水轮发电机组设计
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摘要：国内目前转轮直径最大的带增速器的轴伸贯流式水轮发电机组已投入发电。介绍这方面的代表——东风电机公司开发大型轴伸贯流式水轮发电机组的设计思路、结构特点等。
关键词：轴伸贯流水轮发电机组结构设计
1概述
大型轴伸贯流式水轮发电机组是东风电机公司开发的一种结构简单、性能优良、安装维护方便的机型，它适用于低水头、大流量电站的装机，一般使用水头在2.5～18m，直径等级在d1≤3m以及单机额定出力n=5mw以下的机组。该机型发电机移出灯泡体，露在水轮机外，还可采用各种形式的增速装置。由于可采用常规发电机，中小型机组经济性显著。在中小型水力资源的开发中，轴伸贯流比灯泡贯流投资少、经济性好，在安装、使用、维修、保养上比灯泡贯流方便，在性能方面也和灯泡贯流机接近。下表列出了东风电机公司已投入运行的部分该类机型及典型电站。
2总体布置
轴伸贯流水轮机组，水流从进水管引入，经导水机构、转轮、尾水管排至尾水渠道。转轮室后的肘管成s型，水轮机主轴从肘管中水平穿过后通过增速器与常规发电机联结。水轮发电机组设2导1推共3个轴承，其中水轮机侧设有2个轴承。水轮机径向轴承布置于固定支座内，径向推力轴承布置于肘管密封座与增速器间的厂房地板上；发电机的径向轴承布置于转子的下游侧。发电机和水轮机轴承共用一个供油系统，集中供油。为保证机组的运行稳定，发电机机坑底部距流道有足够的距离。
轴伸贯流水轮机是水平轴向布置的，没有蜗壳，流道也是轴向的，水流平行于水轮机轴流向转轮，可以把导水机构布置在靠近转轮叶片的位置上，从而充分控制转轮入口处的水流条件，使转轮具有更佳的抗气蚀性能。导水机构采用锥形布置，16只导叶成圆锥状布置在内外配水环之间，其锥角为65°。考虑机组运行的稳定性，进水管的座环与尾水管大部分埋入混凝土中。水轮机进水管顶部开有方形孔，以供装卸灯泡体内工件时使用。对于流道内的水轮机部分设有4根固定支柱，其中上支柱是油、气、水管路的入口，下支柱是排水管、排油管的出口，并且水轮机流道内的零部件重量以及动载荷通过固定支柱传递到基础上。调速器与油压装置分开布置，设置于水轮机上游侧，通过操作油管、反馈钢丝绳与水轮机的导水机构相连。轴承高位油箱布置在距机组中心线8～10m的副厂房内，回油箱及增速器的液压站布置于水轮机机坑内。总体布置见图。
3水轮机主要结构特点
3.1转轮及主轴
轴伸贯流水轮机转轮参数选择与灯泡贯流式转轮不同。例如叶栅稠密度1/t值的大小，是影响单位转速、单位流量的重要因素。选择较小的1/t值，转轮就具有大的过流能力和高的单位转速。然而“s”型尾水管限制过大的流量通过，因1/t值过小，水流能量转换不充分引起水力效率下降。因此，轴伸贯流水轮机转轮采用周边较小的1/t值，而靠近轮毂处采用较大的1/t值，叶片平均稠密度也较大，叶片进出水边均为曲线。除此之外，叶片相对的扭角较灯泡转轮稍小，这样选择参数设计出的转轮具有优良的能量和气蚀特性。
对于转桨式轴伸贯流式水轮机，其转轮的转桨机构为带操作架的直连杆机构。桨叶回复机构设在受油器上，通过扇形板和钢丝绳将机械运动输出。转轮叶片的密封采用多层“u”橡胶。为便于转轮安装，转轮泄水锥分为上下两部分。转桨式轴伸贯流式水轮机支撑方式与定桨式相同，均为两支点支撑。由于主轴长、跨距大，为增加主轴刚度，减轻主轴重量，主轴采用空心锻件，或采用厚壁无缝钢管、焊接法兰结构。根据轴伸贯流式水轮机的特点，其支撑位置、主轴直径和内孔尺寸应经多方案优选而定。
轴伸贯流式水轮机结构复杂，发电机转速低，与小机组相比，尺寸大、重量重，故要求水轮机拆装时不移动发电机。为此，在两轴之间设置分半过渡法兰，就能很方便地单独拆装、维护水轮机或发电机。
