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摘要：國內目前轉輪直徑最大的帶增速器的軸伸貫流式水輪發電機組已投入發電。介紹這方面的代表——東風電機公司開發大型軸伸貫流式水輪發電機組的設計思路、結構特點等。

關鍵詞：軸伸貫流水輪發電機組結構設計

1概述

大型軸伸貫流式水輪發電機組是東風電機公司開發的一種結構簡單、性能優良、安裝維護方便的機型，它適用于低水頭、大流量電站的裝機，一般使用水頭在2.5～18m，直徑等級在d1≤3m以及單機額定出力n=5mw以下的機組。該機型發電機移出燈泡體，露在水輪機外，還可采用各種形式的增速裝置。由于可采用常規發電機，中小型機組經濟性顯著。在中小型水力資源的開發中，軸伸貫流比燈泡貫流投資少、經濟性好，在安裝、使用、維修、保養上比燈泡貫流方便，在性能方面也和燈泡貫流機接近。下表列出了東風電機公司已投入運行的部分該類機型及典型電站。

2總體布置

軸伸貫流水輪機組，水流從進水管引入，經導水機構、轉輪、尾水管排至尾水渠道。轉輪室后的肘管成s型，水輪機主軸從肘管中水平穿過后通過增速器與常規發電機聯結。水輪發電機組設2導1推共3個軸承，其中水輪機側設有2個軸承。水輪機徑向軸承布置于固定支座內，徑向推力軸承布置于肘管密封座與增速器間的廠房地板上；發電機的徑向軸承布置于轉子的下游側。發電機和水輪機軸承共用一個供油系統，集中供油。為保證機組的運行穩定，發電機機坑底部距流道有足夠的距離。

軸伸貫流水輪機是水平軸向布置的，沒有蝸殼，流道也是軸向的，水流平行于水輪機軸流向轉輪，可以把導水機構布置在靠近轉輪葉片的位置上，從而充分控制轉輪入口處的水流條件，使轉輪具有更佳的抗氣蝕性能。導水機構采用錐形布置，16只導葉成圓錐狀布置在內外配水環之間，其錐角為65°。考慮機組運行的穩定性，進水管的座環與尾水管大部分埋入混凝土中。水輪機進水管頂部開有方形孔，以供裝卸燈泡體內工件時使用。對于流道內的水輪機部分設有4根固定支柱，其中上支柱是油、氣、水管路的入口，下支柱是排水管、排油管的出口，并且水輪機流道內的零部件重量以及動載荷通過固定支柱傳遞到基礎上。調速器與油壓裝置分開布置，設置于水輪機上游側，通過操作油管、反饋鋼絲繩與水輪機的導水機構相連。軸承高位油箱布置在距機組中心線8～10m的副廠房內，回油箱及增速器的液壓站布置于水輪機機坑內。總體布置見圖。

3水輪機主要結構特點

3.1轉輪及主軸

軸伸貫流水輪機轉輪參數選擇與燈泡貫流式轉輪不同。例如葉柵稠密度1/t值的大小，是影響單位轉速、單位流量的重要因素。選擇較小的1/t值，轉輪就具有大的過流能力和高的單位轉速。然而“s”型尾水管限制過大的流量通過，因1/t值過小，水流能量轉換不充分引起水力效率下降。因此，軸伸貫流水輪機轉輪采用周邊較小的1/t值，而靠近輪轂處采用較大的1/t值，葉片平均稠密度也較大，葉片進出水邊均為曲線。除此之外，葉片相對的扭角較燈泡轉輪稍小，這樣選擇參數設計出的轉輪具有優良的能量和氣蝕特性。

