水轮机结构设计浅析

水轮机结构设计浅析【摘要】水轮机作为把水流能量转换为旋转机械能的动力机械系统，属于流体机械中的透平机械,在我国的很多领域都扮演着重要的角色。我国在100多年前便出现了水轮，它是水轮机的雏形，被广泛的应用在农田灌溉和机械驱动等领域。如今，水轮机主要安装在水电站内，其结构较复杂，结构设计要求严格，且出图量大。本文将结合实际情况进行分析，阐述各类型水轮机的结构设计，及其新结构的特点。【关键词】水轮机；结构设计；水轮机结构前言水轮机是水电行业必不可少的设备之一，它能够充分利用清洁能源，实现环境保护，节能减排的社会理念，并且已经逐渐适应我国水电行业的发展模式。如今，在经济的拉动下，我国的科学技术也在不断地更新，在这种背景下，水轮技术水平在不断的完善。水轮机结构复杂，由多个部件组成，其设计工序也较多。在市场上，水轮机的交货期越来越短，质量要求却越来越高。了解水轮机结构，不但能够开阔设计师的思路，也有利于新产品、新技术的研发与应用。1.水轮机的种类按照其工作特点和机身结构，水轮机可分为大型混流式水轮机、大型轴流式水轮机、贯流式水轮机、水泵水轮机。1.1大型混流式水轮机大型混流式水轮机广泛吸收了国内外先进技术，在机身结构和机器性能方面已经达到了世界先进水平。漫湾电站水轮机和李家峡电站水轮机是较为先进的混流式水电机。前者应用顶盖取水技术进行冷却，在转轮和主轴之间采用摩擦键结构，并在主轴中心设置了补气装置。后者的转轮采用分瓣结构，减少了运输的难度。李家峡电站水轮机的座环是平行式的，主轴和转轮比较灵活，可以互换。与此同时，研究人员在导叶限位装置、导轴承、主轴密封等方面也作出了较大的改进，提高了水轮机的工作效率。1.2大型轴流式水轮机大型轴流式水轮机在混流式基础上进行了技术的改革，结构设计也逐渐成熟。迪什林水轮机、高坝洲水轮机是我国较常用的轴流式水轮机。迪什林水轮机单机容量较大，水轮机和发电机采用一根轴的设计模式，并通过接力器对对角进行布置，再通过轴承斜楔进行调节，这样的设计结构使水轮机的总体布局合理，也在一定程度上提高了水轮机的经济指标。高坝洲水轮机采用铸焊结构的座环，座环的上下环板有地脚螺栓，能够较大程度地承受来自各个方向的水压力，而叶片边缘的裙边结构提高了转轮的抗蚀能力，这些结构都保证了水轮机高效运转，也保持了良好的水力性能。1.3贯流式水轮机我国的低水头水力资源较为丰富，在这种背景下，贯流式水轮机在我国有较好的发展空间，石溪口电站水轮机、流滩坝和黄泥滩水轮机是我国较为典型的贯流式水轮机。石溪口电站水轮机由8个固定导叶支撑着座环，座环的两个支脚和混凝土的支撑基础相连，采用无操作架的转轮缸动结构，将转轮接力器设置在排水锥内。流滩坝和黄泥滩水轮机的设计较为精准，其中的试验机组、机组参数、结构型式等基本数值都参照了国际大型的贯流机标准。此外，二者在机身尺寸和设计结构都较为相似，都有较好的运行效果。1.4水泵水轮机水泵水轮机是20世纪30年代出现的新型抽水蓄能机组，与水轮机和水泵串联的蓄能机组相比，其重量大为减轻，造价降低，因而得到广泛应用。响洪甸水泵水轮机充分考虑到水轮机在工作时过渡过程复杂、机组振动大的特点，并结合水泵水轮机运行的特殊性，对座环、蜗壳、主轴、活动导叶等器件进行刚强度分析，保证了水轮机在运行时的安全性。