軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展演變過程

王 鑒，王春雷

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

0 前言

19世紀(jì)末，混流式水輪機(jī)得到廣泛應(yīng)用，但在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，其效率比較低且振動(dòng)較大［1］。經(jīng)過多年的運(yùn)行及摸索，人們逐漸發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速ns越高，轉(zhuǎn)輪在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)的效率會(huì)越高也越穩(wěn)定，同時(shí)轉(zhuǎn)輪下環(huán)與上冠直徑比也越大。后來隨著ns增大，混流式水輪機(jī)進(jìn)一步發(fā)展到取消了轉(zhuǎn)輪下環(huán)，成為葉片只焊接在上冠上而無下環(huán)的轉(zhuǎn)輪，便產(chǎn)生了軸流定槳式水輪機(jī) （以下簡(jiǎn)稱定漿式水輪機(jī)）。然而，定槳式水輪機(jī)的最優(yōu)效率區(qū)狹窄，限制了它的廣泛應(yīng)用。在不斷追求水輪機(jī)的寬運(yùn)行范圍和高效率的過程中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片能和導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)轉(zhuǎn)動(dòng)并保持有利的組合位置時(shí)，則水輪機(jī)在較寬的運(yùn)行范圍內(nèi)具有較高的效率，同時(shí)能保持較高的比轉(zhuǎn)速［2，3］。1912～1916年，卡普蘭 （Kaplan）教授用模型試驗(yàn)方法研究了轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉可協(xié)聯(lián)動(dòng)作的水輪機(jī)工作過程，并提出了葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，即軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī) （以下簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)）。后來以卡普蘭教授命名了這種轉(zhuǎn)輪，即卡普蘭式轉(zhuǎn)輪。

1922年瑞典的枼拉·依待特水電站，水頭為6.45m，安裝了2臺(tái)定槳式水輪機(jī)和1臺(tái)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，兩者相比，定槳式最高效率點(diǎn)略優(yōu)，而在低負(fù)荷和超負(fù)荷工況下，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)顯示出了非常優(yōu)異的性能。從此，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)在低水頭電站得到了廣泛應(yīng)用并快速發(fā)展，從1924年的單機(jī)最大出力6000kW，發(fā)展到1930年單機(jī)最大出力約30000kW，再到1940年的65000kW，1955年的126000kW，2020年，單機(jī)最大出力已達(dá)到200000kW （我國的大藤峽水電站）。本文主要闡述轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展過程，以啟發(fā)水輪機(jī)研發(fā)工作者進(jìn)一步探索和改進(jìn)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，提升轉(zhuǎn)輪性能，促進(jìn)我國轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的發(fā)展。

1 軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展歷程

卡普蘭教授最初提出的轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉片的樞軸裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)，葉片轉(zhuǎn)臂1通過連桿和角臂2與操作架3連接。操作架3和轉(zhuǎn)輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以軸向移動(dòng)。其軸向移動(dòng)靠拉桿6、環(huán)5和雙向止推滑盤4驅(qū)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)［4］。

圖1 最初轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)由于其主要零件和活動(dòng)部件都浸在水中，存在攪動(dòng)水流等缺點(diǎn)，在水輪機(jī)制造業(yè)中沒有得到進(jìn)一步的應(yīng)用。但是，它采用連桿機(jī)構(gòu)把操作架的軸向移動(dòng)變?yōu)槿~片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)想，在長(zhǎng)期的發(fā)展過程中一直為人們所遵循，并在結(jié)構(gòu)處理上不斷優(yōu)化、改進(jìn)。軸流轉(zhuǎn)槳式葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展演變經(jīng)歷了兩種結(jié)構(gòu)途徑：滑塊機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)。

1.1 滑塊式葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.1.1 斜槽滑塊式

1925年德國慕尼黑的弗立茨和奈麥爾工廠首先采用了如圖2所示的斜槽滑塊的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖2 斜槽滑塊葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

這種葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部，克服了攪動(dòng)水流的缺點(diǎn)。在位于轉(zhuǎn)輪體中心的操作桿4上固定有四面體的操作架1，操作架側(cè)面斜槽中的滑塊2與固定在葉片上的轉(zhuǎn)臂3鉸接。當(dāng)操作桿帶動(dòng)操作架進(jìn)行軸向移動(dòng)時(shí)，滑塊沿斜槽滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。