對于轉槳式軸伸貫流式水輪機，其轉輪的轉槳機構為帶操作架的直連桿機構。槳葉回復機構設在受油器上，通過扇形板和鋼絲繩將機械運動輸出。轉輪葉片的密封采用多層“u”橡膠。為便于轉輪安裝，轉輪泄水錐分為上下兩部分。轉槳式軸伸貫流式水輪機支撐方式與定槳式相同，均為兩支點支撐。由于主軸長、跨距大，為增加主軸剛度，減輕主軸重量，主軸采用空心鍛件，或采用厚壁無縫鋼管、焊接法蘭結構。根據軸伸貫流式水輪機的特點，其支撐位置、主軸直徑和內孔尺寸應經多方案優選而定。

軸伸貫流式水輪機結構復雜，發電機轉速低，與小機組相比，尺寸大、重量重，故要求水輪機拆裝時不移動發電機。為此，在兩軸之間設置分半過渡法蘭，就能很方便地單獨拆裝、維護水輪機或發電機。

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。絕大部分的軸伸貫流式水輪機主軸從肘管出軸處拉出，這會增加廠房的寬度，同時要移動增速器、推力軸承、發電機等。也有采用轉輪室、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，但又增加了機殼的安裝麻煩，提高了機組的制造成本。于是，采取轉輪室、直錐管進行分半，伸縮節設在直錐管與肘管之間。水輪機主軸與發電機大軸之間設分半過渡法蘭，在拆卸轉輪及主軸時，可以不移動其它部件而達到拆卸目的，主軸及轉輪可以直接從分半轉輪室、分半直錐管處吊裝。

3.2導水機構

導葉采用整體鑄鋼，二支點結構。導葉翼型為空間扭曲型線，上、下軸承均采用自潤滑材料軸承。導葉軸頭密封處可采用熱套不銹鋼或鍍鉻保護的措施，以防銹蝕影響密封圈的性能。為了便于安裝，導葉短軸設在導葉內環上，與導葉內環軸孔配合。導葉密封采用“y”型加“o”型密封。導葉軸與導葉臂采用圓柱銷分半鍵傳遞轉矩。導葉上、下端面間隙的調整是通過導葉軸端的螺栓及調整墊環厚度來實現的，在關閉狀態下其端面總間隙為0.8～1.8mm，立面局部間隙在1/4導葉高度范圍小于0.15mm，這個要求既能保證漏水量小，又能保證機構的運作靈活。16個導葉分別裝有剪斷銷及剪斷銷信號器，當導葉之間有異物時剪斷銷剪斷并發出信號，以保護其它零件不受損害。由于貫流式機組的導水機構呈錐形布置，連板的運行是空間立體運動，剪斷銷的受力復雜，有剪切力，還有一定的扭矩，很容易發生剪斷。因此，連板及剪斷銷的設計是一個重點。

導葉立面采用金屬密封，頭尾部可根據需要在密合面堆焊不銹鋼。用金屬密封作為立面密封，結構簡單方便，加工制作能完全保證密封的嚴密性，同時貫流機組水頭低、滲漏不大，金屬密封形式也便于導水機構的安裝與調整。

隨著新材料的應用，在導葉密封面噴涂防腐、耐磨的復合密封材料也在增多，有著良好的發展前景。

導葉外環外殼斜向均布著16個搭子孔，用以裝設導葉的上支點。導葉外環為薄殼焊接件，剛性差，為了增大導水機構的整體剛度，在結構設計上適當地布置環向或縱向筋板是必要的。但為解決整體吊裝的變形給安裝帶來的麻煩，設計專用的整體吊裝和翻身定位支撐工具則更為重要。

