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1、大型轴伸贯流式水轮发电机组的设计与开发摘要国内目前转轮直径最大的带增速器的轴伸贯流式水轮发电机组已投入发电。介绍这方面的代表东风电机公司开发大型轴伸贯流式水轮发电机组的设计思路、结构特点等。关键词轴伸贯流 水轮发电机组 结构 设计1概述大型轴伸贯流式水轮发电机组是东风电机公司开发的一种结构简单、性能优良、安装维护方便的机型，它适用于低水头、大流量电站的装机，一般使用水头在18m，直径等级在D13m以及单机额定出力N=5MW以下的机组。该机型发电机移出灯泡体，露在水轮机外，还可采用各种形式的增速装置。由于可采用常规发电机，中小型机组经济性显着。在中小型水力资源的开发中，轴伸贯流比灯泡贯流投资少、
2、经济性好，在安装、使用、维修、保养上比灯泡贯流方便，在性能方面也和灯泡贯流机接近。下表列出了东风电机公司已投入运行的部分该类机型及典型电站。 2总体布置轴伸贯流水轮机组，水流从进水管引入，经导水机构、转轮、尾水管排至尾水渠道。转轮室后的肘管成S型，水轮机主轴从肘管中水平穿过后通过增速器与常规发电机联结。水轮发电机组设2导1推共3个轴承，其中水轮机侧设有2个轴承。水轮机径向轴承布置于固定支座内，径向推力轴承布置于肘管密封座与增速器间的厂房地板上；发电机的径向轴承布置于转子的下游侧。发电机和水轮机轴承共用一个供油系统，集中供油。为保证机组的运行稳定，发电机机坑底部距流道有足够的距离。轴伸贯流水轮机
3、是水平轴向布置的，没有蜗壳，流道也是轴向的，水流平行于水轮机轴流向转轮，可以把导水机构布置在靠近转轮叶片的位置上，从而充分控制转轮入口处的水流条件，使转轮具有更佳的抗气蚀性能。导水机构采用锥形布置，16只导叶成圆锥状布置在内外配水环之间，其锥角为65。考虑机组运行的稳定性，进水管的座环与尾水管大部分埋入混凝土中。水轮机进水管顶部开有方形孔，以供装卸灯泡体内工件时使用。对于流道内的水轮机部分设有4根固定支柱，其中上支柱是油、气、水管路的入口，下支柱是排水管、排油管的出口，并且水轮机流道内的零部件重量以及动载荷通过固定支柱传递到基础上。调速器与油压装置分开布置，设置于水轮机上游侧，通过操作油管、反
4、馈钢丝绳与水轮机的导水机构相连。轴承高位油箱布置在距机组中心线810m的副厂房内，回油箱及增速器的液压站布置于水轮机机坑内。总体布置见图。 3 水轮机主要结构特点转轮及主轴轴伸贯流水轮机转轮参数选择与灯泡贯流式转轮不同。例如叶栅稠密度1/t值的大小，是影响单位转速、单位流量的重要因素。选择较小的1/t值，转轮就具有大的过流能力和高的单位转速。然而“S”型尾水管限制过大的流量通过，因1/t值过小，水流能量转换不充分引起水力效率下降。因此，轴伸贯流水轮机转轮采用周边较小的1/t值，而靠近轮毂处采用较大的1/t值，叶片平均稠密度也较大，叶片进出水边均为曲线。除此之外，叶片相对的扭角较灯泡转轮稍小，这
5、样选择参数设计出的转轮具有优良的能量和气蚀特性。对于转桨式轴伸贯流式水轮机，其转轮的转桨机构为带操作架的直连杆机构。桨叶回复机构设在受油器上，通过扇形板和钢丝绳将机械运动输出。转轮叶片的密封采用多层“U”橡胶。为便于转轮安装，转轮泄水锥分为上下两部分。转桨式轴伸贯流式水轮机支撑方式与定桨式相同，均为两支点支撑。由于主轴长、跨距大，为增加主轴刚度，减轻主轴重量，主轴采用空心锻件，或采用厚壁无缝钢管、焊接法兰结构。根据轴伸贯流式水轮机的特点，其支撑位置、主轴直径和内孔尺寸应经多方案优选而定。轴伸贯流式水轮机结构复杂，发电机转速低，与小机组相比，尺寸大、重量重，故要求水轮机拆装时不移动发电机。为此，
