水輪機模型裝置設計的發展

程宇坤，閆 娜

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

0 前言

水輪機模型裝置同臺對比試驗，是檢驗水輪機研發結果的有效手段，也是學習國內外先進設計思想、汲取設計經驗的機會[1-2]。隨著水力發電設備市場競爭的日趨激烈，對包括水力設計、水輪機模型裝置設計、加工、安裝、調試和模型試驗等環節的水輪機研發工作提出了更高的要求[3]。近年來各廠家不斷加大科研投入，在模型裝置研制方面取得了長足的進步[4,5]。

水輪機模型機組中心的穩定性、活動導葉開口調節的一致性和可靠性直接影響了水輪機的效率。模型裝置在高水頭下的抗變形能力和拆裝的靈活性、是評判水輪機設計優劣的重要標準。

基于水輪機模型裝置使用情況，分析國內外水輪機模型在靜壓軸承的連接形式、導控系統結構等方面的不同，研究易于加工和提高裝置性能的結構設計方法；總結近年來為適應高水頭和高精度等新的試驗條件和試驗要求下，水輪機模型裝置結構設計方面的改進與創新，為優化模型裝置性能，提高安裝和測試效率、保證模型裝置測量結果的準確性提供技術基礎。

1 模型裝置設計對比及裝置的改進

水輪機模型是驗證水力設計思想的基本載體，模型裝置流道型線的精確無誤、試驗過程中的機組的平穩可靠是保證水力設計效果的前提。模型裝置應抓住影響設計效果的關鍵因素，國內外廠家在模型裝置設計方面各具特色，分析國內外模型裝置總體結構的差異，總結在新的模型試驗要求下，模型試驗裝置發展的趨勢，為后續項目優化設計提供有利支持。

1.1 模型裝置總體結構

圖1是水輪機模型裝置，由靜壓軸承和模型裝置兩部分組成，兩部分共同決定了模型裝置的性能。模型裝置同臺對比試驗中，國內外模型裝置結構布局有所不同，在安裝周期及安裝強度上也各有裨益。以下從靜壓軸承的連接形式、裝置的拆卸方式、導控系統結構三方面進行分析：

圖1 混流式模型總裝圖

1.1.1 靜壓軸承連接方式

國內模型裝置設計多采用分體式結構，即靜壓軸承單獨把合固定，如圖1所示。該結構增加了中間大板連接環節，使靜壓軸承中心的調節方式更靈活；同時增加裝置上部調節空間，便于導控部套的安裝。整套裝置與試驗臺的連接采用柔性系統，能抵消部分蝸殼受力產生的位移，但模型裝置受力產生的移動為非水平移動，使流道局部產生較大應力變形，對間隙產生影響，使得密封效果大打折扣。隨著近年來抽蓄項目的增加，對試驗的影響逐步顯現。同時伴隨著試驗水頭的升高，該結構已無法完全滿足試驗要求。

整體式模型裝置多采用靜壓軸承與頂蓋整體把合的剛性連接形式連接，如圖2所示。這種連接方式能夠使軸承與頂蓋形成一體，在高水頭試驗條件下，蝸殼受力急劇增大，易產生徑向位移，而頂蓋與軸承始終保持相對靜止，轉輪與靜壓軸承連接，相對頂蓋位置固定，不會產生相對位移，保證了轉輪間隙（即轉輪與頂蓋、下迷宮之間的縫隙）。在設計時可以確定一個較小的間隙值，以減小流量損失，提高轉輪效率。但是，這種結構對試驗臺的整體剛度有較高的要求，需提高試驗臺相對連接剛度。

1.1.2 裝置拆裝方式

導葉水力矩測量試驗中，發現國內外廠家模型裝置的拆裝方式也有所不同。

圖2 整體式模型裝置

底環與座環設計為一整體的模型裝置，便于生產加工，縮短了加工周期；同時確保了座環與底環流道的光順過渡，保證了水力性能。這種拆裝方式的不足之處是，無法直接在試驗工位完成活動導葉的更換，而需將模型裝置靜壓軸承與導控部套全部拆除，并重新調整轉動中心。

部分廠家的模型裝置采用"下拆式"結構，如圖 2所示。底環與座環采用分體式結構，在更換活動導葉時無需將頂蓋拆除，在試驗工位即可完成更換工作，且不用調整轉動中心，省去了二次找正的時間，降低了工作強度，用更短的時間實現了水力設計思想。但該結構對加工精度有嚴格的要求，并需要在安裝時嚴格檢查底環與座環過渡處流道的光順性，以避免流道出現高低臺階，影響效率。

1.1.3 導控系統結構

部分模型裝置導控系統結構為通過連桿將導葉臂與控制環連接，導葉臂通過螺栓夾緊方式與活動導葉連接，中間靠銷軸連接，如圖3所示。這種結構的優點是原理簡單、安裝調整方便。其局限之處為依靠單個螺栓把合夾緊導葉臂克服導葉水力矩，試驗水頭升高時，導葉水力矩明顯增加，當導葉臂所提供的夾緊力不足以克服導葉水力矩時，螺栓夾緊失效，活動導葉產生角位移。導葉臂與活動導葉產生相對運動，導致各導葉的開口不同步。同時該結構連接部件較多，增大了控制手柄的操作力。

