徐大榮，馬志龍（.杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 334；.杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 30006）

小型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的開發(fā)

徐大榮1，馬志龍2
（1.杭州大路裝備有限公司，浙江 杭州 311234；2.杭州水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310006）

摘要：為了更加有效地利用有限的水力資源，對于轉(zhuǎn)輪直徑小于1.6m，容量小于0.3MW的低水頭小型軸流式水電站，國內(nèi)外越來越多的客戶需要采用槳葉和導(dǎo)葉能協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。因此，迫切需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)制造成本低的小型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，以便用戶根據(jù)實(shí)際條件優(yōu)選。

關(guān)鍵詞：軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)；雙調(diào)；協(xié)聯(lián)

1　引言

轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，就是導(dǎo)葉和槳葉同時(shí)可調(diào)，并保持一定協(xié)聯(lián)關(guān)系的水輪機(jī)，也可稱雙調(diào)式水輪機(jī)。對于大中型軸流式機(jī)組和燈泡機(jī)組，水輪機(jī)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式電站，才使用定槳式水輪機(jī)。

軸流式和貫流式水輪機(jī)，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，故而水輪機(jī)采用雙調(diào)節(jié)，以適應(yīng)電站的流量變化，使水輪機(jī)始終能夠高效、穩(wěn)定運(yùn)行。目前，在國內(nèi)軸流式電站中，對于轉(zhuǎn)輪直徑小于1.6m的小型軸流式水輪機(jī)，目前幾乎沒有使用雙調(diào)結(jié)構(gòu)。其原因主要有兩個(gè)：一是水輪機(jī)容量不大，收益不高，采用定槳式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)可以節(jié)省投資；二是轉(zhuǎn)輪直徑小，大多數(shù)直徑在1.6m以下，沒有水輪機(jī)廠家設(shè)計(jì)制造過雙調(diào)結(jié)構(gòu)，無雙調(diào)結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)可用。

為了更加有效地利用有限的水力資源，對于轉(zhuǎn)輪直徑小于1.6m，容量小于0.3MW的低水頭小型軸流式水電站，國內(nèi)外越來越多的客戶需要采用槳葉和導(dǎo)葉能協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。因此，迫切需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)制造成本低的小型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，以便用戶根據(jù)實(shí)際條件優(yōu)選。

2　水輪機(jī)槳葉和導(dǎo)葉雙調(diào)結(jié)構(gòu)的說明

圖1

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(jī)構(gòu)和槳葉接力器，并通過操作油管和置于機(jī)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。現(xiàn)在普遍使用的槳葉協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)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(jī)構(gòu)在下游（見圖1）；另一種是將槳葉接力器設(shè)置在下游（即轉(zhuǎn)輪泄水錐內(nèi)），操作機(jī)構(gòu)在上游（見圖2）。設(shè)置在上游的接力器一般缸體固定不動，通過活塞桿的移動來調(diào)節(jié)槳葉的角度；設(shè)置在下游的接力器一般活塞桿不動，操作架和接力器缸體設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，通過缸體的移動來調(diào)節(jié)槳葉的角度。軸流式水輪機(jī)一般采用圖1的結(jié)構(gòu)，貫流式水輪機(jī)一般采用圖2的結(jié)構(gòu)。目前，這兩種結(jié)構(gòu)廣泛使用在國內(nèi)外大、中型軸流式和貫流式水輪機(jī)中。

圖2

因水輪機(jī)的槳葉協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要綜合考慮受油器和操作油管的設(shè)計(jì)，各個(gè)廠家的結(jié)構(gòu)不完全相同，但大同小異。

3　小型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)導(dǎo)葉和槳葉的雙調(diào)結(jié)構(gòu)

