水轮发电机组结构讲课(一)

水轮机组结构讲课〔一〕水轮机的工作参数水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量转换为转轮机械能过程中的一些特性数据。水轮机的根本工作参数主要有水头、流量、出力、效率、转速。水头水轮机的水头〔亦称工作水头〕是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量差，单位为m。水轮机水头又称净水头，是水轮机做功的有效水头。上游水库的水流经过进水口拦污栅、闸门和压力水管进入水轮机，水流通过水轮机做功后，由尾水管排至下游，在这一过程中，产生水头损失。上、下游水位差值称为水电站的毛水头或静水头，它代表的是单位重量水体所具有的势能，其单位为m。因而，水轮机的工作水头又可表示为：〔1-2〕式中——水电站毛水头，m；——水电站引水建筑物中的水力损失，m。毛水头与净水头区别在于：毛水头是坝体上下游水体的能量差，净水头是水轮机进口和出口水体的能量差。毛水头静态的，净水头是动态的，当机组运行时，毛水头和净水头都是存在的；当机组停机时，水体不流动了，间断了，净水头就不存在了，可势能依然存在，毛水头就存在。1．最大水头，是允许水轮机运行的最大净水头。它对水轮机结构的强度设计有决定性的影响。2．最小水头，是保证水轮机平安、稳定运行的最小净水头。3．加权平均水头，是在一定期间内〔视水库调节性能而定〕，所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。，是水轮机发出额定出力时所需要的净水头，这个值是在电站设计时根据水库和水文资料等确定的一个值。水轮机的水头，说明水轮机利用水流单位机械能的多少，是水轮机最重要的根本工作参数，其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。流量水轮机的流量是单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，常用符号表示，常用的单位为m3/s。在设计水头下，水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应的水流量称为设计流量。转速水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内的旋转次数，常用符号表示，常用单位为r/min。飞逸转速是指当机组带负荷运行时，因某种原因甩掉负荷，而导叶又刚好失灵不能关闭时，机组的转速将急速增加，此时能到达的最高转速就是飞逸转速。在水头最大，导叶开度最大时的飞逸转速被称为最大飞逸转速。出力与效率水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号表示，常用单位kW。水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号表示，那么(kW)〔1-3〕由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗，所以水轮机出力总是小于水流出力。水轮机出力与水流出力之比称为水轮机的效率，用符号表示。〔1-4〕由于水轮机在工作过程中存在能量损耗，故水轮机的效率<1。由此，水轮机的出力可写成(kW)〔1-5〕水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力，产生旋转力矩用来克服发电机的阻抗力矩，并以角速度旋转。水轮机出力、旋转力矩和角速度之间有以下关系式〔马力〕〔1-6〕式中——水轮机旋转角速度，rad/s；——水轮机主轴输出的旋转力矩，N·m；——水轮机转速，r/min。