转轮的作用.doc

贯流式水轮机转轮

一、转轮的作用及动作原理
二、转轮设计中须注意的问题
三、主要部件的加工要点
四、安装要求及注意的问题

一、贯流式转轮的作用和动作原理
1、转轮的作用
转轮是整个水轮机的心脏，它利用水流的动能和势能，使其转动，通过主轴联结到发电机带动发电机转动而发电，转轮是水轮发电机产生电能的原动部件。
一个水电站须有一定的水工建筑，例如要建坝，使上、下游形成一定的水位差，即水轮机所需要的水头，水流经过流道进入水轮机具有一定的流量，即每秒钟多少立方米（m3/s）。由于转轮叶片设计成一定形状的翼型时就在其正、背面形成压差，水轮机转轮就是利用了水流的位能（H）速度能（V）压力能（j）而产生旋转的机械能，再通过主轴传递带动发电机转子转动产生电能而输出，这是一个能量转换的过程。
2、动作原理
对於转桨式转轮，由于它的桨叶角度是可调的它可以根据电站不同水头，不同负荷的要求而改变桨叶的角度，使其与导叶的出口角随时保持最佳冲角位置，因而它比定桨式转轮的效率要高。
贯流转桨式转轮常用结构有充压式和缸动式，前者为活塞动作，后者为接力器缸动作带动叶片转动，其动作原理相同现以缸动式转轮为例说明：
当机组开机时，调速器根据电站水头和负荷要求发出指令，开启导叶，并打开调速器桨时开腔，通过受油器，将压力油送入操作油管开腔，至活塞下方，使接力器缸向下动作，缸上的耳板连板带动转臂，使几只叶片协联动作，开启到一定转角，关腔作为回油，通过操作油管最外腔回到油压装置回油箱（见史家洲转动装配图）。同样关桨叶时，压力油通过受油器操用油管到活塞上腔，使接力器缸向上动作再带动连板，转臂使叶片关闭，活塞下腔为回油，开腔和关腔互为高低压腔。
桨叶既要随转轮一起转动，本身还要垂直于主轴线转动，因而在叶片法兰的外缘处设有X、V型双向密封装置，既防止转轮体内油漏出，也防止外界水进入转轮体。
接力器缸在转轮体内，既要随转轮起转动，还要沿主轴轴线方向作往复运动，为防止接力器缸受切向力而有相对转动，设有导向键以保持缸体的平衡动作。
二、转轮设计中须注意的问题
1、正确确定叶片全开、全关位置时，叶片座标之间的相对关系。每种型号的转轮叶片都有一个确定的Rc线，即O0位置的基准线，它就确定了翼型与X’Y’的相对位置，据此可布置叶片把合螺栓和销子的分布，注意把合螺孔不得破坏到叶型。同时注意此O0位置并不一定是叶片的全关位置，每个机组根据其运行范围定出一个全关时的j角和全开时的j角，而叶片在全关、全开时的Rc线与X’Y’座标有一定的位置关系。
在中间行程位置时，转臂中心线应位于水平位置，与X’方向一致，全开、全关时的转臂中心线应对称分布于水平X’座标两侧，所以在叶片加工图中应正确定出叶片与转臂的销子方位，保证装配时不致出现转角错误。
2、作转轮装配总体设计时，必须要考虑在满足结构强度的前提下，各件装配布置的可能性。每个型号的转轮有一定的轮毂比和叶片数在转轮体腔内要装入几套叶片的转臂、连杆、连杆销、止推轴套和转轮体芯，而这些件都有较高的应力，所以在计算强度满足转轮装配布置完后，必须作三维立体图，使其能顺利装入，并保证全关至全开范围内不得相互干扰，否则须修改结构。直到满足既能装入动作又保证强度要求为止。
同时要考虑接力器缸在全行程范围内不得与泄水锥、转轮体等相关部件相碰。然后才能确定转轮装配图，进行另件设计。
3、叶片密封装置
