低水面径流式小型水电站调桨式水轮机的设计

低水面径流式小型水电站调桨式水轮机的设计

低水面径流的小水处理厂通常采用定额式水库发电，具有低效率，尤其是不能适应旱季和雨季的水位和流量变化。此时机组在严重偏离额定水头的工况下运行,空蚀和振动严重,对水轮机破坏很大。若采用转桨式双调水轮发电机组,则设备投入大,电站维护保养费用高。为了提高效率,减少电站在设备方面的投入,笔者所在公司开发了一种手动调桨式水轮机,可弥补这方面的不足。1调桨式水轮机定桨式水轮机在最优工况下工作,转轮进口水流相对速度与叶片剖面中线在进口处的切线方向一致,水流与叶片不发生进口撞击,其绕流是平顺的,水力损失小、效率高,不发生空蚀和振动;当偏离最优工况时,进口水流在叶片头部产生冲击,在叶片的背面产生脱流和空蚀,产生较大的水力损失,引起振动。手动调桨式水轮机由于叶片角度的调整,避免了水流对叶片的进口撞击,保证绕流是平顺的,提高了水轮机效率。对于低水头径流式水电站来说,没有库容调节能力,到枯水季节,流量少,当低于相应水头下机组最大保证功率75%所对应的流量时,定桨式水轮机效率降低很快,易产生空蚀和振动,因此不宜发电;到丰水期,流量增大,弃水较多。如果改为手动调节以后,桨叶的角度可以改变,相应的单元流量Q1′可以改变,保证在35%～100%额定流量范围内可以正常发电。2结构设计手动调桨式水轮发电机组主要包括轴伸贯流式手动调桨水轮机、竖井贯流式手动调桨水轮机和立式轴流式手动调桨水轮机。1桨叶的调节轴设置轴伸贯流式水轮机主要由进水部分、径向轴承、导水机构、埋入部分、主轴部分、导叶调节机构、推力轴承箱、转轮部分、桨叶调节机构等部分组成。为了便于操作,手动调桨机构的手轮支撑座设在进水部分的座环上,传动部分设在径向轴承座上,利用蜗轮蜗杆把手轮的旋转运动传递给螺杆螺母,把手轮的旋转运动变成螺杆螺母的直线运动,同时通过2对推力调心滚子轴承来承担水轮机桨叶的水力矩。调心轴承可消除安装误差,采用2处弹簧给轴承施加预警力,轴承盒设有专门的稀油管给轴承润滑,润滑的油与径向轴承的润滑油一起回到稀油站。轴承盒上设置的导向键可防止轴承盒跟转。在轴承盒上设有导向杆,可通过钢丝绳把刻度反映到座环上设有的刻度牌上;也可以用直线位移传感器来反映桨叶的刻度(见图1)。桨叶的调节轴装在短主轴的内孔里,短主轴的内孔因轴短而便于加工;调节轴不长,运转同心度好,刚性好,便于调节。实践证明,把调节轴设置在短主轴内是非常合理的。转轮的结构与转桨的转轮结构相同,由调节长、短轴通过连杆机构来实现桨叶转动。桨叶轴瓦采用自润滑轴承FZ—2,可以有效降低桨叶轴与轴承之间的摩擦阻力。桨叶密封仍采用“λ”密封,在左轴承内孔上设有2道“O”型密封圈,防止转轮内漏水流向径向轴承。2桨叶的调节机构考虑到本机型的特点,竖井内空间狭小,桨叶调节机构布置在水轮机主轴法兰端。操作人员在停机后到竖井内调节时受主轴停转桨叶调节机构调节孔不定的限制,在主轴的法兰上设有4～5个小锥齿轮,锥齿轮的端部开有方孔,通过专用的工具来调节桨叶的角度。与小锥齿轮配合的大锥齿轮内孔通过螺母与螺杆的旋转运动来实现调节杆的直线位移,从而实现桨叶的角度调节。角度的观察通过与螺杆联接的指针在刻度牌上显示(见图2)。3转动蜗杆立式轴流式水轮机的机坑空间大,对结构限制小,采用蜗杆蜗轮+螺母螺杆的结构(与竖井调节水轮机的调节机构大体相同),蜗杆的端部加工成方形,通过专用工具转动蜗杆来带动蜗轮,再通过螺母螺杆带动调节长短、杆直线运动,从而实现桨叶的转动。桨叶调节的角度仍可通过与螺杆联接的指针在刻度牌上显示。由于桨叶调节机构设在主轴与电机轴联接的法兰上,为保证操作者操作方便,机构距机坑踏板的高度不能太高(见图3)。3机组概况及运行情况低水头径流式电站一般采用定桨式水轮机与手动调桨式水轮机相结合的原则,当电站选型3台左右时即可选1台手动调桨式水轮机做调节流量用。术布水电站位于甘肃省临潭县境内的洮河干流上,为低坝径流引水式水电站。坝址以上径流主要来源于大气降水,其中以雨水补给为主,雪水补给为辅。3月中、下旬至5月为春汛期,由上游冰雪融水和降雨补给;6～9月为夏秋洪水期,以大面积降水补给为主,有的年份可延长至10月上旬;10～11月为秋季平水期,以地下水补给及河槽储蓄量为主;12月至次年3月初为冬季枯水期,以地下水补给为主,水量小而稳定。总装机容量为6.0MW(3×2.0MW),厂内装有3台轴伸贯流式水轮发电机组,单机容量2.0MW。水轮机最大水头6.98m,加权平均水头6.49m,额定水头6.49m,最小水头4.34m,额定流量37.8m3/s,转速166r/min。其中2台水轮发电机组为GD008—WZ—260(定桨),1台为GT008—WZ—260(调桨),均用行星齿轮箱增速,速比I=4.51。发电机型号为SFW2000—8/1430,按超发10%额定出力设计。2007年10月装机运行。经过3a的运行,基本上3～10月份是3台机发电,2台定桨的叶片安放角为+17.5°,单台额定流量在38m3/s左右,可正常发电;另1台调桨在汛期角度为+22.5°,单台流量在45m3/s左右,出力在2200kW左右。从12月份到3月份,1台调桨运行,桨叶角度为+2.5°,流量在17m3/s左右,出力在600kW以上不等。而在下游附近的1座电站,12月份以后基本上不开机。根据水轮机模型曲线,选取下列水头工况下最高效率时的单元流量,制成水头、流量和桨叶角度的表格,供工作人员调节时参考使用(见表1)。4调节水轮机的调节作用手动调桨式水轮机主要应用在低水头电站,直径在3m以内,与定桨式水轮机共同使用,主要在汛期和枯