CN113775459B - 一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂，由斗根轮毂、轮盘支架、第一副键、第二副键、第一螺栓、卡键、单耳止动垫片、第二螺栓、止动垫片、挡板、第三螺栓、螺母组成，本发明可有效解决传统大尺寸轮毂锻件国内无法制备的问题，可有效解决涡轮大件无法公路运输的问题，本发明采用支架中空结构轮毂，可显著地降低涡轮轮毂重量，节约采购成本、缩短制造周期，降低在各种运行工况下的离心力，同时采用键槽设计、加强键设计等使涡轮轮毂整体刚性不亚于锻造轮毂+水斗铺焊/高焊结构，可有效地提高涡轮使用的安全性并有利于涡轮发电效率的提升。

Description

一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂

技术领域

本发明属于水轮机转轮制造领域，具体涉及一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂。

背景技术

佩尔顿涡轮是水轮机的核心部件，是将水的势能转换为机械能的工具。其制造质量和寿命直接决定了电站的运行效率、安全性和稳定性。根据以往此种机组的设计及运行经验，随着机组容量越大，运行水头越高，涡轮外径尺寸越大，涡轮水斗根部的应力集中越明显，容易发生疲劳破坏而出现断斗的事故。因此，为避免此种情况的发生，目前佩尔顿涡轮的制造方式主要分为如下四种。

(1)整体铸造+铲磨方式，世界上单机容量最大、水头最高的瑞士毕奥德隆机组的佩尔顿涡轮采用的就是整体铸造+铲磨方式，涡轮外径为4.63米，采用整体铸造对钢水的纯净度、铸造及热处理工艺要求都极为苛刻，且价格昂贵，同时，铸件不可避免的会出现宏观和微观的缩孔及粗晶偏析，特别是水斗根部空间狭小，打磨和探伤可达性差，造成内部缺陷不能被及时发现，从而为以后的运行埋下隐患，抗疲劳破坏能力较差，世界上部分铸造转轮出现断口事故屡见不鲜，另外，由于使用样板铲磨工艺，手工铲磨劳动强度大，型线无法保证，生产效率低，加工周期长，水斗型线无法保证，因此，目前很少采用整体铸造+铲磨方式。

(2)整体锻造+数控加工，受锻压设备能力和钢锭尺寸的限制，整体锻造+数控加工方式适合于中小尺寸佩尔顿涡轮的制造，整体锻件内部质量优异，材料一致性好，整个水斗从轮毂外圆加工而成，水斗型线和准确性、光顺性及其水力性能均有所提高，可显著延长转轮的使用寿命。但整体锻造+数控方式也存在缺点，一是大尺寸的轮毂制造技术均掌握在国外少数厂家，处于垄断地位，供货周期无法保证，且价格极为昂贵，据悉，整体锻造涡轮市场价高达60万/吨，国内承制的米纳斯项目的整体锻造+数控加工涡轮外径为2.46m，涡轮原材料也是由国外公司负责供应，二是对于数控加工技术要求严格，加工工序复杂，同时需要五轴数控铣床，对于大尺寸涡轮，需要运到工地现场加工，设备投入大，加工制造周期长，无法保证正常交货周期，三是材料利用率极低，仅为30～40％。

(3)水斗微铺焊技术，由于水斗根部存在高应力区，因此，涡轮轮毂部分采用锻件，在轮毂根部加工出包括根部高应力区的斗根，再采用电弧焊+钨极保护焊+计算机辅助成型的方式在斗根上长出水斗的上部，属于一种净成形的制造方案，然后采用数控加工方式加工出整个水斗，此种制造方式探伤和加工可达性好，焊接质量可媲美整体锻造转轮，且相对于整体锻造而言，可采用较小的锻造轮盘，降低原材料采购成本，然而，对于更大尺寸的涡轮，比如轮毂尺寸超过5m，原材料采购成本仍然较为昂贵，同时由于轮毂尺寸巨大，无法解决公路运输的问题。