叶片密封的设计思想为既封油又封水的双向密封。目前，常用结构为下部垫环加一层密封圈，上部用分半的压环组成。
定尺寸时：
X、V型密封圈在外径和内径方向上各留1mm压紧量。
垫环上的密封圈应保持一定的压紧量。
将密封装置的这几件按比例装入定好的转轮体槽形尺寸内，再最终确定压环的止口长度，使得它对X、V的压紧量不大于1.5mm。
4、叶片与转轮体不锈钢层之间应保持一定的间隙（见转轮体装配图）。
转轮体芯、叶片操作机构装入转轮体就位后从外面装入叶片、联结叶片与转臂在确定各相关件尺寸公差时注意，当转臂贴紧在止推轴套的止推面上时，应保证叶片与转轮体的不锈钢面有一定的间隙（图中为0.5）才能保证运行中叶片能自由转动，当叶片与不锈钢层接触时，转臂与止推轴套则出现D。
5、转轮体上放油、进气孔的设置
由于贯流机是卧式布置，电站检修换油时需放出转轮体内的油，所以在转轮体球面壁上设有放油阀，对于4叶片机组来说，对称布置即可，下面放油，上面进气，对3叶片机组而言，在两叶片之间的球面上设置一只放油阀即可，在其相对的上部受结构位置的限制，设一只小尺寸的放气阀。在转轮体顶部的放油孔为厂内油压试验时用。
6、叶片外园和转轮室内园球面根据已定间隙配尺寸公差的问题。
在水轮机总图布置时应定出叶片与转轮室之间的间隙，其原则是在安装和制造精度可能的前提下，既保证转动件和固定件各运行工况下不得相碰，而流量损失又最小。
为充分保证满足出力，此处的间隙应分别配置在叶片和转轮室两件的尺寸公差上，由于贯流式水轮机的名义直径是指转轮室与叶片相配处的内球面直径 ，而在配完间隙后，其球面直径与原名义直径稍有变化，为保持转轮室与外配水环和尾水管相接的流道尺寸不变，需调整与其前后相接的园弧R尺寸即可。
7、止口的配车间隙
主轴与转轮之间的配车止口：
其止口应要求按D=0.02-0.05来配车，因主轴和转轮都是机组的关键大件，在制造过程中其联接螺栓和销孔并不同作，因此，在各自铰制销孔时，须以配车好的止口为基准，不应出现安装时以销孔为准去修止口的现象，那样会造成主轴与转轮不同心，运行时偏摆、振动。因此，主轴与转轮止口一定要保证精度较高的配车。
转轮体芯与转轮体的止口配车：（以史家洲为例）
对于芯和转轮体从上面把合的结构形式来说，也应配车其止口，以止口为基准，在其同心园上定出销孔位置各自单镗（其配车间隙可较前者稍放大（见图为0.03-0.08）否则装配时会为了对销孔而造成转轮体芯偏离转轮体中心，增加转轮的不平衡。
8、导向键结构的问题
导向键是为了使接力器缸保持轴向的往复运动，而不致受切向分力产生相对扭转，导向键在接力器缸上，键槽有的设在转轮体上，有的设在泄水锥上，为了便于安装对正，现将泄水锥分为上、下两段（以史家洲转轮为例）仅上段为键槽段，然后再装入泄水锥下段，带键槽的泄水锥上段设计时注意：
拧螺栓的空间长度位置，应保证将此段拧入转轮体后，还能有空间放入螺栓把装泄水锥下段，或采取螺栓错开分布。
连接泄水锥上段与转轮体的销子要进行计算以确定其直径和个数。
因为接力器缸上承受的切向分力通过导向键作用到泄水锥上段，再由此处的销子传到转轮体上，所以此销子应有足够的面积来承受此剪切力。同时要注意此径向销不得与此处的密封干扰。