6、在两轴之间设置分半过渡法兰，就能很方便地单独拆装、维护水轮机或发电机。轴伸贯流式水轮机主轴特长，其主轴、转轮的安装是一个重要问题。绝大部分的轴伸贯流式水轮机主轴从肘管出轴处拉出，这会增加厂房的宽度，同时要移动增速器、推力轴承、发电机等。也有采用转轮室、直锥管、肘管按轴线水平分开的，这样虽然解决了主轴的吊装问题，但又增加了机壳的安装麻烦，提高了机组的制造成本。于是，采取转轮室、直锥管进行分半，伸缩节设在直锥管与肘管之间。水轮机主轴与发电机大轴之间设分半过渡法兰，在拆卸转轮及主轴时，可以不移动其它部件而达到拆卸目的，主轴及转轮可以直接从分半转轮室、分半直锥管处吊装。导水机构导叶采用整体铸钢，二支点
7、结构。导叶翼型为空间扭曲型线，上、下轴承均采用自润滑材料轴承。导叶轴头密封处可采用热套不锈钢或镀铬保护的措施，以防锈蚀影响密封圈的性能。为了便于安装，导叶短轴设在导叶内环上，与导叶内环轴孔配合。导叶密封采用“Y”型加“O”型密封。导叶轴与导叶臂采用圆柱销分半键传递转矩。导叶上、下端面间隙的调整是通过导叶轴端的螺栓及调整垫环厚度来实现的，在关闭状态下其端面总间隙为，立面局部间隙在1/4导叶高度范围小于，这个要求既能保证漏水量小，又能保证机构的运作灵活。16个导叶分别装有剪断销及剪断销信号器，当导叶之间有异物时剪断销剪断并发出信号，以保护其它零件不受损害。由于贯流式机组的导水机构呈锥形布置，连板的
8、运行是空间立体运动，剪断销的受力复杂，有剪切力，还有一定的扭矩，很容易发生剪断。因此，连板及剪断销的设计是一个重点。导叶立面采用金属密封，头尾部可根据需要在密合面堆焊不锈钢。用金属密封作为立面密封，结构简单方便，加工制作能完全保证密封的严密性，同时贯流机组水头低、渗漏不大，金属密封形式也便于导水机构的安装与调整。随着新材料的应用，在导叶密封面喷涂防腐、耐磨的复合密封材料也在增多，有着良好的发展前景。导叶外环外壳斜向均布着16个搭子孔，用以装设导叶的上支点。导叶外环为薄壳焊接件，刚性差，为了增大导水机构的整体刚度，在结构设计上适当地布置环向或纵向筋板是必要的。但为解决整体吊装的变形给安装带来的麻
9、烦，设计专用的整体吊装和翻身定位支撑工具则更为重要。控制环为滚动摩擦环轴承结构。在控制环的滑动面上设有钢球，钢球之间装有尼龙隔球柱，可减少钢球之间的摩擦，使控制环具有小的摩擦力矩，保证控制环动作灵活。导水机构设有控制摆式接力器。控制环大耳孔与接力器推拉杆相连，小孔与导叶连板的叉头铰接。另外，控制环上还设有装回复钢丝的圆槽。控制环在接力器的作用下作圆周往复运动时，带动连板，连板再将操作力传递给与之铰接的导叶臂，从而实现对导叶的控制。另外，在空间导水机构传动的运动和力学分析的基础上，控制环采用了单耳孔、单导叶接力器的结构，这种系统结构紧凑，布置清晰，安装调试方便。机组停机时，需对导水机构进行锁锭，
10、该功能由接力器实现。锁锭有两方面的内容，即从原理上对控制油管路进行锁锭和从机构上对接力器推拉杆进行硬锁锭。接力器设计时无自动锁锭，只在导叶全关位置设有人工锁锭，这是一道十分可靠的防护措施。连板球铰采用了标准关节轴承。为防止灰尘等进入轴承内，轴承装有轴承压盖及密封铜片。轴承压盖装有油杯，通过定期加注润滑油，以保证连板拐臂动作灵活。采用关节轴承，使连扳球铰具有一定的自调心作用，可对导水机构在制造、安装过程中产生的偏差进行一定的补偿。工地安装时，导水机构应整体吊装。整体吊装前，应将导叶全部置于全关位置，然后用拉筋将相邻两导叶互相搭焊，这样16只导叶形成一个整体的支撑环，具有足够的刚度。主轴密封主轴密
11、封共3道，第1道为梳齿密封，第2道为水压活塞式工作密封，第3道为检修密封。梳齿密封主要起降压和防止大颗粒杂质进入，对第2道密封起保护减量作用。为减小磨损，梳齿密封采用不锈钢材料制成。工作密封采用水压活塞式密封，密封环采用性能好的中硬橡胶。特点：可储存润滑水，利于接触面润滑；凹槽式储水保证通水孔不会因磨损而堵塞；密封活塞上布置大小合适的进水孔，以使活塞上腔与内腔形成适量的压差；使寿命长，安装、调整、维护方便。设计、加工时为控制漏水量，凹槽及导向孔、进水孔尺寸应严格控制。对于多泥沙水电站，使用活塞式端面橡胶密封应注意密封水压一定要大于漏水压力。为了保证活塞自由运动，在安装时，应使活塞与活塞体之间有