比转速对于几何相似、动力相似和运动相似的同系列水轮机，为一常数，其表达式为(m·kW)〔1-7〕式中——水轮机转速，r/min；——水轮机出力，kW；——工作水头，m。由此可知，可代表工作水头为1m、功率为1W时水轮机所具有的转速，故称为比转速。水轮机的组成结构三峡电厂左岸安装有14台混流式水轮机〔其中VGS集团供货6台，阿尔斯通集团供货8台〕，其水轮机的主要参数如下：AlstomVGS水轮机型号—LJ—980—LJ—940最大水头113m设计水头最小水头61m设计流量/s/s额定转速75r/min额定出力710MW安装高程57m设计点吸出高程－5m—LJ—980，表示比转速为的混流式水轮机，立轴、金属蜗壳，转轮直径为980cm。水轮机主要由引水机构、导水机构、转动局部、尾水管、水导轴承及主轴密封、补气系统等辅助设备等组成。引水机构引水机构一般包括：拦污栅，引水管、引水室、座环组成。拦污栅及引水管机组上游侧布置有拦污栅。每台机组拦污栅为6跨7墩结构，墩间净距，栅墩上设有工作、检修2道拦污栅槽，每道拦污栅有三组。电站进水口采用单孔坝式小进口，进口底坎高程为108m，进口喇叭口尺寸为×〔宽×高〕，进水口布置有2道闸门，一道为液压操作的快速工作门，另一道为检修闸门，采用反钩门方式布置在坝上游面。工作闸门处孔口尺寸为×°倾角下斜，以长度的渐变段与引水压力钢管相接，压力钢管全长，内直径12400mm，钢管内最大平均流速约/s。压力钢管位于坝面的背管局部，采用钢衬钢筋混凝土联合受力的结构型式。其设计原那么为：允许外包钢筋混凝土开裂，由内水压力引起的管道环向应力，由钢衬和钢筋共同承当，平安系数需大于2.2；钢衬和钢筋混凝土单独承当内水压力时，各自的平安系数均需大于1.0。外包钢筋混凝土厚度为2m，设有三层钢筋。钢衬材质选用16锰钢板，钢板厚度为30～36mm。压力钢管下水平段为明钢管，材质采用600兆帕强度级的钢板，板厚为60mm。在7F至14F压力钢管与引水室之间有伸缩节。伸缩节主要为保障压力钢管平安运行而设，用以补偿吸收管道轴向、横向、角向受热引起的伸缩变形，和吸收地震、地陷对管道的变形量。引水室(蜗壳)水轮机的引水室是水流进入水轮机的第一个部件。引水室将水流引向导水机构并进入转轮区。水轮机对引水室的根本要求如下：〔1〕尽可能减少水流在引水室中的水力损失以提高水轮机效率；〔2〕保证水流均匀、轴对称地进入导水机构以提高运行的稳定性；〔3〕水流在进入导水机构前应具有一定的环量，以保证水轮机在主要的运行工况下水流能以较小的冲角进入固定导叶和活动导叶，减小导水机构的水力损失；〔4〕具有合理的断面形状和尺寸，以降低厂房投资同时便于电站辅助设备〔如导水机构的接力器及其传动机构，水轮机进水阀及其传动机构等〕的布置；〔5〕具有必要的强度及适宜的材料，以保证结构上的可靠性和抵抗水流的冲刷。为了适应不同流量与水头条件，各种型式还击式水轮机所采用的引水室形状和材料是不一样的。归纳起来有开敞式引水室、罐式引水室和蜗壳式引水室三大类。我们当前使用的是金属蜗壳式引水室。蜗壳式引水室的外形很像蜗牛壳,故通常简称蜗壳。为保证向导水机构均匀供水,所以蜗壳的断面逐渐减小,同时它可在导水机构前形成必要的环流量以减轻导水机构的工作强度。蜗壳自鼻端至进口断面所包围的角度称为蜗壳的包角。我们的蜗壳是金属焊接蜗壳，包角为345°，进口直径12400mm。设计压力为VGS机组：1.37MPa、Alstom机组：1.315MPa。蜗壳排水通过蜗壳排水阀来完成，直径800mm，安装在蜗壳最低处，将水排至尾水管处。排水阀靠液压接力器驱动，液压接力器的供油靠手动油泵来完成，操作完毕后需用螺母固定。其工作位置至44m廊道上游侧。一般使用时开启70mm。蜗壳上装有直径为650mm的检修进人门，焊接在20＃、21＃钢圈之间。进人门用22个M24螺栓把合，密封由7mm橡胶密封条构成。在松开螺栓之前应检查蜗壳水位，通过翻开安装在进人门上的试水阀来完成。