小型立式?jīng)_擊式水輪機組結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及創(chuàng)新

洪安俊，謝向東，黃 巖

(浙江金輪機電實業(yè)有限公司，浙江 金華 321002)

1 概 述

沖擊式水輪機適用于水頭較高的區(qū)域內(nèi)，它的噴嘴與轉(zhuǎn)輪分水刃在同一平面上，射流方向為轉(zhuǎn)輪圓周的切線方向；來自壓力水管的水經(jīng)噴嘴轉(zhuǎn)換為高速射流，切向沖擊轉(zhuǎn)輪的水斗，推動轉(zhuǎn)輪做功。工作時轉(zhuǎn)輪露出水面，安裝高程也不受氣蝕條件限制，并且在低負(fù)荷運行時效率也較高。

沖擊式水輪機的基本布置型式分立式和臥式兩種，而臥式應(yīng)用范圍比較小，一般適用于10 MW以下，噴嘴數(shù)為單噴或雙噴；超過10 MW以上一般都適用于立式機組，噴嘴數(shù)量為兩噴或兩噴以上。但在實際選型中，有許多電站流量比較大，如果選用臥式兩噴的機組，射流直徑d0將比較大；由于考慮到D1/d0與水頭之間的關(guān)系，如果d0太大，轉(zhuǎn)輪直徑D1就要跟著加大，且發(fā)電機的級數(shù)也要跟著增加，這樣就增加了設(shè)備的投資成本。如選用立式機組，機座及配水管等零部件都需預(yù)埋，這樣就增加了土建的開挖量及設(shè)備維護和檢修的難度。

為了更好適應(yīng)國內(nèi)外市場，迫切需要對小型立式?jīng)_擊水輪機的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化及創(chuàng)新，解決小型立式?jīng)_擊機組土建的開挖量大、其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、設(shè)備的安裝及維護繁瑣等缺點。

2 常規(guī)結(jié)構(gòu)

常規(guī)小型立式?jīng)_擊式水輪機由預(yù)埋部分、機座、配水環(huán)管、噴嘴、轉(zhuǎn)動部分、導(dǎo)軸承、折向機構(gòu)等部件組成(見圖1)。

預(yù)埋部分裝在機座底部，由里襯、柵板和進人門等組成，機組維修時，可由進人門進入機座內(nèi)部。機組運行時，進人門應(yīng)關(guān)閉。

機座為整個機組的定位基準(zhǔn)，噴嘴、軸承等部件的安裝均以它作基準(zhǔn)，作用于配水管和噴嘴的作用力都通過機座傳遞到混凝土中。

每段配水環(huán)管現(xiàn)場與機座焊接，并整體澆鑄在混凝土中。噴管裝在機座內(nèi)部，拆裝時需將噴管從進人門運入后進行。由于機座內(nèi)空間限制，起吊困難，給安裝及維修帶來了不便。

噴管為內(nèi)置式，其活塞右腔為噴針關(guān)閉腔，左腔為噴針開啟腔(見圖2)。壓力油來自調(diào)速器，由調(diào)速器中的控制閥來控制或切換噴針。為了使操作油壓的變化不太大，在噴管內(nèi)設(shè)計了1組碟形彈簧。噴針的開啟和關(guān)閉時間均由調(diào)速器控制。

這種結(jié)構(gòu)的噴管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對零件的加工和安裝要求比較高，如果加工不好，容易內(nèi)部串油，會引起機組運行不穩(wěn)定；檢修時需將整個噴管運到機坑外，拆掉噴嘴體及噴針等零件才能更換里面的密封件。

轉(zhuǎn)動部分由轉(zhuǎn)輪、水機主軸、螺栓、護罩、銷子或鍵等組成。轉(zhuǎn)輪與水輪機主軸通過法蘭聯(lián)接，主要靠鉸制孔螺栓或鍵、銷傳遞扭矩。

圖1 常規(guī)小型立式?jīng)_擊式水輪機結(jié)構(gòu)示意

圖2 噴管剖面示意

3 優(yōu)化及創(chuàng)新后的結(jié)構(gòu)

與常規(guī)機組比較，優(yōu)化及創(chuàng)新后的小型立式?jīng)_擊式水輪機省去了預(yù)埋部分、轉(zhuǎn)動部分和反饋裝置等(見圖3)。

發(fā)電機和噴管直接裝在機座上面，機座既要承受發(fā)電機重量，也要承受噴管的作用力，所有的力都通過它傳遞到混凝土上，這樣機座就需要有足夠的剛性。

安裝時機座下半部分澆在混泥土內(nèi)，并用地腳螺栓固定牢。

機組的配水環(huán)管和噴管全都裸露在廠房外，每段彎管間都增加1個伸縮節(jié)(見圖4)，便于安裝和檢修。

圖3 優(yōu)化后的小型立式?jīng)_擊式水輪機結(jié)構(gòu)示意

圖4 配水環(huán)管和噴管示意

噴管采用外置式，接力器直接裝在噴管后面，噴管在拆裝時只需先將伸縮節(jié)連接螺栓及噴嘴與機座的連接螺栓松開，就可直接從機座外部拆出。如接力器有漏油現(xiàn)象，可直接拆下接力器端蓋更換密封件，不需要拆開噴管的前部，方便了電站的安裝及維護。

為了減少電站的投資成本，同時確保機組的穩(wěn)定運行，又能滿足安裝空間，可盡量減短發(fā)電機主軸長度，將轉(zhuǎn)輪直接裝在發(fā)電機主軸上(見圖5)，這樣就省去了水輪機主軸和導(dǎo)軸承。通過摩擦裝置將轉(zhuǎn)輪與主軸連接起來傳遞扭矩，摩擦力的大小可根據(jù)扭矩的大小來計算；當(dāng)摩擦力不夠轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)打滑時，只需調(diào)緊摩擦裝置中的螺栓即可。

圖5 轉(zhuǎn)輪安裝示意

4 優(yōu) 點

這種新穎的優(yōu)化及創(chuàng)新，打破了常規(guī)小型立式?jīng)_擊水輪機的結(jié)構(gòu)，更適應(yīng)于用戶的需求，其優(yōu)點如下：

(1) 機組整體開挖量減少。因優(yōu)化及創(chuàng)新后的小型立式?jīng)_擊式水輪機組省去了預(yù)埋部分、水輪機主軸、反饋裝置及軸承，配水環(huán)管和噴管也全都裸露在廠房外，發(fā)電機和噴管直接裝在機座上面，使整個機組減少了很多開挖量。

(2) 結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護方便。由于機組省去了預(yù)埋部分、轉(zhuǎn)動部分和反饋裝置等，整個結(jié)構(gòu)變得緊湊、簡單、實用。配水環(huán)管每段彎管間都增加了1個伸縮節(jié)，發(fā)電機主軸與轉(zhuǎn)輪之間采用摩擦傳遞扭矩，這樣使得安裝維護更加便捷。

(3) 機組整體成本減少。由于機組的開挖量減少又省去了預(yù)埋部分、轉(zhuǎn)動部分和反饋裝置、導(dǎo)軸承，使得整個機組成本下降。

5 結(jié) 論

優(yōu)化及創(chuàng)新后的小型立式?jīng)_擊式水輪機組整體成本得到了控制，安裝維護更加便捷。通過一段時間的使用及維護，該結(jié)構(gòu)已深受國內(nèi)外小型電站業(yè)主的好評。