對于軸流式和貫流式水輪機(jī)，導(dǎo)葉和槳葉保持協(xié)聯(lián)的雙調(diào)結(jié)構(gòu)，是水輪機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是整個(gè)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分。小型軸流式水輪機(jī)因轉(zhuǎn)輪尺寸小，布置空間有限，水輪機(jī)槳葉協(xié)聯(lián)的雙調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其困難。為解決槳葉接力器和槳葉操作機(jī)構(gòu)都布置于轉(zhuǎn)輪體內(nèi)困難的問題，必須將轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)簡化。為此，可將槳葉接力器移出轉(zhuǎn)輪體外，并通過提高槳葉接力器油壓以縮小接力器尺寸。根據(jù)這一思路，可以做兩種設(shè)計(jì)方案：一種是常規(guī)油壓（6.3MPa）方案，另一種是高油壓（12～16MPa）方案?，F(xiàn)以一個(gè)設(shè)計(jì)水頭為15m，轉(zhuǎn)輪直徑為1.35m的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明，其相配的電機(jī)額定功率為1500kW。

3.1常規(guī)油壓方案(油壓為6.3MPa)

根據(jù)計(jì)算，6.3MPa的操作油壓，槳葉接力器的直徑需要240mm。1.35m直徑水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪，其輪轂外徑只有535mm，要將槳葉接力器設(shè)置在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)是不可能的。所以需要將接力器移出轉(zhuǎn)輪體外，立式布置的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)有3個(gè)位置可以設(shè)置接力器：

一是位于水輪機(jī)軸內(nèi)，與轉(zhuǎn)輪連接的法蘭位置。需要加大設(shè)計(jì)水輪機(jī)法蘭，同時(shí)加大轉(zhuǎn)輪體上部尺寸，以便與水輪機(jī)大軸法蘭連接（見圖3）。

圖3

二是位于電機(jī)和水機(jī)軸法蘭連接位置，水輪機(jī)軸內(nèi)部（見圖4）。向下通過一直桿與水輪機(jī)操作機(jī)構(gòu)連接，向上通過操作油管與裝于電機(jī)頭部的受油器連接。

圖4

三是位于電機(jī)頭部，受油器下面位置。將槳葉接力器和受油器聯(lián)合設(shè)計(jì)成一個(gè)整體。向下通過一直桿與水輪機(jī)操作機(jī)構(gòu)連接（見下頁圖5）。

因軸流式機(jī)組一般是立式布置，電機(jī)在上，水機(jī)在下，整個(gè)軸系比較長。對于一個(gè)轉(zhuǎn)輪直徑是1.35m的水輪機(jī)，配1.5MW水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)組，水機(jī)軸和電機(jī)軸連起來的總長最少也有5m左右。如果將接力器外置于電機(jī)上面，連接接力器和槳葉操作機(jī)構(gòu)的直桿的長度將近5m左右。為增加直桿的穩(wěn)定性，需要至少設(shè)置3個(gè)支撐點(diǎn)，支點(diǎn)的距離將近3m，同心度難于保證，運(yùn)行時(shí)直桿容易憋勁。若將槳葉接力器設(shè)置于水輪機(jī)大軸法蘭內(nèi)，雖然直桿的長度最短，穩(wěn)定性最好，但因需要增大大軸法蘭尺寸，不能滿足轉(zhuǎn)輪上部流道尺寸。如果將接力器設(shè)置于水機(jī)軸和電機(jī)軸法蘭連接部位，可將直桿的長度縮短至3m以下，設(shè)計(jì)一個(gè)支點(diǎn)，兩端受壓，既可以增加穩(wěn)定性，又降低了直桿的同心度要求。

圖6是1.35m軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、槳葉接力器和受油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。接力器采用常規(guī)油壓（6.3MPa），直徑為240mm，位置設(shè)置在電機(jī)軸與水機(jī)軸法蘭連接部位。接力器向下通過長度為2.7 m，直徑為120mm的推拉桿與轉(zhuǎn)輪內(nèi)的槳葉操作機(jī)構(gòu)相連，向上通過一個(gè)長為3.5m的壓力油管與電機(jī)頭部的受油器相連。電機(jī)主軸內(nèi)是高壓油，水機(jī)主軸和轉(zhuǎn)輪體內(nèi)是空氣，槳葉操作機(jī)構(gòu)的所有相對滑動部位均采用自潤滑軸承。因轉(zhuǎn)輪體內(nèi)不需要油，故可取消操作油管和受油器內(nèi)部的回油腔，使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡化。且葉片采用單支點(diǎn)，使轉(zhuǎn)輪體內(nèi)更容易布置槳葉操作機(jī)構(gòu)。

