水轮机结构设计浅析
机械与设备
2015.07︱321︱
水轮机结构设计浅析水轮机结构设计浅析
成常通
（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）
【摘 要】水轮机的发展在我国有着悠久的历史，早在100多
年前，农民用于灌溉以及机械驱动的水轮就是水轮机的雏形。今天，用于灌溉和机械驱动的水轮虽然已经不多见了，但是它演变而来的水轮机在水力发电领域被广发的应用。水轮机的主要作用是将水流能量转换成机械能，从而在转换成为电能。随着水轮机的发展，其结构逐渐复杂化，本文笔者结合资料分析和实际情况，阐述了水轮机的结构设计特点。
【关键词】水轮机；结构设计；类型分析 前言
在科学技术相对发达的今天，仍然找不到一种设备来更好地代替水轮机的作用。水轮机之所以被广泛应用于水力发电行业，是因为它有着自身不可替代的有点，它节能环保，更好地实现了可持续发展。在科技不断发展、不断更新的今天，水力发电行业对水轮机的功能要求也越来越高，因此需要人们对水轮机的结构不断的研究、设计和创新。
1 水轮机的分类简介
水轮机在我国发展的历史悠久，结构逐渐从简单到复杂化，功能逐渐从单一到多样化。在长期的实际应用中和不断研究中，人们根据其功能和结构特点将其分类，大致可分为贯流式水轮机、轴流式水轮机、混流式水轮机、水泵水轮机四种。
1.1 贯流式水轮机
水力资源分为高水头和低水头两种，贯流式水轮机的结构和功能特点就是为了更好地适应低水头水力资源而设计的。相比较之下，我国的低水头资源丰富，因此贯流式水轮机在我国应用广泛、发展前景很好。目前我国的很多水力发电站都在应用贯流式水轮机，例如石溪口电站、黄泥滩等水电站的水轮机就是典型的贯流式水轮机。各个水电站的贯流式水轮机在安装形式、外观设计方面有所不同，但是在机身本身的结构设计以及尺寸大小方面是相似的，功能和作用效果是相同的。
1.2 混流式水轮机
混流式水轮机在我国的发展是比较超前的，不少水力发电站对混流式水轮机的应用采用了世界先进的技术，在功能和结构方面已经达到了世界的先进水平。例如李家峡水电站就采用了世界先进的水轮机，并在安装设计时对水轮机的座环、主轴以及转轮进行了创新设计，使其运行起来比较灵活。在机身的其他结构方面也做了较大的改进，使其性能更加优化，工作效率更高。
1.3 轴流式水轮机
轴流式水轮机是根据某些地理位置和电站的要求，在混流式水轮机的基础上改进而来的，它具有单机容量大、单轴传动等设计特点。典型的应用实例有迪什林水轮机和高坝洲水轮机，在设计时，采用通过接力器对角布置和轴承调节，完善了水轮机的总体布局，提高了水轮机的应用价值。有的水电站在使用轴流式水轮机时其座环需要采用铸焊的方式，使其能够承受各方向的水压，保证水轮机能够更好地发挥其功能。
1.4 水泵水轮机
水泵水轮机的作用特点是抽水蓄能，然后再将其转换成机械能，最后再转换成电能。水泵水轮机过渡过程相对比较复杂，机组振动大，这给实地安装设计带来了一定的困难，但因其自身的结构特点，它的自身重量比较轻，大大降低了成本，所以得到了推广。为了降低水泵水轮机自身的缺点带来的风险，在实地应用时可对其座环、导叶等器件进行改进，采用金属端面对座环以及顶盖进行密封，这样能够保证导叶的密封性能。 2 水轮机结构和功能的改进
2.1 对导轴承结构的改进
目前我国很多水电站使用的导轴承结构都是稳定性很好的非同心分块瓦油轴承。导轴承的主要作用是承载，近年来随着需求的不断提高，研究人员对其结构不断进行了改进。例如采用大量的销子代替轴承传递径向力，使其刚度得到很大的提高，采用径向分半卧式的筒式轴承结构作为重载静压起动轴承，使其在中效果更好。
2.2 对导叶限位装置的改进
在水力发电行业发展初期，水轮机的应用技术不够完善，尤其是导叶之间的相互碰撞以及导叶与转轮叶的碰撞容易导致事故的发生。后来，在大量的实验与研究中，研究人员发现，一旦导叶失步，导叶上的水力矩和同步时的水力矩就会相差很大，极易导致导叶之间相互碰撞以及导叶与转轮叶片相互碰击，所以需要加强导叶限位装置，同时设置阻力装置，预防剪断销剪之后导叶在水中摆动，导致事故的发生。
2.3 对座环、蜗壳等新结构改进
传统的座环蜗壳呈蝶形，结构比较复杂，而且制作起来比较困难。随着我国水力发电的发展，对水轮机的性能要求也越来越高，逐渐从国外引进了新的技术，并加以完善。现在大多数水电站的水轮机都采用新型的座环蜗壳结构，其结构简单，蜗壳的钢板使用智能计算机下料，制作起来方便。新型结构在设计时融入了大量力学原理，时机身受力均匀，具有传统结构拥有的性能，也有传统结构没有的优点。
2.4 采用主轴中心孔补气装置
主轴中心孔补气装置是水轮机运作不可缺少的一个结构，对水轮机的正常运行有重要作用。在很多水电站的应用中都反映出良好的效果。主轴中心孔补气装置的应用在一定程度上可以增大水轮机尾水管的受压能力，而且从周边进行补气，就地取材，应用方便。目前我国很多水电站例如像李家峡水电站、漫湾水电站等对主轴中心补气装置的应用已经取得了显著的效果。
2.5 将转轮与主轴连接
随着水力发电的发展，水轮机的功能也逐渐多样化，很多水力发电站逐渐要求水轮机的转轮要具有灵活性、能够进行互换等功能。为实现这一目的，新型的水轮机采用了摩擦键结构特点，利用摩擦力传递扭矩，同时在主轴和转
轮上使用一套镬模，更好地实现了这一要求。 2.6 分瓣转轮结构创新
我国对分瓣转轮结构的设计达到了世界领先的水平，可以称得上时创新。分瓣转轮结构使用埋入式螺栓把合分瓣上冠降低转轮高度，降低了实地操作的难度。同时采用整体焊接，使叶片不会发生错牙，保证水轮机的正常运行。为了避免焊接残余应力对结构造成不必要的影响，研究人员采用了不焊透焊缝的方法。 3 结束语
人类对科学技术的发展和创新是永不止步的，尤其是在针对资源的开发和利用的科学技术方面，更要不断积极地探索和创新。合理开发和利用水资源不仅是我国的环境主题，也是国际社会的环境主题。对水轮机的结构和性能进行不断的研究和改进，使其能够更好地将水力流动能量转换成人们所需要的电能，也是充分利用水资源的措施，对合理利用水资源有着重大的意义。 参考文献：
[1]蒋昭.某水电站水轮机结构设计[J],2013(5).
[2]宋敏,郭靖.锦屏一级水轮机结构设计[J],2012(6). 作者简历：
成常通：1982年5月出生，2004年毕业于哈尔滨理工大学电气技术专业。从事水轮机、水轮发电机工艺专业10年，中级工程师。