軸流式水輪機(jī)用螺栓連接固定葉片的研究

包訓(xùn)存

安徽省龍口水庫管理處，中國·安徽 六安 231360

1 引言

眾所周知，軸流水輪機(jī)的制造中，必須用螺栓和螺母將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片固定在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪轂上[1]。

典型的輪轂是空心的，有一個外表面是圓錐圓柱形或球形的[2]。

葉片配有圓形法蘭，通過一系列螺柱和螺母固定在轉(zhuǎn)輪轂的外表面，螺柱和螺母呈單圓排列，穿過轉(zhuǎn)輪轂進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉片的法蘭或耳軸。

螺栓連接的優(yōu)點(diǎn)是可以方便調(diào)整葉片角度，以滿足水輪機(jī)裝配時的相應(yīng)要求。減少了轉(zhuǎn)輪的運(yùn)輸尺寸，降低了制造過程中的焊接要求，在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，便于調(diào)節(jié)葉片角度，改善水輪機(jī)運(yùn)行工況，提高水輪機(jī)水力效率。

在轉(zhuǎn)輪輪轂內(nèi)，放置足夠數(shù)量的螺栓連接以圓形方式排列，以穿過輪轂并進(jìn)入圓形法蘭。因此，在某些應(yīng)用中，可能無法通過法蘭預(yù)加載確保螺栓的適當(dāng)疲勞壽命[3]。此外，當(dāng)空間限制導(dǎo)致法蘭直徑小于所需直徑時，法蘭可能上升超過可接受的極限。

在這種情況下，通常不使用螺栓連接，通過將內(nèi)葉片焊接到轉(zhuǎn)輪輪轂上，或使用與收縮環(huán)或焊接結(jié)合的分段鑄件來組裝轉(zhuǎn)輪。

在許多情況下，液壓渦輪機(jī)必須分段裝運(yùn)并在現(xiàn)場組裝，而且橋梁間隙、流道尺寸、葉片間距和其他因素都會限制流道的尺寸。

給定流道，轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪輪轂的螺栓連接需要能夠在制造計劃中預(yù)裝配，拆卸后裝運(yùn)，并在現(xiàn)場重新組裝。這方面的任何改進(jìn)都是可取的。

2 固定葉片原理

論文提供了一種具有固定葉片安裝的軸流式水輪機(jī)，該軸流式水輪機(jī)包括多個轉(zhuǎn)輪葉片。如圖1～圖3所示，每個轉(zhuǎn)輪葉片包括一個安裝法蘭，該安裝法蘭包括一個輪轂鄰接表面部分。

圖1 渦輪輪轂和轉(zhuǎn)輪葉片的剖面裝配圖

圖2 渦輪輪轂外表面部分的一部分的前視圖

圖3 渦輪葉片的非對稱視圖

輪轂安裝法蘭包括從轉(zhuǎn)輪延伸的多個螺紋法蘭孔輪轂對接表面部分進(jìn)入安裝法蘭。多個螺紋法蘭孔以第一陣列形式分布在輪轂鄰接表面部分上。渦輪機(jī)還包括用于支撐轉(zhuǎn)輪葉片的空心輪轂以及中心開口、具有多個凹槽的外表面部分。每個凹槽具有法蘭座表面部分，用于座合安裝法蘭的相應(yīng)輪轂鄰接表面部分。

凹槽具有多個輪轂孔，輪轂孔從法蘭座表面部分延伸穿過中空輪轂并開口進(jìn)入中心斜面，多個輪轂孔被分組并以第二陣列狀圖案分布在法蘭座表面部分上。第二陣列狀圖案中的每個輪轂孔對準(zhǔn)具有第一陣列狀圖案的對應(yīng)的一個螺紋凸緣孔，其中第一和第二陣列狀圖案是互補(bǔ)的。提供多個螺栓連接，每個對齊的輪轂孔和螺紋法蘭孔各一個，用于將多個轉(zhuǎn)輪葉片固定到空心輪轂上。每個螺栓連接具有位于空心輪轂中心開口內(nèi)的螺栓頭狀部分，并且具有延伸穿過相應(yīng)對齊輪轂孔和螺紋法蘭孔的螺紋軸部分，用于與螺紋法蘭孔螺紋嚙合。

通過將螺紋法蘭孔和輪轂孔組合成互補(bǔ)的第一和第二陣列狀模式，螺栓連接分布在輪轂和法蘭上，遠(yuǎn)離連接中心，從而提高螺栓組慣性，確保總螺栓夾緊力，可避免在所有操作條件下葉片法蘭和輪轂之間的表面分離。在一個實施例中，每個螺栓連接包括一個螺柱，螺柱包括螺紋軸部分和一個螺母，螺母包括旋轉(zhuǎn)到螺柱端部的螺栓頭狀部分，螺栓頭狀部分穿過空心輪轂的中心開口。

設(shè)想第一陣列狀圖案和第二陣列狀圖案各自包括：①至少兩個同心圓圖案；②矩陣陣列圖案；③至少兩個同心矩形圖案組成的組中選擇的一個圖案。在另一實施例中，第一和第二陣列狀圖案包括不完整的圖案。