轴伸贯流式水轮机主轴特长，其主轴、转轮的安装是一个重要问题。绝大部分的轴伸贯流式水轮机主轴从肘管出轴处拉出，这会增加厂房的宽度，同时要移动增速器、推力轴承、发电机等。也有采用转轮室、直锥管、肘管按轴线水平分开的，这样虽然解决了主轴的吊装问题，但又增加了机壳的安装麻烦，提高了机组的制造成本。于是，采取转轮室、直锥管进行分半，伸缩节设在直锥管与肘管之间。水轮机主轴与发电机大轴之间设分半过渡法兰，在拆卸转轮及主轴时，可以不移动其它部件而达到拆卸目的，主轴及转轮可以直接从分半转轮室、分半直锥管处吊装。
3.2导水机构
导叶采用整体铸钢，二支点结构。导叶翼型为空间扭曲型线，上、下轴承均采用自润滑材料轴承。导叶轴头密封处可采用热套不锈钢或镀铬保护的措施，以防锈蚀影响密封圈的性能。为了便于安装，导叶短轴设在导叶内环上，与导叶内环轴孔配合。导叶密封采用“y”型加“o”型密封。导叶轴与导叶臂采用圆柱销分半键传递转矩。导叶上、下端面间隙的调整是通过导叶轴端的螺栓及调整垫环厚度来实现的，在关闭状态下其端面总间隙为0.8～1.8mm，立面局部间隙在1/4导叶高度范围小于0.15mm，这个要求既能保证漏水量小，又能保证机构的运作灵活。16个导叶分别装有剪断销及剪断销信号器，当导叶之间有异物时剪断销剪断并发出信号，以保护其它零件不受损害。由于贯流式机组的导水机构呈锥形布置，连板的运行是空间立体运动，剪断销的受力复杂，有剪切力，还有一定的扭矩，很容易发生剪断。因此，连板及剪断销的设计是一个重点。
导叶立面采用金属密封，头尾部可根据需要在密合面堆焊不锈钢。用金属密封作为立面密封，结构简单方便，加工制作能完全保证密封的严密性，同时贯流机组水头低、渗漏不大，金属密封形式也便于导水机构的安装与调整。
随着新材料的应用，在导叶密封面喷涂防腐、耐磨的复合密封材料也在增多，有着良好的发展前景。
导叶外环外壳斜向均布着16个搭子孔，用以装设导叶的上支点。导叶外环为薄壳焊接件，刚性差，为了增大导水机构的整体刚度，在结构设计上适当地布置环向或纵向筋板是必要的。但为解决整体吊装的变形给安装带来的麻烦，设计专用的整体吊装和翻身定位支撑工具则更为重要。
控制环为滚动摩擦环轴承结构。在控制环的滑动面上设有钢球，钢球之间装有尼龙隔球柱，可减少钢球之间的摩擦，使控制环具有小的摩擦力矩，保证控制环动作灵活。
导水机构设有控制摆式接力器。控制环大耳孔与接力器推拉杆相连，小孔与导叶连板的叉头铰接。另外，控制环上还设有装回复钢丝的圆槽。控制环在接力器的作用下作圆周往复运动时，带动连板，连板再将操作力传递给与之铰接的导叶臂，从而实现对导叶的控制。另外，在空间导水机构传动的运动和力学分析的基础上，控制环采用了单耳孔、单导叶接力器的结构，这种系统结构紧凑，布置清晰，安装调试方便。机组停机时，需对导水机构进行锁锭，该功能由接力器实现。锁锭有两方面的内容，即从原理上对控制油管路进行锁锭和从机构上对接力器推拉杆进行硬锁锭。接力器设计时无自动锁锭，只在导叶全关位置设有人工锁锭，这是一道十分可靠的防护措施。
连板球铰采用了标准关节轴承。为防止灰尘等进入轴承内，轴承装有轴承压盖及密封铜片。轴承压盖装有油杯，通过定期加注润滑油，以保证连板拐臂动作灵活。采用关节轴承，使连扳球铰具有一定的自调心作用，可对导水机构在制造、安装过程中产生的偏差进行一定的补偿。
工地安装时，导水机构应整体吊装。整体吊装前，应将导叶全部置于全关位置，然后用拉筋将相邻两导叶互相搭焊，这样16只导叶形成一个整体的支撑环，具有足够的刚度。
3.3主轴密封
主轴密封共3道，第1道为梳齿密封，第2道为水压活塞式工作密封，第3道为检修密封。
梳齿密封主要起降压和防止大颗粒杂质进入，对第2道密封起保护减量作用。为减小磨损，梳齿密封采用不锈钢材料制成。
