灯泡贯流式机组基本知识

灯泡贯流式机组基本知识安徽皖南水电检修公司（内部培训教材）一、贯流式水轮机概念及应用范围二、贯流式水轮机分类三、灯泡贯流式机组基本结构一、贯流式水轮机概念及应用范围1贯流式水轮机概念：1.1反击型水轮机的一种重要机型；1.2贯流式水轮机的引水部件、转轮、排水部件都在一条轴线上，水流一贯平直通过，故称为贯流式水轮机。1.3从进口到尾水管出口的全部过流通道都呈直线形或S形，进口没有蜗壳的直管引水，直锥管泄水，水流直线进出转轮叶片的卧轴、轴流式水轮机。。主要有全贯流式、灯泡式、竖井式和轴伸式等类型。2贯流式水轮机应用范围2.1水头范围一般在2~25m。2.2出力范围单机出力从几千瓦到几万千瓦。3贯流式水轮机特点贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式。它与中、高水头电站和低水头立轴的轴流式电站相比，具有如下显著的特点。1.效率高、结构简单、施工方便贯流式水轮发电机组从进水到出水方向轴向贯通，不拐弯，流道尺寸大而短，过流通道的水力损失少，效率高、结构简单、施工方便。2.尺寸小贯流式水轮机有较大的比转速，所以在水头和功率相同的条件下，贯流式水轮机的直径要比转桨式水轮机小10%左右。3.土建投资少贯流式水电站的机组结构紧凑，与同一容量的轴流转桨式机组相比，其尺寸小，可布置在坝体内，取消了复杂的引水系统，可减少厂房的建筑面积，减少电站的开挖量和混凝土用量。据有关资料分析，土建费用可省20%～30%。4.运行方式多由于进出水流道没有急转弯，使水轮机发电和抽水均能获得较好的水力性能，它可应用于潮汐电站，具有双向发电、双向抽水和双向泄排水等功能。5.见效快贯流式水电站一般比轴流式水电站建设周期短、投资小、收益快、淹没移民少；电站一般靠近城镇，有利于发挥地方兴建电站的积极性。二、贯流式水轮机分类贯流式水轮机组按总体布置方式的不同可分为以下几种：1)全贯流式；2)灯泡贯流式；3）竖井贯流式；4）轴伸贯流式；5)虹吸贯流式。按运行工况不同可分为以下3种：(1)单向贯流式；(2)双向贯流式；(3)可逆贯流式。一般习惯按总体布置方式的不同来分类，而很少按运行工况分类，所以按总体布置方式的不同分类，介绍贯流式机组的类型。贯流式与轴流转桨式水轮机比较1.贯流式流道顺直，流场分布均匀，水力效率高，高效区平坦宽阔。2.贯流式转轮的单位转速高、单位流量大。3.贯流式水轮机限制工况的出力一般不取决于5%出力限制线，而取决于电站允许的空化装置系数σy。4.贯流式额定工况的参数Q11、n11值的可选择范围宽，应由技术经济成本与竞争力比较选定。5.贯流式水轮机安装高程一般考虑空化因素外，还有考虑尾水管出口淹没深度要求。6.贯流式与同容量的轴流式水轮机比较，机组尺寸要小得多，机组重量轻。7.与轴流式电站比较，开挖较浅，土建工程节省约30%～40%。8.目前，我国径流式电站中，在水头20m以下一般贯流式机组，水头在20～27m之间选择轴流式还是贯流式须进行分析比较，水头在27m以上应选择轴流式机组。9.单机容量超过所上电网容量25%，或单机容量超过电网装机的10%，选用贯流式水轮机须进行稳定性分析。2.1全贯流式水轮机全贯流式水轮机的流道平直，水流可沿轴向一直流过导叶、转轮叶片和尾水管，故称为全贯流式水轮机，也称为直线流动的水轮机——管型水轮机。由于全贯流式发电机转子布置在水轮机转轮的外缘，故称为轮缘贯流式水轮机，如图1—1所示。全贯流式水轮机的优点是：无传动轴、结构紧凑、便于整装，这可直接放在溢洪道内或大坝溢流段的下部闸墩内。因该机组的发电机布置在过流道以外的宽敞处，所以通风好，检修方便。当发电机布置在轮缘外时，转子飞轮力矩大，运行易于稳定。实际上这类机组的发电机转子和水轮机的转轮已经结合为一体，所以厂房跨度很小，可节省大量土建投资。缺点：叶片与发电机转子连接结构比较特殊，制造工艺要求很高，转子轮缘密封复杂且不可靠，渗漏不好控制。虽然在上世纪五十年代就出现了这样的机组，但至今未得推广。当前某些外国公司，在密封结构型式和材料等方面的研制工作已取得进展，并已将这种机型应用在某些大型潮汐水电站上。