3 連接固定方案具體操作

如圖1所示，本研究涉及一種水輪機(jī)10，其轉(zhuǎn)輪葉片34 裝配在用于固定葉片軸流定槳式水輪機(jī)的空心轉(zhuǎn)輪輪轂12上。在所示附圖中，葉片34 構(gòu)成對角式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的一部分。應(yīng)當(dāng)理解，固定葉片34 可以構(gòu)成螺旋槳渦輪轉(zhuǎn)輪（未示出）的一部分。輪轂12 通過螺柱和螺母14 與原動機(jī)或軸16 相連。輪轂12 有一個中心開口18 和一個非平面外表面部分20，該部分通常為圓錐形，根據(jù)渦輪的設(shè)計，輪轂12 的形狀可以是圓柱形或球形的。輪轂12 包括多個凹槽22，每個葉片34 一個。這些凹槽22 被機(jī)加工到輪轂12 的表面20 中，并且限定了至少部分（如果不是全部）包圍凹槽22 的旋轉(zhuǎn)唇23。

參考圖1、圖2，輪轂凹槽22 由法蘭座表面部分24 組成，法蘭座表面部分24 最好是平面的，并且通常呈矩形，角21 加工成小半徑。法蘭座表面部分24 用作轉(zhuǎn)輪葉片34 的安裝法蘭36 的座（圖1和圖3）。孔22 具有孔26 的實用性，所述孔26 被鉆孔以從法蘭座表面部分24 延伸穿過轂12 并開口進(jìn)入中央開口18。轂孔26 以兩個同心圓形圖案28 的陣列狀圖案42 分布在平面法蘭座表面部分24 上、30（見圖2）。4 和5 用于輪轂孔26 的其他陣列狀圖案可包括同心矩形圖案25a 和矩陣陣列圖案25b。此外，應(yīng)理解這些圖案可能是不完整的，因為圖案中的孔可以省略（如圖2中的標(biāo)記100 所示，4 和5）由于下文討論的空間限制1 和3，輪轂安裝法蘭36 關(guān)于FL，轉(zhuǎn)輪葉片34包括輪轂鄰接表面部分38，其優(yōu)選為平面且具有加工有小半徑角47 的正方形的一般矩形形狀。法蘭座表面部分24 的形狀和輪轂鄰接表面部分38 的形狀優(yōu)選地與每個轉(zhuǎn)子都應(yīng)在凹槽22 內(nèi)提供安裝法蘭36 的鍛件底座，凹槽22的唇部23 至少部分環(huán)繞安裝法蘭36 的側(cè)面。轉(zhuǎn)子葉片34 包括多個螺紋法蘭孔40，這些螺紋法蘭孔40 通過鉆孔、鉸孔和攻絲形成，以達(dá)到最終尺寸。螺紋孔40 從輪轂延伸鄰接面部分38 進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉片34 的安裝法蘭36 中。多個螺紋法蘭孔40 分組并以陣列狀圖案42 分布在輪轂鄰接面部分38 上。在所示的實施例中，陣列狀圖案42 包括兩個集中的圓形或陣列狀圖案46、48（圖3）。應(yīng)該理解，根據(jù)輪轂鄰接面部分38中的區(qū)域68，可以使用兩個以上的同心圓形圖案（見圓形區(qū)域66）。輪轂孔26 的陣列狀圖案25 被布置成與相應(yīng)螺紋法蘭孔40 的陣列狀圖案42 對齊。它應(yīng)當(dāng)理解，如果使用圖中用于輪轂孔26 的陣列狀圖案25a 和25b，則在用于螺紋法蘭孔40 的輪轂鄰接表面部分38 上會發(fā)現(xiàn)互補(bǔ)陣列狀圖案（未示出）。如圖1所示，輪轂12 的內(nèi)表面具有相對平坦的表面部分49，這些表面部分49 位于凹槽22 的平面法蘭座表面部分24 的相對側(cè)。

4 結(jié)語

用于水輪機(jī)的多個轉(zhuǎn)輪葉片，每個轉(zhuǎn)輪葉片包括一個安裝法蘭，該安裝法蘭包括一個輪轂對接表面部分，以及從輪轂對接表面部分延伸到輪轂安裝法蘭的多個螺紋法蘭孔，其中輪轂對接表面部分的橫截面為非圓形，多個螺紋法蘭孔以第一陣列狀排列在輪轂鄰接表面部分上；一種空心輪轂，用于支撐轉(zhuǎn)輪葉片，并包括一個中心開口和一個外表面部分，其中輪轂呈環(huán)形延伸，作為圍繞輪轂軸線的連續(xù)結(jié)構(gòu)，輪轂的外表面部分包括多個凹槽，每個凹槽具有法蘭座表面部分，用于座合輪轂安裝法蘭的相應(yīng)輪轂鄰接表面部分，其中凹槽包括圍繞法蘭座表面部分延伸的側(cè)壁，側(cè)壁與輪轂鄰接表面部分的非圓形橫截面互補(bǔ)，以及具有多個轂孔的凹槽，所述轂孔從所述法蘭座表面部分延伸穿過所述低轂并進(jìn)入所述中心開口，所述多個轂孔以第二陣列狀圖案布置在所述法蘭座表面部分上，第二陣列狀圖案中的每個輪轂孔與第一陣列狀圖案的相應(yīng)一個螺紋法蘭孔對齊。其中，第一和第二陣列狀圖案是互補(bǔ)的，多個螺栓連接，一個用于對齊的輪轂孔和螺紋法蘭孔，其余用于將多個轉(zhuǎn)子葉片固定到空心輪轂上，每個螺栓連接具有位于中心的螺栓頭狀部分。