軸伸式水輪機採用水平軸向布置，結構上明顯的特徵是導葉與機組中心線成65°布置，採用軸向錐形導水機構。軸伸貫流式水輪機流道由進水管、座環、錐形導水機構、轉輪室、尾水錐管和S型尾水肘管及尾水渠組成。軸伸貫流式水輪機的流道是軸向的，水流平行於水輪機軸流向轉輪。
基本介紹
- 中文名：軸伸式水輪機
- 外文名：Axial turbine
- 學科：電力工程
- 領域：能源
- 布置方式：水平軸向布置
- 特點：導葉與機組中心線成65°布置
簡介,總體結構與布置形式,軸伸貫流式水輪機的創新改進設計,總結,
簡介
到20世紀80年代，使用水頭在2.5～20m貫流式水輪機的研究和套用，取得突破性的進展。1986年天津電氣傳動設計研究所（以下簡稱天傳所）成功研製出具備高的水力效率和良好空蝕性能的GZ006軸伸貫流式水輪機模型轉輪，填補了國內空白。1988年7月國內首台軸伸貫流式發電機（GD006-WZ-180 配SFW1250-20/2150）成功投入運行。而後天傳所相繼開發出的GZ008、GZ007等一系列模型轉輪，為軸伸貫流式水輪機的套用推廣提供了可靠的技術保障。
在低水頭小型水電站的開發過程中，軸伸貫流式水輪機因為投資少，因此當經濟性轉輪直徑在D1≤3m，單機容量N<5MW時，我們推薦使用軸伸貫流式水輪機。
國內已運行的軸伸貫流水輪機多採用定槳式轉輪，軸伸貫流水輪機套用的最大轉輪直徑2.9m，最大單機容量3.5MW，最大使用水頭22m。
總體結構與布置形式
軸伸貫流式水輪機採用水平軸向布置，結構上明顯的特徵是導葉與機組中心線成65°布置，採用軸向錐形導水機構。軸伸貫流式水輪機流道由進水管、座環、錐形導水機構、轉輪室、尾水錐管和S型尾水肘管及尾水渠組成。軸伸貫流式水輪機的流道是軸向的，水流平行於水輪機軸流向轉輪。這樣可以將上游來水以儘可能少的水力損失、均勻地引入錐形導水機構，形成理想的環量進入轉輪室，然後高效地轉化為水輪機的機械能，尾水錐管和S型尾水肘管把轉輪出口的能量進行充分的回收。
水輪機的進水管頂部開有吊物進人孔，以供裝卸燈泡體內工件時使用。座環由四根支柱、兩個底腳組成，上支柱是油、氣、水管路的入口，下支柱是排水管、排油管的出口，水輪機流道內零部件重量以及動載荷通過座環傳遞到基礎上。考慮機組運行的穩定性，進水管與S型尾水肘管大部分埋入混凝土中。
水輪機主軸從肘管中水平穿過後通過與常規發電機聯結，發電機和水輪機軸承共用一個供油系統，集中供油。為保證機組運行穩定，發電機機坑底部距流道有足夠距離。調速器與水輪機的控制環相連，實現機組的開機、併網、增減負荷和停機。軸承高位油箱布置在距機組中心線高約10m的副廠房內，回油箱及液壓站布置於水輪機機坑內。
當機組轉速較高時，可與常規發電機直接聯接；若發電機的轉速低，可通過增速器與發電機聯接。
軸伸貫流式水輪機的創新改進設計
在軸伸貫流式水輪機的設計開發方面，消化吸收國內先進的設計思想，不斷的創新與發展，在結構設計方面具有一些特點。
1.主軸密封裝配的改進
主軸密封採用聚四氟乙稀盤根工作密封和空氣圍帶停機密封結構。聚四氟乙稀盤根的特點是：鬆軟，容易浸漬潤滑劑，對軸的振動和偏心有浮動彈性，緻密性好，能滿足主軸密封對填料的性能要求。同時與之相對應，轉軸的粗糙度要高，這樣摩擦損失就小，我們在主軸上塞焊一段不鏽鋼護套，這樣主軸表面既有足夠的耐磨度和硬度，又能長時間維持這種粗糙度，可以滿足這種密封結構的要求。
