轴流式水轮机转筒式调桨装置的改进设计

轴流式水轮机转筒式调桨装置的改进设计

轴流式织物的水动力特性该装置是集水区的主要设备，主要由引水装置、储水装置、车轮、储水装置和主电源组成。其工作原理为:水流进入密闭的压力管道,在引水部件(蜗壳)的作用下成回旋状流向导水机构,操作调速机构来控制导水机构的开闭及其开度,以控制进入转轮区的水流量;水流作用于转轮桨叶,驱动转轮旋转,水能转化为机械能;转轮与同步发电机由主轴部件刚性连接,旋转运动传递到同步发电机,实现水能转化为机械能,再转化为电能的能量转换。当水流无撞击进入转轮和法向出口的条件下,水力损失最小,效率最高,称为最优工况。运行时,调节导水机构的开度和转轮桨叶的角度,以实现在不同流量状态下的水能转化效率最高。轴流式水轮机的转轮形似螺旋桨,桨叶正面和背面是不同的空间曲面,桨叶曲面是否合理直接影响不同流量状态下的水能转化效率及其使用寿命。为提高小微型轴流式水轮机水能转化效率,降低水电站维护成本,结合多年的设计、制造经验对其机械结构和装置等进行改进设计。主要包括开发转轮的调桨装置和导水叶传动机构的改进设计以及采用逆向反求技术和快速成型技术取得桨叶的三维实体造型(数字化桨叶)和实物模型。1调节转子再调节方式现代水轮机按水能利用的特征分成两大类,即反击式和冲击式。冲击式仅利用水流的动能,反击式利用水流的势能和动能。根据水流在转轮内运动方向的特征及转轮结构的特点,反击式水轮机分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。水流在导叶和转轮之间的流向由径向转为轴向,经过转轮区域时轴向流进、轴向流出的水轮机,称为轴流式水轮机。根据转轮桨叶能否相对于转轮体调节角度,即能否调节转轮过水量,轴流式水轮机分为定桨式、调桨式和转桨式。定桨式水轮机的转轮桨叶角度不可调节,只在单一流量时可获得较高水能转化效率,偏离设计工况时,水能转化效率急剧下降,仅适用于功率不大且水头变化幅度较小的小型电站;调桨式水轮机通过调节转轮桨叶角度,再调节导水叶开度,确保不同流量时转轮均在最优工况下运行,始终获得较高水能转化效率;转桨式水轮机的导水叶和桨叶能同步调节,桨叶角度在不同水头下与导水叶开度保持协联关系,也能获得较高的水能转化效率。调桨式或转桨式水轮机组目前主要用在低水头(3～70m)的大中型水电站,极少应用在星罗棋布的小型水电站。调桨、转桨机型水能转化平均效率高,能适应水流量季节更替变化而不弃水,对于单台机组的电站,年发电量会增加30%以上。从大中型轴流机组调桨装置来看,由于转桨机型为同步协联调节,系统复杂,造价极高,不宜运用在小微型机组,而调桨结构则相对简单。此前,小微型轴流式水轮机全部是定桨机型,因此调桨机型蕴含巨大的市场需求。2桨叶与转轮孔连接小微型轴流式水轮机改变桨叶角度曾有2种较典型的方案:①设计制造多个定桨转轮,桨叶角度依据各种预定流量设计。需改变桨叶角度时,停产拆机更换转轮,通常桨叶角度有4种,即00、50、100、150。②设计制造一个转轮,桨叶与转轮体通过螺钉连接,转轮体上一般设3组螺孔。停产拆机变更桨叶与转轮体连接螺钉孔的方位,可实现00、50、1003种桨叶角度变换。上述方案能大致满足大、中、小水流量时的需要,属定桨式,缺点明显:只能保证对应的几种流量下水能转化效率较高,阶梯式地变换调节,而非连续性调节桨叶角度以适应河水流量不断变化;角度变换时,需拆开机组,拆下工作转轮进行变换,拆装工作量大,费时费力,造成的间接损失(停产不发电)非常大。因此,需开发在不拆机条件下能可靠操作、连续调节的调桨装置。