部分模型裝置采用滑塊或柱銷結構作為活動導葉開口調節機構，如圖4所示。

導控系統采用導向銷軸結構作為傳動機構的優點為摩擦點少，且多為線接觸，各活動導葉臂受力均勻；活動導葉與導葉臂連接處采用鎖緊機構固定，連接強度明顯提高，更適用于高水頭的試驗條件。同時為降低摩擦力，采用了軸承系統，將控制環與蝸殼的摩擦由滑動摩擦改為滾動摩擦，試驗中，單人一指即可推動控制手柄完成導葉開口的調節，操作靈活。只是需保證活動導葉與導葉臂鎖緊機構螺栓在一個合理的受力范圍內。

圖3 連桿轉臂式導控系統結構

圖4 柱銷連接式導控系統結構

為了滿足新時期高水頭、高精度的試驗要求，上述結構經過改良、計算及試驗驗證已經成功應用到多個項目模型結構設計中，并取得了良好的效果。

1.2 新試驗要求下模型結構的改進

隨著新型加工設備的出現和加工工藝的不斷進步，生產加工能力有了新的提高[10]，零部件的加工精度得到保證。水輪機模型裝置從基礎材料到設計方法也經歷了不斷改造與創新。

1.2.1 蝸殼材料的選用

為解決鋼板拼焊蝸殼成型難度大，焊接易產生變形，流道精度較低的問題，分別研制了鑄造不銹鋼蝸殼和鍛鋁蝸殼。

使用鑄造不銹鋼蝸殼的優點在于蝸殼流道采用編程數控加工，流道的精度得以保證，可以提升整個裝置的剛度，裝置的水力性能得到保證，如果能縮短生產周期，提高產品質量，鑄造不銹鋼也是蝸殼成型材料的優先選擇之一。

鍛鋁材料具有良好的機加性能[6,7]，鍛鋁分瓣蝸殼采用編程數控加工內流道，無需木型車間二次造型，蝸殼加工周期大大縮短，提高流道精度的同時縮短了生產周期；并且鍛鋁蝸殼的使用大大降低了蝸殼的變形量，經過三維仿真計算，同等受力條件下，鍛鋁蝸殼的變形量只有鑄造蝸殼變形量的一半，整個裝置的剛度得到提升，但鍛鋁材料的防腐性能和機械性能的合理匹配以及銹蝕后的修復等問題也亟待解決[8,9]。

1.2.2 尾水部套設計方法的改進及發展

為適應新時期高精度、高穩定性及易于流態觀測的試驗要求，尾水部套設計方發也經歷了多方面改進。

采用新型長螺桿連接錐管法蘭形成支架的方法，有效解決了焊接錐管支架筋板角度受把合螺栓孔限制的問題，并且減小了擋光區，增大了錐管的可視面積，提高了裝置流態觀測的便利性。

肘管方面采用了分類設計方法，對于試驗水頭較高的抽蓄項目多采用鑄造工藝，便于流道的數控加工；而試驗水頭較低時，仍采用鋼板拼焊成型，并通過計算增加環肋。同時提出了不同厚度鋼板混合使用的設計方法。通過計算將成型簡單、試驗過程中易產生大變形量的部分采用 5mm鋼板；而對成型困難、試驗過程中變形微小的部分采用 3mm鋼板，既保證了尾水部套的剛度又規避了困難。

此外，在擴散段出口斷面增加環肋，既提高了擴散段的整體剛度，又確保了出口斷面尺寸不會因試驗工況的惡劣產生變化。

上述設計方法已在實際項目中取得了較好的試驗效果。

2 模型裝置設計的趨勢

近年來，隨著國內外廠商對水電市場的投入，競爭的壓力日漸凸顯。為應對這種壓力，各廠家不斷加大科研基礎設施的投入。

適用于高水頭、高測量精度、易于拆裝調整的模型裝置設計方法越來越受到設計人員的青睞。能否在有限的加工和測試周期內實現多種水力方案的驗證；如何在高水頭、高壓力試驗條件下提高水輪機模型裝置穩定性和測量精度，成為科研人員研究的重點。此外，試驗裝置的外觀也成為各廠家比拼的內容之一。模型裝置的標準化、結構的簡易化、裝置間隙調整的自動化將成為未來模型裝置設計的主要方向。

3 結論

水輪機模型裝置是驗證水力設計的載體，其結構的優劣關乎整個項目的成敗。本文以混流式模型裝置為基礎，通過對比不同模型裝置得出：在能夠利用新型加工設備和加工工藝保證加工精度的今天，靜壓軸承與頂蓋把合連接、模型裝置“下拆式”結構形式以及導控系統采用滑塊柱銷和導葉鎖緊結構更有利于在高水頭、高壓力的試驗條件下保證模型裝置性能和測試精度。

此外，鑄造蝸殼和鍛鋁蝸殼以及改進的尾水部套設計方法，在保證流道精度的基礎上，降低了加工難度，提升了裝置的試驗性能和整體剛度，取得了較好的實用效果。為提高后續水輪機模型裝置的研發水平奠定了技術基礎。

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