關(guān)于水輪機模型裝置設(shè)計的探究

摘 ?要：水輪機模型是驗證水力設(shè)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(wěn)可靠是保證水力設(shè)計效果的前提。水輪機模型裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計作為項目的中間環(huán)節(jié)，工作成效的優(yōu)劣直接影響到整個科研項目的成敗。隨著發(fā)電設(shè)備市場競爭的日益激烈，對水輪機模型試驗裝置的設(shè)計、加工、安裝、調(diào)試都提出了更高的要求。如何提高我們自身結(jié)構(gòu)設(shè)計能力和設(shè)計水平已成為亟待解決的問題。

關(guān)鍵詞：水輪機模型;裝置設(shè)計;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一、水輪機模型的設(shè)計對比分析

通過不同國家、不同廠家水輪機模型裝置的對比分析， 歸納適應(yīng)新時代試驗條件的模型裝置部套結(jié)構(gòu)，為優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)、提高裝置穩(wěn)定性提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1、模型裝置總體結(jié)構(gòu)

模型裝置靜壓軸承的安裝精度決定了模型轉(zhuǎn)輪的安裝精度和模型裝置試驗結(jié)果的穩(wěn)定性;導(dǎo)控系統(tǒng)的控制精度決定了活動導(dǎo)葉開關(guān)的同步性和導(dǎo)葉開口的一致性;裝置的拆卸方式直接影響了安裝的效率。以上三方面直接影響了模型裝置能否實現(xiàn)對水力設(shè)計思想的可靠驗證，下面對此逐一分析。

（1）靜壓軸承連接方式

國內(nèi)模型裝置設(shè)計多采用分體式結(jié)構(gòu)，即靜壓軸承單獨把合固定。在分體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)輪的靈活調(diào)節(jié)和安裝，具有工程效率高，安裝快速的特點。但是這種分體式的結(jié)構(gòu)在高水頭、大流量的工況下穩(wěn)定性一般，各個接觸部件之間具有較大的柔性，部件間需要較大間隙值才能克服徑向位置變化量，分體式結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能夠滿足工程的需求。而整體式結(jié)構(gòu)的裝置中，采用靜壓軸承與頂蓋整體把合連接，頂蓋具有絕對的剛性，保證了裝置在工況變動時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（2）裝置拆裝方式

底環(huán)與座環(huán)設(shè)計為一整體的模型裝置，便于生產(chǎn)加工，縮短了加工周期;同時確保了座環(huán)與底環(huán)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(dǎo)葉的更換，而需將模型裝置靜壓軸承與導(dǎo)控部套全部拆除，并重新調(diào)整轉(zhuǎn)動中心。而模型裝置采用“下拆式”結(jié)構(gòu)。底環(huán)與座環(huán)采用分體式結(jié)構(gòu)，在更換活動導(dǎo)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(diào)整轉(zhuǎn)動中心，省去了二次找正的時間，降低了工作強度，但該結(jié)構(gòu)對加工精度有嚴(yán)格的要求，并需要在安裝時嚴(yán)格檢查底環(huán)與座環(huán)過渡處流道的光順性，以避免流道出現(xiàn)高低臺階，影響效率。

（3）導(dǎo)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模型裝置導(dǎo)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為通過連桿將導(dǎo)葉臂與控制環(huán)連接，導(dǎo)葉臂通過螺栓夾緊方式與活動導(dǎo)葉連接，中間靠銷軸連接。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是原理簡單、安裝調(diào)整方便。其局限之處為依靠單個螺栓把合夾緊導(dǎo)葉臂克服導(dǎo)葉水力矩，試驗水頭升高時，導(dǎo)葉水力矩明顯增加，當(dāng)導(dǎo)葉臂所提供的夾緊力不足以克服導(dǎo)葉水力矩時，螺栓夾緊失效，活動導(dǎo)葉產(chǎn)生角位移。

活動導(dǎo)葉采用脹緊裝置連接，導(dǎo)葉臂采用導(dǎo)向銷軸傳遞扭矩，導(dǎo)葉臂受力均勻，連接強度得到提高，操控性能也更優(yōu)異，且該結(jié)構(gòu)兼具節(jié)省空間、拆裝方便及外形美觀的優(yōu)點。

2、模型結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

（1）蝸殼材料的選用

蝸殼選用鍛造鋁錠材料，在加工時采用的編程數(shù)控法，克服了蝸殼采用鋼板拼焊方法加工時產(chǎn)生的流道精度低的問題;解決了采用鑄造蝸殼帶來的流道缺陷以及生產(chǎn)周期長的問題。該材料具有良好的機加性能和強度，蝸殼在水壓試驗及高水頭工況下的變形量也極大減少。

（2）尾水部套設(shè)計方法的完善

隨著水電行業(yè)的發(fā)展和競爭的日趨激烈，對水輪機模型裝置的研究提出了更高的要求，為了滿足社會的發(fā)展需求，尾水部套設(shè)計也在不斷的更新和完善。新材料、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有效改善了結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制問題。如肘管采用鑄造形式整體數(shù)控加工的方法;擴散段成型鋼板厚度增加等。有效提高了裝置剛度以及對惡劣工況的適應(yīng)性。

二、模型裝置設(shè)計的趨勢

國家對水電行業(yè)的重視程度越來越高，投入力度也越來越大，市場中不同生產(chǎn)企業(yè)的競爭也是越來越激烈。水輪機模型裝置也逐漸向高水頭適應(yīng)性、高加工精度、拆裝方便等方面發(fā)展。如何設(shè)計出結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布局合理，加工及安裝簡易，成本易于控制、零部件甚至部套具有高通用性和標(biāo)準(zhǔn)化、檢修和維護便捷的模型裝置將成為科研人員未來研究的重點。此外，根據(jù)美國工業(yè)設(shè)計協(xié)會測算，工業(yè)品外觀每投入1美元，可帶來1500美元的收益。所以在保證裝置各項性能的同時，模型裝置的外觀設(shè)計也不可忽視，一個優(yōu)異的產(chǎn)品在設(shè)計中不可缺少對企業(yè)特點、文化等內(nèi)容的思考。

結(jié)語

模型裝置的制造安裝精度以及試驗過程中的機組的平穩(wěn)可靠是保證水力試驗效果的前提。隨著發(fā)電設(shè)備市場競爭的日益激烈，對水輪機模型試驗裝置的設(shè)計、加工、安裝、調(diào)試都提出了更高的要求。小到法蘭倒角的問題，大到蝸殼材料的選用和加工制造方法的變革， 做好模型裝置的設(shè)計是一個系統(tǒng)的工程，從產(chǎn)品的設(shè)計到原材料采購、制造、包裝都有體現(xiàn)，不可一蹴而就。但是在產(chǎn)品國際化，對比全球化的舞臺上，只有迎難而上不斷創(chuàng)新才能在競爭中立于不敗之地。

參考文獻

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