关于水轮机模型装置设计的探究

摘  要：水轮机模型是验证水力设计思想的基本载体，模型装置流道型线的精确无误、试验过程中的机组的平稳可靠是保证水力设计效果的前提。水轮机模型装置的结构设计作为项目的中间环节，工作成效的优劣直接影响到整个科研项目的成败。随着发电设备市场竞争的日益激烈，对水轮机模型试验装置的设计、加工、安装、调试都提出了更高的要求。如何提高我们自身结构设计能力和设计水平已成为亟待解决的问题。

关键词：水轮机模型;装置设计;结构优化

一、水轮机模型的设计对比分析

通过不同国家、不同厂家水轮机模型装置的对比分析， 归纳适应新时代试验条件的模型装置部套结构，为优化装置结构、提高装置稳定性提供技术基础。

1、模型装置总体结构

模型装置静压轴承的安裝精度决定了模型转轮的安装精度和模型装置试验结果的稳定性;导控系统的控制精度决定了活动导叶开关的同步性和导叶开口的一致性;装置的拆卸方式直接影响了安装的效率。以上三方面直接影响了模型装置能否实现对水力设计思想的可靠验证，下面对此逐一分析。

（1）静压轴承连接方式

国内模型装置设计多采用分体式结构，即静压轴承单独把合固定。在分体式的结构设计中，能够实现转轮的灵活调节和安装，具有工程效率高，安装快速的特点。但是这种分体式的结构在高水头、大流量的工况下稳定性一般，各个接触部件之间具有较大的柔性，部件间需要较大间隙值才能克服径向位置变化量，分体式结构已经不能够满足工程的需求。而整体式结构的装置中，采用静压轴承与顶盖整体把合连接，顶盖具有绝对的刚性，保证了装置在工况变动时的结构稳定。

（2）装置拆装方式

底环与座环设计为一整体的模型装置，便于生产加工，缩短了加工周期;同时确保了座环与底环流道的光顺过渡，保证了水力性能。这种拆装方式的不足之处是，无法直接在试验工位完成活动导叶的更换，而需将模型装置静压轴承与导控部套全部拆除，并重新调整转动中心。而模型装置采用“下拆式”结构。底环与座环采用分体式结构，在更换活动导叶时无需将顶盖拆除，在试验工位即可完成更换工作，且不用调整转动中心，省去了二次找正的时间，降低了工作强度，但该结构对加工精度有严格的要求，并需要在安装时严格检查底环与座环过渡处流道的光顺性，以避免流道出现高低台阶，影响效率。

（3）导控系统结构

模型装置导控系统结构为通过连杆将导叶臂与控制环连接，导叶臂通过螺栓夹紧方式与活动导叶连接，中间靠销轴连接。这种结构的优点是原理简单、安装调整方便。其局限之处为依靠单个螺栓把合夹紧导叶臂克服导叶水力矩，试验水头升高时，导叶水力矩明显增加，当导叶臂所提供的夹紧力不足以克服导叶水力矩时，螺栓夹紧失效，活动导叶产生角位移。

活动导叶采用胀紧装置连接，导叶臂采用导向销轴传递扭矩，导叶臂受力均匀，连接强度得到提高，操控性能也更优异，且该结构兼具节省空间、拆装方便及外形美观的优点。

2、模型结构的创新

（1）蜗壳材料的选用

蜗壳选用锻造铝锭材料，在加工时采用的编程数控法，克服了蜗壳采用钢板拼焊方法加工时产生的流道精度低的问题;解决了采用铸造蜗壳带来的流道缺陷以及生产周期长的问题。该材料具有良好的机加性能和强度，蜗壳在水压试验及高水头工况下的变形量也极大减少。

（2）尾水部套设计方法的完善

随着水电行业的发展和竞争的日趋激烈，对水轮机模型装置的研究提出了更高的要求，为了满足社会的发展需求，尾水部套设计也在不断的更新和完善。新材料、新结构的应用有效改善了结构设计的限制问题。如肘管采用铸造形式整体数控加工的方法;扩散段成型钢板厚度增加等。有效提高了装置刚度以及对恶劣工况的适应性。

二、模型装置设计的趋势

国家对水电行业的重视程度越来越高，投入力度也越来越大，市场中不同生产企业的竞争也是越来越激烈。水轮机模型装置也逐渐向高水头适应性、高加工精度、拆装方便等方面发展。如何设计出结构优化、布局合理，加工及安装简易，成本易于控制、零部件甚至部套具有高通用性和标准化、检修和维护便捷的模型装置将成为科研人员未来研究的重点。此外，根据美国工业设计协会测算，工业品外观每投入1美元，可带来1500美元的收益。所以在保证装置各项性能的同时，模型装置的外观设计也不可忽视，一个优异的产品在设计中不可缺少对企业特点、文化等内容的思考。

结语

模型装置的制造安装精度以及试验过程中的机组的平稳可靠是保证水力试验效果的前提。随着发电设备市场竞争的日益激烈，对水轮机模型试验装置的设计、加工、安装、调试都提出了更高的要求。小到法兰倒角的问题，大到蜗壳材料的选用和加工制造方法的变革， 做好模型装置的设计是一个系统的工程，从产品的设计到原材料采购、制造、包装都有体现，不可一蹴而就。但是在产品国际化，对比全球化的舞台上，只有迎难而上不断创新才能在竞争中立于不败之地。

参考文献

[1]刘永新.冲击式模型水轮机结构探究[J].科学技术创新，2016（31）：79-79.

[2]程宇坤，闫娜.水轮机模型装置设计的发展[J].大电机技术，2015（2）：49-52.