进人门位置在▽56m高程。两种机型的蜗壳进人门仅开门的朝向不同座环座环由上、下两个环板通过固定导叶焊接而成。固定导叶阻止蜗壳水流开放地进入而影响水压，它们侧向布置是为了保证水流加速度，以便水流以有利的角度进入导水机构；其形状、尺寸、进口、出口尺寸设计成能保证均匀分配水流进入导水机构。座环的主要特征见下表：名称AlstomVGS固定导叶数24〔其中第18～21＃固定导叶为空心，排水用〕23〔其中第20＃、22＃、1＃、3＃固定导叶为空心〕座环分瓣数66重量380t361tAlstom座环示意图VGS座环示意图座环上设有钢板焊接而成的导流板。两种机型略有不同，VGS为半圆形，Alstom为裙边状。由于Alstom导流板容易撕裂，左岸Alstom机组导流板都经过加强处理。主要方法也是改变导流板的固有频率。导水机构水轮机导水机构安装在埋件〔座环和蜗壳〕和转轮之间，它由底环、顶盖、活动导叶及其操作机构组成。导水机构的作用是分配从蜗壳进入转轮的水流，通过改变导叶的角度位置来调整流量，并保证：最小的能量损失；把通过水轮机轴承传递给顶盖的机械作用力传递给根底；停机时最小的泄漏量；导叶的导水调节作用；保证转轮室的密封。底环、顶盖均为钢板焊接结构，底环顶盖上的不锈钢抗磨板和止漏环用螺栓固定。底环、顶盖和根底环上预留有压缩空气补气孔〔Alstom共有24处：其中顶盖、底环各8处，根底环水轮机检修平台上2处、下6处；VGS共有52处：其中顶盖24处、底环每个活动导叶后各一个、根底环〔水轮机检修平台上700mm〕处4处.〕，作为改善水轮机运行稳定性的后备措施，视运行工况决定是否使用。顶盖顶盖安装在转轮室上部，机坑里衬上有通道〔也就是水车室通道〕进入顶盖，有一个带扶手的环形平台〔水车室内的行走平台〕通向顶盖。水轮机机坑通道向上通向顶盖。顶盖和座环之间设有密封装置，由弧形密封压板、O型密封条、弧形垫板构成，如果需要，垫板厚度可以改变，以增大和减小密封压力。顶盖的主要功能有：为导叶轴承提供导向；支撑和导向导叶操作机构；安装固定止漏环；支撑水导轴承和主轴密封；安装水导轴承的冷却系统和主轴密封的排水管道。顶盖上装有导叶的导向轴承和它们的润滑系统，上部轴承座第一次安装可在现场调整，以便3部轴承能够很好的排列，调整好后用螺钉固定在顶盖上，轴承座上装有自润滑轴套。在顶盖上导叶和顶盖之间的位置装有当导水机构在关闭位置时限制泄漏的端面密封装置，由密封青铜板、弹性橡胶板、密封压板构成。在端面密封装置两边还装有抗磨环。不锈钢止漏环用特殊螺栓固定在顶盖上，止漏环在工厂安装在顶盖上，并和顶盖一起进行机加工。在止漏环和主轴密封之间装有平压管〔Alstom装有6根平压管，VGS装有8根平压管〕，平压管与尾水肘管相连。它及转轮上冠上的减压孔(VGS无)是用来减低转轮上冠与顶盖之间的水压，从而降低机组水推力。在顶盖上还设有：为测量固定止漏环和转动止漏环之间间隙的孔；顶盖排水泵；测量顶盖水位的测量装置；预留补气孔。底环与顶盖相对应的是底环。底环安装在根底环之上，是活动导叶转动的根底承受局部。在导叶和底环之间也装有当导水机构处于关闭位置时限制泄漏的端面密封装置和抗磨环，结构与顶盖上的端面密封相同。Alstom底环示意图底环局部俯视图底环上装有预留补气管，用于改善机组运行工况。底环与座环间设有密封装置，结构同顶盖与座环间密封装置。底环装有用于导叶轴的无油自润滑轴承衬套和防止漏水的密封圈，并有排水管，在导叶轴套密封漏水时排水。每个导叶设置导叶止推与限位装置，当剪断销〔拉断螺栓〕动作，导叶处于失控状态时，导叶不会碰撞转轮、固定导叶和相邻的活动导叶。为了使进入蜗壳的水不直接向下进入锥管、向上直接进入转轮上部，在转轮与底环和转轮与顶盖间各装有止漏环。导叶活动导叶共24片，为不锈钢铸焊制成，总高5710mm,过流高度2990mm，单个导叶总重10.4t，从全开到接近空载开度范围内活动导叶的水力矩具有自关闭趋势。