圖5

圖6

圖7

3.2高油壓方案（油壓為12MPa以上）

將槳葉接力器油壓提高到12MPa，根據(jù)計(jì)算，接力器直徑只需160mm。接力器尺寸縮小很多，可布置在水輪機(jī)軸內(nèi)，與轉(zhuǎn)輪連接的法蘭位置處。高油壓接力器通過活塞桿與槳葉操作機(jī)構(gòu)連接，向上通過5m長的操作油管與受油器連接。電機(jī)軸和水機(jī)軸內(nèi)均為高壓油，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)為空氣，槳葉操作機(jī)構(gòu)的所有相對滑動部位均采用自潤滑軸承。

圖7是1.35m軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、槳葉接力器和受油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。槳葉接力器設(shè)置在水機(jī)軸法蘭內(nèi)部，通過較短的活塞桿與操作機(jī)構(gòu)連接。與接力器置于電機(jī)和水機(jī)軸連接位置相比，操作穩(wěn)定性能增加，但油壓相對較高，受油器油封的設(shè)計(jì)需要加強(qiáng)。

上述兩種小型水輪機(jī)轉(zhuǎn)槳方案，均在實(shí)際設(shè)計(jì)中得到運(yùn)用，是可行的。隨著液壓密封技術(shù)的不斷發(fā)展，高油壓技術(shù)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在專業(yè)液壓接力器制造行業(yè)，16MPa是屬于中油壓，30MPa才是高油壓。有的調(diào)速器廠家現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出用于轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的高油壓調(diào)速器，所以筆者更傾向于采用高油壓方案。

4　小型軸流式水輪雙調(diào)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

小型軸流式水輪機(jī)雙調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于受油器和將槳葉接力器外置于水機(jī)軸法蘭內(nèi)的設(shè)計(jì)。因接力器外置，可采用新式液壓接力器結(jié)構(gòu)。使用先進(jìn)的油壓密封，使接力器不漏油或者漏油極少。因而可以因一步取消轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的回油設(shè)置，從常規(guī)的3腔油路改成2腔油路設(shè)計(jì)，使受油器和操作油管結(jié)構(gòu)簡化，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用先進(jìn)的受油器設(shè)計(jì)思路

整個(gè)受油器是不固定的，隨著大軸的擺動而擺動，也叫搖擺式受油器。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，操作油管不受徑向力，不容易憋勁，受油器瓦磨損較少，可以保證各壓力腔不相互竄油。

（2）結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)方便

因?qū)~接力器外置于水機(jī)法蘭內(nèi)，取消了回油腔，使整個(gè)雙調(diào)結(jié)構(gòu)非常簡單。只需將電機(jī)軸吊起一定的高度，就很方便的更換接力器的密封件，無需大修。

（3）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，減少對下游水資源的污染。

5　結(jié)輪

小型雙調(diào)軸流式水輪機(jī)的開發(fā)，使轉(zhuǎn)輪直徑大于1.0m的水輪機(jī)都可以采用雙調(diào)結(jié)構(gòu)。用戶和設(shè)計(jì)院可以根據(jù)電站的實(shí)際水頭、流量變化情況，做經(jīng)濟(jì)比較方案，擇優(yōu)選擇不同的結(jié)構(gòu)。小型雙調(diào)軸流式水輪機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便以及運(yùn)行可靠、成本低、經(jīng)濟(jì)適用的優(yōu)點(diǎn)，一定會被廣大用戶和設(shè)計(jì)院接受，并會在不久的將來得到推廣。

中圖分類號：TK733

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0015-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.004

收稿日期：2014-11-12

作者簡介：徐大榮（1975-），男，高級工程師，從事水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)和水輪機(jī)選型開發(fā)設(shè)計(jì)工作。