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1、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225m。2.2出力范围单机出力从几千瓦到几万千
2、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，
3、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，
4、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y。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，
5、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11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
6、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
7、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
8、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
9、，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
10、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,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
11、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,
12、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，
13、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
14、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37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
15、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
16、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
17、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向运行紧急停机时的反水锤压力。框架基础板宜与管形壳的内壳体焊为整体。,4）球面支承与侧向支承 灯泡头下的球面支承是承受灯泡头、定子等部件的重量，在充水后承受浮力。并允许灯泡体有微小的位移（小于1mm），这可减轻灯泡体的结构。设立侧向支承的目的是可以承受灯泡体的侧向力，并可防止灯泡体在运行时产生振动。,5）围板 在发电机下部支墩与定子外壳之间设立围板，其
18、目的是为了导向水流，并可减少运行中水的阻力。围板下部用螺栓与支墩相连。上部随定子外壳切割而成。,（2）导水机构 灯泡机组的导水机构与立式机组不同，为锥形导水机构。其部件由控制环、连杆、拐臂锥形导叶和内、外导水环等组成。,为防止机组飞逸，在控制环的右侧设有关闭重锤。当调速器失去油压时，可依靠重锤所形成的关闭力矩，加上导叶水力矩有自关趋势，能可靠的关闭导叶。但在有油压而调速器的主配压阀卡住时，难以实现快速关闭。因此应设置事故配压阀。当主配压阀卡住时，高压油可直接通过事故配压阀进入接力器，从而关闭导叶。内外导水环均为球面结构，导叶两端面亦为球面，这样能保证导叶在转动时能有效的封水。,锥形导水机构,1
19、-内导水环；2-轴销；3-控制环；4-剪断销；5-连杆；6-拐臂；7-活动导叶；8-外导水环；9-轴套；10-转轮室,导水机构安装场组装,由于导叶担负着在转轮前、导叶后的水流形成转轮所需要的环量，故导叶形状为空间扭曲面。为保证导叶间在关闭时能有效的封水，除要求两端面的间隙较小外（一般为0.6-1.2mm），还要求导叶的立面间隙较小，一般为0，导叶1/4长度不超过0.2mm。需要将空间扭曲的导叶按锥形要求加设立面密封。,（3）转轮与转轮室 灯泡式水轮机转轮，按叶片操作方式，可采用活塞套筒式，操作架式和缸动方式等结构。图7-7为缸动方式的结构，也就是活塞不动，活塞缸带动连杆、转臂，操作叶片转角度。
20、这种结构简单，安装方便。为防止水进入转轮体腔内，一般设有重力油箱，其高程使进人转轮体腔内的油压略高于外部水压力。转轮的叶片与转轮体间设有密封，常用的有形和形密封。轮轮叶片的操作油压常用为4.0MPa-6.3MPa。转轮在正式吊入机坑前，组装好的转轮应做耐压试验，要求每小时转动叶片23次，检查叶片密封处有无漏油现象，一般允许有滴状渗油现象。转轮室分上下两瓣。上部设有观察孔，下部设有进人孔，以利检修。为防止汽蚀，一般在上半部1/4圆周上堆焊不锈钢或用不锈钢整铸。,转轮结构（缸动结构）1-转轮体；2-联杆；3-转臂；4-叶片；5-活塞缸；6-活塞；7-泄水锥；8-泄水锥头；9-操作油管；10-水封,