9、转轮体上止口处封油凸台尺寸公差的配置。操作油管通过主轴及转轮体芯的中心孔将油路隔成三腔，中心通轮毂油。为了防止最外腔的压力油在主轴与转轮体止口的空间造成大的轴向分离压力，并增加联轴螺栓的拉伸负荷，在转轮体上止口内有一凸台，它与主轴止口平面间有一道密封，设计时应注意凸台高度与主轴止口高度公差的配置，要在保证主轴法兰与转轮上平面完全接触的前提下，又能使得此凸台处的密封圈能封住油为原则，即让主轴止口密封圈，但不得与凸台接触。
10、联轴螺栓的水下疲劳问题
贯流式水轮机转轮与主轴由联轴螺栓把合成一体，它在运行中是转动部件，与其相邻的上游侧是固定的前锥体的后锥体，以形成流道的一部分，运行时，水流会通过转动部分和固定部分之间的空隙进入，所以在联轴螺栓上部应有护罩封水。对于贯流机，由于是卧式布置运行时的联轴螺栓是受交变载荷，材料的疲劳强度会降低，国内、外都曾有过联轴螺栓断裂的先例，所以螺栓的水下疲劳问题要引起重视，应尽量避免受变载荷的联轴螺栓长期在水中工作。
三、主要部件加工要点
1、叶片
叶片是水轮机转轮的关键件，叶型和头尾部必须严格按照翼型图要求加工或修磨，因为它直接关系到叶片的水力性能，影响效率、出力和汽蚀。
叶片外缘是和转轮室相配合的球面，应在操作机构装入后，转臂贴紧止推轴套端面，且叶片处于全关位置时加工，以保证在其它各转角下都不会与转轮室相碰。
在叶片上画出Rc线和X’Y’线标记，以便叶片装入转轮体时核对转角位置以及确定与转臂同打销孔的正确位置。注意此标记线不得划在叶片法兰的密封面上以致影响密封性能。
叶片加工修磨完后应称重，装配时以便将重量相近的叶片对称安放或合理配置，以减小转动时的不平衡，影响机组的稳定性。
2、转轮体
是整个转轮的基础件，其它另件都要装配在它上。它与主轴靠联轴螺栓把合联结靠销子传递扭矩，在不同镗销孔的情况下，应按加工完的止口配车另一件的止口，间隙0.02-0.05，各自再以止口为基准。以一定的工艺措施保证在止口的同心园上布置螺孔和销孔，不应出现为对销孔而修止口的现象，因它关系到轴系的同心度，影响机组的稳定运行。
转轮体与叶片法兰相接触的部位堆焊有不锈钢层（见转轮体放大图VII）。加工时应注意保证相关位置的尺寸公差及0.5mm的间隙尺寸，以保证叶片转动灵活。
3、接力器缸
要注意几只耳板上销孔的位置度，必须按尺寸公差保证，因接力器缸的动作通过这几只耳板联接连板、转臂而带动几只叶片同步动作。对于三叶片机组来说，由于三只耳板不对称，更要注意其耳板孔的位置尺寸。
导向键的加工
导向键与接力器缸连成一体，它要保证接力器缸在运行中不受转动的切向分力而产生相对转动，首先要保证三只键均布的位置度，以便装配时与键槽相对应，同时要注意键两面加工的平行度，以保证装完抗磨板后不致偏斜。
4、转臂
加工与叶片的销孔时，注意对上叶片全关位置的Rc线时，确定销孔与+X’的关系。
四、安装要求及注意的问题
1、转轮装配时注意检查转臂中心线，叶片Rc线与+X’、+Y’之间的对应关系，以保证其装配位置和转角的正确性。
2、装主轴与转轮把合联结时注意，应保证整个法兰面的密合，若转轮体止口处的凸台相碰，应修磨凸台。
3、装叶片时注意，将转臂向外帖紧止推轴套止推面时，须保证其法兰面与转轮体的不锈钢层之间有0.5mm的间隙，以保证叶片转动灵活。
4、装导向键键槽时，注意将几只键槽均匀对正各只键的配合面，同时，修配各导向键两面的抗磨板，使其与各键槽的单边间隙保持在0.025-0.10mm，而不致让旋转中的切向力由一只键来承受。