目前我国对全贯流式水轮机尚处于试验研究阶段。2.2灯泡贯流流式机组灯泡贯流式机组是贯流发电机组家属中最重要的一员，它与其他贯流式有一定的区别。一般情况下，它与发电机同轴连接，由于水轮机转速较低，而发电机尺寸较大，所以外壳形成灯泡状。这种机组的发电机组安装在密封的、外形酷似灯泡壳体，水轮机安装在灯泡的插口处，因此称这种机组为灯泡贯流式水轮机。这种机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中，发电机主轴与水轮机转轮水平连接。水流基本上轴向通过流道，轴对称流过转轮叶片，然后流出直锥形尾水管，参见图1-11所示。机组的轴系支承结构、导轴承、推力轴承都布置在灯泡体内。由于贯流式机组水流畅直，水力效率比较高，有较大的单位流量和较高的单位转速，在同一水头，同一出力下，发电机与水轮机尺寸都较小，从而缩小了厂房尺寸，减少土建工程量。但是发电机装在水下密闭的灯泡体内，给电机的通风冷却、密封、轴承的布置和运行检修带来困难，对电机的设计制造提出了特殊要求，增加了造价。即使如此它与立式轴流式机组相比仍具有明显的优点。灯泡式机组虽然是一种新型机组，但近20年来也积累了许多成功的经验，并逐渐向较高水头和较大容量发展，在国内外得到了广泛应用。典型灯泡贯流式机组剖面图典型灯泡贯流式机组厂房典型灯泡贯流式机组厂房2.3．竖井贯流式这种机组主要特点是将发电机布置在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中，发电机与水轮机的连接通过齿轮或皮带等增速装置连在一起如图所示。2.4轴伸贯流式这种贯流式水轮发电机组基本上采用卧式布置，水流基本上沿轴向流经叶片的进出口，出叶片后，经弯形（或称S形）尾水管流出，水轮机卧式轴穿出尾水管与发电机大轴连接，发电机水平布置在厂房内。轴伸贯流式机组按主轴布置方式可分成前轴伸、后轴伸和斜轴伸等几种，如图7-1所示。这种贯流式机组与轴流式相比没有蜗壳、肘形尾水管，土建工程量小，发电机敞开布置，易于检修、运行和维护。但这种机组由于采用直弯尾水管，尾水能量回收效率较低，机组容量大时不仅效率差，而且轴线较长，轴封困难，厂房噪音大都将给运行检修带来不方便。所以一般只用于小型机组。由于流道为S形，又称S形贯流式机组。图7-1轴伸贯流式水轮机组剖面图a、前伸轴；b、后伸轴；c、斜伸轴2.5其它形式贯流式水轮机除了以上几种型式外，还有明槽式和虹吸式等。其特点类似于轴伸式水轮机：容量不大，应用水头较低，机组结构简单，发电机布置在水面以上，运行、安装、检修较为方便。同轴伸贯流式机组一样，通常只用于小型水电站上。我国对贯流式水轮机的研究起步较晚，且进展缓慢。除灯泡贯流式机组已有大型机组外，其他各类贯流式机组的单机规模基本上还限于小型，同时各类贯流式水轮机的转轮品种很少。贯流式水轮机适用范围水轮机形式适用水头（m）流量（m3/s）容量（MW）备注全贯流式小于408~9001.5~90灯泡贯流式小于254~9002.5~90轴伸贯流式小于254~900.25~30整装齿轮传动灯泡式小于83~210.1~1整装皮带传动全贯流式小于127~1000.4~6竖井贯流式小于94~5000.1~30三、灯泡贯流式机组基本结构灯泡贯流式水轮机适用水头范围广，效率高，较其它类型贯流式机组有突出的优点，因而在国内外得到广泛应用，当前国内已有大型机组出现。灯泡贯流式机组的结构比较复杂，其总体布置大致有两种布置方式：一是以管形壳为主要支撑的布置方式；二是以水轮机固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式。两种方式各有特点，现分别予以叙述。1、以管形壳为主要支撑的布置方式如图7-3所示，以管形壳为主要支撑方式的布置，整台机组的受力主要通过管形壳传递至厂房基础。发电机灯泡头下的球面支承主要是用来平衡灯泡头定子部分所引起的浮力。发电机定子两侧的支座是为了防止机组在运行中引起振动。