水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的幾個(gè)工藝性設(shè)計(jì)問題分析

馬淑霞，楊春林，王 輝

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050；2.甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及其應(yīng)用省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；3.甘肅盛御水利水電科技有限公司，蘭州 730050）

0 引言

水輪機(jī)是一種將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的設(shè)備[1]。高壓水流進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪使其轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過水輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)部分是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位。

為提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分設(shè)備精度及工作性能，且后期運(yùn)行可靠，分析水輪機(jī)整機(jī)裝配的主要問題環(huán)節(jié)，針對現(xiàn)有裝配工藝做出改進(jìn)，以降低裝配難度，使得設(shè)備后期維護(hù)保養(yǎng)更方便；并對主要受力載力零部件做了強(qiáng)度校核計(jì)算，使得可以得到在應(yīng)力載荷允許的條件下，盡可能減小零件的外形尺寸。此外，本文提出了設(shè)備中的幾個(gè)關(guān)鍵零件，為適于安裝及運(yùn)行而進(jìn)行的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)，使得零件便于加工及安裝。此部分作為水輪機(jī)電站的制造、驗(yàn)收及運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)動(dòng)部分在水輪機(jī)發(fā)電中的作用及裝配分析

如圖1 所示，水輪機(jī)發(fā)電由進(jìn)水部分、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、軸承部分、密封部分和埋入部分等5 個(gè)部分組成。設(shè)備運(yùn)行過程中，水流由進(jìn)水部分的引水管、座環(huán)、蝸殼、導(dǎo)葉而進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，并通過水輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，最后沿尾水渠而泄入下游[2]。其中，作為電站基礎(chǔ)的埋入混凝土中的部分，承受著機(jī)組的全部重量，并作為水輪機(jī)的引水和泄水通道。密封部分則是在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，利用工作水壓使得密封塊與轉(zhuǎn)環(huán)抗磨板相接觸[3]，以達(dá)到封水作用。另外，從浸沒軸瓦高度和溫度2 個(gè)方面精確控制潤滑油，以達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)主軸良好的密封效果。

圖1 水輪機(jī)發(fā)電部分的安裝結(jié)構(gòu)

水輪機(jī)發(fā)電電站的工作參數(shù)，具體包括最大水位（m）、額定水頭（m）、最小水位（m）、額定流量（m3/s）、額定功率（kW）、飛逸轉(zhuǎn)速（r/min）、葉片安放角度（°）。

轉(zhuǎn)動(dòng)部分是機(jī)組的核心組成部套，也是能量裝換的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)動(dòng)部分主要由主軸、轉(zhuǎn)輪、泄水錐及其相關(guān)連接、支承組成。其中，轉(zhuǎn)輪是將水位勢能轉(zhuǎn)成的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的關(guān)鍵部件并通過其主軸傳遞給發(fā)電機(jī)，其由葉片和轉(zhuǎn)輪體焊接而成。發(fā)電主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)由上、中、下3個(gè)具有自潤滑性能的軸套支承保證，其主要起承受水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量、軸向水推力所產(chǎn)生的拉力，同時(shí)傳遞轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的扭矩的作用。

2 零件強(qiáng)度校核

2.1 軸向水推力

已知：k為水推力系數(shù)，D1為轉(zhuǎn)輪直徑，Hmax為最大水位高度。則軸向水推力[4]：

已知：GN為轉(zhuǎn)輪重量，G1為主軸重量。則軸向力：

2.2 主軸強(qiáng)度

該主軸采用優(yōu)質(zhì)35#鍛制，其強(qiáng)度計(jì)算按精配螺栓傳遞扭距計(jì)算。

已知：N 為主軸傳遞功率，n 為額定轉(zhuǎn)速，S 為截面積，1 kgf＝9.8 N。則扭矩：

2.3 聯(lián)接螺栓應(yīng)力

已知：Z為螺栓個(gè)數(shù)，D3為聯(lián)軸螺栓分布圓直徑螺栓的最小截面積，d為螺栓配合部分直徑。

則每個(gè)螺栓的軸向力：

3 主要零件工藝性設(shè)計(jì)

