CN114320706B - 立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法。该方法包括如下步骤：在二级混流转轮入口的水平段处设置沿圆周布置的N个承载式固定导叶；在N个所述承载式固定导叶对应的二级流道上壁上端且位于二级流道无水空腔内设置环绕主轴的复合轴系支撑结构；在N个所述承载式固定导叶下端设置沿圆周布置的二级流道座环；将推力轴承从水轮机尾水管下方大幅上移至发电机转子下方；将主轴长度缩短至二级混流转轮处。本发明能够大大缩短立式两级混流水轮机的主轴长度，极大地增加了两级混流水轮机全轴系的稳定性；同时避免了常规立式两级混流水轮机的主轴需要在流道中延伸至尾水管，与尾水管形成交叉轴系的不利情况。

Description

立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法

技术领域

本发明涉及水力发电技术领域，具体地指一种立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法。

背景技术

现有的混流式水轮机全部工作在水下流道中，具有较低的转速和更大的单机容量，目前最大单机容量可达1000MW；另外，相对于冲击式水轮机，混流式水轮机的效率更高、抗耐受泥沙的性能更优。现有技术中的混流式水轮机包括主轴、发电机、导轴承、推力轴承和单级混流水轮机，主轴上下两端分别架设在导轴承和推力轴承上，单级混流水轮机包括进水管、蜗壳、顶盖、底环、尾水管、转轮及其对应的导水机构；进水管由多段压力钢管通过法兰连接构成，其末端压力钢管与蜗壳相连接，蜗壳内部上侧设置有顶盖，蜗壳内部下侧设置有环形底环，顶盖上贯穿设有导叶机构，导叶机构的一端设有导叶，导叶位于顶盖和环形底环构成的上空腔内，导叶机构控制导叶的开度和启闭，进而控制进入转轮的水流流量；转轮设置在环形底环内下侧构成的转轮腔体内，转轮腔体一端与上腔体贯通，另一端连接作为出水口的尾水管；发电机布置在水轮机的上部，通过主轴和下部水轮机转轮连接，主轴的中间段与转轮相连，转轮转动驱动发电机发电；混流式水轮机运行时，转轮旋转过程中会产生一个沿主轴方向的轴向推力，推力轴承承担水轮机产生的全部推力负荷。

但是混流式水轮机转轮由于运行稳定性范围的限制，其水头范围在30～700m内，特别是大容量条件下，超过600m水头后，运行稳定区和制造难度等指标急剧变差，难以合理选型和制造。

中国专利申请(CN113464343A)公开了“用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机的发电方法”，(见附图1)其中用于高水头、大容量的立轴串联式混流水轮机包括上端贯穿发电机1并为其提供动力的主轴2，所述主轴2架设在两个导轴承3和推力轴承4上，且两个导轴承3沿主轴2均匀分布。所述推力轴承4位于主轴2的底端，用于承受和传递每级混流式转轮5-1的轴向水推力，并用于每级混流式转轮5-1沿上、下两个方向拆装。所述主轴2中部连接有用于驱动主轴2转动的串联式(两级)混流水轮机5，所述串联式(两级)混流水轮机5包括轴向布置的两级混流式转轮5-1，每级所述混流式转轮5-1均与主轴2连接，相邻的每级转轮腔体5-7之间均通过能够产生圆周旋转水流的分水通道5-2串联，从而形成单一共流道。所述分水通道5-2为安装在主轴2四周，且沿轴向截面呈对称布置的横向U型压力钢管，该压力钢管能够产生圆周旋转水流，自动实现水头50％分配，还可以将水头损失减少到最小。水流在单一共流道内依次通过串联的两级混流式转轮5-1，实现按50％分配和消纳高水头，则每级混流式转轮5-1各消纳水头450m。

但是上述中国专利申请中的主轴需要在单一共流道中延伸至尾水管，并与尾水管形成交叉轴系后，再将交叉轴系最下端安装推力轴承，这样就导致主轴长度过长，轴系稳定性不足。

发明内容

本发明的目的就是要缩短主轴长度，提高轴系的稳定性，提供一种立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法。

为实现上述目的，本发明研究出一种立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

步骤1)，在二级混流转轮入口的水平段处设置沿圆周布置的N个承载式固定导叶，且每个所述承载式固定导叶上端均抵至二级流道上内壁，下端均抵至二级流道下外壁；

步骤2)，在N个所述承载式固定导叶对应的二级流道上壁上端且位于二级流道无水空腔内设置环绕主轴的复合轴系支撑结构；

步骤3)，在N个所述承载式固定导叶下端设置沿圆周布置的二级流道座环，二级流道座环能够承载来自N个所述承载式固定导叶和二级流道内壁结构的静载荷以及来自复合轴系支撑结构传递过来的轴系支撑动载荷；N个所述承载式固定导叶、复合轴系支撑结构及二级流道座环共同构成一体化环形支撑结构；

