水輪機(jī)結(jié)構(gòu)與功能的優(yōu)化和設(shè)計(jì)

摘 要：水輪機(jī)是一種可以將水流能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的透平機(jī)械，在我國已有100多年的發(fā)展歷史。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，水輪機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了各大領(lǐng)域，發(fā)揮著越來越重要的作用。與之相應(yīng)，人們對水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和功能的要求也越來越高。文章將根據(jù)水輪機(jī)的實(shí)際情況展開研究，積極探討其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化提供助力。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；結(jié)構(gòu)與功能；優(yōu)化設(shè)計(jì)

水輪機(jī)作為水電行業(yè)最重要的設(shè)備之一，具有其它設(shè)備無法替代的優(yōu)點(diǎn)，它不僅可以利用綠色能源即水力資源實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，而且與我國當(dāng)前水電行業(yè)的發(fā)展相得益彰。在經(jīng)濟(jì)飛速大發(fā)展的社會(huì)環(huán)境下，我國水輪機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其質(zhì)量要求也更加的嚴(yán)格，因而迫切需要相關(guān)人員加大對水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的研究和創(chuàng)新，不斷優(yōu)化其功能。

1 水輪機(jī)的類型

1.1 軸流式

軸流式水輪機(jī)是根據(jù)傳統(tǒng)混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能，通過技術(shù)創(chuàng)新改進(jìn)而來的，它的單機(jī)容量非常大，并且采用單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的模式。在設(shè)計(jì)過程中，軸流式水輪機(jī)利用接力器實(shí)現(xiàn)軸承調(diào)節(jié)與對角布置，從而大大提升了水輪機(jī)的性能，使其應(yīng)用價(jià)值得到了更有效的體現(xiàn)。例如，著名的高壩洲水輪機(jī)與迪什林水輪機(jī)等都是軸流式水輪機(jī)的典型代表。高壩洲水輪機(jī)的座環(huán)采用鑄焊結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)形式可以承受住水輪機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的強(qiáng)大水壓。另外，高壩洲水輪機(jī)的葉片邊緣采用了具有抗蝕效果的裙邊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既提高了水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，又提升了水力性能。再如迪什林水輪機(jī)具有相對較大的單機(jī)容量，它利用接力器來布置對角，并通過軸承斜楔加以調(diào)節(jié)，使水輪機(jī)的整體布局更加合理，同時(shí)也提升了軸流式水輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1.2 貫流式

我國水力資源主要有兩種，分別是低水頭水力資源與高水頭水力資源，貫流式水輪機(jī)正是為了適應(yīng)低水頭水力資源而出現(xiàn)的。相比之下，我國低水頭水力資源更加充裕，因而在我國貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用更為廣泛，其發(fā)展前景也更加明朗。

當(dāng)前，我國不少發(fā)電站均應(yīng)用了貫流式的水輪機(jī)。例如，石溪口電站的水輪機(jī)通過利用多個(gè)固定的導(dǎo)葉來支撐座環(huán)，并且座環(huán)的支腳連接著混凝土的支撐點(diǎn)，另外，石溪口電站水輪機(jī)使用的轉(zhuǎn)輪缸動(dòng)結(jié)構(gòu)是無操作架式的，其采用的是在排水錐內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)輪接力器的設(shè)計(jì)方式。再如，黃泥灘和流灘壩水輪機(jī)也是典型的貫流式，它們的設(shè)計(jì)參數(shù)均按照國際專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面更加的精準(zhǔn)，具有良好的運(yùn)行效果。

1.3 混流式

相比其它類型的水輪機(jī)，我國混流式水輪機(jī)的整體水準(zhǔn)更為先進(jìn)。它在廣泛借鑒國內(nèi)外先進(jìn)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)之上，不斷地優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和功能，可以與當(dāng)下世界先進(jìn)水平相媲美。比如，李家峽電站的水輪機(jī)就是典型的混流式水輪機(jī)。為了降低運(yùn)輸難度，其轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)為分瓣式結(jié)構(gòu)，并且座環(huán)為平行式，轉(zhuǎn)輪和主軸可以互換，非常靈活。再如，漫灣電站的水輪機(jī)也是比較先進(jìn)的混流式，它利用頂蓋取水技術(shù)達(dá)到冷卻的效果，將補(bǔ)氣裝置設(shè)置在主軸中心，并且在水輪機(jī)內(nèi)部構(gòu)造的主軸與轉(zhuǎn)輪間設(shè)計(jì)了精巧的摩擦鍵結(jié)構(gòu)。近年來，研究人員不斷地更新和優(yōu)化混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能，以不斷提高混流式水輪機(jī)的工作效率。

1.4 沖擊式

沖擊式水輪機(jī)屬于水力原動(dòng)機(jī)的一種經(jīng)典類型，具有抽水蓄能的特點(diǎn)，能夠通過專門的導(dǎo)水裝置將水能轉(zhuǎn)換成有效的機(jī)械能，然后再經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換得到電能。相比之下，沖擊式水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)化過程比較繁瑣，機(jī)組震動(dòng)也較大，因而在安裝設(shè)計(jì)過程中相對困難。但是，沖擊式水輪機(jī)也具有自身的優(yōu)點(diǎn)，比如重量較輕，成本也在不斷降低，所以這種類型的水輪機(jī)在實(shí)際應(yīng)用上也較為廣泛。轉(zhuǎn)輪，噴嘴裝配，配水環(huán)管是沖擊式水輪機(jī)的幾大重要部件，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展沖擊式轉(zhuǎn)輪水斗采用全數(shù)控加工，效率提高明顯，噴嘴裝配由以前的彎噴嘴改為直流內(nèi)控型直噴嘴，噴嘴效率提高，安裝檢修較方便。