3.1 泄水錐

泄水錐是安裝于轉(zhuǎn)輪前面的泄水部件，其主要功能是將水流平穩(wěn)地引向下流，部分回收轉(zhuǎn)輪出口處的動(dòng)能形成轉(zhuǎn)輪出口處的動(dòng)力真空水流[7]，以提高水輪機(jī)的工作效率。泄水錐采用鑄造成形，為使水流在管內(nèi)能平穩(wěn)減速以回收動(dòng)能，達(dá)到良好的水利性能，采用圖2所示的直錐形結(jié)構(gòu)。

圖2 泄水錐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的水力性能的重要保證，其作用是將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。本文設(shè)計(jì)使用的是軸流定槳式轉(zhuǎn)輪。出于裝配的合理性考慮，保證導(dǎo)葉外圍直徑與地基孔直徑留有2～4 mm 的間隙，轉(zhuǎn)輪與基座直徑也留有1～2 mm 的間隙。轉(zhuǎn)輪體上端與支持蓋配合部位留有一定間隙，當(dāng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，可減少漏水量。

轉(zhuǎn)輪的毛坯采用鑄造方式，如圖3 所示，轉(zhuǎn)輪左端面與泄水錐相連，右端與主軸相連，兩端都設(shè)計(jì)有相應(yīng)的連接孔，另外其上也設(shè)計(jì)出與葉片相連的定位孔。另外，與導(dǎo)葉端面間隙的分配則是上軸端的調(diào)節(jié)螺栓來實(shí)現(xiàn)，扭矩采用圓柱銷或鍵傳遞。

圖3 轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3 主軸

主軸是轉(zhuǎn)動(dòng)部分的一個(gè)重要部件，連接發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，將水輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子[8]，同時(shí)承受轉(zhuǎn)輪的軸向水壓力及轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重力。主軸兩端帶法蘭，其上、下法蘭分別與發(fā)電機(jī)主軸和轉(zhuǎn)輪用緊固件聯(lián)接，裝配時(shí)將螺母點(diǎn)焊牢以防松動(dòng)。出于減小法蘭根部的彎曲應(yīng)力和減少鍛造難度的考慮，主軸兩端的法蘭外徑控制到盡可能的小。法蘭兩端設(shè)計(jì)有凸凹止口以便于安裝定位，同時(shí)止口和軸頸有很好的同軸度保證，止口的配合間隙為0.02～0.06 mm。法蘭端面的平面度小于0.03 mm，同時(shí)與軸線有相應(yīng)的垂直度要求。

3.4 轉(zhuǎn)環(huán)組件

如圖4 所示，轉(zhuǎn)環(huán)組件起保護(hù)作用，由轉(zhuǎn)環(huán)、護(hù)罩、螺釘、擋環(huán)、護(hù)罩、密封條等組成。整個(gè)轉(zhuǎn)環(huán)組件固定于主軸上，運(yùn)行時(shí)同主軸一起旋轉(zhuǎn)和水封內(nèi)環(huán)配合達(dá)到密封效果。護(hù)罩主要起連接部件的保護(hù)作用等，以防漏水進(jìn)入，而引起腐蝕磨損，使得螺柱、螺母的剛度強(qiáng)度降低，導(dǎo)致整個(gè)水輪機(jī)的壽命及工作效率降低。擋環(huán)同時(shí)也具有減振的作用。由于主軸直徑呈兩頭大、中間小的特殊結(jié)構(gòu)，再加上其直徑尺寸過大的原因，轉(zhuǎn)環(huán)組件采用半件拼裝設(shè)計(jì)，以便于加工和裝配。

圖4 轉(zhuǎn)環(huán)組件的結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文通過分析，闡明了轉(zhuǎn)動(dòng)部分在整個(gè)水輪機(jī)發(fā)電電站中的結(jié)構(gòu)位置及功能，通過主要受力零件的力學(xué)核算，得出了此部分需滿足強(qiáng)度的要求，并對其中幾個(gè)關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)出適于加工及裝配的工藝性結(jié)構(gòu)，所有以上工作都為后續(xù)設(shè)備的加工和裝配提供了技術(shù)支撐。

對于水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，還需考慮整個(gè)機(jī)組飛逸時(shí)軸的剛度是否能滿足要求[9]、水輪機(jī)軸運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境的特殊性等情況。另外，設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免泥沙對軸的磨損及氣蝕，也是很有必要的。