控制環為滾動摩擦環軸承結構。在控制環的滑動面上設有鋼球，鋼球之間裝有尼龍隔球柱，可減少鋼球之間的摩擦，使控制環具有小的摩擦力矩，保證控制環動作靈活。

導水機構設有控制擺式接力器。控制環大耳孔與接力器推拉桿相連，小孔與導葉連板的叉頭鉸接。另外，控制環上還設有裝回復鋼絲的圓槽。控制環在接力器的作用下作圓周往復運動時，帶動連板，連板再將操作力傳遞給與之鉸接的導葉臂，從而實現對導葉的控制。另外，在空間導水機構傳動的運動和力學分析的基礎上，控制環采用了單耳孔、單導葉接力器的結構，這種系統結構緊湊，布置清晰，安裝調試方便。機組停機時，需對導水機構進行鎖錠，該功能由接力器實現。鎖錠有兩方面的內容，即從原理上對控制油管路進行鎖錠和從機構上對接力器推拉桿進行硬鎖錠。接力器設計時無自動鎖錠，只在導葉全關位置設有人工鎖錠，這是一道十分可靠的防護措施。

連板球鉸采用了標準關節軸承。為防止灰塵等進入軸承內，軸承裝有軸承壓蓋及密封銅片。軸承壓蓋裝有油杯，通過定期加注潤滑油，以保證連板拐臂動作靈活。采用關節軸承，使連扳球鉸具有一定的自調心作用，可對導水機構在制造、安裝過程中產生的偏差進行一定的補償。

工地安裝時，導水機構應整體吊裝。整體吊裝前，應將導葉全部置于全關位置，然后用拉筋將相鄰兩導葉互相搭焊，這樣16只導葉形成一個整體的支撐環，具有足夠的剛度。

3.3主軸密封

主軸密封共3道，第1道為梳齒密封，第2道為水壓活塞式工作密封，第3道為檢修密封。

梳齒密封主要起降壓和防止大顆粒雜質進入，對第2道密封起保護減量作用。為減小磨損，梳齒密封采用不銹鋼材料制成。

工作密封采用水壓活塞式密封，密封環采用性能好的中硬橡膠。特點：可儲存潤滑水，利于接觸面潤滑；凹槽式儲水保證通水孔不會因磨損而堵塞；密封活塞上布置大小合適的進水孔，以使活塞上腔與內腔形成適量的壓差；使壽命長，安裝、調整、維護方便。設計、加工時為控制漏水量，凹槽及導向孔、進水孔尺寸應嚴格控制。對于多泥沙水電站，使用活塞式端面橡膠密封應注意密封水壓一定要大于漏水壓力。為了保證活塞自由運動，在安裝時，應使活塞與活塞體之間有0.05mm間隙。

停機檢修密封根據機組的大小分別采用填料密封或空氣圍帶密封。采用填料密封時，填料為發辮編織式聚四氟乙烯浸漬碳纖維填料，它由多股碳纖維絲呈人字形編織而成，斷面呈方形。其特點是：松軟，容易浸漬潤滑劑，對軸的振動和偏心有浮動彈性，致密性好，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，通常密封面的粗糙度應高于3.2μm，軸表面有足夠的硬度，并能長時間維持這種粗糙度，采用噴涂或堆焊不銹鋼可以滿足此要求。采用空氣圍帶，在機組正常時，圍帶不充壓縮空氣呈自由狀態，與小軸圓柱面有1.5～2.0mm的間隙；停機時，圍帶充以0.5～0.7mpa的壓縮空氣，膨脹抱住小軸密封面，起到密封作用。空氣圍帶只在機組停機時使用，因此對軸的要求要低些。

主軸密封是控制漏水量而不是絕對封水，為了確保密封的安全可靠，須對漏出的水作有效處理。因此在檢修密封位置之后，設計時在轉動部分設置甩水環，尾水罩上設集水管，甩水環將漏出的水封住并通過離心力作用甩入尾水罩內，在重力作用下通過尾水罩上的采水管排出。通過采用以上措施，可以有效防止主軸密封漏水進入水輪機導軸承。