12、间隙。停机检修密封根据机组的大小分别采用填料密封或空气围带密封。采用填料密封时，填料为发辫编织式聚四氟乙烯浸渍碳纤维填料，它由多股碳纤维丝呈人字形编织而成，断面呈方形。其特点是：松软，容易浸渍润滑剂，对轴的振动和偏心有浮动弹性，致密性好，能满足主轴密封对填料的性能要求。同时与之相对应，转轴的粗糙度要高，这样摩擦损失就小，通常密封面的粗糙度应高于m，轴表面有足够的硬度，并能长时间维持这种粗糙度，采用喷涂或堆焊不锈钢可以满足此要求。采用空气围带，在机组正常时，围带不充压缩空气呈自由状态，与小轴圆柱面有的间隙；停机时，围带充以的压缩空气，膨胀抱住小轴密封面，起到密封作用。空气围带只在机组停机时使用，
13、因此对轴的要求要低些。主轴密封是控制漏水量而不是绝对封水，为了确保密封的安全可靠，须对漏出的水作有效处理。因此在检修密封位置之后，设计时在转动部分设置甩水环，尾水罩上设集水管，甩水环将漏出的水封住并通过离心力作用甩入尾水罩内，在重力作用下通过尾水罩上的采水管排出。通过采用以上措施，可以有效防止主轴密封漏水进入水轮机导轴承。增速器低水头电站采不采用增速器，直接影响到电机的造价。如广东阳江双捷电站1 000kW40极的发电机和1 000kW8极的发电机价格之比近3倍，远远超过水轮机价格，如果采用增速器后1 000kW8极的发电机的总价也不超过1 000kW40极的发电机价的一半，有利于低水头水力资
14、源开发投资的积极性。所以，为了提高发电机的单机容量，缩小体积，降低成本，应当优先采用加增速器方案。在带增速器的机组中，增速比及所传递的功率较大。东风电机公司设计的轴伸贯流水轮机组常采用行星齿轮增速器。该增速器的增速比一般较大，采用独立的供油系统，发电机与增速器采用柱销联轴器联接。以柱销联轴器取代以往的齿轮联轴器，可以有效减小噪音，改善运行环境。为消除行星齿轮增速器传动时的力矩波动，与之相配的联轴器为柱销联轴器。由于柱销与柱销孔为间隙配合，且柱销富有弹性，它允许两轴在径向有的位移量，在轴向有3mm的位移量，从而可获得补偿两轴相对位移和缓冲力矩波动的性能。柱销在传递力矩时会发生弹性变形，从而产生附
15、加的轴向推力，且其轴向位移量较大。为防止轴向窜动对径向瓦的影响，支撑附加的轴向推力，发电机的前轴承须采用止推径向轴承结构。轴承及供油系统轴承的设计，主要是根据机组载荷、速度的大小及方向来考虑。对轴伸贯水轮发电机而言，由于发电机与水轮机有通过增速器、柱销联轴器联接和刚性直联两种方式，相应地轴承的布置也有所不同。发电机与水轮机通过行星齿轮增速器、柱销联轴器联接该方式下，水机侧设置2付径向瓦以支撑水机转动部件的重量，1付正、反推力瓦，以支撑正、反水推力；发电机侧设置2付径向瓦以支撑发电机转动部件的重量及单边磁拉力。考虑到柱销联轴器中的尼龙柱销在传递力矩时会产生一定的变形，从而产生附加的轴向力，需在发
16、电机侧前径向轴承中设置止推结构。发电机与水轮机刚性直联该方式下，水机侧设置1付径向瓦以支撑水机转动部件的重量；发电机侧设置1付正、反推力瓦，以支撑正、反水推力，2付径向瓦以支撑发电机转动部件的重量及单边磁拉力。润滑参数的确定由于轴伸贯流机组转速较低、轴系较长、负荷较大、轴系变形较大、轴颈周速较低(通常在35m/s)，轴承润滑设计的困难在于油楔效应差，油膜自身动压能力低。机组运转时的最小油膜厚度小，启停机时油膜不易形成。按有关资料介绍，轴颈周速小于10m/s，宜考虑采用动静压复合轴承，即在启动和停机过程中，当转速在额定转速的60以下时，投入静压油，而正常运行时则依靠动压润滑。这样须在供油系统中提供静压供油管路，从而使管路复杂，装置的可靠性较差。为此在润滑计算时注意了轴承结
