姜為民

（哈爾濱電機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)部，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 水輪機(jī)的應(yīng)用

水輪機(jī)在我國(guó)主要應(yīng)用在水電站，用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。我國(guó)最早使用的水電站是由抽水蓄能機(jī)組組成的，其主要由發(fā)電電動(dòng)機(jī)、水輪機(jī)和水泵串聯(lián)組成的整體結(jié)構(gòu)，其中水輪機(jī)和水泵的設(shè)計(jì)是分開(kāi)的，從而使這兩個(gè)部分能各自擁有較高的工作效率，它的缺點(diǎn)是造價(jià)高、電站投資大。50年代以來(lái)，抽水蓄能機(jī)組在世界各國(guó)受到普遍重視并獲得迅速發(fā)展，水輪機(jī)主要被應(yīng)用于抽水蓄能電站。在電力系統(tǒng)負(fù)荷不能達(dá)到基本負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)被用作水泵，從下游水域抽水到上游水庫(kù)以?xún)?chǔ)存位能能量?，F(xiàn)在我國(guó)的水電機(jī)組主要向高參數(shù)和大容量方向發(fā)展。隨著電力系統(tǒng)中火電容量的增加和核電的發(fā)展，為解決合理調(diào)峰問(wèn)題，世界各國(guó)除在主要水系大力開(kāi)發(fā)或擴(kuò)建大型電站外，正在積極興建抽水蓄能電站，水輪機(jī)因而得到迅速發(fā)展。

2 水輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型

在設(shè)計(jì)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)所進(jìn)行選型，水輪機(jī)的類(lèi)型主要分為反擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)兩種，在反擊式水輪機(jī)中，轉(zhuǎn)輪被水流充滿(mǎn)，葉片在水流的作用下，產(chǎn)生較高的效率，但當(dāng)水輪機(jī)的負(fù)荷變化時(shí)，水輪機(jī)的效率會(huì)受到一定程度的影響。

反擊式水輪機(jī)分為以下四種類(lèi)型：混流式水輪機(jī)的工作原理是水流徑向流入轉(zhuǎn)輪葉片，最后從轉(zhuǎn)輪的軸向流出，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)機(jī)器相對(duì)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，它的最高效率也比較高，但其也有一定的缺點(diǎn)，當(dāng)水流的水頭產(chǎn)生的負(fù)荷變大時(shí)，其平均效率會(huì)有所降低；軸流式水輪機(jī)是指水流沿轉(zhuǎn)輪軸向流入和流出，水流的方向不發(fā)生改變，它的優(yōu)點(diǎn)是在相同水頭下，其比轉(zhuǎn)數(shù)較混流式水輪機(jī)為高，適用于較低水頭的電站；斜流式的水流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪時(shí)是傾斜的，轉(zhuǎn)輪葉片隨著水流的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，由于斜流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致造價(jià)成本較高，一般都只在混流式或軸流式水輪機(jī)不適合的情況下才進(jìn)行使用；貫流式水輪機(jī)的主軸裝置成水平或傾斜，不設(shè)蝸殼，水流直接流入轉(zhuǎn)輪，水流由管道進(jìn)口到尾水管出口都是軸向的，所以其工作效率較高，水流通過(guò)的能力大，基于以上特點(diǎn)適用于低水頭小型河床電站。

同反式水輪機(jī)相比，沖擊式水輪機(jī)在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水速度不變，因而效率受負(fù)荷變化的影響較小，效率曲線(xiàn)比較平緩。沖擊式水輪機(jī)主要為水斗式水輪機(jī)、斜擊水輪機(jī)和雙擊水輪機(jī)。水斗式水輪機(jī)的噴嘴出來(lái)的射流沿圓周切線(xiàn)方向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗作功，現(xiàn)在的水斗式水輪機(jī)是沖擊式水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型；斜擊式水輪機(jī)的噴嘴出來(lái)的射流沿圓周斜向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗；雙擊式水輪機(jī)是指水流兩次沖擊轉(zhuǎn)輪，其具有簡(jiǎn)單的構(gòu)造，但是其做功效率低，主要應(yīng)用于小型水電站。

3 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟

3.1 水輪機(jī)的機(jī)組臺(tái)數(shù)與單機(jī)容量的選擇，機(jī)組臺(tái)數(shù)不同時(shí)導(dǎo)致水電站平均效率的不同，機(jī)組臺(tái)數(shù)較少相應(yīng)的平均效率也會(huì)越低，機(jī)組臺(tái)數(shù)多時(shí)可以根據(jù)機(jī)組運(yùn)行方式的改變，對(duì)機(jī)組的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，以保持電站的平均效率，但臺(tái)數(shù)多，機(jī)組開(kāi)和停機(jī)操作頻繁，發(fā)生事故的幾率也隨操作運(yùn)行次數(shù)的增多而加大，對(duì)全廠(chǎng)檢修造成很大的麻煩。另外，機(jī)組臺(tái)數(shù)多，廠(chǎng)房所占的平面尺寸也會(huì)增大。一般情況下，臺(tái)數(shù)多對(duì)成本和投資不利。因此，較少的機(jī)組臺(tái)數(shù)有利于降低工程建設(shè)費(fèi)用。在水電站的裝機(jī)容量確定時(shí)，機(jī)組臺(tái)數(shù)增多，單機(jī)容量減小，相反當(dāng)單機(jī)容量大，可能會(huì)在制造、安裝以及運(yùn)輸方面的難度。綜上所述，機(jī)組臺(tái)數(shù)與單機(jī)容量的選擇對(duì)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的影響，一般確定的確定原則：對(duì)大中型水電站，盡量選用單機(jī)容量較大的水輪機(jī)，以降低設(shè)備造價(jià)在保證水頭低于額定水頭情況下，使機(jī)組得受阻容量盡可能的小。