這種密封結構簡單，安裝調整方便，且具有良好的封水性能，使用壽命長。它主要由密封座、壓環、工字環、甩水罩及錐形罩等組成，在工字環內通以0.15~0.2MPa的清潔水，當密封潤滑水接通後，水壓使盤根與主軸不鏽鋼護套表面接觸，起到封水作用。這樣既不會因摩擦而燒壞主軸，又能達到很好的密封效果，經過多個電站使用，發現這種密封效果好。
2.導葉保護裝置的創新設計
軸伸貫流水輪機採用錐向錐形導水機構，其導葉傳動機構是空間運動的，剪斷銷除了承受剪下力外還受到扭矩的作用，容易疲勞斷裂。剪斷銷被剪斷，導葉可能會失控，與相鄰導葉相碰，誘發相鄰剪斷銷被剪斷的連鎖反應，而且剪斷銷被剪斷後，機組的振動非常大，破壞性很強。
早期的軸伸貫流式水輪機採用常規的剪斷銷裝置，更新為剪斷銷加摩擦副保護結構，導葉間隔布置剪斷銷，這樣可以在剪斷銷被剪斷後，由於摩擦副對導葉臂有阻力，使導葉不會轉動到與相鄰導葉相碰。從而保證機組的安全穩定運行。這一結構在電站的實際運用中證明是十分可靠的。
3.軸承的內循環結構的創新設計
在設計陝西洛河下桃電站時，我們使用前導軸承採用賽龍材料的水潤滑軸承，水輪機的推力軸承為φ250雙向推力軸承，是內循環結構，因而取消了傳統設計中採用的外循環潤滑油供油裝置。這樣就省去了集油供油裝置、重力油箱以及油管路控制系統，這不僅降低了機組的造價，方便了機組的安裝維護，使機組布置簡單清晰，同時也避免了由於輔助設施及控制元件會發生的事故隱患，增加了機組運行的安全穩定。
4.轉輪及主軸的裝卸方法
軸伸貫流式水輪機主軸特長，其主軸、轉輪的安裝是一個重要問題。以前設計的軸伸貫流式水輪機，主軸有的設計成從肘管出軸處拉出，這會增加廠房的寬度，同時要移動推力軸承、發電機等。也有採用轉輪室、直錐管、肘管按軸線水平分開的，這樣雖然解決了主軸的吊裝問題，但又增加了機組安裝的難度，也提高了機組的製造成本。進行如下設計：採取轉輪室、直錐管進行分半，伸縮節設在直錐管與S形肘管之間。這樣，主軸及轉輪可以直接從分半轉輪室、分半直錐管處吊出吊進，這樣降低了製造成本，又方便裝拆，也縮短了廠房寬度，降低了廠房造價。
5.增速器結構的套用
在低水頭電站中，如設計水頭低於5m，水輪機的轉速一般都不超過250r/min，如果採用常規的直連方式，會造成發電機的尺寸很大，帶來價格增高、效率降低、吊車容量和土建投資增大等一系列問題。
利用行星齒輪增速器取代常規的水輪機與發電機直連的方案，能使發電機尺寸成倍減小，上述問題便迎刃而解。
其次，採用增速技術可以使水輪機的轉速選擇不受發電機同步轉速的限制，可以根據水電站的水頭、流量、出力等參數，最合理地選擇水輪機最高效率相對應的轉速，使水輪機在最佳轉速即最優工況下運行，發揮應有的高效率。
國內增速器的專業製造廠家的設計水平、製造精度和工藝、材料性能等方面都有了顯著的提高，已研製出了性能優良的增速器系列。根據電站的使用情況，當軸伸貫流式機組的設計水頭低於5m，轉速低於214.3r/min時，我們推薦採用加增速器的方案。
總結
在低水頭中小型水電站的開發利用中，軸伸貫流式水輪機具有資源利用充分、投資節省的優勢和電量增值、綜合效益增值的效果，是開發低水頭徑流式中小型水電站的一種非常經濟適用的水輪機型式。當前，我國的低水頭水力資源的開發正蓬勃發展，對選用軸伸貫流機組的性能、外觀、可靠性、安全穩定性等諸方面提出了更高的要求。我們將為軸伸貫流式水輪機設計開發出更加先進合理的結構，以滿足市場的需求。
