計(jì)算求得轉(zhuǎn)輪、噴管相對空間位置。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用該方法測量轉(zhuǎn)輪和噴管空間位置重復(fù)性好,不因操作人員技術(shù)水平而產(chǎn)生差異;測量精度高,完全滿足水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求;同時該方法也為轉(zhuǎn)輪、噴管位置調(diào)整提供依據(jù),為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

水斗式水輪機(jī)模型;轉(zhuǎn)輪;噴管;測量方法

沖擊式水輪機(jī)主要應(yīng)用在500 m以上的高水頭水電站中,具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝高程不受空蝕條件限制、對流量變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)[1-2],按結(jié)構(gòu)形式可分為水斗式水輪機(jī)、斜擊式水輪機(jī)及雙擊式水輪機(jī)三種[3]。針對水斗式水輪機(jī)測量問題進(jìn)行研究,水斗式水輪機(jī)的工作原理是利用特殊導(dǎo)水噴管引出具有動能的自由射流,即把水流的位能變成噴管出口的高速度動能[4],使轉(zhuǎn)輪水斗受到?jīng)_擊力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的目的[5]。水的動能來自上游的引水管路,通過配水環(huán)管形成環(huán)量,再由各噴管制造自由射流,自由射流被噴入大氣之中對轉(zhuǎn)輪水斗施力。噴管、轉(zhuǎn)輪、機(jī)殼是水斗式水輪機(jī)的主要零件,根據(jù)水頭高低、水流量、機(jī)組容量大小的不同,噴管通常設(shè)計(jì)1～6組[6]。噴管射出的水柱沖到轉(zhuǎn)輪水斗上后,被分水刃分成兩半,在水斗內(nèi)轉(zhuǎn)了半圈后從水斗外緣排出水斗。噴管是水斗式水輪機(jī)的核心部件之一,起著將水能轉(zhuǎn)化為動能的重要角色,噴管射出的水流與轉(zhuǎn)輪水斗的相對位置準(zhǔn)確與否,對水力性能的影響至關(guān)重要[7]。

精準(zhǔn)的射流位置需要對轉(zhuǎn)輪、噴管的相對位置準(zhǔn)確測量后調(diào)整得來,傳統(tǒng)的測量方法使用U型管、米尺等通用測量工具,依據(jù)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測量,測量誤差大、可靠性低。由于射流位置無法保證,將造成機(jī)組振動、軸承磨損、效率降低,更無法驗(yàn)證水力計(jì)算的準(zhǔn)確性。鑒此,從水斗式水輪機(jī)射流原理出發(fā),提出一種基于水斗式水輪機(jī)射流原理的測量方法,利用百分表讀取位置偏差,通過計(jì)算求得轉(zhuǎn)輪、噴管相對空間位置。此測量方法不因技術(shù)人員操作水平而產(chǎn)生差異,其可靠性與精度,通過測量結(jié)果看是否完全滿足《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》[8]標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 水斗式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪噴管位置測量方法概述

六噴管立式水斗式水輪機(jī)模型裝置如圖1所示。噴管起到引導(dǎo)水流、調(diào)節(jié)流量的作用,將水的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楣P直的射流動能,利用水的動能推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電。試驗(yàn)時要求6個噴管在機(jī)殼內(nèi)按夾角60°等分均布,并且射流方向與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切,射流中心高度與轉(zhuǎn)輪水斗分水刃齊平。由于噴管與轉(zhuǎn)輪分水刃處于獨(dú)立的空間位置,噴管切圓直徑和噴管與轉(zhuǎn)輪軸向距離不能直接測量,模擬以上射流原理設(shè)計(jì)專用測量裝置,測量兩者相對空間位置。

