小型轴流转桨式水轮机的开发

徐大荣，马志龙（.杭州大路装备有限公司，浙江 杭州 334；.杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江 杭州 30006）

小型轴流转桨式水轮机的开发

徐大荣1，马志龙2
（1.杭州大路装备有限公司，浙江 杭州 311234；2.杭州水利水电勘测设计院有限公司，浙江 杭州 310006）

摘要：为了更加有效地利用有限的水力资源，对于转轮直径小于1.6m，容量小于0.3MW的低水头小型轴流式水电站，国内外越来越多的客户需要采用桨叶和导叶能协联调节的转桨式水轮机。因此，迫切需要开发一种结构简单，生产制造成本低的小型轴流转桨式水轮机，以便用户根据实际条件优选。

关键词：轴流转桨式水轮机；双调；协联

1　引言

转桨式水轮机，就是导叶和桨叶同时可调，并保持一定协联关系的水轮机，也可称双调式水轮机。对于大中型轴流式机组和灯泡机组，水轮机几乎都采用了双调结构。只有在极少数水头和流量变化很小，或者基本不变的大中型轴流式和灯泡式电站，才使用定桨式水轮机。

轴流式和贯流式水轮机，一般在低水头径流式水电站中使用。径流式电站流量一般不能调节或者调节能力有限，故而水轮机采用双调节，以适应电站的流量变化，使水轮机始终能够高效、稳定运行。目前，在国内轴流式电站中，对于转轮直径小于1.6m的小型轴流式水轮机，目前几乎没有使用双调结构。其原因主要有两个：一是水轮机容量不大，收益不高，采用定桨式水轮机结构可以节省投资；二是转轮直径小，大多数直径在1.6m以下，没有水轮机厂家设计制造过双调结构，无双调结构的水轮机可用。

为了更加有效地利用有限的水力资源，对于转轮直径小于1.6m，容量小于0.3MW的低水头小型轴流式水电站，国内外越来越多的客户需要采用桨叶和导叶能协联调节的转桨式水轮机。因此，迫切需要开发一种结构简单，生产制造成本低的小型轴流转桨式水轮机，以便用户根据实际条件优选。

2　水轮机桨叶和导叶双调结构的说明

图1

对于桨叶能和导叶一起调节，并能保持一定的协联关系的常规双调结构，一般是在转轮体内设置桨叶操作机构和桨叶接力器，并通过操作油管和置于机组外部的受油器连接。调速器再与受油器连接，通过油路的切换来调节桨叶的角度，并把桨叶角度的变化通过一定方式转换成直线位移，以便使导叶和桨叶能保持一定协联关系。现在普遍使用的桨叶协联调节结构一般有两种，一种是将桨叶接力器设置在上游，操作机构在下游（见图1）；另一种是将桨叶接力器设置在下游（即转轮泄水锥内），操作机构在上游（见图2）。设置在上游的接力器一般缸体固定不动，通过活塞杆的移动来调节桨叶的角度；设置在下游的接力器一般活塞杆不动，操作架和接力器缸体设计为一体式结构，通过缸体的移动来调节桨叶的角度。轴流式水轮机一般采用图1的结构，贯流式水轮机一般采用图2的结构。目前，这两种结构广泛使用在国内外大、中型轴流式和贯流式水轮机中。

图2

因水轮机的桨叶协联调节机构的设计比较复杂，需要综合考虑受油器和操作油管的设计，各个厂家的结构不完全相同，但大同小异。

3　小型轴流转桨式水轮机导叶和桨叶的双调结构

对于轴流式和贯流式水轮机，导叶和桨叶保持协联的双调结构，是水轮机设计的重点和难点，也是整个水轮机结构中最复杂的部分。小型轴流式水轮机因转轮尺寸小，布置空间有限，水轮机桨叶协联的双调结构设计尤其困难。为解决桨叶接力器和桨叶操作机构都布置于转轮体内困难的问题，必须将转轮体内部的结构简化。为此，可将桨叶接力器移出转轮体外，并通过提高桨叶接力器油压以缩小接力器尺寸。根据这一思路，可以做两种设计方案：一种是常规油压（6.3MPa）方案，另一种是高油压（12～16MPa）方案。现以一个设计水头为15m，转轮直径为1.35m的轴流转桨式水轮机设计为例进行说明，其相配的电机额定功率为1500kW。

3.1常规油压方案(油压为6.3MPa)

根据计算，6.3MPa的操作油压，桨叶接力器的直径需要240mm。1.35m直径水轮机的转轮，其轮毂外径只有535mm，要将桨叶接力器设置在转轮体内是不可能的。所以需要将接力器移出转轮体外，立式布置的轴流转桨式水轮机有3个位置可以设置接力器：