Alstom活动导叶传动机构图VGS活动导叶传动机构图每个导叶有3个自润滑轴承〔2个在上部，1个在下部〕，轴向推力轴承〔抗重螺栓、承重板及拐臂抗磨环〕支承导叶重量，径向轴承〔轴套〕限制导叶位移。导叶轴套用自润滑材料制成，润滑剂在轴套里面而不需注入别的润滑剂。导叶限位系统限制导叶开度，防止导叶开度过大，使导叶的连接被破坏。导叶操作机构导叶操作机构由控制环、拐臂、连接板〔副拐臂〕、双连板、分半销〔开口销，膨胀销〕及连接柱销、偏心销等部件组成。当控制环在接力器的作用下转动时，通过双连板带动连接板运动，连接板依靠摩擦力带动拐臂运动，而拐臂靠分半销将力传导到导叶轴上，推动导叶开合。装入后的分半销Alstom拐臂及摩擦环偏心销拉断销及夹紧螺栓拐臂和连接板之间的摩擦力用夹紧螺栓来调整。在拐臂和连接板之间剪断销〔VGS〕或拉断螺栓〔Alstom〕，当导叶关闭时的阻力大于摩擦力时剪断销或拉断螺栓将被破断，个别导叶将发生偏转，这样可以不影响其余导叶的转动和操作。个别导叶发生偏转后，摩擦力仍起作用，可以防止导叶受水力冲击而摆动。拐臂上装有限位块，与顶盖限位块一同组成限位装置。当剪断销〔或拉断螺栓〕断裂时，限位装置将限制导叶的最大开度Alstom机组限位装置VGS机组限位装置转动部件转轮主要有上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥〔VGS无〕及减压装置等组成。上冠的作用上接水轮机主轴，下接泄水锥，支撑叶片并与下环构成过流通道。叶片的作用是直接将水能转换为机械能，是转轮最主要的部件，其断面为流线型。转轮下环的作用是增加强度和刚度，与上冠形成过流通道。泄水锥的作用是水流顺利流出转轮，防止造成水力损失和振动。VGS转轮示意图Alstom转轮示意图止漏装置就是转轮的工作密封。由固定止漏环和转动止漏环构成尽可能小的间隙以形成阻力，减少水轮机的漏水损失。上止漏环主要起到阻止水流向水轮机上冠，减少水推力，防止增加发电机推力轴承的负荷。下止漏环主要起到阻止水流向尾水，从而降低水流损失，提高水轮机效率。止漏环分转动止漏环和固定止漏环，转动止漏环安装在水轮机转轮的上冠和下环上。VGS转轮Alstom转轮组装前的叶片两种转轮叶片都采用整体铸焊结构〔上冠、下环、叶片均为铸钢〕、负倾角〔X型〕叶片。具体参数如表：VGSALSTOMVGSALSTOM标称直径94009800转轮总高55655080进口直径1008010416叶片数1315出口直径95519800mm转轮重量407t445t两种转轮从外观上区别：从下部看，通过有无泄水锥判断；如果是从上部看，通过上冠有无减压孔来判断；如果是张侧面的照片，可以比照下环止漏环来区别。尾水管尾水管为是还击式水轮机所特有部件，其作用如下：1．将转轮出口处的水流引向下游；2．利用下游水面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空；利用转轮出口的水流动能，将其转换成为转轮出口处的动力真空〔即回收局部水流能量〕。常见的有直锥型和弯肘型，我们用的是弯肘型。它是钢板焊接构件，其底板高程为27m。装有三个进人门，分别为▽49m的锥管段上下游进人门，▽44m的扩散段进人门；在尾水管最低处有两个盘型阀，将水排至检修集水井。其安装位置、使用方法同蜗壳盘型阀。平常使用时一般仅开启一个，开度一般为40mm。主轴密封主轴密封安装于转轮与水导轴承之间，用以防止转轮室内的水沿主轴上窜。主轴密封分工作密封和检修密封。工作密封工作密封主要主机组运行时起作用，因其密封介质为清洁水，所以被称为水封。我们使用的水封为自调节端面水压密封，由抗磨环、精碳密封块、移动环、导向环、密封水箱、密封温度传感器、密封磨损量监测装置、供排水管路及附件等等组成。密封水箱被水封