程宇坤，閆 娜

（水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

0 前言

水輪機(jī)模型裝置同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，是檢驗(yàn)水輪機(jī)研發(fā)結(jié)果的有效手段，也是學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)設(shè)計(jì)思想、汲取設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的機(jī)會(huì)[1-2]。隨著水力發(fā)電設(shè)備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，對(duì)包括水力設(shè)計(jì)、水輪機(jī)模型裝置設(shè)計(jì)、加工、安裝、調(diào)試和模型試驗(yàn)等環(huán)節(jié)的水輪機(jī)研發(fā)工作提出了更高的要求[3]。近年來(lái)各廠家不斷加大科研投入，在模型裝置研制方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[4,5]。

水輪機(jī)模型機(jī)組中心的穩(wěn)定性、活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口調(diào)節(jié)的一致性和可靠性直接影響了水輪機(jī)的效率。模型裝置在高水頭下的抗變形能力和拆裝的靈活性、是評(píng)判水輪機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。

基于水輪機(jī)模型裝置使用情況，分析國(guó)內(nèi)外水輪機(jī)模型在靜壓軸承的連接形式、導(dǎo)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面的不同，研究易于加工和提高裝置性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；總結(jié)近年來(lái)為適應(yīng)高水頭和高精度等新的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)要求下，水輪機(jī)模型裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)與創(chuàng)新，為優(yōu)化模型裝置性能，提高安裝和測(cè)試效率、保證模型裝置測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 模型裝置設(shè)計(jì)對(duì)比及裝置的改進(jìn)

水輪機(jī)模型是驗(yàn)證水力設(shè)計(jì)思想的基本載體，模型裝置流道型線的精確無(wú)誤、試驗(yàn)過(guò)程中的機(jī)組的平穩(wěn)可靠是保證水力設(shè)計(jì)效果的前提。模型裝置應(yīng)抓住影響設(shè)計(jì)效果的關(guān)鍵因素，國(guó)內(nèi)外廠家在模型裝置設(shè)計(jì)方面各具特色，分析國(guó)內(nèi)外模型裝置總體結(jié)構(gòu)的差異，總結(jié)在新的模型試驗(yàn)要求下，模型試驗(yàn)裝置發(fā)展的趨勢(shì)，為后續(xù)項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)提供有利支持。

1.1 模型裝置總體結(jié)構(gòu)

圖1是水輪機(jī)模型裝置，由靜壓軸承和模型裝置兩部分組成，兩部分共同決定了模型裝置的性能。模型裝置同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)中，國(guó)內(nèi)外模型裝置結(jié)構(gòu)布局有所不同，在安裝周期及安裝強(qiáng)度上也各有裨益。以下從靜壓軸承的連接形式、裝置的拆卸方式、導(dǎo)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三方面進(jìn)行分析：

圖1 混流式模型總裝圖

1.1.1 靜壓軸承連接方式

國(guó)內(nèi)模型裝置設(shè)計(jì)多采用分體式結(jié)構(gòu)，即靜壓軸承單獨(dú)把合固定，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)增加了中間大板連接環(huán)節(jié)，使靜壓軸承中心的調(diào)節(jié)方式更靈活；同時(shí)增加裝置上部調(diào)節(jié)空間，便于導(dǎo)控部套的安裝。整套裝置與試驗(yàn)臺(tái)的連接采用柔性系統(tǒng)，能抵消部分蝸殼受力產(chǎn)生的位移，但模型裝置受力產(chǎn)生的移動(dòng)為非水平移動(dòng)，使流道局部產(chǎn)生較大應(yīng)力變形，對(duì)間隙產(chǎn)生影響，使得密封效果大打折扣。隨著近年來(lái)抽蓄項(xiàng)目的增加，對(duì)試驗(yàn)的影響逐步顯現(xiàn)。同時(shí)伴隨著試驗(yàn)水頭的升高，該結(jié)構(gòu)已無(wú)法完全滿足試驗(yàn)要求。

整體式模型裝置多采用靜壓軸承與頂蓋整體把合的剛性連接形式連接，如圖2所示。這種連接方式能夠使軸承與頂蓋形成一體，在高水頭試驗(yàn)條件下，蝸殼受力急劇增大，易產(chǎn)生徑向位移，而頂蓋與軸承始終保持相對(duì)靜止，轉(zhuǎn)輪與靜壓軸承連接，相對(duì)頂蓋位置固定，不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，保證了轉(zhuǎn)輪間隙（即轉(zhuǎn)輪與頂蓋、下迷宮之間的縫隙）。在設(shè)計(jì)時(shí)可以確定一個(gè)較小的間隙值，以減小流量損失，提高轉(zhuǎn)輪效率。但是，這種結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的整體剛度有較高的要求，需提高試驗(yàn)臺(tái)相對(duì)連接剛度。