21、转轮（拆去卸水锥、缸盖等）示意图,叶片传动机构示意图,转轮与转轮室,（4）水导轴承 水轮机导轴承位于水轮机转轮侧。由于水轮机转轮为悬臂形式，故要求水导轴承除承受径向力外，还应适应悬臂引起的挠度（转角）变化。目前适应以上要求的导轴承结构有两种：一是图7-8所示结构，二是如图7-9所示的结构。,图7-8 水轮机侧导轴承,由图7-8可知，水导轴承分两瓣。上部两边各留一段巴氏合金以封住油。径向力通过轴承的凸缘和扇形支承板传至管形壳。安装时，先根据厂家设计计算提供的尺寸和管形壳安装的实际位置来调整轴线。轴线调整好后再加工扇形支承与连接法兰凸缘之间的配合片。为适应轴的倾斜位移，法兰凸缘与扇形支承连接时的套
22、管应比凸缘长0.2mm，套管外径应比凸缘螺孔直径小2mm。这样，在运行时主轴产生较小的挠度变形，可由法兰凸缘和轴承套管来承受。较大的变形则应由扇形支承板来承担。,1-球面座；2-球面支撑；3-绝缘层；4-轴瓦；5-轴承盖；6-油封圈；7-温度计8-O形密封圈,图7-9 球面导轴承 图7-9所示为水导轴承，其为球面轴承。通过球面支承可以直接承受轴挠度引起的大小位移。,球面导轴承,水轮机导轴承采用动、静压组合式油膜轴承，轴瓦采用锡基合金材料，分半结构。当水轮机转速超过95%额定转速时，轴承为动压运行。此时轴承油膜由动压形成。润滑油来自重力油箱。使用46号汽轮机油，排油流至设在水轮机机坑的液压泵站。
23、,当水轮机起动及机组停机过程中，转速低于95%额定转速时，轴承为静压运行，此时由高压油泵供给高压油通至轴瓦下部的高压进油腔，用高压油将主轴顶起形成油膜，避免在低速时油膜破裂导致烧坏轴瓦。考虑到水轮机转轮及发电机转子的重量使主轴弯曲。加之机组运行过程中，发电机单边磁拉力的作用，主轴将不断改变挠度值及其变形方向，因此轴承采用自整位结构，使轴瓦能随主轴作相应地调整。轴瓦下部设有二只电阻温度计，既能读数也能发出信号，当轴瓦温度达到65C时，发出信号指令机组事故停机。,（5）组合轴承 对于双支点结构的灯泡机组，以电机侧的导轴承与正反方向推力轴承组合在一起成为承受径向力又受力轴向力的组合轴承，图7-10为
24、组合轴承结构图。发电机导轴承是承受发电机转子和偏心磁拉力等所引起的径向力。由于发电机转子为悬臂结构，为适应轴线倾斜，在导轴承与轴承支承环的组合面上设有配合片，根据轴线计算的挠值来选择配合片的楔形厚度。推力轴承设有正反向推力瓦。正反向推力瓦可以互换，每块瓦通过抗重螺丝支承在分两瓣的轴承壳上。正反向推力瓦面与镜板之间的总间隙为0.30.5mm。间隙的调整可以在轴承壳体外通过修刮调整垫片来实现。,图7-10 组合轴承结构1-顶轴千斤顶；2-发电机导轴瓦；3-轴承支持环；4-配合垫片；5-发电机导轴承壳体；6-反推力瓦；7-护板；8-推力环；9-正推力瓦；10-推立轴承壳体；11-抗重螺钉；12-主轴
25、,为便于轴线调整，组合轴承内设有千斤顶也可用在安装时支承主轴。由于主轴挠度计算以及轴承支承环安装精度难以保证，配合片的配置比较困难。因此，组合轴承中的导轴承采用球面支承结构，用球面支承来适应主轴挠度的变化。另外，为解决正反向推力瓦受力调整和适应主轴挠度引起的推力瓦对中偏移，受力分配不均等问题，可采用支柱螺丝加托盘的结构方式。,组合轴承,由镜板承受正、反推力，正推力瓦共8块，采用刚性支撑，反向推力瓦共8块，采用橡胶垫支撑方式。推力轴承采用动压运行，浸油润滑冷却方式，油槽内充满油，推力轴承润滑油由正推力进油与反推力进油组成进入油槽，由油槽上部排出至液压泵站。正、反推力瓦均为金属或塑料瓦。组合轴承由
26、正、反推力轴承和径向轴承组成。,组合轴承装配图,组合轴承 径向轴承为分半结构，径向轴承设有静压减载装置，在机组起动时或停机时；机组转速达到额定转速的95%时投入。径向轴承采用动压运行，静压起动和停机的方式。为适应主轴的挠度变化,根据轴系计算结果,对径向轴承的大法兰进行盘车,以保证机组在运行工况下,主轴和径向轴承基本垂直。径向轴承瓦面为巴氏合金。径向轴承润滑油来自重力油箱，排入反推力轴承油槽。轴承润滑油采用强迫外循环冷却方式，润滑油由重力油箱经管道引入轴承，润滑轴承后，热油分两路经管道汇入液压泵站，液压泵站用油泵将热油经冷却器送至重力油箱，以此循环往返。,（6）主轴密封 主轴密封是防止流道内压力
27、水通过转动与静止部分之间的间隙漏止灯泡体内部，它由主轴密封及检修密封组成。主轴密封采用聚四氟乙稀盘根密封，并将漏水通过水箱下部的排水管排至集水井。密封设有备用清洁润滑水孔。检修密封采用空气围带式密封，停机检修时，围带内充入压缩空气使围带彭胀。防止流道内的水进入灯泡体内。,(7)主轴装配 主轴装配由主轴、联轴螺钉护罩及主轴护罩组成。,主轴：贯流机组是与发电机共用一根主轴，主轴为中空结构，两端法兰分别与转轮、转子用螺栓联结并有销子传递扭矩。联轴螺钉护罩：护罩分两半，钢板焊接结构，它与大轴法兰端面及径向均设有密封条密封，护罩的作用是使转轮体和主轴之间的把合螺栓不泡在水里，避免螺栓的水下疲劳破坏。主轴护罩：主轴护罩分为三个,每个分为两半，钢板焊接结构，上游与组合轴承轴承盖联结，形成组合轴承漏油箱，下游侧与水导轴承轴承体联结处,设有伸缩节，并与水导轴承形成漏油槽。,(8)受油器装配 受油器装在发电机定子上，它由受油器装配、受油器座、前油箱、操作油管装配等组成。受油器将来自调速器主配压阀的开、关操作压力油通过操作油管与转轮内的活塞缸相通，构成操作转轮叶片的供油系统。受油器中操作油管的内管将转轮增压罐与转轮体内腔形成一个恒定的压力油源，用以密封叶片与转轮体配合的间隙，以防止流道内的水进入转轮体内。转轮叶片的转角通过内操作油管及回复机构反馈调速器。,谢谢！,