圖1 六噴管立式水斗式水輪機(jī)模型裝置

立式水斗式水輪機(jī)專用測量裝置示意圖如圖2所示。在噴管出口安裝射流桿模擬噴管射流狀態(tài),在靜壓軸承軸頭上安裝轉(zhuǎn)動套等部件模擬轉(zhuǎn)輪,通過安裝在測量桿和轉(zhuǎn)動套上的百分表讀取相關(guān)部件位置偏差,通過計(jì)算式求得轉(zhuǎn)輪水斗分水刃和噴管的豎直方向和圓周方向的位置數(shù)據(jù)。

圖2 立式水斗式水輪機(jī)專用測量裝置示意圖

2 水斗式水輪機(jī)模型測量裝置材料要求

測量裝置必須具備高尺寸穩(wěn)定性,高耐磨性和一定的韌性,以保證使用過程中不變形、磨損微小,以及碰撞時不致?lián)p壞。該測量裝置在使用過程中易受到磨損,因此對量具鋼的主要性能要求如下:

a.高的尺寸精度:保證長期存放和使用中尺寸不變,形狀不變。

b.高的硬度和耐磨性:以防止在使用過程中因磨損而失效。

c.良好的磨削加工性。

形狀簡單、精度要求不高的量具可選用碳素工具鋼制造,如T10A、T11A、T12A等;精度要求較高的量具可選用高碳低合金工具鋼制造,如CrMn、CrWMn等;承受磨損和沖擊、質(zhì)量要求較高的量具可選用滲碳的低碳鋼、經(jīng)表面淬火或淡化的中碳鋼;要求精度和耐腐蝕的量具制造可選擇不銹鋼,如4Cr13、9Cr18等。

由于該測量裝置使用在潮濕條件下,為保證裝置使用過程中不發(fā)生銹蝕,而影響使用精度,可選擇不銹鋼加工;或選擇非不銹鋼材質(zhì)加工,并進(jìn)行表面防銹處理。該裝置采用碳鋼、工具鋼制造時,其主要測量面的最低硬度約為664 HV;該裝置采用不銹鋼制造時,其主要測量面的最低硬度約為551 HV。

3 水斗式水輪機(jī)模型測量裝置設(shè)計(jì)及安裝要求

六噴管立式水斗式水輪機(jī)模型裝置安裝時,需保證6個噴管中心處于同一個水平面,即射流共面;射流中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切。因此,需測量6個噴管射流相對于轉(zhuǎn)輪節(jié)圓的偏差,及射流中心與下靜壓軸承軸頭端面的距離。根據(jù)測量偏差值,進(jìn)行后續(xù)調(diào)整,使轉(zhuǎn)輪與噴管的位置滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求,具體內(nèi)容如下。

測量裝置裝配圖如圖3所示,c為軸套項(xiàng)9外圓與豎直滑塊項(xiàng)6間的距離;項(xiàng)5、項(xiàng)7為百分表,分別測量圓周方向和豎直方向位置偏差。噴管罩項(xiàng)1中心線為射流中心線,射流桿項(xiàng)2旋轉(zhuǎn)中心線與噴管罩項(xiàng)1中心線同軸;由于射流桿項(xiàng)2僅前端與水平滑塊項(xiàng)4存在配合關(guān)系,為減少加工量可僅對射流桿項(xiàng)2前端進(jìn)行加工;保證測量桿項(xiàng)8的圓柱度,且測量桿項(xiàng)8與軸套項(xiàng)9為小間隙配合,測量桿項(xiàng)8長度為轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑的4/5左右為宜;分別在水平滑塊項(xiàng)4、豎直滑塊項(xiàng)6、軸套項(xiàng)9上鉆孔攻絲并安裝頂絲螺釘,防止各部件在測量過程中產(chǎn)生位移,也可同時在射流桿項(xiàng)2、測量桿項(xiàng)8上安裝擋塊防止零件移動。按圖3所示位置安裝各零部件,保證豎直滑塊項(xiàng)6、百分表項(xiàng)7、測量桿項(xiàng)8、軸套項(xiàng)9沿軸承項(xiàng)3軸線旋轉(zhuǎn)時,不與噴管等部件發(fā)生干涉。

