小型軸流轉槳式水輪機的開發

第 3 8 卷 第 3 期 2 0 1 5年 O 3月 水電站機電 技術 v 0 1 ．3 8 N 。 ． 3 Me c h a n i c a l ＆ E l e c t r i c al T e c h n i q u e o f Hy d r o p o w e r S t a t i o n Ma r ． 2 0 1 5 1 5 小型軸流轉槳式水輪機的開發 徐大榮 ， 馬志龍 ( 1 ． 杭州大路裝備有限公司， 浙江 杭州 3 1 1 2 3 4 ； 2 ． 杭州水利水電勘測設計院有限公司， 浙江 杭州 3 1 o 0 o 6 ) 摘要： 為了更加有效地利用有限的水力資源， 對于轉輪直徑小于 1 ． 6 m ， 容量小于 O ． 3 M W 的低水頭小型軸流式水 電站， 國內外越來越多的客戶需要采用槳葉和導葉能協聯調節的轉槳式水輪機。 因此， 迫切需要開發一種結構簡單， 生產制造成本低的小型軸流轉槳式水輪機， 以便用戶根據實際條件優選。 關鍵詞： 軸流轉槳式水輪機；雙調；協聯 中圖分類號： T K 7 3 3 文獻標識碼： B 文章編號： 1 6 7 2 — 5 3 8 7 ( 2 0 1 5 ) 0 3 — 0 0 1 5 — 0 4 D O I ： 1 0 ． 1 3 5 9 9 ／ j ． c n k i ． 1 1 - 5 1 3 0 ． 2 0 1 5 ．0 3 ．O O 4 1 引言 轉槳式水輪機， 就是導葉和槳葉同時可調， 并保 持一定協聯關系的水輪機， 也可稱雙調式水輪機。 對 于大中型軸流式機組和燈泡機組，水輪機幾乎都采 用 了雙調結構 。 只有在極少數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。 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節或者 調節能力有 限， 故而水輪機采用雙調節 ， 以適應電站 的流量變化， 使水輪機始終能夠高效、 穩定運行。目 前， 在國內軸流式電站中， 對于轉輪直徑小于 1 ．6 m 的小型軸流式水輪機， 目 前幾乎沒有使用雙調結構。 其原因主要有兩個：一是水輪機容量不大，收益不 高， 采用定槳式水輪機結構可以節省投資； 二是轉輪 直徑小， 大多數直徑在 1 ．6 m以下， 沒有水輪機廠家 設計制造過雙調結構， 無雙調結構的水輪機可用。 為了更加有效地利用有限的水力資源，對于轉 輪直徑小于 1 ． 6 m， 容量小于 0 - 3 MW 的低水頭小型 軸流式水電站，國內外越來越多的客戶需要采用槳 葉和導葉能協聯調節的轉槳式水輪機。 因此， 迫切需 要開發一種結構簡單，生產制造成本低的小型軸流 轉槳式水輪機， 以便用戶根據實際條件優選。 2 水輪機槳葉和導葉雙調結構的說明 對于槳葉能和導葉一起調節，并能保持一定的 協聯關系的常規雙調結構，一般是在轉輪體內設置 槳葉操作機構和槳葉接力器 ，并通過操作油管和置 于機組外部的受油器連接。 調速器再與受油器連接， 通過油路的切換來調節槳葉的角度，并把槳葉角度 的變化通過一定方式轉換成直線位移，以便使導葉 和槳葉能保持一定協聯關系。現在普遍使用的槳葉 協聯調節結構一般有兩種，一種是將槳葉接力器設 置在上游， 操作機構在下游( 見圖 1 ) ； 另一種是將槳 葉接力器設置在下游( 即轉輪泄水錐內) ， 操作機構 在上游( 見圖 2 ) 。設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節槳葉的角度 ； 設置 在下游的接力器一般活塞桿不動，操作架和接力器 缸體設計為一體式結構，通過缸體的移動來調節槳 葉的角度。 