1.1.2 裝置拆裝方式

導(dǎo)葉水力矩測(cè)量試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外廠家模型裝置的拆裝方式也有所不同。

圖2 整體式模型裝置

底環(huán)與座環(huán)設(shè)計(jì)為一整體的模型裝置，便于生產(chǎn)加工，縮短了加工周期；同時(shí)確保了座環(huán)與底環(huán)流道的光順過(guò)渡，保證了水力性能。這種拆裝方式的不足之處是，無(wú)法直接在試驗(yàn)工位完成活動(dòng)導(dǎo)葉的更換，而需將模型裝置靜壓軸承與導(dǎo)控部套全部拆除，并重新調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)中心。

部分廠家的模型裝置采用"下拆式"結(jié)構(gòu)，如圖 2所示。底環(huán)與座環(huán)采用分體式結(jié)構(gòu)，在更換活動(dòng)導(dǎo)葉時(shí)無(wú)需將頂蓋拆除，在試驗(yàn)工位即可完成更換工作，且不用調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)中心，省去了二次找正的時(shí)間，降低了工作強(qiáng)度，用更短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了水力設(shè)計(jì)思想。但該結(jié)構(gòu)對(duì)加工精度有嚴(yán)格的要求，并需要在安裝時(shí)嚴(yán)格檢查底環(huán)與座環(huán)過(guò)渡處流道的光順性，以避免流道出現(xiàn)高低臺(tái)階，影響效率。

1.1.3 導(dǎo)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

部分模型裝置導(dǎo)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為通過(guò)連桿將導(dǎo)葉臂與控制環(huán)連接，導(dǎo)葉臂通過(guò)螺栓夾緊方式與活動(dòng)導(dǎo)葉連接，中間靠銷軸連接，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、安裝調(diào)整方便。其局限之處為依靠單個(gè)螺栓把合夾緊導(dǎo)葉臂克服導(dǎo)葉水力矩，試驗(yàn)水頭升高時(shí)，導(dǎo)葉水力矩明顯增加，當(dāng)導(dǎo)葉臂所提供的夾緊力不足以克服導(dǎo)葉水力矩時(shí)，螺栓夾緊失效，活動(dòng)導(dǎo)葉產(chǎn)生角位移。導(dǎo)葉臂與活動(dòng)導(dǎo)葉產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致各導(dǎo)葉的開(kāi)口不同步。同時(shí)該結(jié)構(gòu)連接部件較多，增大了控制手柄的操作力。

部分模型裝置采用滑塊或柱銷結(jié)構(gòu)作為活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

導(dǎo)控系統(tǒng)采用導(dǎo)向銷軸結(jié)構(gòu)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為摩擦點(diǎn)少，且多為線接觸，各活動(dòng)導(dǎo)葉臂受力均勻；活動(dòng)導(dǎo)葉與導(dǎo)葉臂連接處采用鎖緊機(jī)構(gòu)固定，連接強(qiáng)度明顯提高，更適用于高水頭的試驗(yàn)條件。同時(shí)為降低摩擦力，采用了軸承系統(tǒng)，將控制環(huán)與蝸殼的摩擦由滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦，試驗(yàn)中，單人一指即可推動(dòng)控制手柄完成導(dǎo)葉開(kāi)口的調(diào)節(jié)，操作靈活。只是需保證活動(dòng)導(dǎo)葉與導(dǎo)葉臂鎖緊機(jī)構(gòu)螺栓在一個(gè)合理的受力范圍內(nèi)。

圖3 連桿轉(zhuǎn)臂式導(dǎo)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 柱銷連接式導(dǎo)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了滿足新時(shí)期高水頭、高精度的試驗(yàn)要求，上述結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)改良、計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)成功應(yīng)用到多個(gè)項(xiàng)目模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并取得了良好的效果。

1.2 新試驗(yàn)要求下模型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

隨著新型加工設(shè)備的出現(xiàn)和加工工藝的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)加工能力有了新的提高[10]，零部件的加工精度得到保證。水輪機(jī)模型裝置從基礎(chǔ)材料到設(shè)計(jì)方法也經(jīng)歷了不斷改造與創(chuàng)新。

1.2.1 蝸殼材料的選用

為解決鋼板拼焊蝸殼成型難度大，焊接易產(chǎn)生變形，流道精度較低的問(wèn)題，分別研制了鑄造不銹鋼蝸殼和鍛鋁蝸殼。

使用鑄造不銹鋼蝸殼的優(yōu)點(diǎn)在于蝸殼流道采用編程數(shù)控加工，流道的精度得以保證，可以提升整個(gè)裝置的剛度，裝置的水力性能得到保證，如果能縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，鑄造不銹鋼也是蝸殼成型材料的優(yōu)先選擇之一。