3.2 水輪機(jī)主要參數(shù)的確定，參數(shù)確定在產(chǎn)品級(jí)設(shè)計(jì)上包括混流式、軸流式、斜流式等設(shè)計(jì)類(lèi)別，而在模塊級(jí)設(shè)計(jì)上則可相應(yīng)地分為轉(zhuǎn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、埋入裝置設(shè)計(jì)與布置裝置設(shè)計(jì)等四個(gè)部分，其中，每個(gè)部分又包括相應(yīng)的多級(jí)子部套。在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要確定的主要參數(shù)有水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑、原型水輪機(jī)最高效率與效率修正值、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算與選擇、檢驗(yàn)水輪機(jī)實(shí)際工作范圍、水輪機(jī)最大允許吸出高度計(jì)算、實(shí)際的水輪機(jī)額定水頭(重算)、水輪機(jī)額定流量(重算)、水輪機(jī)安裝高程、水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速、水輪機(jī)軸向水推力和總軸向力。其中，實(shí)際的水輪機(jī)額定水頭是水輪機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，它的大小直接影響著水輪機(jī)出力的大小和水輪機(jī)型式的選擇。

3.3 水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(xiàn)的繪制既是水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)方案分析和比較的依據(jù)，也是水電站運(yùn)行管理、擬定機(jī)組運(yùn)行方式以及考察機(jī)組動(dòng)力特性的主要依據(jù)，更重要的是在水輪機(jī)組在日后的運(yùn)行過(guò)程中作為檢查和維修的重要依據(jù)。

3.4 水輪機(jī)的導(dǎo)水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可分為頂蓋和底環(huán)的設(shè)計(jì)，為減小軸承的空間，使整體結(jié)構(gòu)變?yōu)榫o湊，將軸承外油箱體、隔油環(huán)、水導(dǎo)瓦托架設(shè)置于頂蓋內(nèi)圓相應(yīng)位置處。為了減小導(dǎo)葉在關(guān)閉時(shí)導(dǎo)葉與頂蓋間的漏水量，在頂蓋相應(yīng)部件設(shè)置導(dǎo)葉端面密封，由青鋼密封條和其背部的成型橡膠條組成，依靠成型橡膠條的彈性和滲入橡膠條空間的水壓達(dá)到密封的目的。密封條和成型橡膠條靠不銹鋼密封壓板安裝在頂蓋上；在設(shè)計(jì)底環(huán)的過(guò)程中，為了減小導(dǎo)葉在關(guān)閉時(shí)導(dǎo)葉與底環(huán)間的漏水量，在底環(huán)相應(yīng)部件設(shè)置導(dǎo)葉端面密封，其結(jié)構(gòu)與頂蓋上的端面密封相同。為保證機(jī)組在某些特殊工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，在轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉之間對(duì)應(yīng)的底環(huán)部位，設(shè)置24個(gè)補(bǔ)氣孔，用于強(qiáng)制補(bǔ)氣在底環(huán)過(guò)流面上導(dǎo)葉活動(dòng)范圍內(nèi)設(shè)置不銹鋼抗磨板。

3.5 水輪機(jī)的主軸密封和蝸殼的設(shè)計(jì)，由工作密封和充氣圍帶式檢修密封組成，工作密封為具有良好密封性能的端面水壓自補(bǔ)償式，密封圈為中硬橡膠，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)鑲有不銹鋼抗磨板，為確保密封可靠，解決密封圈受壓后變形問(wèn)題，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)有一段伸入密封箱中，一旦密封潤(rùn)滑水中斷也能保證密封效果，密封采用水潤(rùn)滑和水冷卻，潤(rùn)滑冷卻水經(jīng)自動(dòng)濾水器過(guò)濾，正常運(yùn)行時(shí)，需有少量漏水經(jīng)頂蓋、座環(huán)自流排出，主軸密封的設(shè)計(jì)遵從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)和維護(hù)方便的理念；水輪機(jī)蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉(zhuǎn)輪周?chē)?，起到引水的作用。一般情況下，當(dāng)實(shí)際的水輪機(jī)額定水頭較低時(shí)蝸殼采用鋼筋混凝土在現(xiàn)場(chǎng)澆注而成，水頭價(jià)高是采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所選擇適合的類(lèi)型，在確定好水輪機(jī)類(lèi)型后，再進(jìn)一步對(duì)水輪機(jī)的基本參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和校正，才能夠很好地提高水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，降低水輪機(jī)的制造成本。

[1]鐘詩(shī)勝，李江，王泉龍等.基于實(shí)例的大型水輪機(jī)結(jié)構(gòu)投標(biāo)方案設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2004，10(6):709-713.

[2]侯才水,劉華斌.模糊多屬性決策模型在某水電站工程方案優(yōu)選中的應(yīng)用[M].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2005,38(5):25-27.

[3]王體春,鐘詩(shī)勝.基于知識(shí)重用的大型水輪機(jī)方案可拓設(shè)計(jì)[M].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2008,20(2):239-245.