2.1桨叶控制基本原理专为小微型轴流式水轮机设计的调桨装置传动原理如图1(4个均布桨叶轴,仅画2个),核心结构是:蜗杆传动—螺旋传动—空间曲柄滑块机构。此装置是手动机械调节装置,结构简单紧凑,造价低;传动比大,调整轻便省力,能实现停机连续调桨;桨叶角度由角度指针直观指示,结合生产实践,可使调节的精度越来越高。调桨过程:当流量变化、需要调桨时,先关闭导水叶或进水阀,机组刹车停机;然后通过快速装拆的手柄摇动手动蜗杆,驱使蜗轮转动;蜗轮中部是内螺纹结构,且轴向受上下法兰地限制,蜗轮只能转动,不能轴向移动,因此蜗轮中的螺母结构与丝杆构成螺旋传动,丝杆直线向上(或向下)移动,安装在丝杆上的调桨架一同向上(或向下)移动;调桨架、连杆与拐臂构成空间曲柄滑块机构,调桨架的移动通过连杆带动拐臂转过相应角度,桨叶轴与拐臂一同转动,实现同步调节4个均匀分布桨叶的角度。在初始角度(根据设计工况流量设定)的基础上有-7.50～+7.50调整范围。2.2调桨装置的主体结构小微型轴流调桨式水轮机转轮如图2所示(桨叶未画)。主轴为三段式结构:双法兰结构的上、中、下主轴,其中上主轴与发电机主轴相连接,下主轴上端与蜗轮蜗杆壳体、中主轴刚性连接,下端与转轮体相连接;下主轴是中空轴,孔内布置调桨丝杆,丝杆上端与蜗轮螺孔形成螺旋传动副,下端装有调桨架,采用双圆螺母(未画)防松锁紧调桨架;调桨丝杆的移动通过导向键导向。年度检修水轮机时,只需拆卸中主轴与上、下主轴间的连接螺栓,卸下中主轴就可进行检修,大大降低拆装工程量。传统的小微型轴流式水轮机主轴均是两段式结构(上、下主轴),检修前则要先拆卸处于厂房检修层的上主轴和操作层的发电机、轴承箱、输出线路及冷却水管等,费工耗时,拆装时存在损毁风险和增加维修成本。由于桨叶和桨叶轴需承受相当大的水流轴向推力,因此桨叶轴采用两支承结构,设有铜套,提高了承载能力和运行平稳性。桨叶轴与拐臂间采用销连接,装配时,两者周向相对位置是:桨叶处于初始角度,拐臂对称面处于水平状态,销孔配钻。为保证调桨装置的良好操作性和可靠性:调桨架4个叉形结构的中心对称面相对于轴线的位置度公差值为0.04mm,该零件的加工精度和装配精度较高,叉形结构及外轮廓和带键槽中心孔应采用线切割机或加工中心一次安装加工完成,以实现4个桨叶能同步改变角度,没有卡滞现象;机组运行时,水流的轴向推力及振动会传递到调桨装置,螺旋传动副和蜗杆传动副必须具有自锁功能,设计时应予校验;另外因低速重载传动,水轮机使用周期长(设计寿命30a以上),故相对运动表面的耐磨性要求高。蜗轮的轮齿和螺纹结构均采用青铜合金,丝杆分两段制造,与蜗轮配合段选材为高锰钢(65Mn),表面淬火,另一段选材为不锈钢,两段间采用过盈配合且铆焊连接。转轮体内空腔需要密封,防锈:桨叶轴与转轮体间用O型圈密封(桨叶轴上开有外环槽);丝杆与转轮体间用O型圈加压盖的密封结构。连杆两端的8件铰链轴、桨叶轴与曲柄间4件销轴均选不锈钢材料,转轮体内外的紧固螺钉也采用不锈钢螺钉。运动副需要润滑:中主轴上开2个注油斜孔,蜗轮上设2个油孔(图2),润滑油可到达螺旋传动副、蜗轮蜗杆传动副、上下法兰与蜗轮的端面之间,确保各运动副得到充分润滑。3测试量和出力发生相应变化导水机构由导水叶和导水叶传动机构组成,调节导水叶开度,水轮机的流量和出力发生相应变化。原有导水叶传动机构通常由控制法兰环、拐臂和拉杆组成,拐臂两端各有一销轴孔,分别与导水叶轴和控制法兰环相连,拉杆推拉控制法兰环使其转动,拐臂则驱动导水叶转动,实现导水叶开度的改变。3.1导水叶拐臂的结构布置图3为改进后的导水叶传动机构原理图。连杆、相邻两拐臂和安装导水叶轴的座环共同构成平行四边形,连杆将各拐臂(有3个销轴孔)联成一体。