(4)水斗高焊接技术，此种制造技术与微铺焊技术较为相似，水斗采用锻件或铸件方式经精加工后成型，涡轮轮毂部分采用锻件，在轮毂根部加工出包括根部高应力区的斗根，在斗根和水斗部分分别加工出坡口后采用气保焊方式焊接成型，然后通过铲磨方式达到水斗型线要求，此种制造方式探伤和加工可达性较好，目前国内承制的厄瓜多尔电站的涡轮外径达到3.349m(轮毂和水斗同样为国外厂家供货)，但水斗高焊接技术对于焊接质量要求极高，否则斗叶与斗根焊接后易出现焊接变形和焊接缺陷，影响机组的使用寿命。同样，对于更大尺寸的涡轮，比如轮毂尺寸超过5m，厚度达到600mm以上，目前国内外均无此方面的轮毂制造经验，即使能够生产轮毂，一方面原材料采购成本极为昂贵，同时由于轮毂尺寸巨大，无法解决公路运输的问题。

综上所述，无论是采用整体锻造+数控加工技术，还是采用水斗微铺焊技术或者高焊接技术制造佩尔顿涡轮，均涉及到大尺寸轮毂锻件的制备技术，这也是制约我国水电机组发展的“瓶颈”所在，通过国外采购的大尺寸锻件，供货周期无法保证，价格昂贵，超过5m以上的巨型佩尔顿涡轮，无法解决公路运输的问题。为解决上述问题，本发明提供了一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂。

发明内容

本发明目的是公开一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂，具有制造成本低，供货周期可控，可拆分运到工地现场，满足公路运输条件，工地现场组装方便，缩短制造周期等特点。本发明是通过如下技术方案实现的：

支架结构的佩尔顿涡轮轮毂，由斗根轮毂、轮盘支架、第一副键、第二副键、第一螺栓、卡键、单耳止动垫片、第二螺栓、止动垫片、挡板、第三螺栓、螺母组成，斗根轮毂内圆上平面R沿圆周方向加工出螺纹孔，沿斗根轮毂内圆轴向方向开有多边形凹槽，斗根轮毂内圆下平面U沿圆周方向加工出第一止口，轮盘支架由轮盘和筋板采用埋弧焊方式制作而成，筋板外端加工出凸形键，上方加工出第二止口，下方加工出凸起底座，轮盘支架的筋板外端的凸形键穿过斗根轮毂内圆的多边形凹槽，斗根轮毂的下平面U第一止口固定在筋板下方的凸起底座上，第一副键和第二副键成对穿过凸形键左右两侧的多边形凹槽内，卡键插入筋板上方的第二止口内，第一螺栓依次穿过单耳止动垫片、卡键把合固定在斗根轮毂内圆上平面R的螺纹孔，单耳止动垫片一端锁紧在第一螺栓上，第二螺栓依次穿过止动垫片、挡板把合固定在卡键上，止动垫片两端锁紧在第二螺栓上，第三螺栓依次穿过螺母、挡板顶紧在第一副键上。

在上述支架结构的佩尔顿涡轮轮毂中，斗根轮毂由两个半环采用埋弧焊方式制作而成，半环材质为马氏体锻钢，坡口形式为对称类单U型坡口，斗根轮毂按照斗根加工轮廓线加工出斗根，并与斗叶采用气体保护焊方式制作出整个水斗。

在上述支架结构的佩尔顿涡轮轮毂中，轮盘和筋板材质均为马氏体锻钢，筋板坡口形式为多边形坡口。

在上述支架结构的佩尔顿涡轮轮毂中，第一副键和第二副键成对匹配。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明中的佩尔顿涡轮轮毂采用支架结构代替整体锻造结构和锻造轮毂+水斗铺焊/高焊结构，有效的解决了传统大尺寸轮毂锻件国内无法制备的问题，避免了国外订货昂贵，供货周期无法保证的问题。