軸流式水輪機一般采用圖 1 的結構， 貫流 H 囂 繁 Ⅲ 機 構 圖 1 收稿 日期 ： 2 0 1 4 —1 卜 1 2 作者簡介： 徐大榮( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 高級工程師， 從事水輪機的結構研 究設計和水輪機選型開發設計工作。 1 6 水電站 機電 技術 第 3 8卷 式水輪機一般采用 圖 2的結構。 目前 ， 這兩種結構廣 泛使用在國內外大、 中型軸流式和貫流式水輪機中。 捧 刊刖 帕 制 ， J 銎 圖 2 因水輪機的槳葉協聯調節機構的設計比較復 雜， 需要綜合考慮受油器和操作油管的設計 ， 各個廠 家的結構不完全相同， 但大同小異 。 3小型軸流轉槳式水輪機導葉和槳葉的雙調 結構 對于軸流式和貫流式水輪機 ，導葉和槳葉保持 協聯的雙調結構 ， 是水輪機設計的重點和難點 ， 也是 整個水輪機結構中最復雜的部分。小型軸流式水輪 機因轉輪尺寸小 ， 布置空間有限 ， 水輪機槳 葉協聯的 雙調結構設計尤其困難 。為解決槳葉接力器和槳葉 操作機構都布置于轉輪體內困難的問題，必須將轉 輪體內部的結構簡化 。 為此 ， 可將槳葉接力器移出轉 輪體外 ， 并通過提高槳葉接力器油壓以縮小接力器 尺寸。根據這一思路 ， 可以做兩種設計方案 ： 一種是 常規油壓( 6 ．3 M P a ) 方案， 另一種是高油壓( 1 2 ～ 1 6 M P a ) 方案。現以一個設計水頭為 1 5 m， 轉輪直徑為 1 ． 3 5 m 的軸流轉槳式水輪機設計為例進行說 明，其相配的 電機額定功率為 1 5 0 0 k W。 3 。 1常規油壓方案( 油壓為 6 ． 3 MP a ) 根據計算 ， 6 ． 3 MP a的操作油壓 ，槳葉接力器的 直徑需要 2 4 0 m m。1 ． 3 5 m直徑水輪機 的轉輪 ， 其輪 轂外徑只有 5 3 5 m m， 要將槳葉接力器設置在轉輪體 內是不可能的。 所以需要將接力器移出轉輪體外 ， 立 式布置的軸流轉槳式水輪機有 3 個位置可以設置接 力器 ： 一 是位于水輪機軸 內， 與轉輪連接的法蘭位置。 需要加大設計水輪機法蘭，同時加大轉輪體上部尺 圖 3 寸 ， 以便與水輪機大軸法蘭連接( 見圖 3 ) 。 二是位于電機和水機軸法蘭連接位置， 水輪機 軸內部( 見圖 4 ) 。向下通過一直桿與水輪機操作機 構連接 ，向上通過操作油管與裝于電機頭部的受油 器連接。 直 壽 f ／連 接 榮 葉 攆 作 機 構 圖 4 三是位于電機頭部， 受油器下面位置。 將槳葉接 力器和受油器聯合設計成一個整體。向下通過一直 桿與水輪機操作機構連接( 見下頁圖 5 ) 。 因軸流式機組一般是立式布置， 電機在上， 水機 在下， 整個軸系比較長。 對于一個轉輪直徑是 1 ．3 5 m 的水輪機， 配 1 ．5 M W水輪發電機的機組， 水機軸和 電機軸連起來的總長最少也有 5 m左右。如果將接 力器外置于電機上面 ，連接接力器和槳葉操作機構 的直桿的長度將近 5 m左右。 為增加直桿的穩定性 ， 需要至少設置 3 個支撐點， 支點的距離將近 3 m， 同 心度難于保證 ， 運行時直桿容易憋勁。 若將槳葉接力 器設置于水輪機大軸法蘭內， 雖然直桿的長度最短， 穩定性最好， 但因需要增大大軸法蘭尺寸， 不能滿足 轉輪上部流道尺寸。如果將接力器設置于水機軸和 電機軸法蘭連接部位 ，可將直桿 的長度縮短至 3 m 以下 ，