拉杆推拉其中一拐臂,各拐臂在连杆作用下同时摆动相同角度,拐臂驱动导水叶轴转动,实现导水叶开度的改变。在结构布置上,原有拐臂、控制法兰环均在导水叶布置圆径向内侧,拉杆的力臂小,调节导水叶非常费力,且控制法兰环与拐臂的装配难度大;设计时,将拐臂布置在导水叶布置圆径向外侧,增大拉杆力臂,也便于整体和单个拐臂装配检修等操作。导水叶的开度有0°、22.5°、45°3种特征位置:开度22.5°,拐臂的中心对称面正好通过导水叶布置圆的圆心,另2个为极限方位。装配时,所有导水叶应处于关闭(0°),确保生产操作时导水叶能关闭严密不漏水;各拐臂在图3的基础上逆时针转22.5°(角度靠模定位)与导水叶轴装配,后用连杆将各拐臂连接;旋紧拐臂上的紧定螺钉,将拐臂与导水叶轴的相对位置固定;吊装至摇臂钻床工作台,在导水叶轴和拐臂间配钻一销孔,打入用于传递转矩的圆柱销。此种装配工艺可大大降低检修时的调整工作量和难度。3.2控制机构的装配试制阶段,连杆设计成一个零件。考虑到制造、装配误差及误差累积,连杆与拐臂的装配结构(图4,剖切位置为图3A-A)设有偏心轴、偏心套和铜套,偏心轴、偏心套用于补偿制造、装配误差。实际装配中,调整的工作量和难度很大。为此,结构改进为:连杆设计成一组件,两连杆头用一双头螺柱连接,螺柱两端螺纹旋向相反,调节螺柱轻松实现连杆长度调整,达到误差补偿目的,装配工作量和难度也大大降低;偏心销、偏心套和铜套则由销轴和弹性金属氟塑料轴瓦(简称EPM)替代,节约制造、维修成本。以转轮标称直径为ϕ100cm的机组为例:拐臂有12个,铜套需24个,单件成本价为120元,而EPM单价不超过10元,把偏心销、偏心套计算在内,一台机组可节约制造成本不低于4000元;维修更换EPM,也可降低维修成本。4桨叶型谱设计水电开发因水轮机技术的特殊性,通常先进行水力模型研究,后根据相似原理将模型按比例放大设计成需要的原型水轮机。要完成一个水轮机模型的设计和试验,需较长的设计试验周期。基于设计制造周期和经济性考虑,中小电站水轮机的设计,一般是套用现有型谱或模型曲线。采用逆向反求技术和相关软件为成熟的桨叶建立同系列不同规格的数字化桨叶,可显著缩短设计、制造周期,实现个性化设计制造,使电站投资效益最大化。桨叶优化方法:取一成熟桨叶实物,先在三坐标测量机上利用手动打点的方法测出其两曲面的点数据,后用AURORA专用数据处理软件对其点数据进行处理,并用UG软件优化设计其三维实体,最后用快速成型机将桨叶成型输出。由此得到曲面准确、合理的桨叶(塑料件),同时建立数字化桨叶;利用模型先铸铝模,后由铝模铸桨叶。水轮机是单件制造的专用发电设备,当客户提供电站的技术参数,即可以量体裁衣式设计桨叶:利用UG软件完成数字化桨叶相应比例缩放,得到同一系列不同规格,满足具体水电站个性化要求的桨叶。5改进机组运行区域比较小微型轴流式水轮机改进型机组的水能转化效率显著提高,且大大降低装配的难度和制造、维修成本,操作更为轻便灵活;应用新技术完成桨叶设计,建立数字化桨叶,确保桨叶有合理的曲面,为提高水能转化效率奠定基础。某电站原有1台200kW定桨机组,技改时新装1台200kW改进机组(设计流量为5m3/s,设计水头为5.2m)。依据运行的数据,运行区域出力图见图5、图6。比较可得:定桨机组流量在0～3m3/s是空载,即不能发电。改进机组流量在1.5～6m3/s均可发电,流量为0～1.5m3/s仍是空载。两机组在水头及流量相同的情况下,改进机组出力更多;定桨机组的流量越偏离设计值,转化效率越低,出力差别越大。改进机组运行区域(阴影面积)比定桨机组大很多。改进机组的单价比定桨机组价高6万元左右,年平均发电量增加约2×105kW·h,利润至少4万元,增加的投