3.4增速器

低水頭電站采不采用增速器，直接影響到電機的造價。如廣東陽江雙捷電站1000kw40極的發電機和1000kw8極的發電機價格之比近3倍，遠遠超過水輪機價格，如果采用增速器后1000kw8極的發電機的總價也不超過1000kw40極的發電機價的一半，有利于低水頭水力資源開發投資的積極性。所以，為了提高發電機的單機容量，縮小體積，降低成本，應當優先采用加增速器方案。在帶增速器的機組中，增速比及所傳遞的功率較大。東風電機公司設計的軸伸貫流水輪機組常采用行星齒輪增速器。該增速器的增速比一般較大，采用獨立的供油系統，發電機與增速器采用柱銷聯軸器聯接。以柱銷聯軸器取代以往的齒輪聯軸器，可以有效減小噪音，改善運行環境。

為消除行星齒輪增速器傳動時的力矩波動，與之相配的聯軸器為柱銷聯軸器。由于柱銷與柱銷孔為間隙配合，且柱銷富有彈性，它允許兩軸在徑向有0.15～0.25mm的位移量，在軸向有0.5～3mm的位移量，從而可獲得補償兩軸相對位移和緩沖力矩波動的性能。柱銷在傳遞力矩時會發生彈性變形，從而產生附加的軸向推力，且其軸向位移量較大。為防止軸向竄動對徑向瓦的影響，支撐附加的軸向推力，發電機的前軸承須采用止推徑向軸承結構。

3.5軸承及供油系統

軸承的設計，主要是根據機組載荷、速度的大小及方向來考慮。對軸伸貫水輪發電機而言，由于發電機與水輪機有通過增速器、柱銷聯軸器聯接和剛性直聯兩種方式，相應地軸承的布置也有所不同。

3.5.1發電機與水輪機通過行星齒輪增速器、柱銷聯軸器聯接

該方式下，水機側設置2付徑向瓦以支撐水機轉動部件的重量，1付正、反推力瓦，以支撐正、反水推力；發電機側設置2付徑向瓦以支撐發電機轉動部件的重量及單邊磁拉力。考慮到柱銷聯軸器中的尼龍柱銷在傳遞力矩時會產生一定的變形，從而產生附加的軸向力，需在發電機側前徑向軸承中設置止推結構。

3.5.2發電機與水輪機剛性直聯

該方式下，水機側設置1付徑向瓦以支撐水機轉動部件的重量；發電機側設置1付正、反推力瓦，以支撐正、反水推力，2付徑向瓦以支撐發電機轉動部件的重量及單邊磁拉力。

3.5.3潤滑參數的確定

由于軸伸貫流機組轉速較低、軸系較長、負荷較大、軸系變形較大、軸頸周速較低(通常在3～5m/s)，軸承潤滑設計的困難在于油楔效應差，油膜自身動壓能力低。機組運轉時的最小油膜厚度小，啟停機時油膜不易形成。按有關資料介紹，軸頸周速小于10m/s，宜考慮采用動靜壓復合軸承，即在啟動和停機過程中，當轉速在額定轉速的60％以下時，投入靜壓油，而正常運行時則依靠動壓潤滑。這樣須在供油系統中提供靜壓供油管路，從而使管路復雜，裝置的可靠性較差。為此在潤滑計算時注意了軸承結構參數對潤滑參數的影響，如適當增大軸頸以增大軸頸周速，同時通過對軸承的一些基本參數如相對間隙ψ、單位比壓p、周向偏心e、徑向偏心β、長寬比1/b、填充系數k等的最佳匹配，采用合理的支撐結構，在許多機型上取消了靜壓油減載裝置。現在已基本掌握了同類機型最小油膜厚度的計算值與實際值之間的關系。當然，在有些機組的設計中，即使采取了必要的措施后，最小油膜厚度的設計值仍達不到所需的安全倍數，則宜采用動靜壓復合軸承。

3.5.4結構設計的注意事項

由于機組軸線長達10余米，軸承自重較常規臥式機組重許多，導致安裝后軸承撓度較大，運行時軸承位置較靜態時有顯著變化。因此，軸承支撐位置、載荷、軸承的pv值選擇及機組的封油、封水結構等應作為一個整體來重點統籌考慮。

