轴流式水轮机用螺栓连接固定叶片的研究

包训存

安徽省龙口水库管理处，中国·安徽 六安 231360

1 引言

众所周知，轴流水轮机的制造中，必须用螺栓和螺母将水轮机转轮叶片固定在水轮机转轮轮毂上[1]。

典型的轮毂是空心的，有一个外表面是圆锥圆柱形或球形的[2]。

叶片配有圆形法兰，通过一系列螺柱和螺母固定在转轮毂的外表面，螺柱和螺母呈单圆排列，穿过转轮毂进入转轮叶片的法兰或耳轴。

螺栓连接的优点是可以方便调整叶片角度，以满足水轮机装配时的相应要求。减少了转轮的运输尺寸，降低了制造过程中的焊接要求，在水轮机运行过程中，便于调节叶片角度，改善水轮机运行工况，提高水轮机水力效率。

在转轮轮毂内，放置足够数量的螺栓连接以圆形方式排列，以穿过轮毂并进入圆形法兰。因此，在某些应用中，可能无法通过法兰预加载确保螺栓的适当疲劳寿命[3]。此外，当空间限制导致法兰直径小于所需直径时，法兰可能上升超过可接受的极限。

在这种情况下，通常不使用螺栓连接，通过将内叶片焊接到转轮轮毂上，或使用与收缩环或焊接结合的分段铸件来组装转轮。

在许多情况下，液压涡轮机必须分段装运并在现场组装，而且桥梁间隙、流道尺寸、叶片间距和其他因素都会限制流道的尺寸。

给定流道，转轮叶片与转轮轮毂的螺栓连接需要能够在制造计划中预装配，拆卸后装运，并在现场重新组装。这方面的任何改进都是可取的。

2 固定叶片原理

论文提供了一种具有固定叶片安装的轴流式水轮机，该轴流式水轮机包括多个转轮叶片。如图1～图3所示，每个转轮叶片包括一个安装法兰，该安装法兰包括一个轮毂邻接表面部分。

图1 涡轮轮毂和转轮叶片的剖面装配图

图2 涡轮轮毂外表面部分的一部分的前视图

图3 涡轮叶片的非对称视图

轮毂安装法兰包括从转轮延伸的多个螺纹法兰孔轮毂对接表面部分进入安装法兰。多个螺纹法兰孔以第一阵列形式分布在轮毂邻接表面部分上。涡轮机还包括用于支撑转轮叶片的空心轮毂以及中心开口、具有多个凹槽的外表面部分。每个凹槽具有法兰座表面部分，用于座合安装法兰的相应轮毂邻接表面部分。

凹槽具有多个轮毂孔，轮毂孔从法兰座表面部分延伸穿过中空轮毂并开口进入中心斜面，多个轮毂孔被分组并以第二阵列状图案分布在法兰座表面部分上。第二阵列状图案中的每个轮毂孔对准具有第一阵列状图案的对应的一个螺纹凸缘孔，其中第一和第二阵列状图案是互补的。提供多个螺栓连接，每个对齐的轮毂孔和螺纹法兰孔各一个，用于将多个转轮叶片固定到空心轮毂上。每个螺栓连接具有位于空心轮毂中心开口内的螺栓头状部分，并且具有延伸穿过相应对齐轮毂孔和螺纹法兰孔的螺纹轴部分，用于与螺纹法兰孔螺纹啮合。

通过将螺纹法兰孔和轮毂孔组合成互补的第一和第二阵列状模式，螺栓连接分布在轮毂和法兰上，远离连接中心，从而提高螺栓组惯性，确保总螺栓夹紧力，可避免在所有操作条件下叶片法兰和轮毂之间的表面分离。在一个实施例中，每个螺栓连接包括一个螺柱，螺柱包括螺纹轴部分和一个螺母，螺母包括旋转到螺柱端部的螺栓头状部分，螺栓头状部分穿过空心轮毂的中心开口。

设想第一阵列状图案和第二阵列状图案各自包括：①至少两个同心圆图案；②矩阵阵列图案；③至少两个同心矩形图案组成的组中选择的一个图案。在另一实施例中，第一和第二阵列状图案包括不完整的图案。

