水轮机结构及其设计方法浅析

2013-08-15姜为民

中国新技术新产品 2013年5期

姜为民

（哈尔滨电机厂有限责任公司产品设计部，黑龙江哈尔滨 150040）

1 水轮机的应用

水轮机在我国主要应用在水电站，用来驱动发电机发电。我国最早使用的水电站是由抽水蓄能机组组成的，其主要由发电电动机、水轮机和水泵串联组成的整体结构，其中水轮机和水泵的设计是分开的，从而使这两个部分能各自拥有较高的工作效率，它的缺点是造价高、电站投资大。50年代以来，抽水蓄能机组在世界各国受到普遍重视并获得迅速发展，水轮机主要被应用于抽水蓄能电站。在电力系统负荷不能达到基本负荷时，水轮机被用作水泵，从下游水域抽水到上游水库以储存位能能量。现在我国的水电机组主要向高参数和大容量方向发展。随着电力系统中火电容量的增加和核电的发展，为解决合理调峰问题，世界各国除在主要水系大力开发或扩建大型电站外，正在积极兴建抽水蓄能电站，水轮机因而得到迅速发展。

2 水轮机的主要结构类型

在设计水轮机的结构时应根据具体的应用场所进行选型，水轮机的类型主要分为反击式水轮机和冲击式水轮机两种，在反击式水轮机中，转轮被水流充满，叶片在水流的作用下，产生较高的效率，但当水轮机的负荷变化时，水轮机的效率会受到一定程度的影响。

反击式水轮机分为以下四种类型：混流式水轮机的工作原理是水流径向流入转轮叶片，最后从转轮的轴向流出，这种结构的优点是其结构较简单，运行时机器相对处于稳定的状态，它的最高效率也比较高，但其也有一定的缺点，当水流的水头产生的负荷变大时，其平均效率会有所降低；轴流式水轮机是指水流沿转轮轴向流入和流出，水流的方向不发生改变，它的优点是在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高，适用于较低水头的电站；斜流式的水流经过转轮时是倾斜的，转轮叶片随着水流的变化而转动，由于斜流式水轮机结构复杂，导致造价成本较高，一般都只在混流式或轴流式水轮机不适合的情况下才进行使用；贯流式水轮机的主轴装置成水平或倾斜，不设蜗壳，水流直接流入转轮，水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的，所以其工作效率较高，水流通过的能力大，基于以上特点适用于低水头小型河床电站。

同反式水轮机相比，冲击式水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度不变，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓。冲击式水轮机主要为水斗式水轮机、斜击水轮机和双击水轮机。水斗式水轮机的喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功，现在的水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型；斜击式水轮机的喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗；双击式水轮机是指水流两次冲击转轮，其具有简单的构造，但是其做功效率低，主要应用于小型水电站。

3 水轮机结构的设计步骤

3.1 水轮机的机组台数与单机容量的选择，机组台数不同时导致水电站平均效率的不同，机组台数较少相应的平均效率也会越低，机组台数多时可以根据机组运行方式的改变，对机组的负荷进行调整，以保持电站的平均效率，但台数多，机组开和停机操作频繁，发生事故的几率也随操作运行次数的增多而加大，对全厂检修造成很大的麻烦。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用。在水电站的装机容量确定时，机组台数增多，单机容量减小，相反当单机容量大，可能会在制造、安装以及运输方面的难度。综上所述，机组台数与单机容量的选择对水轮机的结构设计有较大的影响，一般确定的确定原则：对大中型水电站，尽量选用单机容量较大的水轮机，以降低设备造价在保证水头低于额定水头情况下，使机组得受阻容量尽可能的小。

3.2 水轮机主要参数的确定，参数确定在产品级设计上包括混流式、轴流式、斜流式等设计类别，而在模块级设计上则可相应地分为转动装置设计、导水机构设计、埋入装置设计与布置装置设计等四个部分，其中，每个部分又包括相应的多级子部套。在水轮机的设计过程中需要确定的主要参数有水轮机转轮直径、原型水轮机最高效率与效率修正值、水轮机转速计算与选择、检验水轮机实际工作范围、水轮机最大允许吸出高度计算、实际的水轮机额定水头(重算)、水轮机额定流量(重算)、水轮机安装高程、水轮机最大飞逸转速、水轮机轴向水推力和总轴向力。其中，实际的水轮机额定水头是水轮机的一个重要参数，它的大小直接影响着水轮机出力的大小和水轮机型式的选择。

3.3 水轮机运转特性曲线的绘制既是水轮机选型设计时方案分析和比较的依据，也是水电站运行管理、拟定机组运行方式以及考察机组动力特性的主要依据，更重要的是在水轮机组在日后的运行过程中作为检查和维修的重要依据。

3.4 水轮机的导水结构的设计可分为顶盖和底环的设计，为减小轴承的空间，使整体结构变为紧凑，将轴承外油箱体、隔油环、水导瓦托架设置于顶盖内圆相应位置处。为了减小导叶在关闭时导叶与顶盖间的漏水量，在顶盖相应部件设置导叶端面密封，由青钢密封条和其背部的成型橡胶条组成，依靠成型橡胶条的弹性和渗入橡胶条空间的水压达到密封的目的。密封条和成型橡胶条靠不锈钢密封压板安装在顶盖上；在设计底环的过程中，为了减小导叶在关闭时导叶与底环间的漏水量，在底环相应部件设置导叶端面密封，其结构与顶盖上的端面密封相同。为保证机组在某些特殊工况下的稳定运行，在转轮与导叶之间对应的底环部位，设置24个补气孔，用于强制补气在底环过流面上导叶活动范围内设置不锈钢抗磨板。

3.5 水轮机的主轴密封和蜗壳的设计，由工作密封和充气围带式检修密封组成，工作密封为具有良好密封性能的端面水压自补偿式，密封圈为中硬橡胶，转动环镶有不锈钢抗磨板，为确保密封可靠，解决密封圈受压后变形问题，转动环有一段伸入密封箱中，一旦密封润滑水中断也能保证密封效果，密封采用水润滑和水冷却，润滑冷却水经自动滤水器过滤，正常运行时，需有少量漏水经顶盖、座环自流排出，主轴密封的设计遵从结构简单、寿命长和维护方便的理念；水轮机蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围，起到引水的作用。一般情况下，当实际的水轮机额定水头较低时蜗壳采用钢筋混凝土在现场浇注而成，水头价高是采用拼焊或整铸的金属蜗壳。