圖3 測量裝置裝配圖

測量裝置相關(guān)部件尺寸如圖4所示,依次為圖3中的水平滑塊項(xiàng)4、豎直滑塊項(xiàng)6、軸套項(xiàng)9。需保證水平滑塊項(xiàng)4上平面、基準(zhǔn)面、下平面的平面度,及上下平面與基準(zhǔn)面的垂直度,中心孔與基準(zhǔn)面的平行度,百分表軸孔與基準(zhǔn)面的垂直度;保證豎直滑塊項(xiàng)6上平面、基準(zhǔn)面的平面度,基準(zhǔn)面與上平面的平行度,中心孔與基準(zhǔn)面的平行度,百分表軸孔與基準(zhǔn)面的垂直度;保證軸套項(xiàng)9的孔Φd與孔ΦD1的同軸度,ΦD1孔與ΦD2孔的垂直度。

圖4 測量裝置相關(guān)部件尺寸

4 水斗式水輪機(jī)模型測量裝置使用方法及數(shù)據(jù)處理

在滿足設(shè)計(jì)及安裝要求情況下,可對水斗式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪和噴管空間相對位置進(jìn)行測量,具體步驟如下。

4.1 使用游標(biāo)卡尺測量軸套項(xiàng)9外圓與豎直滑塊項(xiàng)6間的距離c,單位mm。

4.2 轉(zhuǎn)動軸套項(xiàng)9使水平百分表項(xiàng)5讀數(shù)處于最大值,并記錄此值a1max,單位mm;記錄此時豎直百分表項(xiàng)7讀數(shù)b1max,單位mm。

4.3 轉(zhuǎn)動軸套項(xiàng)9到適當(dāng)位置,使用量塊測量水平百分表項(xiàng)5測量頭相對于水平滑塊項(xiàng)4基準(zhǔn)面距離,水平百分表讀數(shù)a1,單位mm,使用量塊測量豎直百分表項(xiàng)7測量頭相對于豎直滑塊項(xiàng)6基準(zhǔn)面距離,豎直百分表讀數(shù)b1,單位mm。

4.4 根據(jù)測量裝置尺寸及測量數(shù)值,計(jì)算噴管切圓直徑及噴管中心與靜壓軸承軸頭距離,計(jì)算式如下:

D=2(c-d/2±(a1max-a1)+e)

(1)

H=f+g-h±(b1max-b1)

(2)

式中:D為噴管切圓直徑,mm;d為轉(zhuǎn)動軸套項(xiàng)9的外圓直徑,單位mm;e為水平滑塊項(xiàng)4基準(zhǔn)面與中心孔的距離,mm;H為噴管中心與靜壓軸承軸頭距離,mm;f為水平滑塊項(xiàng)4中心孔與下平面的距離,mm;g為豎直滑塊項(xiàng)6中心孔與基準(zhǔn)面的距離,mm;h為轉(zhuǎn)動軸套項(xiàng)9中ΦD1孔下平面與ΦD2孔中心線的距離,mm。

根據(jù)《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》[8]標(biāo)準(zhǔn)要求,水斗式水輪機(jī)模型裝置噴管切圓直徑D允許誤差范圍為±0.2%D,噴管中心與靜壓軸承軸頭距離H的偏移誤差允許范圍為±0.5%B,其中B為水斗寬度。以水斗寬度B=118 mm、噴管切圓直徑D=400 mm的模型裝置為例,切圓直徑D允許誤差范圍為±0.8 mm,噴管中心與靜壓軸承軸頭距離H的偏移誤差允許范圍為±0.59 mm;而該測量方法測量精度為百分表精度,即0.01 mm。因此,測量精度遠(yuǎn)高于驗(yàn)收試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 語

基于沖擊式水輪機(jī)噴管射流原理,提出了一種基于水斗式水輪機(jī)射流原理的測量方法,解決了轉(zhuǎn)輪、噴管空間位置測量問題。此方法測量重復(fù)性好、精度高,不因技術(shù)人員操作水平產(chǎn)生差異,測量結(jié)果完全滿足《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)》[8]標(biāo)準(zhǔn)要求。該測量方法為轉(zhuǎn)輪、噴管位置調(diào)整提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),確保射流位置的準(zhǔn)確性,最大限度的保證水力性能,避免了由于射流不準(zhǔn)確導(dǎo)致的機(jī)組振動、效率下降等問題,在工程上具有良好的應(yīng)用價值。

[1] 唐昶.沖擊式水輪機(jī)組設(shè)計(jì)的一些問題及對策[J].廣西水利水電,2005(4):58-59.