水輪機導軸承采用具有球形支承面的外循環油潤滑滑動軸承。軸承由軸瓦和軸承體兩部分構成，分半結構。在軸承體外設有前后油盆，軸承體下部的球面，與軸承座的球面相互配合在一起。軸承座安裝在導水機構內環的法蘭上。由于機組在不同的運行工況下，其主軸的撓度及旋轉的偏心值不同，故該軸承在球面的作用下可以進行自調整，從而保證主軸軸頸與軸瓦的間隙，使機組運行安全可靠。考慮到導水機構等在重力作用下的變形、安裝后軸承在轉動部分作用下要下沉，設計時將其安裝位置略微抬高，并可加墊片。同時將水輪機導軸承端蓋與轉軸的間隙在保證封水的情況下，作適當的放大處理。

軸瓦支座對其各工作面有較高的形位公差要求。考慮到該結構件主要承受擠壓力，材料的選用考慮其抗壓及吸振的能力。徑向軸瓦采用球面支撐方式，以適用于軸系撓度大的要求。在有些機組中，如上壩電站，還首次采用了厚薄瓦結構，以方便加工和檢修。

推力瓦塊與軸瓦支座間宜做到既能使瓦塊擺動靈活，又要能限制其過度擺動，為此應注意推力瓦塊與軸瓦支座周向、徑向及背部間的配合關系并考慮較重推力瓦塊自重對擺動的影響。推力盤工作表面粗糙度不宜小于0.8μm，對其平面度垂直度等形位公差有較高要求。推力盤通常采用與軸通過鍵聯結的結構方式。鍵用于傳遞力矩，其大小宜按有關資料計算后選用，推力盤與軸宜采用小過盈的配合關系。

3.5.5供油系統

軸伸貫流機組的潤滑冷卻系統一般采用外循環結構，即發電機和水輪機軸承共用一個供油系統，集中供油；采用動靜壓復合軸承的供油系統中還設有一個靜壓油減載裝置，在開停機過程中為軸承提供靜壓油。

3.5.5.1低壓油系統設計

低壓油系統由軸承高位油箱、軸承回油箱、軸承供油泵、油冷卻器、液壓操作閥和流量調節器等組成。潤滑油的循環油路為軸承高位油箱→導軸承、推力軸承→回油箱→油泵→油冷卻器→軸承高位油箱。軸承供油采用齒輪泵。由油泵輸出的潤滑油通過濾油器、油冷卻器后進入軸承高位油箱。高位油箱中的油經過液壓操作閥分別經流量調節器后向各個軸供油。濾油器、油冷卻器各設2只，并聯方式布置。在設計時油冷卻器其容量留有足夠的余量，當一只油冷卻器短時間退出使用時，機組仍可繼續運行。濾油器、油冷卻器的進出邊都設有閘閥，以便檢修時使用。油冷卻器的冷卻水由技術供水提供。軸承的實際供油可通過流量調節器根據機組允許作調整。水導、發導和推力軸承的回油管設置在靠近回油箱處，設有3只擋板式流量信號器。該形式流量信號器可在潤滑油未充滿管徑的情況下較精準地測出軸承流量，以保證軸承供油量。

3.5.5.2高位軸承潤滑油箱設計

高位軸承潤滑油箱的容積應有足夠的余量，在油泵停止供油后，保證機組能夠安全運行。

高位油箱多余部分的潤滑油經過溢油管排回回油箱，溢流管的管徑設計應等于進油管，以保證溢油順暢。從回油箱輸入的油具有很高的壓力，為防止油箱的油面涌浪現象，設計時可把油管一直伸到油箱底或直接從油箱底部進油等方式，確保油系統的穩定性。且油箱上設有油位信號器等自動化元件，以監測油箱的油位。

3.5.5.3回油箱設計

油箱容積的設計應滿足高位軸承油箱、軸承油室、管路、正常運行放空后的容積之和。油箱上設有油位信號器、油混水信號器等自動化元件。回油箱上的液位信號器在其液位降至最低點時發出報警信號。