整台机组以两支点为主要方式，即水轮机端通过水导轴承，发电机端通过组合轴承将机组转动部分的受力传递至管形壳，再传至厂房基础。发电机灯泡头下的球面支承允许发电机灯泡头和定子有微小的位移，一般为1mm。这样，整台机组结构比较轻巧，受力也简单明了，易于计算。转轮尾水管管型壳水导受油器灯泡头管型壳灯泡头竖井导水叶由图可知，灯泡体内的水轮机端，可由管形壳内爬梯进人。灯泡体内的发电机端可由发电机进人孔进入。由于灯泡头允许有微小的移动，故发电机进人孔与发电机盖板之间的结构也是允许进人孔的竖井可以有微小的移动。发电机下盖板为多孔结构，主要是增加在水流通过时的阻力。也就是当机组关机所形成的水锤，通过多孔结构的减压，使发电电机盖板的结构可以轻巧一些。机组安装时，灯泡头和发电机定子转子等可以从发电机盖板孔中吊入。机组主轴（包括组合轴承和导轴承）、转轮等均可从转轮室打开后吊入。机组主轴（包括组合轴承和导轴承）、转轮等均可从转轮室打开后吊入。机组检修时，上游流道内的水可通过打开排水阀经排水管排至集水廊道。下游尾水管内的积水也可通过排水管排至集水廊道。水轮发电机组模型水流方向灯泡头管型壳导水构叶转轮室定子组合轴承推拉杆2、以固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式灯泡机组主要通过固定导叶（座环）将转动部分、定子等的受力传至厂房基础。发电机灯泡头（机壳体）的受力由发电机进入孔（上支柱）和下支柱来承受。其组合轴承双向推力轴承和发电机导轴承所承受的力，可由拉杆直接传至厂房基础。其受油器位于发电机转子与转轮之间，因而需设发电机轴和水轮机轴。（略）3、灯泡贯流式机组的结构灯泡贯流式机组的主要部件可大致分为以下几个部分：（1）埋设部件包括尾水管里衬、管形壳（内壳体，外壳体）发电机进人框架、盖板、墩子盖板，接力器基础以及下部支承，侧向支承基础板等。1）尾水管里衬大型灯泡机组的尾水管里衬，一般分成3~7节，运到现场后再拼焊成整体。如管形壳与尾水管里衬一起安装，则对尾水管的基础环法兰面要求可低一些。因为机组的高程、中心，水平均以管形壳的法兰面为基准。如管形壳晚安装，先装尾水管里衬，以便厂房先盖起留下机坑，则对尾水管基础环的要求高些。大型灯泡机组尾水管基础环是分节运至工地后再拼焊成整体。故在现场拼焊时应用仪器监视变形，以免波浪度超差。尾水管里衬图片尾水管里衬是防止水流对混凝土尾水管直接冲刷而设置的金属衬板，由钢板卷制而成，在距上游进口处设有四只测压头作为电站测试水压之用。里衬装有尾水管进人门。尾水管里衬下半部分装有安装用支腿。以备安装调整使用。2）管形壳管形壳分为外壳体及内壳体。外壳体由上、下部分，四块侧向块和前锥体组成。内壳体由上、下两半组成。外壳体上游面与发电机进人孔的框架，墩子盖板连接。下游面与外导水环连接。内壳体的上游面与定子机座连接，下游面与内导水环连接。管形壳的结构应满足受力要求。先根据机组的外部荷载，确定管形壳的受力情况，然后参考已有相近机组的结构尺寸定出机组管形壳的结构，再按受力分析对各部位进行校核，使其刚、强度均能满足规范要求。受运输条件限制，座环装配分为内锥、外锥两部分。座环是机组的主要支撑，承受机组大部分重量，水的压力、浮力、正反向水推力、发电机扭矩等，并将这些负荷传递到基础混凝土上，因而应具有足够的强度、刚度。座环是整个机组的安装基础，水轮机的导水机构，发电机定子，组合轴承支撑等都固定在其法兰上，并以此为基础顺序安装。座环采用钢板焊接结构，受运输条件限制内环分为两半，外环两半，在水平方向有两个固定导叶，在垂直方向有两个进人筒，既为座环的主要受力构件，也作为安装油、水、气管路和电气线路，更换水轮机导轴承、密封、组合轴承的通道。在座环的外锥部置调整螺杆和锚钉，安装调整用。管形壳现场安装图片管形壳现场安装图片管形壳在安装场3）发电机进人孔的框架、盖板发电机进人孔的框架、盖板，是为了安装检修时吊入发电机定、转子，主轴和灯泡头等部件，并可固定发电机进人孔竖井。大型灯泡机组的发电机盖板还分为上盖板和下盖板。下盖板为多孔板，目的是减少甩负荷升压时对盖板的升压值。对于能正、反向运行的灯泡机组，框架基础应考虑在反