2.本发明中的佩尔顿涡轮轮毂采用支架中空设计，可显著降低涡轮轮毂重量，显著地节约采购成本和缩短制造周期，供货周期可控，由于轮毂重量降低，转动惯量比整体锻造结构和锻造轮毂+水斗铺焊/高焊结构低，有效地降低在各种运行工况下的离心力，有利于涡轮发电效率的提升。

3.本发明中的佩尔顿涡轮轮毂可在制造厂内直接分部套生产，然后分部套运往工地，解决了大件无法公路运输的问题。

4.本发明中的佩尔顿涡轮轮毂采用圆周方向键槽设计、加强键设计、止口设计、卡键设计等，使涡轮轮毂整体刚性不亚于锻造轮毂+水斗铺焊/高焊结构，有效提高涡轮承受径向和切向方向的承载能力，保证涡轮使用的安全性。

5.本发明中的佩尔顿涡轮轮毂采用支架结构，在机组检修过程中，如有零部件损坏，可拆解后对损坏零部件进行修补或更换，涡轮无需整体更换，有效地节约检修时间，节省检修成本，使涡轮尽快投入运行。

6.本发明中的佩尔顿涡轮轮毂中的斗根轮毂采用采用整锻马氏体锻钢，避开了斗根部分的应力集中区，可有效地提高涡轮使用的安全性，避免出现断斗事故的发生。

附图说明

图1为本发明中支架结构的佩尔顿涡轮整体示意图；

图2为本发明中支架结构的佩尔顿涡轮轮毂截面示意图；

图3为图2中P向示意图；

图4为图2中Q向示意图；

图5为斗根轮毂俯视示意图；

图6为斗根轮毂仰视示意图；

图7为斗根轮毂半环埋弧焊坡口示意图；；

图8为轮盘支架截面示意图；

图9为图8中P向示意图；

图10为图8中Q向示意图；

图11为筋板正视示意图；

图12为图11中I向示意图；

图13为图12中G向示意图；

图14为图12中H向示意图；

图15为图3中I区局部放大示意图；

图16为图15中B-B截面示意图；

图17为图15中C-C截面示意图；

图18为图15中D-D截面示意图；

图19为第一副键正视示意图；

图20为第二副键正视示意图；

图21为卡键俯视示意图；

图22为卡键左视示意图；

图23为单耳止动垫片俯视示意图；

图24为挡板俯视示意图；

图25为止动垫片俯视示意图。

图中标记说明：1-斗根轮毂；2-轮盘支架；3-第一副键；4-第二副键；5-第一螺栓；6-卡键；7-单耳止动垫片；8-第二螺栓；9-止动垫片；10-挡板；11-第三螺栓；12-螺母；13-半环；14-对称类单U型坡口；15-螺纹孔；16-多边形凹槽；17-第一止口；18-斗根加工轮廓线；19-斗根；20-斗叶；21-水斗；22-轮盘；23-筋板；24-多边形坡口；25-凸形键；26-第二止口；27-凸起底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图2～图6、图8～图18所示，支架结构的佩尔顿涡轮轮毂，由斗根轮毂1、轮盘支架2、第一副键3、第二副键4、第一螺栓5、卡键6、单耳止动垫片7、第二螺栓8、止动垫片9、挡板10、第三螺栓11、螺母12组成，斗根轮毂1内圆上平面R沿圆周方向加工出螺纹孔15，沿斗根轮毂1内圆轴向方向开有多边形凹槽16，斗根轮毂1内圆下平面U沿圆周方向加工出第一止口17，轮盘支架2由轮盘22和筋板23采用埋弧焊方式制作而成，筋板23外端加工出凸形键25，上方加工出第二止口26，下方加工出凸起底座27，轮盘支架2的筋板23外端的凸形键25穿过斗根轮毂1内圆的多边形凹槽16，斗根轮毂1的下平面U第一止口17固定在筋板23下方的凸起底座27上，第一副键3和第二副键4成对穿过凸形键25左右两侧的多边形凹槽16内，卡键6插入筋板23上方的第二止口26内，第一螺栓5依次穿过单耳止动垫片7、卡键6把合在斗根轮毂1内圆上平面R的螺纹孔15，单耳止动垫片7一端锁紧在第一螺栓5上，第二螺栓8依次穿过止动垫片9、挡板10把合在卡键6上，止动垫片9两端锁紧在第二螺栓8上，第三螺栓11依次穿过螺母12、挡板10顶紧在第一副键3上。