前蘇聯(lián)在1928年為五一水電站生產(chǎn)的294kW和為斯威爾第Ⅲ水電站制造的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)就是應(yīng)用了這種斜槽滑塊葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)后來未得到更多的應(yīng)用，原因是在操作架上加工4個(gè)同樣的精準(zhǔn)斜槽導(dǎo)向面，在當(dāng)時(shí)工藝上很難實(shí)現(xiàn)?；瑝K對(duì)斜槽的摩擦阻力較大，需要較大的操作力［5］。

1.1.2 直槽滑塊式

瑞典的貝爾柯達(dá)金·克利吉涅戈姆工廠早年采用一種直槽滑塊的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 直槽滑塊式葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)由操作架1水平槽中的滑塊2和曲柄環(huán)（轉(zhuǎn)臂）4連接。曲柄環(huán) （轉(zhuǎn)臂）4和葉片法蘭5通過螺釘連接為一體［4，6］。因而，活塞桿和操作架1作軸向移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滑塊2在水平槽中滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)葉片和曲柄環(huán) （轉(zhuǎn)臂）4產(chǎn)生的離心力，由固定在轉(zhuǎn)輪體上的止推環(huán)6承受。和轉(zhuǎn)輪體7鑄成一體的軸承3作為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)向支承［5］。

這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是：無需分解轉(zhuǎn)輪，即可拆卸葉片，便于檢修。因此，一直到20世紀(jì)70年代，瑞典的工廠都一直沿用這種結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：操作架占據(jù)轉(zhuǎn)輪體內(nèi)腔較大空間，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須布置在外周，曲柄環(huán) （轉(zhuǎn)臂）的臂長(zhǎng)受到限制，因而轉(zhuǎn)動(dòng)葉片所需的操作力較大。這種結(jié)構(gòu)的制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，而當(dāng)葉片數(shù)多于4時(shí)，應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)存在難以克服的困難。

1.2 直連桿式葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.2.1 葉片和樞軸為整體結(jié)構(gòu)

圖4所示為直連桿式的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它的特點(diǎn)是葉片1和樞軸2為整體鑄件［7］，在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的兩個(gè)軸套中轉(zhuǎn)動(dòng)。操作架7布置在轉(zhuǎn)輪體的下部，因此，轉(zhuǎn)臂3的長(zhǎng)度可以比圖2中的更長(zhǎng)。轉(zhuǎn)臂3用圓鍵和卡環(huán)5固定在葉片樞軸上。操作架7通過耳柄與連桿6和轉(zhuǎn)臂3鉸接。當(dāng)活塞桿4帶動(dòng)操作架7軸向移動(dòng)時(shí)，通過連桿6和轉(zhuǎn)臂3轉(zhuǎn)動(dòng)葉片1。這種結(jié)構(gòu)葉片在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)有兩個(gè)支承軸承 （圖3結(jié)構(gòu)只有一個(gè)），樞軸較長(zhǎng)，樞軸與葉片為整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)機(jī)組尺寸大時(shí)，葉片鑄造、機(jī)加工和轉(zhuǎn)輪裝配都很困難。

圖4 直連桿式葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) （葉片和樞軸為整體結(jié)構(gòu)）

1.2.2 葉片和樞軸為可拆結(jié)構(gòu)

圖5所示為出力N＝15000kW水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)圖，其葉片2和樞軸4為可拆結(jié)構(gòu)。它是通過螺栓3從外部把葉片2、樞軸4和轉(zhuǎn)臂1連接為一體［8］。用固定在轉(zhuǎn)輪體上的支撐環(huán)5承受葉片系統(tǒng)的離心力。

圖5 葉片和樞軸為可拆結(jié)構(gòu)

把葉片和樞軸設(shè)計(jì)成可拆結(jié)構(gòu)，巧妙地解決了大型水輪機(jī)葉片和樞軸整體鑄造這一工藝難題，也消除了轉(zhuǎn)輪裝配的困難。進(jìn)一步改進(jìn)了轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。

1.2.3 取消操作架上耳柄結(jié)構(gòu)