3 连接固定方案具体操作

如图1所示，本研究涉及一种水轮机10，其转轮叶片34 装配在用于固定叶片轴流定桨式水轮机的空心转轮轮毂12上。在所示附图中，叶片34 构成对角式水轮机转轮的一部分。应当理解，固定叶片34 可以构成螺旋桨涡轮转轮（未示出）的一部分。轮毂12 通过螺柱和螺母14 与原动机或轴16 相连。轮毂12 有一个中心开口18 和一个非平面外表面部分20，该部分通常为圆锥形，根据涡轮的设计，轮毂12 的形状可以是圆柱形或球形的。轮毂12 包括多个凹槽22，每个叶片34 一个。这些凹槽22 被机加工到轮毂12 的表面20 中，并且限定了至少部分（如果不是全部）包围凹槽22 的旋转唇23。

参考图1、图2，轮毂凹槽22 由法兰座表面部分24 组成，法兰座表面部分24 最好是平面的，并且通常呈矩形，角21 加工成小半径。法兰座表面部分24 用作转轮叶片34 的安装法兰36 的座（图1和图3）。孔22 具有孔26 的实用性，所述孔26 被钻孔以从法兰座表面部分24 延伸穿过毂12 并开口进入中央开口18。毂孔26 以两个同心圆形图案28 的阵列状图案42 分布在平面法兰座表面部分24 上、30（见图2）。4 和5 用于轮毂孔26 的其他阵列状图案可包括同心矩形图案25a 和矩阵阵列图案25b。此外，应理解这些图案可能是不完整的，因为图案中的孔可以省略（如图2中的标记100 所示，4 和5）由于下文讨论的空间限制1 和3，轮毂安装法兰36 关于FL，转轮叶片34包括轮毂邻接表面部分38，其优选为平面且具有加工有小半径角47 的正方形的一般矩形形状。法兰座表面部分24 的形状和轮毂邻接表面部分38 的形状优选地与每个转子都应在凹槽22 内提供安装法兰36 的锻件底座，凹槽22的唇部23 至少部分环绕安装法兰36 的侧面。转子叶片34 包括多个螺纹法兰孔40，这些螺纹法兰孔40 通过钻孔、铰孔和攻丝形成，以达到最终尺寸。螺纹孔40 从轮毂延伸邻接面部分38 进入转轮叶片34 的安装法兰36 中。多个螺纹法兰孔40 分组并以阵列状图案42 分布在轮毂邻接面部分38 上。在所示的实施例中，阵列状图案42 包括两个集中的圆形或阵列状图案46、48（图3）。应该理解，根据轮毂邻接面部分38中的区域68，可以使用两个以上的同心圆形图案（见圆形区域66）。轮毂孔26 的阵列状图案25 被布置成与相应螺纹法兰孔40 的阵列状图案42 对齐。它应当理解，如果使用图中用于轮毂孔26 的阵列状图案25a 和25b，则在用于螺纹法兰孔40 的轮毂邻接表面部分38 上会发现互补阵列状图案（未示出）。如图1所示，轮毂12 的内表面具有相对平坦的表面部分49，这些表面部分49 位于凹槽22 的平面法兰座表面部分24 的相对侧。

4 结语

用于水轮机的多个转轮叶片，每个转轮叶片包括一个安装法兰，该安装法兰包括一个轮毂对接表面部分，以及从轮毂对接表面部分延伸到轮毂安装法兰的多个螺纹法兰孔，其中轮毂对接表面部分的横截面为非圆形，多个螺纹法兰孔以第一阵列状排列在轮毂邻接表面部分上；一种空心轮毂，用于支撑转轮叶片，并包括一个中心开口和一个外表面部分，其中轮毂呈环形延伸，作为围绕轮毂轴线的连续结构，轮毂的外表面部分包括多个凹槽，每个凹槽具有法兰座表面部分，用于座合轮毂安装法兰的相应轮毂邻接表面部分，其中凹槽包括围绕法兰座表面部分延伸的侧壁，侧壁与轮毂邻接表面部分的非圆形横截面互补，以及具有多个毂孔的凹槽，所述毂孔从所述法兰座表面部分延伸穿过所述低毂并进入所述中心开口，所述多个毂孔以第二阵列状图案布置在所述法兰座表面部分上，第二阵列状图案中的每个轮毂孔与第一阵列状图案的相应一个螺纹法兰孔对齐。其中，第一和第二阵列状图案是互补的，多个螺栓连接，一个用于对齐的轮毂孔和螺纹法兰孔，其余用于将多个转子叶片固定到空心轮毂上，每个螺栓连接具有位于中心的螺栓头状部分。