工作密封采用水压活塞式密封，密封环采用性能好的中硬橡胶。特点：可储存润滑水，利于接触面润滑；凹槽式储水保证通水孔不会因磨损而堵塞；密封活塞上布置大小合适的进水孔，以使活塞上腔与内腔形成适量的压差；使寿命长，安装、调整、维护方便。设计、加工时为控制漏水量，凹槽及导向孔、进水孔尺寸应严格控制。对于多泥沙水电站，使用活塞式端面橡胶密封应注意密封水压一定要大于漏水压力。为了保证活塞自由运动，在安装时，应使活塞与活塞体之间有0.05mm间隙。
停机检修密封根据机组的大小分别采用填料密封或空气围带密封。采用填料密封时，填料为发辫编织式聚四氟乙烯浸渍碳纤维填料，它由多股碳纤维丝呈人字形编织而成，断面呈方形。其特点是：松软，容易浸渍润滑剂，对轴的振动和偏心有浮动弹性，致密性好，能满足主轴密封对填料的性能要求。同时与之相对应，转轴的粗糙度要高，这样摩擦损失就小，通常密封面的粗糙度应高于3.2μm，轴表面有足够的硬度，并能长时间维持这种粗糙度，采用喷涂或堆焊不锈钢可以满足此要求。采用空气围带，在机组正常时，围带不充压缩空气呈自由状态，与小轴圆柱面有1.5～2.0mm的间隙；停机时，围带充以0.5～0.7mpa的压缩空气，膨胀抱住小轴密封面，起到密封作用。空气围带只在机组停机时使用，因此对轴的要求要低些。
主轴密封是控制漏水量而不是绝对封水，为了确保密封的安全可靠，须对漏出的水作有效处理。因此在检修密封位置之后，设计时在转动部分设置甩水环，尾水罩上设集水管，甩水环将漏出的水封住并通过离心力作用甩入尾水罩内，在重力作用下通过尾水罩上的采水管排出。通过采用以上措施，可以有效防止主轴密封漏水进入水轮机导轴承。
3.4增速器
低水头电站采不采用增速器，直接影响到电机的造价。如广东阳江双捷电站1000kw40极的发电机和1000kw8极的发电机价格之比近3倍，远远超过水轮机价格，如果采用增速器后1000kw8极的发电机的总价也不超过1000kw40极的发电机价的一半，有利于低水头水力资源开发投资的积极性。所以，为了提高发电机的单机容量，缩小体积，降低成本，应当优先采用加增速器方案。在带增速器的机组中，增速比及所传递的功率较大。东风电机公司设计的轴伸贯流水轮机组常采用行星齿轮增速器。该增速器的增速比一般较大，采用独立的供油系统，发电机与增速器采用柱销联轴器联接。以柱销联轴器取代以往的齿轮联轴器，可以有效减小噪音，改善运行环境。
为消除行星齿轮增速器传动时的力矩波动，与之相配的联轴器为柱销联轴器。由于柱销与柱销孔为间隙配合，且柱销富有弹性，它允许两轴在径向有0.15～0.25mm的位移量，在轴向有0.5～3mm的位移量，从而可获得补偿两轴相对位移和缓冲力矩波动的性能。柱销在传递力矩时会发生弹性变形，从而产生附加的轴向推力，且其轴向位移量较大。为防止轴向窜动对径向瓦的影响，支撑附加的轴向推力，发电机的前轴承须采用止推径向轴承结构。
3.5轴承及供油系统
轴承的设计，主要是根据机组载荷、速度的大小及方向来考虑。对轴伸贯水轮发电机而言，由于发电机与水轮机有通过增速器、柱销联轴器联接和刚性直联两种方式，相应地轴承的布置也有所不同。
3.5.1发电机与水轮机通过行星齿轮增速器、柱销联轴器联接
该方式下，水机侧设置2付径向瓦以支撑水机转动部件的重量，1付正、反推力瓦，以支撑正、反水推力；发电机侧设置2付径向瓦以支撑发电机转动部件的重量及单边磁拉力。考虑到柱销联轴器中的尼龙柱销在传递力矩时会产生一定的变形，从而产生附加的轴向力，需在发电机侧前径向轴承中设置止推结构。
3.5.2发电机与水轮机刚性直联
该方式下，水机侧设置1付径向瓦以支撑水机转动部件的重量；发电机侧设置1付正、反推力瓦，以支撑正、反水推力，2付径向瓦以支撑发电机转动部件的重量及单边磁拉力。
3.5.3润滑参数的确定