TANG Xu.Some problems of and countermeasures for Pelton turbine design[J].Water Resources & Hydropower Engineering.2005(4):58-59.

[2] 馬銳,宮游,竇純玉.沖擊式水輪機(jī)設(shè)計(jì)的探索和發(fā)展趨勢[J].大電機(jī)技術(shù),2002(4):49-52.MA Rui,GONG You,DOU Chunyu.Discussion about the design and development prospect of Pelton turbine[J].Large Electric Machine and Hydraulic Turbine,2002(4):49-52.

[3] 周曉泉,周文桐.沖擊式水輪機(jī)基本理論研究[J].大電機(jī)技術(shù),2005(5):29-34.ZHOU Xiaoquan,ZHOU Wentong.The basic theory of impulse turbine[J].Large Electric Machine and Hydraulic Turbine,2005(5):29-34.

[4] 韋彩新,韓鳳琴,許萍,等.沖擊式水輪機(jī)射流干涉研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,29(4):82-84.WEI Caixin,HASN Fengqin,XU Ping,et al.The study of jet interference in Pelton turbine[J].Journal of Hangzhou University of Science and Technology,2014,29(4):82-84.

[5] 吳迪.沖擊式水輪機(jī)設(shè)計(jì)的探討和發(fā)展研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(19):57.WU Di.Discussion and development research on Pelton turbine[J].Technology Innovation and Application,2013(19):57.

[6] 龐堅(jiān)強(qiáng).沖擊式水輪機(jī)噴管中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓找正方法[J].裝備制造技術(shù),2013(11):113-115.OANG Jianqiang.Pelton turbine nozzle center line and wheel alignment method[J].Equipment Manufacturing Technology,2013(11):113-115.

[7] 張勇,張艷紅.沖擊式水輪機(jī)直流噴管結(jié)構(gòu)分析與研究[J].電力通用機(jī)械,2011(4):68-70.ZHANG Yong,ZHANG Yanhong.Analysis and research on DC nozzle structure of Pelton turbine[J].General Machinery,2011(4):68-70.

[8] GB/T 15613.1-2008.水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.GB/T 15613.1-2008.Model acceptance tests of hydraulic turbines,storage pumps and pump-turbines[S].Beijing:China Standard Press,2008.

(責(zé)任編輯 李世杰)

Study on position measurement method of runner and nozzle in Pelton turbine model

LIU Yongxin,YANG Weibin,WEI Song

(Harbin Electric Machinery Co.,Ltd.,Harbin 150040,China)

In order to solve the problem of inaccuracy of space position measurement of runner and nozzle in Pelton turbine model,the working principle of Pelton turbine was analyzed.Thus,a method of measurement based on the jet principle of Pelton turbine was proposed.Namely,position deviation was read by using the dial indicator and then by calculating the relative spatial position of runner and nozzle was acquired.The test results show that by the method,good repeatability is presented in measuring space position of runner and nozzle which does cause difference because of technical levels of the operating personnel.Alos,high precision is improved which fully meets the acceptance and test standard requirements of Pelton turbine model.At the same time,this method provides the basis for runner and nozzle position adjustment,laying the foundation for the stable operation of the unit.

Pelton turbine model; runner; nozzle; measurement method

2016-07-04。

劉永新(1985—)，男，碩士研究生，工程師，現(xiàn)從事水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作。。

TM730.2

B

2095-6843(2016)06-0554-03