徐大榮，程少群

(1．杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 311234；2．杭州誠德發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311200)

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小型雙調(diào)式軸伸貫流水輪機的開發(fā)

徐大榮1，程少群2

(1．杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 311234；2．杭州誠德發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311200)

為了更加有效地利用有限的水力資源，對于低水頭小型軸伸貫流式水電站，國內(nèi)外越來越多的客戶要求水輪機采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)；因此，迫切需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)制造成本低的小型雙調(diào)式軸伸貫流式水輪機，以便用戶根據(jù)實際條件優(yōu)選。圖4幅。

軸伸貫流式水輪機；雙調(diào)結(jié)構(gòu)；設(shè)計

1 概 述

軸伸貫流式水輪機是貫流式水輪機的一種，發(fā)電機臥式布置于流道之外，具有廠房開挖量少、安裝維護方便等優(yōu)點，是水頭小于25 m、轉(zhuǎn)輪直徑小于3 m的低水頭電站的首選機型。目前，國外最大的軸伸貫流式水輪機轉(zhuǎn)輪直徑是8.6 m，單機容量最大的是31.5 MW，最大使用水頭是38 m。我國軸伸貫流式水輪機發(fā)電機組起步比較晚，技術(shù)水平低，國內(nèi)已經(jīng)運行的軸伸貫流式水輪機多采用定槳式轉(zhuǎn)輪，槳葉不能調(diào)節(jié)。有的轉(zhuǎn)輪槳葉是半調(diào)節(jié)，在機組停機時打開轉(zhuǎn)輪室，可將葉片的角度進行調(diào)整；有的電站水輪機采用手動調(diào)槳裝置，在機組停機的時候，通過蝸輪蝸桿手動調(diào)節(jié)槳葉的角度。雙調(diào)式水輪機就是導(dǎo)葉和槳葉同時可調(diào)，并保持一定的協(xié)聯(lián)關(guān)系。對于大中型軸流式機組和燈泡機組，水輪機幾乎都采用了雙調(diào)結(jié)構(gòu)，只有在極少數(shù)水頭和流量變化很小，或者基本不變的大中型軸流式和燈泡機式電站，才使用定槳式水輪機。

軸流式和貫流式水輪機一般在低水頭徑流式水電站中使用。徑流式電站流量一般不能調(diào)節(jié)或者調(diào)節(jié)能力有限，故采用雙調(diào)節(jié)可以適應(yīng)電站的流量變化，使水輪機始終能夠高效、穩(wěn)定運行。目前，在國內(nèi)軸伸貫流式電站中，只有轉(zhuǎn)輪直徑比較大的水輪機采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)。對于轉(zhuǎn)輪直徑小于2 m的軸伸貫流式水輪機，目前沒有使用雙調(diào)結(jié)構(gòu)，其原因一是水輪機容量不大，收益不高，采用定槳式水輪機可以節(jié)省投資；二是轉(zhuǎn)輪直徑小，大多數(shù)直徑在2 m以下，沒有水輪機廠家設(shè)計制造過雙調(diào)結(jié)構(gòu)，無雙調(diào)結(jié)構(gòu)的水輪機可用。

為了更加有效地利用有限的水力資源，對于低水頭小型軸伸貫流式水電站，國內(nèi)外越來越多的客戶要求水輪機采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)；因此，迫切需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)制造成本低的小型雙調(diào)式軸伸貫流式水輪機，以便用戶根據(jù)實際條件優(yōu)選。

2 水輪機雙調(diào)結(jié)構(gòu)的說明

對于槳葉能和導(dǎo)葉一起調(diào)節(jié)，并能保持一定的協(xié)聯(lián)關(guān)系的常規(guī)雙調(diào)結(jié)構(gòu)，一般是在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)設(shè)置槳葉操作機構(gòu)和槳葉接力器，并通過操作油管和置于機組外部的受油器連接。調(diào)速器再與受油器連接，通過油路的切換來調(diào)節(jié)槳葉的角度，并把槳葉角度的變化通過一定方式轉(zhuǎn)換成直線位移，以便使導(dǎo)葉和槳葉能保持一定協(xié)聯(lián)關(guān)系。雙調(diào)結(jié)構(gòu)一般有兩種：一種是將槳葉接力器設(shè)置在上游，操作機構(gòu)在下游(見圖1)；另一種是將槳葉接力器設(shè)置在下游，操作機構(gòu)在上游(見圖2)。軸流式水輪機一般采用圖1的雙調(diào)結(jié)構(gòu)，貫流一般采用圖2的結(jié)構(gòu)。國內(nèi)幾個已經(jīng)運行的采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)的軸伸貫流水輪機，其結(jié)構(gòu)類似圖2，轉(zhuǎn)輪直徑都在2.75 m以上。軸伸貫流有前軸伸和后軸伸兩種形式，后軸伸水輪機效率高，使用廣泛，本文所論述的主要是后軸伸式水輪機的雙調(diào)結(jié)構(gòu)。