由于轴伸贯流机组转速较低、轴系较长、负荷较大、轴系变形较大、轴颈周速较低(通常在3～5m/s)，轴承润滑设计的困难在于油楔效应差，油膜自身动压能力低。机组运转时的最小油膜厚度小，启停机时油膜不易形成。按有关资料介绍，轴颈周速小于10m/s，宜考虑采用动静压复合轴承，即在启动和停机过程中，当转速在额定转速的60％以下时，投入静压油，而正常运行时则依靠动压润滑。这样须在供油系统中提供静压供油管路，从而使管路复杂，装置的可靠性较差。为此在润滑计算时注意了轴承结构参数对润滑参数的影响，如适当增大轴颈以增大轴颈周速，同时通过对轴承的一些基本参数如相对间隙ψ、单位比压p、周向偏心e、径向偏心β、长宽比1/b、填充系数k等的最佳匹配，采用合理的支撑结构，在许多机型上取消了静压油减载装置。现在已基本掌握了同类机型最小油膜厚度的计算值与实际值之间的关系。当然，在有些机组的设计中，即使采取了必要的措施后，最小油膜厚度的设计值仍达不到所需的安全倍数，则宜采用动静压复合轴承。
3.5.4结构设计的注意事项
由于机组轴线长达10余米，轴承自重较常规卧式机组重许多，导致安装后轴承挠度较大，运行时轴承位置较静态时有显著变化。因此，轴承支撑位置、载荷、轴承的pv值选择及机组的封油、封水结构等应作为一个整体来重点统筹考虑。
水轮机导轴承采用具有球形支承面的外循环油润滑滑动轴承。轴承由轴瓦和轴承体两部分构成，分半结构。在轴承体外设有前后油盆，轴承体下部的球面，与轴承座的球面相互配合在一起。轴承座安装在导水机构内环的法兰上。由于机组在不同的运行工况下，其主轴的挠度及旋转的偏心值不同，故该轴承在球面的作用下可以进行自调整，从而保证主轴轴颈与轴瓦的间隙，使机组运行安全可靠。考虑到导水机构等在重力作用下的变形、安装后轴承在转动部分作用下要下沉，设计时将其安装位置略微抬高，并可加垫片。同时将水轮机导轴承端盖与转轴的间隙在保证封水的情况下，作适当的放大处理。
轴瓦支座对其各工作面有较高的形位公差要求。考虑到该结构件主要承受挤压力，材料的选用考虑其抗压及吸振的能力。径向轴瓦采用球面支撑方式，以适用于轴系挠度大的要求。在有些机组中，如上坝电站，还首次采用了厚薄瓦结构，以方便加工和检修。
推力瓦块与轴瓦支座间宜做到既能使瓦块摆动灵活，又要能限制其过度摆动，为此应注意推力瓦块与轴瓦支座周向、径向及背部间的配合关系并考虑较重推力瓦块自重对摆动的影响。推力盘工作表面粗糙度不宜小于0.8μm，对其平面度垂直度等形位公差有较高要求。推力盘通常采用与轴通过键联结的结构方式。键用于传递力矩，其大小宜按有关资料计算后选用，推力盘与轴宜采用小过盈的配合关系。
3.5.5供油系统
轴伸贯流机组的润滑冷却系统一般采用外循环结构，即发电机和水轮机轴承共用一个供油系统，集中供油；采用动静压复合轴承的供油系统中还设有一个静压油减载装置，在开停机过程中为轴承提供静压油。
3.5.5.1低压油系统设计
低压油系统由轴承高位油箱、轴承回油箱、轴承供油泵、油冷却器、液压操作阀和流量调节器等组成。润滑油的循环油路为轴承高位油箱→导轴承、推力轴承→回油箱→油泵→油冷却器→轴承高位油箱。轴承供油采用齿轮泵。由油泵输出的润滑油通过滤油器、油冷却器后进入轴承高位油箱。高位油箱中的油经过液压操作阀分别经流量调节器后向各个轴供油。滤油器、油冷却器各设2只，并联方式布置。在设计时油冷却器其容量留有足够的余量，当一只油冷却器短时间退出使用时，机组仍可继续运行。滤油器、油冷却器的进出边都设有闸阀，以便检修时使用。油冷却器的冷却水由技术供水提供。轴承的实际供油可通过流量调节器根据机组允许作调整。水导、发导和推力轴承的回油管设置在靠近回油箱处，设有3只挡板式流量信号器。该形式流量信号器可在润滑油未充满管径的情况下较精准地测出轴承流量，以保证轴承供油量。