鍛鋁材料具有良好的機(jī)加性能[6,7]，鍛鋁分瓣蝸殼采用編程數(shù)控加工內(nèi)流道，無(wú)需木型車間二次造型，蝸殼加工周期大大縮短，提高流道精度的同時(shí)縮短了生產(chǎn)周期；并且鍛鋁蝸殼的使用大大降低了蝸殼的變形量，經(jīng)過(guò)三維仿真計(jì)算，同等受力條件下，鍛鋁蝸殼的變形量只有鑄造蝸殼變形量的一半，整個(gè)裝置的剛度得到提升，但鍛鋁材料的防腐性能和機(jī)械性能的合理匹配以及銹蝕后的修復(fù)等問(wèn)題也亟待解決[8,9]。

1.2.2 尾水部套設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)及發(fā)展

為適應(yīng)新時(shí)期高精度、高穩(wěn)定性及易于流態(tài)觀測(cè)的試驗(yàn)要求，尾水部套設(shè)計(jì)方發(fā)也經(jīng)歷了多方面改進(jìn)。

采用新型長(zhǎng)螺桿連接錐管法蘭形成支架的方法，有效解決了焊接錐管支架筋板角度受把合螺栓孔限制的問(wèn)題，并且減小了擋光區(qū)，增大了錐管的可視面積，提高了裝置流態(tài)觀測(cè)的便利性。

肘管方面采用了分類設(shè)計(jì)方法，對(duì)于試驗(yàn)水頭較高的抽蓄項(xiàng)目多采用鑄造工藝，便于流道的數(shù)控加工；而試驗(yàn)水頭較低時(shí)，仍采用鋼板拼焊成型，并通過(guò)計(jì)算增加環(huán)肋。同時(shí)提出了不同厚度鋼板混合使用的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)計(jì)算將成型簡(jiǎn)單、試驗(yàn)過(guò)程中易產(chǎn)生大變形量的部分采用 5mm鋼板；而對(duì)成型困難、試驗(yàn)過(guò)程中變形微小的部分采用 3mm鋼板，既保證了尾水部套的剛度又規(guī)避了困難。

此外，在擴(kuò)散段出口斷面增加環(huán)肋，既提高了擴(kuò)散段的整體剛度，又確保了出口斷面尺寸不會(huì)因試驗(yàn)工況的惡劣產(chǎn)生變化。

上述設(shè)計(jì)方法已在實(shí)際項(xiàng)目中取得了較好的試驗(yàn)效果。

2 模型裝置設(shè)計(jì)的趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外廠商對(duì)水電市場(chǎng)的投入，競(jìng)爭(zhēng)的壓力日漸凸顯。為應(yīng)對(duì)這種壓力，各廠家不斷加大科研基礎(chǔ)設(shè)施的投入。

適用于高水頭、高測(cè)量精度、易于拆裝調(diào)整的模型裝置設(shè)計(jì)方法越來(lái)越受到設(shè)計(jì)人員的青睞。能否在有限的加工和測(cè)試周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種水力方案的驗(yàn)證；如何在高水頭、高壓力試驗(yàn)條件下提高水輪機(jī)模型裝置穩(wěn)定性和測(cè)量精度，成為科研人員研究的重點(diǎn)。此外，試驗(yàn)裝置的外觀也成為各廠家比拼的內(nèi)容之一。模型裝置的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易化、裝置間隙調(diào)整的自動(dòng)化將成為未來(lái)模型裝置設(shè)計(jì)的主要方向。

3 結(jié)論

水輪機(jī)模型裝置是驗(yàn)證水力設(shè)計(jì)的載體，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣關(guān)乎整個(gè)項(xiàng)目的成敗。本文以混流式模型裝置為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)比不同模型裝置得出：在能夠利用新型加工設(shè)備和加工工藝保證加工精度的今天，靜壓軸承與頂蓋把合連接、模型裝置“下拆式”結(jié)構(gòu)形式以及導(dǎo)控系統(tǒng)采用滑塊柱銷和導(dǎo)葉鎖緊結(jié)構(gòu)更有利于在高水頭、高壓力的試驗(yàn)條件下保證模型裝置性能和測(cè)試精度。

此外，鑄造蝸殼和鍛鋁蝸殼以及改進(jìn)的尾水部套設(shè)計(jì)方法，在保證流道精度的基礎(chǔ)上，降低了加工難度，提升了裝置的試驗(yàn)性能和整體剛度，取得了較好的實(shí)用效果。為提高后續(xù)水輪機(jī)模型裝置的研發(fā)水平奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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