与此同时，为了降低水泵水轮机主轴密封性的影响，水泵水轮机采用断面水压碳精密封装置，这种结构设计不但能够减少自身的对偶面磨损程度，也曾强了自身的润滑性，使得转轮与主轴进行销套连接。与此同时，为了确保导叶的密封性能，水轮机的顶盖和座环上设有金属端面，进行相应的密封。2.水轮机的新结构2.1座环、蜗壳等新结构在吸收国外先进技术的基础上，我国逐渐完善了水轮机技术。与传统的蝶形边座环蜗壳相比，新型的座环、蜗壳结构简单，制作方便，机身包括蜗壳尾部在内的所有钢板都可以实现计算机下料。除此之外，新型结构能够使机身各点受力均匀，对固定导叶不起弯矩作用，并和传统结构具有相同的水力性能。2.2分瓣转轮新结构分瓣转轮新结构是我国较常用的水轮机结构，它已经处于世界较为领先的水平。分瓣转轮新结构采用埋入式螺栓，将合分瓣上冠，降低了转轮的高度，解决了在运输过程中因尺度不合适而引起的一系列问题。它将叶片和下环分瓣进行不焊透焊缝，并取缔了转轮引水盖板，既防止了因水盖板开裂对机身各器件的影响，也减少了焊接量，避免了工件的变形。除此之外，整体焊接技术减少了叶片分瓣面上的错牙现象，保证了叶片型线的准确，降低了焊接残余应力。2.3转轮与主轴连接上文中提到，大型混流式水轮机主轴和转轮比较灵活，能够进行互换。新型的转轮与主轴在连接等方面进行了较大的改进。一方面，新型的水轮机采用了摩擦键结构，使主轴和转轮之间靠摩擦力传递扭矩。另一方面，主轴和转轮使用同一套镬模，进行分别加工。这样，增加了水轮机各器件的精度，提高了性能。2.4导叶限位装置经过大量的研究、调查表明，在导叶失步的条件下，导叶上的水利矩远大于同步时的水力矩。在这种情况下，水轮机的导叶限位装置要加强，以防因为导叶之间相互碰撞或是转轮叶片相互碰击而发生事故。在设置可靠地导叶全开与全关限位块后，还设置了导叶摩擦装置，借助连接的夹紧力，在摩擦套和导叶臂上产生摩擦力矩，有效地预防了在剪断了销剪断之后，导叶在水中摆动。2.5导轴承结构我国水轮机所应用的导轴承结构都是非同心分块瓦油轴承，这种结构具有很好的稳定性。水轮机的轴瓦借助斜楔进行调节，且其承载能力较好，不需要刮瓦。研究人员将轴承体合在顶盖环板上，并采用数量足够的销子传递轴承上的径向力，提高了轴承的刚度。水轮机还采用了双层油盖箱，防止油雾的泄露。2.6主轴中心孔补气装置主轴中心孔补气装置对水轮机的正常运行有重要作用。一方面，它改善了尾水管的压力脉动，能够增大受压能力。另一方面，因为补气阀在机身的顶端，可以利用补气罩将补气管道从电站引到场外，在周边较大范围内进行补气。水资源短缺是当今国际社会的的一大难题，合理对水力资源进行开发利用对防洪、灌溉、发电、水产等方面都有较大意义。水轮机是一种将水能转换为机械能的动力机械系统，一般情况下，这种装置也能够通过发电机转换为电能，因此，它能够应够利用水能提供相应的发电服务。本文讨论了水轮机的类型及各类型的结构设计，水轮机各结构的特点，为今后的研究提供依据。参考文献[1]尹新善,张显锋,李然,尹生强.水轮机导水机构设计的优化技术[J].中国水能及电气化,2009(08)[2]田锋社.提高水轮机稳定性的几点措施[J].中国农村水利水电,2005(07)[3]邓炯汉.混流式水轮机结构设计中的参数化技术及应用[J].装备制造技术,2006(03)