小型立式冲击式水轮机组结构的优化及创新

洪安俊，谢向东，黄 岩

(浙江金轮机电实业有限公司，浙江 金华 321002)

1 概 述

冲击式水轮机适用于水头较高的区域内，它的喷嘴与转轮分水刃在同一平面上，射流方向为转轮圆周的切线方向；来自压力水管的水经喷嘴转换为高速射流，切向冲击转轮的水斗，推动转轮做功。工作时转轮露出水面，安装高程也不受气蚀条件限制，并且在低负荷运行时效率也较高。

冲击式水轮机的基本布置型式分立式和卧式两种，而卧式应用范围比较小，一般适用于10 MW以下，喷嘴数为单喷或双喷；超过10 MW以上一般都适用于立式机组，喷嘴数量为两喷或两喷以上。但在实际选型中，有许多电站流量比较大，如果选用卧式两喷的机组，射流直径d0将比较大；由于考虑到D1/d0与水头之间的关系，如果d0太大，转轮直径D1就要跟着加大，且发电机的级数也要跟着增加，这样就增加了设备的投资成本。如选用立式机组，机座及配水管等零部件都需预埋，这样就增加了土建的开挖量及设备维护和检修的难度。

为了更好适应国内外市场，迫切需要对小型立式冲击水轮机的结构进行优化及创新，解决小型立式冲击机组土建的开挖量大、其结构过于复杂、设备的安装及维护繁琐等缺点。

2 常规结构

常规小型立式冲击式水轮机由预埋部分、机座、配水环管、喷嘴、转动部分、导轴承、折向机构等部件组成(见图1)。

预埋部分装在机座底部，由里衬、栅板和进人门等组成，机组维修时，可由进人门进入机座内部。机组运行时，进人门应关闭。

机座为整个机组的定位基准，喷嘴、轴承等部件的安装均以它作基准，作用于配水管和喷嘴的作用力都通过机座传递到混凝土中。

每段配水环管现场与机座焊接，并整体浇铸在混凝土中。喷管装在机座内部，拆装时需将喷管从进人门运入后进行。由于机座内空间限制，起吊困难，给安装及维修带来了不便。

喷管为内置式，其活塞右腔为喷针关闭腔，左腔为喷针开启腔(见图2)。压力油来自调速器，由调速器中的控制阀来控制或切换喷针。为了使操作油压的变化不太大，在喷管内设计了1组碟形弹簧。喷针的开启和关闭时间均由调速器控制。

这种结构的喷管结构复杂，对零件的加工和安装要求比较高，如果加工不好，容易内部串油，会引起机组运行不稳定；检修时需将整个喷管运到机坑外，拆掉喷嘴体及喷针等零件才能更换里面的密封件。

转动部分由转轮、水机主轴、螺栓、护罩、销子或键等组成。转轮与水轮机主轴通过法兰联接，主要靠铰制孔螺栓或键、销传递扭矩。

图1 常规小型立式冲击式水轮机结构示意

图2 喷管剖面示意

3 优化及创新后的结构

与常规机组比较，优化及创新后的小型立式冲击式水轮机省去了预埋部分、转动部分和反馈装置等(见图3)。

发电机和喷管直接装在机座上面，机座既要承受发电机重量，也要承受喷管的作用力，所有的力都通过它传递到混凝土上，这样机座就需要有足够的刚性。

安装时机座下半部分浇在混泥土内，并用地脚螺栓固定牢。

机组的配水环管和喷管全都裸露在厂房外，每段弯管间都增加1个伸缩节(见图4)，便于安装和检修。

图3 优化后的小型立式冲击式水轮机结构示意

图4 配水环管和喷管示意

喷管采用外置式，接力器直接装在喷管后面，喷管在拆装时只需先将伸缩节连接螺栓及喷嘴与机座的连接螺栓松开，就可直接从机座外部拆出。如接力器有漏油现象，可直接拆下接力器端盖更换密封件，不需要拆开喷管的前部，方便了电站的安装及维护。

为了减少电站的投资成本，同时确保机组的稳定运行，又能满足安装空间，可尽量减短发电机主轴长度，将转轮直接装在发电机主轴上(见图5)，这样就省去了水轮机主轴和导轴承。通过摩擦装置将转轮与主轴连接起来传递扭矩，摩擦力的大小可根据扭矩的大小来计算；当摩擦力不够转轮出现打滑时，只需调紧摩擦装置中的螺栓即可。

图5 转轮安装示意

4 优 点

这种新颖的优化及创新，打破了常规小型立式冲击水轮机的结构，更适应于用户的需求，其优点如下：

(1) 机组整体开挖量减少。因优化及创新后的小型立式冲击式水轮机组省去了预埋部分、水轮机主轴、反馈装置及轴承，配水环管和喷管也全都裸露在厂房外，发电机和喷管直接装在机座上面，使整个机组减少了很多开挖量。

(2) 结构简单，安装维护方便。由于机组省去了预埋部分、转动部分和反馈装置等，整个结构变得紧凑、简单、实用。配水环管每段弯管间都增加了1个伸缩节，发电机主轴与转轮之间采用摩擦传递扭矩，这样使得安装维护更加便捷。

(3) 机组整体成本减少。由于机组的开挖量减少又省去了预埋部分、转动部分和反馈装置、导轴承，使得整个机组成本下降。

5 结 论

优化及创新后的小型立式冲击式水轮机组整体成本得到了控制，安装维护更加便捷。通过一段时间的使用及维护，该结构已深受国内外小型电站业主的好评。