步骤4)，将主轴下端的推力轴承上移至发电机转子下方，由发电机下支架支撑；

步骤5)，将主轴长度缩短至二级混流转轮处。

进一步地，步骤1)中，N个所述承载式固定导叶沿圆周均布，其N等于二级活动导叶数量，或等于二级活动导叶数量一半。

更进一步地，步骤1)中，所述二级流道为由内壁和外壁共同形成的断面呈扁平化双曲面型的流道。

更进一步地，步骤2)中，所述复合轴系支撑结构包括与N个所述承载式固定导叶对应的二级流道上壁上端连接的下环形结构，所述下环形结构上端朝向主轴设有径向布置的M个支撑肋，M个所述支撑肋靠近主轴端设有与主轴配合的上环形结构。

更进一步地，所述上环形结构与主轴以导瓦间隙配合。

更进一步地，步骤3)中，所述二级流道座环内径与承载式固定导叶内径相同，所述二级流道座环外径与承载式固定导叶外径相同。

本发明的优点在于：

1.通过在二级流道内设置承载式固定导叶，并分别在承载式固定导叶上、下端设置复合轴系支撑结构和二级流道座环，从而形成一体化环形支撑结构，增加二级流道结构的稳定性，减少二级流道内的水力振动，提高两级混流水轮机全轴系的稳定性。

2.通过将推力轴承从原最底部(水轮机尾水管下方)大幅上移至发电机转子下方，大大缩短主轴长度，增加两级混流水轮机全轴系的稳定性；同时避免了尾水交叉轴结构，提高发电机水能效率。

本发明的立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法能够大大缩短立式两级混流水轮机的主轴长度，极大地增加了两级混流水轮机全轴系的稳定性；同时避免了常规立式两级混流水轮机的主轴需要在流道中延伸至尾水管，与尾水管形成交叉轴系的不利情况。

附图说明

附图1为中国专利申请(CN113464343A)中的串联式两级混流水轮机沿轴向的剖视结构示意图；

附图2为本发明中的立式两级混流水轮机沿轴向的剖视结构示意图；

附图3为图2中主轴的俯视结构图(3a)和剖视结构图(3b)；

附图4为图2中二级流道座环的俯视结构图(4a)和剖视结构图(4b)；

附图5为图2中承载式固定导叶的俯视结构图(5a)和剖视结构图(5b)；

附图6为图2中复合轴系支撑结构的俯视结构图(6a)和剖视结构图(6b)；

附图7为图2中一体化环形支撑结构的俯视结构图(7a)和剖视结构图(7b)；

图中：发电机转子1、发电机下支架2、推力轴承3、二级混流转轮4、承载式固定导叶5、二级流道6、主轴7、复合轴系支撑结构8、下环形结构8-1、支撑肋8-2、上环形结构8-3、二级流道座环9、二级活动导叶10、尾水管11、蜗壳12、一级活动导叶13、一级混流转轮14、一级导水机构15、二级导水机构16。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

本发明立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法，其特征在于，包括如下步骤，如图2所示：

步骤1)，在二级混流转轮4入口的水平段处设置沿圆周布置的N个承载式固定导叶5，且每个所述承载式固定导叶5上端均抵至二级流道6上内壁，下端均抵至二级流道6下外壁。

具体地，N个所述承载式固定导叶5沿圆周均布，位于二级活动导叶10外侧。N等于二级活动导叶10数量，或等于二级活动导叶10数量一半。如二级活动导叶10为22个，则承载式固定导叶5为22个或11个，如图5所示。

水流进入蜗壳12，水体沿圆周方向流动，并加速产生旋转水流，将液体动能转换为静压能。水流经过一级导水机构15中的一级导叶13时，一级导水机构15通过调节一级导叶13倾角，调节一级水流量大小。穿过一级导叶13的水流进入一级混流转轮14，并将1/2静压能转换为一级混流转轮14的动能，通过一级混流转轮14转动，驱动主轴7转动，主轴7的俯视结构图和剖视结构图见图3。

流经一级混流转轮14的水流，经二级流道6保持圆周方向旋转。具体地，所述二级流道6为由内壁和外壁共同形成的断面呈扁平化双曲面型的流道。水流沿圆周方向旋转后，依次流经承载式固定导叶5和二级活动导叶10，进入与一级混流转轮14同轴的二级混流转轮4，并通过二级导水机构16调节二级活动导叶10倾角，控制二级水流量大小。剩余的1/2静压能转换为二级混流转轮4的动能，通过二级混流转轮4转动，驱动主轴7转动。