2 現(xiàn)代水輪機(jī)結(jié)構(gòu)及功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 蝸殼、座環(huán)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國水輪機(jī)的技術(shù)水平逐漸提高，加之研究人員不斷地尋求創(chuàng)新和進(jìn)步，使得傳統(tǒng)座環(huán)、蝸殼等結(jié)構(gòu)得以不斷改進(jìn)和優(yōu)化。相較之下，新型的蝸殼、座環(huán)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)明顯簡化，在制作上更加方便快捷，并且現(xiàn)代水輪機(jī)的機(jī)身能夠通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行下料。另外，新型的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)不僅保持了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所具備的同等水力性能，而且其機(jī)身各點(diǎn)的受力相對均勻，總體來說，現(xiàn)代水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固和安全。

2.2 轉(zhuǎn)輪

我國水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)水平不斷提升，目前已居于世界領(lǐng)先地位。為了避免因?yàn)槌叨炔缓线m等因素給運(yùn)輸過程帶來各種困擾，新型轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)把合分瓣上冠，通過埋入式螺栓將轉(zhuǎn)輪原先的高度降低，使水輪機(jī)可以順暢工作。另外，新型轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)淘汰了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪蓋板，創(chuàng)新性地使用了葉片泵用螺釘連接的先進(jìn)技術(shù)，從而避免了水輪機(jī)因過多焊接量而造成的工件變形等問題。

2.3 導(dǎo)葉限位裝置

通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究得知，導(dǎo)葉異步狀態(tài)下的水力矩明顯高于同步狀態(tài)下的水利矩。在設(shè)計(jì)導(dǎo)葉限位裝置時(shí)，研究人員應(yīng)充分考慮到這種情況，不斷優(yōu)化水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，防止因轉(zhuǎn)輪葉片之間的撞擊而使水輪機(jī)的運(yùn)行停止。新型導(dǎo)葉限位裝置不僅設(shè)置了導(dǎo)葉全開和全關(guān)的限位塊，而且添加了導(dǎo)葉摩擦裝置，使水輪機(jī)的運(yùn)行更加安全和便捷。

2.4 導(dǎo)軸承裝置

導(dǎo)軸承裝置在水輪機(jī)的整體結(jié)構(gòu)中起著承載的重要作用。隨著科技的進(jìn)步，水輪機(jī)的導(dǎo)軸承裝置不斷得以改進(jìn)和優(yōu)化，能夠最大程度上滿足水輪機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的需求。傳統(tǒng)的導(dǎo)軸承裝置已經(jīng)具備良好的穩(wěn)定性，研究人員在此基礎(chǔ)上予以進(jìn)一步創(chuàng)新，通過銷子替代軸承來傳遞徑向力，從而達(dá)到提高軸承剛度的效果。另外，為了避免油霧泄露，當(dāng)前我國的大多數(shù)水輪機(jī)已開始使用雙層油蓋箱和接觸式密封蓋。

2.5 轉(zhuǎn)輪與主軸

混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪與主軸可以實(shí)現(xiàn)互換，應(yīng)用起來相對靈活。研究人員在水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪與主軸方面進(jìn)行研究和創(chuàng)新，有效地改進(jìn)和優(yōu)化了水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能。首先，新型水輪機(jī)設(shè)計(jì)了摩擦傳遞扭矩，讓轉(zhuǎn)輪與主軸借助摩擦力來傳遞扭矩。用拉伸器或力矩扳手增加連接法蘭的正壓力，從而增加摩擦力，其次，轉(zhuǎn)輪與主軸都沒有鍵和鍵槽，不需配鍵，保證轉(zhuǎn)輪的互換性。

2.6 主軸中心孔補(bǔ)氣裝置

作為水輪機(jī)運(yùn)行必不可少的結(jié)構(gòu)裝置，主軸中心孔補(bǔ)氣裝置扮演著相當(dāng)重要的角色。主軸中心孔補(bǔ)氣裝置可以直接在周邊補(bǔ)氣，應(yīng)用起來十分方便，而且它還大幅度提高了尾氣管在實(shí)際應(yīng)用過程中的受壓能力，提高了水輪機(jī)的性能。例如，漫灣水電站、李家峽水電站等大型水電站均嘗試采用了主軸中心孔補(bǔ)氣裝置，都取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

3 結(jié)束語

縱觀當(dāng)前國際社會(huì)形勢，水資源短缺已成為亟待解決的一大難題，因而，合理的開發(fā)和利用水資源具有重大意義。水輪機(jī)作為一種可以實(shí)現(xiàn)將水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能和電能的動(dòng)力系統(tǒng)，給人們的生活和工作帶來了諸多的便利。因此，相關(guān)人員應(yīng)該加強(qiáng)對水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)，勇于探索，敢于創(chuàng)新，在結(jié)合水輪機(jī)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)各種水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化其功能，提高水輪機(jī)對于水資源的利用率，從而使水輪機(jī)更好地造福于人類社會(huì)。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣紹.某水電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2013（15）.

[2]高明.貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展討論[J].引文版：工程技術(shù)，2016（8）.

[3]賈偉，龐立軍，李建偉，等.軸流式水輪機(jī)支撐部件的結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].東方電氣評論，2015（4）.

[4]宋敏，郭靖.錦屏一級水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].東方電機(jī)，2012（6）.

[5]王繼娥，鄒磊，代繼江，等.銅街子水電站水輪機(jī)增容改造的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].人民長江，2016（1）.