3.6電磁設計

3.6.1機座號的確定

轉速低，極數多的電機一般希望有較大的鐵芯外徑，以便選用較多的定子槽數，這樣將使發電機具有高而短的外形。由于臥軸安裝，通過機座兩側腳板用螺栓緊固，在機組突然短路時，作用在機座頂部的力的力臂較長，將產生較大的顛覆力矩；同時由于高而短的外形，將使發電機的強度和徑向剛度變差。因定子機座對定子鐵芯的限制，定子鐵芯在自重、單邊磁拉力、受熱膨漲等因素的影響下而不能自由運動，將使鐵芯沖片受壓。若徑向分力大于鐵芯沖片的片間摩擦力，會引起發電機鐵芯內圓產生較大的變形，從而形成較大的氣隙橢圓度，氣隙形狀隨之發生改變，增大發電機輸出電壓中的諧波分量，降低發電機的發電品質。但過小的鐵芯外徑將導致轉子散熱困難。因此，在確定電磁方案時，需對機座號進行審慎地選擇，在確定定子鐵芯的具體結構時，如沖片的搭接方式、鐵芯的疊壓方式等也要對這一因素的影響進行充分的考慮。

3.6.2空氣隙的確定

由于轉速低、極數多，同時機座號的選擇受到限制，使發電機的極距小，磁極系統的漏磁增大，電抗較常規電機大，磁極鐵芯的極身磁密較高，所需勵磁安匝較多，導致轉子散熱困難。這樣，需減小空氣隙的取值，而空氣隙的最小值又受到安裝的方便性、機組運行的安全性的制約，所以，在選擇空氣隙時，既要考慮機組在最大飛逸時轉子的彈性變形，又要考慮到定子鐵芯自重、單邊磁拉力、受熱膨漲等因素的影響下在鐵芯內圓產生的橢圓度。空氣隙的取值一般較最佳電氣隙大，這樣，較常規機組而言，電抗大些，短路比大些，轉子的發熱因子高些，但是，可以保證機組運行的安全性及降低發電機輸出電壓中的諧波分量。

3.7發電機的結構特點

軸伸貫流式水輪發電機一般放置在微彎的過流道上，由于水力關系，流道中性線至軸系中心線間的距離受水輪機轉輪直徑的限制，在設計發電機的安裝基礎時，須考慮到這一因素的影響。在剛性直聯機組中，發電機的基礎不能按常規臥式水輪發電機的方式設計，一般須跨流道布置發電機的基礎螺栓，地板尺寸很大，常采用大小地板用螺栓把合的結構。

發電機通風系統常采用管道式通風冷卻。由于發電機位于流道的正上方，其底部通常不能放置通風管，而改為頂部出風，抽風機置于風管穿墻孔內。由于發電機轉速低，運行時提供的風壓及風量均較小，且極間距較小，過風面較窄流阻較大，風壓降較常規機組大許多。為保證發電機散熱對風量及風速的要求，風路流道設計應盡量暢通，不留死角，防止局部放置增大風阻的零部件，如極間連線宜引至磁軛端面而不放置于風路上；適當增大風葉尺寸、角度，以增加風動壓頭；流道過渡部應圓滑，減小尖角等。除此之外，宜選用具有較高壓頭及較大風量的風機。

4結語

軸伸貫流機組具有比轉速高、過流量大及水力效率高、投資少等特點，是開發低水頭水力資源的良好機型。目前，我國的低水頭水力資源的開發正蓬勃發展，對選用的低水頭軸伸貫流機組的性能、外觀、可靠性等諸方面提出了更高的要求。東風電機公司將把握住加入wto、西部大開發和水電大發展的良機，繼續加大技術開發和創新的力度，從品種、單機容量、機組效率和運行可靠性著手，進一步提高產品水平。