一是位于水轮机轴内，与转轮连接的法兰位置。需要加大设计水轮机法兰，同时加大转轮体上部尺寸，以便与水轮机大轴法兰连接（见图3）。

图3

二是位于电机和水机轴法兰连接位置，水轮机轴内部（见图4）。向下通过一直杆与水轮机操作机构连接，向上通过操作油管与装于电机头部的受油器连接。

图4

三是位于电机头部，受油器下面位置。将桨叶接力器和受油器联合设计成一个整体。向下通过一直杆与水轮机操作机构连接（见下页图5）。

因轴流式机组一般是立式布置，电机在上，水机在下，整个轴系比较长。对于一个转轮直径是1.35m的水轮机，配1.5MW水轮发电机的机组，水机轴和电机轴连起来的总长最少也有5m左右。如果将接力器外置于电机上面，连接接力器和桨叶操作机构的直杆的长度将近5m左右。为增加直杆的稳定性，需要至少设置3个支撑点，支点的距离将近3m，同心度难于保证，运行时直杆容易憋劲。若将桨叶接力器设置于水轮机大轴法兰内，虽然直杆的长度最短，稳定性最好，但因需要增大大轴法兰尺寸，不能满足转轮上部流道尺寸。如果将接力器设置于水机轴和电机轴法兰连接部位，可将直杆的长度缩短至3m以下，设计一个支点，两端受压，既可以增加稳定性，又降低了直杆的同心度要求。

图6是1.35m轴流转桨式水轮机转轮、桨叶接力器和受油器的结构设计方案。接力器采用常规油压（6.3MPa），直径为240mm，位置设置在电机轴与水机轴法兰连接部位。接力器向下通过长度为2.7 m，直径为120mm的推拉杆与转轮内的桨叶操作机构相连，向上通过一个长为3.5m的压力油管与电机头部的受油器相连。电机主轴内是高压油，水机主轴和转轮体内是空气，桨叶操作机构的所有相对滑动部位均采用自润滑轴承。因转轮体内不需要油，故可取消操作油管和受油器内部的回油腔，使其结构设计更加简化。且叶片采用单支点，使转轮体内更容易布置桨叶操作机构。

图5

图6

图7

3.2高油压方案（油压为12MPa以上）

将桨叶接力器油压提高到12MPa，根据计算，接力器直径只需160mm。接力器尺寸缩小很多，可布置在水轮机轴内，与转轮连接的法兰位置处。高油压接力器通过活塞杆与桨叶操作机构连接，向上通过5m长的操作油管与受油器连接。电机轴和水机轴内均为高压油，转轮体内为空气，桨叶操作机构的所有相对滑动部位均采用自润滑轴承。

图7是1.35m轴流转桨式水轮机转轮、桨叶接力器和受油器的结构设计方案。桨叶接力器设置在水机轴法兰内部，通过较短的活塞杆与操作机构连接。与接力器置于电机和水机轴连接位置相比，操作稳定性能增加，但油压相对较高，受油器油封的设计需要加强。

上述两种小型水轮机转桨方案，均在实际设计中得到运用，是可行的。随着液压密封技术的不断发展，高油压技术在各行各业得到广泛应用。在专业液压接力器制造行业，16MPa是属于中油压，30MPa才是高油压。有的调速器厂家现在已经开发出用于转桨式机组的高油压调速器，所以笔者更倾向于采用高油压方案。

4　小型轴流式水轮双调结构的优点

小型轴流式水轮机双调结构设计的难点在于受油器和将桨叶接力器外置于水机轴法兰内的设计。因接力器外置，可采用新式液压接力器结构。使用先进的油压密封，使接力器不漏油或者漏油极少。因而可以因一步取消转轮体内的回油设置，从常规的3腔油路改成2腔油路设计，使受油器和操作油管结构简化，整个结构设计具有如下几个优点：

（1）采用先进的受油器设计思路

整个受油器是不固定的，随着大轴的摆动而摆动，也叫摇摆式受油器。在实际运行时，操作油管不受径向力，不容易憋劲，受油器瓦磨损较少，可以保证各压力腔不相互窜油。

（2）结构简单，安装维护方便

因将桨叶接力器外置于水机法兰内，取消了回油腔，使整个双调结构非常简单。只需将电机轴吊起一定的高度，就很方便的更换接力器的密封件，无需大修。

（3）更加环保

因转轮体内无油，而且桨叶接力器移出转轮体，降低了转轮漏油的可能性，减少对下游水资源的污染。

5　结轮

小型双调轴流式水轮机的开发，使转轮直径大于1.0m的水轮机都可以采用双调结构。用户和设计院可以根据电站的实际水头、流量变化情况，做经济比较方案，择优选择不同的结构。小型双调轴流式水轮机，具有结构简单、维护方便以及运行可靠、成本低、经济适用的优点，一定会被广大用户和设计院接受，并会在不久的将来得到推广。

中图分类号：TK733

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）03-0015-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.004

收稿日期：2014-11-12

作者简介：徐大荣（1975-），男，高级工程师，从事水轮机的结构研究设计和水轮机选型开发设计工作。