上述一级混流转轮14和二级混流转轮4共同驱动主轴7转动，带动发电机1发电。另外，一级混流转轮14和二级混流转轮4采用完全相同的规格、尺寸，处于完全相同的克服发电阻力做功状态，而且具有相同的水力驱动和水力做功，各消纳水头50％。

步骤2)，在N个所述承载式固定导叶5对应的二级流道6上壁上端且位于二级流道6无水空腔内设置环绕主轴7的复合轴系支撑结构8。

具体地，所述复合轴系支撑结构8包括与N个所述承载式固定导叶5对应的二级流道6上壁上端连接的下环形结构8-1，所述下环形结构8-1上端朝向主轴7设有径向布置的M个支撑肋8-2，M个所述支撑肋8-2靠近主轴7端设有与主轴7配合的上环形结构8-3。所述上环形结构8-3与主轴7以导瓦间隙配合，如图6和7所示。

步骤3)，在N个所述承载式固定导叶5下端设置沿圆周布置的二级流道座环9(二级流道座环9的俯视结构图和剖视结构图见图4)，二级流道座环9能够承载来自N个所述承载式固定导叶5和二级流道6内壁结构的静载荷以及来自复合轴系支撑结构8传递过来的轴系支撑动载荷。N个所述承载式固定导叶5、复合轴系支撑结构8及二级流道座环9共同构成一体化环形支撑结构(如图7所示)。

具体地，所述二级流道座环9内径与承载式固定导叶5内径相同，所述二级流道座环9外径与承载式固定导叶5外径相同。一体化环形支撑结构，增加二级流道6结构的稳定性，减少二级流道内的水力振动，提高两级混流水轮机全轴系的稳定性。

步骤4)，将推力轴承3从水轮机尾水管11下方大幅上移至发电机转子1下方，由发电机下支架2支撑。

步骤5)，将主轴7长度缩短至二级混流转轮4处。

通过将推力轴承3从原最底部(水轮机尾水管11下方)大幅上移至发电机转子1下方，一方面大大缩短主轴7长度，避免了尾水交叉轴结构，提高发电机水能效率；另一方面对于缩短后的主轴7来说，一体化环形支撑结构位于整个轴系的最下端，对主轴7有良好的端部约束作用，极其有利于整个主轴7的支撑和两级混流水轮机全轴系的稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，在二级混流转轮(4)入口的水平段处设置沿圆周布置的N个承载式固定导叶(5)，且每个所述承载式固定导叶(5)上端均抵至二级流道(6)上内壁，下端均抵至二级流道(6)下外壁；

步骤2)，在N个所述承载式固定导叶(5)对应的二级流道(6)上壁上端且位于二级流道(6)无水空腔内设置环绕主轴(7)的复合轴系支撑结构(8)；

步骤3)，在N个所述承载式固定导叶(5)下端设置沿圆周布置的二级流道座环(9)，二级流道座环(9)能够承载来自N个所述承载式固定导叶(5)和二级流道(6)内壁结构的静载荷以及来自复合轴系支撑结构(8)传递过来的轴系支撑动载荷；N个所述承载式固定导叶(5)、复合轴系支撑结构(8)及二级流道座环(9)共同构成一体化环形支撑结构；

步骤4)，将推力轴承(3)从水轮机尾水管(11)下方大幅上移至发电机转子(1)下方，由发电机下支架(2)支撑；

步骤5)，将主轴(7)长度缩短至二级混流转轮(4)处；

步骤1)中，N个所述承载式固定导叶(5)沿圆周均布，位于二级活动导叶(10)外侧；

步骤2)中，所述复合轴系支撑结构(8)包括与N个所述承载式固定导叶(5)对应的二级流道(6)上壁上端连接的下环形结构(8-1)，所述下环形结构(8-1)上端朝向主轴(7)设有径向布置的M个支撑肋(8-2)，M个所述支撑肋(8-2)靠近主轴(7)端设有与主轴(7)配合的上环形结构(8-3)；

步骤3)中，所述二级流道座环(9)内径与承载式固定导叶(5)内径相同，所述二级流道座环(9)外径与承载式固定导叶(5)外径相同。

2.根据权利要求1所述的立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法，其特征在于：N等于二级活动导叶(10)数量，或等于二级活动导叶(10)数量一半。

3.根据权利要求1所述的立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法，其特征在于：步骤1)中，所述二级流道(6)为由内壁和外壁共同形成的断面呈扁平化双曲面型的流道。

4.根据权利要求1所述的立式两级混流水轮机二级流道的复合轴系支撑方法，其特征在于：所述上环形结构(8-3)与主轴(7)以导瓦间隙配合。