圖1 雙調(diào)結(jié)構(gòu)示意一

圖2 雙調(diào)結(jié)構(gòu)示意二

3 小型軸伸貫流式水輪機的雙調(diào)結(jié)構(gòu)

對于軸流式和貫流式水輪機，導(dǎo)葉和槳葉保持協(xié)聯(lián)的雙調(diào)結(jié)構(gòu)，是水輪機設(shè)計的重點和難點，也是整個水輪機結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分。小型軸伸貫流式水輪機因轉(zhuǎn)輪尺寸小，布置空間有限，水輪機雙調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其困難。為解決槳葉接力器和槳葉操作機構(gòu)都布置于轉(zhuǎn)輪內(nèi)存在困難的問題，必須將轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)簡化。為此，將槳葉接力器外置，與受油器設(shè)計成為整體，通過直桿連接槳葉操作結(jié)構(gòu)操作槳葉；這樣就取消了復(fù)雜的操作油管，并使轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)得到簡化。設(shè)計成整體的外置受油器和接力器叫油分配操作器。油分配操作器將受油器和接力器的功能合二為一，設(shè)置在上游燈泡體內(nèi)，即水輪機軸頭位置(見圖3)。

圖3 小型軸伸貫流式水輪機的雙調(diào)結(jié)構(gòu)示意

圖3是1個轉(zhuǎn)輪直徑為1.4 m的軸伸貫流雙調(diào)式水輪機結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪接力器外置，操作桿代替了操作油管，主軸和轉(zhuǎn)輪體內(nèi)無油。與手動調(diào)槳式機組布置方案類似，只是將蝸輪蝸桿裝置改成了油分配操作器。油分配操作器既可以將來至調(diào)速器的壓力油分配給接力器，又能推動操作桿移動，達到控制槳葉角度的目的(見圖4)。

圖4 油分配操作器結(jié)構(gòu)示意

如圖4所示，整個裝置除了支架、位移信號器和油分配器外殼是不轉(zhuǎn)動的以外，其余都是和主軸一起旋轉(zhuǎn)的。油分配器外殼的壓力油開關(guān)腔分別和調(diào)速器的開關(guān)油路聯(lián)接，外殼雖然不與主軸一起旋轉(zhuǎn)，但和接力器活塞桿一起做直線運動，并通過位移信號器將槳葉角度的變化傳給調(diào)速器。油分配器外殼的壓力油開關(guān)腔相當(dāng)于常規(guī)液壓接力器的開關(guān)腔，運行原理是一樣的，當(dāng)其中一腔接通壓力油的時候，另一腔無壓，并起到排油的作用。

4 優(yōu) 點

小型軸伸貫流式水輪機雙調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點在于油分配操作器的設(shè)計。這種新穎的設(shè)計思路，將常規(guī)雙調(diào)結(jié)構(gòu)的受油器、操作油管和槳葉接力器的功能集于一身，具有顯著的優(yōu)點。

(1)結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護方便。因?qū)~接力器外置，取消了操作油管，使整個雙調(diào)結(jié)構(gòu)非常簡單。油分配操作器設(shè)置于水輪機的上游側(cè)燈泡體內(nèi)，可以很方便地更換接力器密封件，無需拆卸轉(zhuǎn)輪，使安裝維護變得非常方便。

(2)更加環(huán)保。因轉(zhuǎn)輪體內(nèi)無油，而且槳葉接力器移出轉(zhuǎn)輪體，降低了轉(zhuǎn)輪漏油的可能性，減少了對下游水資源的污染。

(3)油分配操作器可以系列化設(shè)計，通用性強，無需單獨設(shè)計，生產(chǎn)制造成本低。與手動調(diào)槳結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低；與純定槳相比，制造成本增加得不多，但可以顯著提高水輪機加權(quán)平均效率，增加電站的發(fā)電量。

5 結(jié) 論

小型雙調(diào)軸伸貫流式水輪機的開發(fā)，填補了國內(nèi)的空白，使轉(zhuǎn)輪直徑大于1 m的水輪機都可以采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)。用戶和設(shè)計院可以根據(jù)電站的實際水頭、流量變化情況，做經(jīng)濟比較方案，擇優(yōu)選擇不同的結(jié)構(gòu)。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2014-11-20

徐大榮(1975-)，男，高級工程師，主要從事水輪機的結(jié)構(gòu)研究設(shè)計和水輪機選型開發(fā)設(shè)計工作。E_mail：xuqingcuan@163.com