如图1、图5～图7所示，进一步地，斗根轮毂1由两个半环13采用埋弧焊方式制作而成，半环13材质为马氏体锻钢，坡口形式为对称类单U型坡口14，斗根轮毂1按照斗根加工轮廓线18加工出斗根19，并与斗叶20采用气体保护焊方式制作出整个水斗21。

如图8～图10、图13、图14所示，进一步地，轮盘22和筋板23材质均为马氏体锻钢，筋板23坡口形式为多边形坡口24。

如图19和图20所示，进一步地，第一副键3和第二副键4成对匹配。

最后，本发明的保护范围并不限于上述的实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (4)

1.一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂，其特征在于，由斗根轮毂(1)、轮盘支架(2)、第一副键(3)、第二副键(4)、第一螺栓(5)、卡键(6)、单耳止动垫片(7)、第二螺栓(8)、止动垫片(9)、挡板(10)、第三螺栓(11)、螺母(12)组成，所述斗根轮毂(1)内圆上平面R沿圆周方向加工出螺纹孔(15)，沿斗根轮毂(1)内圆轴向方向开有多边形凹槽(16)，所述斗根轮毂(1)内圆下平面U沿圆周方向加工出第一止口(17)，所述轮盘支架(2)由轮盘(22)和筋板(23)采用埋弧焊方式制作而成，筋板(23)外端加工出凸形键(25)，上方加工出第二止口(26)，下方加工出凸起底座(27)，所述轮盘支架(2)的筋板(23)外端的凸形键(25)穿过斗根轮毂(1)内圆的多边形凹槽(16)，所述斗根轮毂(1)的下平面U第一止口(17)固定在筋板(23)下方的凸起底座(27)上，所述第一副键(3)和第二副键(4)成对穿过凸形键(25)左右两侧的多边形凹槽(16)内，所述卡键(6)插入筋板(23)上方的第二止口(26)内，所述第一螺栓(5)依次穿过单耳止动垫片(7)、卡键(6)把合固定在斗根轮毂(1)内圆上平面R的螺纹孔(15)，所述单耳止动垫片(7)一端锁紧在第一螺栓(5)上，所述第二螺栓(8)依次穿过止动垫片(9)、挡板(10)把合固定在卡键(6)上，所述止动垫片(9)两端锁紧在第二螺栓(8)上，所述第三螺栓(11)依次穿过螺母(12)、挡板(10)顶紧在第一副键(3)上。

2.根据权利要求1所述的一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂，其特征在于，所述斗根轮毂(1)由两个半环(13)采用埋弧焊方式制作而成，所述半环(13)材质为马氏体锻钢，坡口形式为对称类单U型坡口(14)，所述斗根轮毂(1)按照斗根加工轮廓线(18)加工出斗根(19)，并与斗叶(20)采用气体保护焊方式制作出整个水斗(21)。

3.根据权利要求1所述的一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂，其特征在于，所述轮盘(22)和筋板(23)材质均为马氏体锻钢，所述筋板(23)坡口形式为多边形坡口(24)。

4.根据权利要求1所述的一种支架结构的佩尔顿涡轮轮毂，其特征在于，所述第一副键(3)和第二副键(4)成对匹配。

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