圖6所示為轉(zhuǎn)輪直徑D1＝9m，輪轂比為0.41的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)圖。與圖5相比，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為減少了轉(zhuǎn)臂和耳柄。連桿7直接和葉片樞軸及操作架的銷軸鉸接。操作架上耳柄的取消縮短了轉(zhuǎn)輪體的高度，轉(zhuǎn)輪體的重量減輕了10～15t，且轉(zhuǎn)輪裝配周期得到縮短。

圖6 操作架上無耳柄結(jié)構(gòu)

由上述分析可知，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)遵循Kaplan教授提出的把軸向移動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)葉片的扭矩的思路，經(jīng)過了由斜槽滑塊機(jī)構(gòu)→直槽滑塊機(jī)構(gòu)→直連桿機(jī)構(gòu)的演變，同時(shí)葉片由一只軸承增加為兩只軸承，葉片和樞軸由整體鑄造變?yōu)榭刹鸾Y(jié)構(gòu)，將操作架上的耳柄改為銷軸，取消了承受葉片系統(tǒng)離心力的支撐環(huán)，改為由轉(zhuǎn)輪體直接承受［9］。工藝的完善和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，發(fā)展為圖7所示的20世紀(jì)50年代轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。

圖7 50年代轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪典型結(jié)構(gòu)

可以看出，它完美地汲取了以往的技術(shù)，成為時(shí)代經(jīng)典結(jié)構(gòu)。我國葛洲壩水電站直徑D1＝10.2m的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和太平灣電站直徑D1＝8m的轉(zhuǎn)輪都采用了如圖7所示的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2 接力器活塞和操作架合并的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

20世紀(jì)中葉，前蘇聯(lián)在伏爾加等平原河流上興建了許多適用低水頭大流量轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的大型水電站。在圖7經(jīng)典結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)了結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出接力器活塞和操作架合并為一體的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，降低了轉(zhuǎn)輪重量。

2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在無油壓腔

圖8所示為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在無油壓腔的結(jié)構(gòu)圖。它的特點(diǎn)是取消了活塞桿，接力器活塞和操作架合并為一體［10］，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了重量和制造成本。例如，對(duì)于轉(zhuǎn)輪直徑D1＝9.3m的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，轉(zhuǎn)輪重量降低了25～30t，裝配勞動(dòng)量工時(shí)可減少1500～1800h，大型機(jī)床加工工時(shí)減少300～350h。且該結(jié)構(gòu)連桿銷軸布置在活塞上，連桿的橫向分力直接傳到活塞上，對(duì)套筒的密封和導(dǎo)向無影響。

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在無油壓腔

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在有油壓腔

無操作架葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的另一種結(jié)構(gòu)如圖9所示，轉(zhuǎn)輪直徑D1＝10.3m，4葉片，輪轂比為0.35。其特點(diǎn)是葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)直接布置在活塞下面的 “有油壓腔”，簡(jiǎn)化了固定在活塞上的耳柄，省去了圖8中的導(dǎo)向套筒部分，消除了套筒四周密封漏油和導(dǎo)向不良的問題，為了使葉片密封不受活塞下腔的高壓油作用，在葉片樞軸上加工中心孔和通向密封處的徑向槽，使密封和回油箱連通，降低被密封的油壓力。轉(zhuǎn)輪裝配時(shí)，不需倒裝。

圖9 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在有油壓腔

2.3 接力器帶差壓活塞的無操作架葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

60年代初期，前蘇聯(lián)哈爾科夫透平廠創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出接力器帶差壓活塞的無活塞桿和操作架的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖10所示。計(jì)算和試驗(yàn)表明，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)中心適當(dāng)向出水邊移動(dòng)時(shí)，因葉片背面出現(xiàn)繞流，水力矩向關(guān)閉葉片方向作用，此時(shí)接力器活塞開、關(guān)兩腔所需的有效面積不同，這就是差壓活塞接力器設(shè)計(jì)的依據(jù)。當(dāng)活塞向下移動(dòng) （葉片向開啟轉(zhuǎn)動(dòng)）時(shí)，要克服葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦力矩和葉片繞流水力矩，而水力矩向關(guān)閉方向 （即反方向）作用，因此需要較大的作用力，要求接力器上腔活塞直徑Dn大些。而當(dāng)活塞向上移動(dòng) （葉片向關(guān)閉轉(zhuǎn)動(dòng)）時(shí)，水力矩依舊向關(guān)閉方向 （即同方向）作用，因此只需較小的作用力，接力器下腔活塞直徑 Dg可以小些［5，7］。