3.5.5.2高位轴承润滑油箱设计
高位轴承润滑油箱的容积应有足够的余量，在油泵停止供油后，保证机组能够安全运行。
高位油箱多余部分的润滑油经过溢油管排回回油箱，溢流管的管径设计应等于进油管，以保证溢油顺畅。从回油箱输入的油具有很高的压力，为防止油箱的油面涌浪现象，设计时可把油管一直伸到油箱底或直接从油箱底部进油等方式，确保油系统的稳定性。且油箱上设有油位信号器等自动化元件，以监测油箱的油位。
3.5.5.3回油箱设计
油箱容积的设计应满足高位轴承油箱、轴承油室、管路、正常运行放空后的容积之和。油箱上设有油位信号器、油混水信号器等自动化元件。回油箱上的液位信号器在其液位降至最低点时发出报警信号。
3.6电磁设计
3.6.1机座号的确定
转速低，极数多的电机一般希望有较大的铁芯外径，以便选用较多的定子槽数，这样将使发电机具有高而短的外形。由于卧轴安装，通过机座两侧脚板用螺栓紧固，在机组突然短路时，作用在机座顶部的力的力臂较长，将产生较大的颠覆力矩；同时由于高而短的外形，将使发电机的强度和径向刚度变差。因定子机座对定子铁芯的限制，定子铁芯在自重、单边磁拉力、受热膨涨等因素的影响下而不能自由运动，将使铁芯冲片受压。若径向分力大于铁芯冲片的片间摩擦力，会引起发电机铁芯内圆产生较大的变形，从而形成较大的气隙椭圆度，气隙形状随之发生改变，增大发电机输出电压中的谐波分量，降低发电机的发电品质。但过小的铁芯外径将导致转子散热困难。因此，在确定电磁方案时，需对机座号进行审慎地选择，在确定定子铁芯的具体结构时，如冲片的搭接方式、铁芯的叠压方式等也要对这一因素的影响进行充分的考虑。
3.6.2空气隙的确定
由于转速低、极数多，同时机座号的选择受到限制，使发电机的极距小，磁极系统的漏磁增大，电抗较常规电机大，磁极铁芯的极身磁密较高，所需励磁安匝较多，导致转子散热困难。这样，需减小空气隙的取值，而空气隙的最小值又受到安装的方便性、机组运行的安全性的制约，所以，在选择空气隙时，既要考虑机组在最大飞逸时转子的弹性变形，又要考虑到定子铁芯自重、单边磁拉力、受热膨涨等因素的影响下在铁芯内圆产生的椭圆度。空气隙的取值一般较最佳电气隙大，这样，较常规机组而言，电抗大些，短路比大些，转子的发热因子高些，但是，可以保证机组运行的安全性及降低发电机输出电压中的谐波分量。
3.7发电机的结构特点
轴伸贯流式水轮发电机一般放置在微弯的过流道上，由于水力关系，流道中性线至轴系中心线间的距离受水轮机转轮直径的限制，在设计发电机的安装基础时，须考虑到这一因素的影响。在刚性直联机组中，发电机的基础不能按常规卧式水轮发电机的方式设计，一般须跨流道布置发电机的基础螺栓，地板尺寸很大，常采用大小地板用螺栓把合的结构。
发电机通风系统常采用管道式通风冷却。由于发电机位于流道的正上方，其底部通常不能放置通风管，而改为顶部出风，抽风机置于风管穿墙孔内。由于发电机转速低，运行时提供的风压及风量均较小，且极间距较小，过风面较窄流阻较大，风压降较常规机组大许多。为保证发电机散热对风量及风速的要求，风路流道设计应尽量畅通，不留死角，防止局部放置增大风阻的零部件，如极间连线宜引至磁轭端面而不放置于风路上；适当增大风叶尺寸、角度，以增加风动压头；流道过渡部应圆滑，减小尖角等。除此之外，宜选用具有较高压头及较大风量的风机。
4结语
轴伸贯流机组具有比转速高、过流量大及水力效率高、投资少等特点，是开发低水头水力资源的良好机型。目前，我国的低水头水力资源的开发正蓬勃发展，对选用的低水头轴伸贯流机组的性能、外观、可靠性等诸方面提出了更高的要求。东风电机公司将把握住加入wto、西部大开发和水电大发展的良机，继续加大技术开发和创新的力度，从品种、单机容量、机组效率和运行可靠性着手，进一步提高产品水平。
