小型双调式轴伸贯流水轮机的开发

徐大荣，程少群

(1．杭州大路装备有限公司，浙江 杭州 311234；2．杭州诚德发电设备有限公司，浙江 杭州 311200)



小型双调式轴伸贯流水轮机的开发

徐大荣1，程少群2

(1．杭州大路装备有限公司，浙江 杭州 311234；2．杭州诚德发电设备有限公司，浙江 杭州 311200)

为了更加有效地利用有限的水力资源，对于低水头小型轴伸贯流式水电站，国内外越来越多的客户要求水轮机采用双调结构；因此，迫切需要开发一种结构简单，生产制造成本低的小型双调式轴伸贯流式水轮机，以便用户根据实际条件优选。图4幅。

轴伸贯流式水轮机；双调结构；设计

1 概 述

轴伸贯流式水轮机是贯流式水轮机的一种，发电机卧式布置于流道之外，具有厂房开挖量少、安装维护方便等优点，是水头小于25 m、转轮直径小于3 m的低水头电站的首选机型。目前，国外最大的轴伸贯流式水轮机转轮直径是8.6 m，单机容量最大的是31.5 MW，最大使用水头是38 m。我国轴伸贯流式水轮机发电机组起步比较晚，技术水平低，国内已经运行的轴伸贯流式水轮机多采用定桨式转轮，桨叶不能调节。有的转轮桨叶是半调节，在机组停机时打开转轮室，可将叶片的角度进行调整；有的电站水轮机采用手动调桨装置，在机组停机的时候，通过蜗轮蜗杆手动调节桨叶的角度。双调式水轮机就是导叶和桨叶同时可调，并保持一定的协联关系。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机式电站，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，故采用双调节可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，在国内轴伸贯流式电站中，只有转轮直径比较大的水轮机采用双调结构。对于转轮直径小于2 m的轴伸贯流式水轮机，目前没有使用双调结构，其原因一是水轮机容量不大，收益不高，采用定桨式水轮机可以节省投资；二是转轮直径小，大多数直径在2 m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，对于低水头小型轴伸贯流式水电站，国内外越来越多的客户要求水轮机采用双调结构；因此，迫切需要开发一种结构简单，生产制造成本低的小型双调式轴伸贯流式水轮机，以便用户根据实际条件优选。

2 水轮机双调结构的说明

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。双调结构一般有两种：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，操作机构在上游(见图2)。轴流式水轮机一般采用图1的双调结构，贯流一般采用图2的结构。国内几个已经运行的采用双调结构的轴伸贯流水轮机，其结构类似图2，转轮直径都在2.75 m以上。轴伸贯流有前轴伸和后轴伸两种形式，后轴伸水轮机效率高，使用广泛，本文所论述的主要是后轴伸式水轮机的双调结构。

图1 双调结构示意一

图2 双调结构示意二

3 小型轴伸贯流式水轮机的双调结构

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。小型轴伸贯流式水轮机因转轮尺寸小，布置空间有限，水轮机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内存在困难的问题，必须将转轮体内部的结构简化。为此，将桨叶接力器外置，与受油器设计成为整体，通过直杆连接桨叶操作结构操作桨叶；这样就取消了复杂的操作油管，并使转轮体内部的结构得到简化。设计成整体的外置受油器和接力器叫油分配操作器。油分配操作器将受油器和接力器的功能合二为一，设置在上游灯泡体内，即水轮机轴头位置(见图3)。

图3 小型轴伸贯流式水轮机的双调结构示意

图3是1个转轮直径为1.4 m的轴伸贯流双调式水轮机结构，转轮接力器外置，操作杆代替了操作油管，主轴和转轮体内无油。与手动调桨式机组布置方案类似，只是将蜗轮蜗杆装置改成了油分配操作器。油分配操作器既可以将来至调速器的压力油分配给接力器，又能推动操作杆移动，达到控制桨叶角度的目的(见图4)。

图4 油分配操作器结构示意

如图4所示，整个装置除了支架、位移信号器和油分配器外壳是不转动的以外，其余都是和主轴一起旋转的。油分配器外壳的压力油开关腔分别和调速器的开关油路联接，外壳虽然不与主轴一起旋转，但和接力器活塞杆一起做直线运动，并通过位移信号器将桨叶角度的变化传给调速器。油分配器外壳的压力油开关腔相当于常规液压接力器的开关腔，运行原理是一样的，当其中一腔接通压力油的时候，另一腔无压，并起到排油的作用。

4 优 点

小型轴伸贯流式水轮机双调结构设计的难点在于油分配操作器的设计。这种新颖的设计思路，将常规双调结构的受油器、操作油管和桨叶接力器的功能集于一身，具有显著的优点。

(1)结构简单，安装维护方便。因将桨叶接力器外置，取消了操作油管，使整个双调结构非常简单。油分配操作器设置于水轮机的上游侧灯泡体内，可以很方便地更换接力器密封件，无需拆卸转轮，使安装维护变得非常方便。

(2)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，减少了对下游水资源的污染。

(3)油分配操作器可以系列化设计，通用性强，无需单独设计，生产制造成本低。与手动调桨结构相比，结构更简单，成本更低；与纯定桨相比，制造成本增加得不多，但可以显著提高水轮机加权平均效率，增加电站的发电量。

5 结 论

小型双调轴伸贯流式水轮机的开发，填补了国内的空白，使转轮直径大于1 m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。

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责任编辑 吴 昊

2014-11-20

徐大荣(1975-)，男，高级工程师，主要从事水轮机的结构研究设计和水轮机选型开发设计工作。E_mail：xuqingcuan@163.com