圖10 無操作架的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

哈爾科夫透平廠將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在許多水輪機(jī)上，經(jīng)過多年的運(yùn)行，效果良好。

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一想法是利用葉片自關(guān)閉效應(yīng)防止機(jī)組飛逸。為了減小葉片大軸承的摩擦阻力，使自關(guān)閉更順暢，但圖10中葉片大軸承采用圓錐滾子軸承代替滑動(dòng)軸承。在實(shí)際應(yīng)用中放棄了自關(guān)閉，仍采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的錫青銅滑動(dòng)軸承。

3 接力器缸座和操作架合并的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

法國奈爾皮克公司為Saint Hilaire du Rosier水電站設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 N＝13200kW，H＝11.5m，n＝107.2r／min，D1＝5m的水輪機(jī)，把操作架與接力器缸底座合并為一，并把接力器布置在轉(zhuǎn)輪體的下面［11］，如圖11所示。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：減小了轉(zhuǎn)輪體的高度和重量；水輪機(jī)導(dǎo)軸承更靠近轉(zhuǎn)輪重心，增加了機(jī)組穩(wěn)定性；接力器布置在推力軸承和轉(zhuǎn)輪葉片外，能減小接力器缸的受力，使結(jié)構(gòu)輕便。英布魯電站直徑D1＝5.5m的水輪機(jī)采用了這種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪重心更靠近水導(dǎo)軸承，運(yùn)行十分穩(wěn)定。大化水電站改造的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪也采用了這種結(jié)構(gòu)，解決了軸系穩(wěn)定等方面的問題，十分成功。

圖11 接力器缸與操作架的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

4 高水頭轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

隨著轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)向高水頭發(fā)展，需進(jìn)一步改善其汽蝕性能。因此多采用增加葉片數(shù)的方法，但同時(shí)應(yīng)保持輪轂比較小，這就要求轉(zhuǎn)輪體內(nèi)緊湊地布置葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

4.1 斜槽滑塊式高水頭轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

水頭提高也增大了負(fù)荷，為了順利地驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，增加轉(zhuǎn)臂的臂長(zhǎng)是首選方案。前面所述的直槽滑塊葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) （圖3）和直連桿葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) （圖4），其轉(zhuǎn)臂臂長(zhǎng)由于受轉(zhuǎn)輪體直徑限制，不能再增長(zhǎng)。而在斜槽滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu) （圖2）中，葉片轉(zhuǎn)臂指向下方，其長(zhǎng)度選擇基本不受轉(zhuǎn)輪體直徑限制，布置空間可向泄水錐方向延伸。

4.2 斜連桿葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖12所示為斜連桿葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。圖13為其作用力簡(jiǎn)圖，圖中α為連桿和轉(zhuǎn)臂夾角，β為連桿傾角［12，13］。Pc為軸向作用力，Mp為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，lp為葉片轉(zhuǎn)臂臂長(zhǎng)。

圖12 斜連桿葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖13 斜連桿葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

在這種結(jié)構(gòu)中，葉片轉(zhuǎn)臂臂長(zhǎng)增加，連桿傾角β加大，在給定Mp的情況下，需要減小軸向作用力Pc。

操作架軸向移動(dòng)靠轉(zhuǎn)輪體內(nèi)輪轂的下伸部分導(dǎo)向［14］。這種結(jié)構(gòu)較好地利用了轉(zhuǎn)輪體下部泄水錐的內(nèi)部空間。

5 結(jié)論

以上是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)自誕生以來許多水電設(shè)備公司、制造廠在其葉片轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)造，有效促進(jìn)了軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。該型式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)具有高效率和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，使其在我國和全世界水能資源利用中發(fā)揮了重要作用，從其轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展的路徑看，未來從輪轂比方向進(jìn)行轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)的空間已經(jīng)不大，更多的需要從新材料和新工藝的角度來對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改進(jìn)［15］，進(jìn)一步促進(jìn)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展。