CN212272431U - 一种水轮发电机停机装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水轮发电机停机装置，包括机坑、可转动地设置在机坑内的转轮，转轮包括与转子传动连接的轴体、设置在轴体上的叶片，机坑上设有与进水管连通的进水口、与出水管连通的出水口，进水口朝向叶片的迎水面，基坑上设有制动管，制动管与高压流体泵送装置相连接，制动管的输出口朝向叶片的背水面，当进水管的进水口流出的水流冲击叶片的迎水面时，转轮带动转子转动而发电；当高压流体泵送装置通过制动管的输出口输出的高压流体冲击叶片的背水面时，转轮连同转子逐渐停止转动。本实用新型可显著地缩短转轮的制动时间，从而提高检修维护效率，有利于电网的正常运行，并有效地避免转轮因制动而造成损坏。

Description

一种水轮发电机停机装置

技术领域

本实用新型涉及水轮发电机技术领域，具体涉及一种水轮发电机停机装置。

背景技术

随着人们节能环保意识的增强，作为绿色能源的水力发电正在大力发展，在水力发电领域，水轮机组是关键的部分，其通常包括定子、可转动地设置在定子内的转子、可驱动转子转动的转轮，其中的转轮被设置在一个机坑内，转轮包括中间的轴体、设置在轴体上的若干叶片（俗称水斗），叶片的正面为迎水面，叶片的背面为背水面，机坑的一侧设有开口对准叶片迎水面的进水管，机坑的下部设有出水管。当水库内具有高水位差的水流通过进水管形成高速水流并冲击转轮的叶片迎水面时，即可使转轮转动并带动转子转动，进而生成电能。冲击完转轮的水流通过机坑下部的出水管向外流出。由于水库的水位差（俗称水头）越来越大，相应地，转轮的尺寸、重量也越来越大，转轮的转速越来越高，因此，转轮在工作时所形成的转动惯量也越来越大。当水轮机组出现故障、或者其它原因导致需要停机检修或维护时，我们需要切断进水管的进水，同时等待转轮以及转子逐渐减速直至停机后关闭轴承润滑系统、机组冷却系统和保护系统等辅助系统，以便检修维护人员进入机坑内进行检修或维护工作。

可以理解的是，在正常情况下，具有极大转动惯量的转轮以及转子需要较长时间（可能是30-40分钟）才能完全停机，从而会造影响检修或维护的速度和效率。虽然现有技术中有很多可使转动体制动的技术方案，例如，汽车的制动系统等。但是和现有的制动系统的适用场景不同的是，转轮以及与其相关联的转子具有极大的转动惯量和惯性，而转轮上的叶片是用不锈钢锻造成型并与轴体焊接的薄壳件，难以承受很大的制动力，并且转轮的造价极高，一旦叶片出现损坏，将造成严重的损失，因此，现有的一些紧急制动系统不适合用于转轮的制动。更多的时候人们只能耐心地等待转轮以及转子在与自身转动轴的摩擦力作用下自己停机，停机过程时间过长造成机组辅助系统安全风险，特别是轴承供油系统一旦中断就会出现轴承烧毁严重事故，同时，不利于提高检修和维护的效率。尤其是，停机时间长，即意味着减少发电时间和发电量，因而影响电网的正常运行。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有的水轮发电机转轮制动方式所存在的制动时间长、安全风险大、效率低、影响电网正常运行、或者制动时容易造成转轮损坏的问题，提供一种水轮发电机停机装置，可显著地缩短转轮的制动时间，提高机组安全性和可靠性，同时，提高检修维护效率，有利于电网的正常运行，并有效地避免转轮因制动而造成损坏。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种水轮发电机停机装置，包括机坑、可转动地设置在机坑内的转轮，转轮包括与转子传动连接的轴体、设置在轴体上的叶片，机坑上设有与进水管连通的进水口、与出水管连通的出水口，所述进水口朝向叶片的迎水面，在进水管上设有进水阀门，在出水管上设有出水阀门，所述机坑上设有制动管，所述制动管与高压流体泵送装置相连接，制动管的输出口朝向叶片的背水面，当进水管的进水口流出的水流冲击叶片的迎水面时，转轮带动转子转动而发电；当高压流体泵送装置通过制动管的输出口输出的高压流体冲击叶片的背水面时，转轮连同转子逐渐停止转动。

我们知道，现有的转动机构的制动系统通常是给转动件（主要是转动轴）施加一个制动力矩，但是，大型水轮机组的转轮以及转子的质量大、转速高，相应地，其转动惯量极大，而如果对转轮的轴体施加制动力矩，由于其半径较小，因此，在一定的制动摩擦力下，其整体的制动力矩有限，难以快速地制动转轮和转子。另外，转轮的叶片为不锈钢锻造成型的薄壳件，其迎水面内凹，背水面向外鼓凸，俗称水斗。水斗在加工成型后通过焊接工艺与中间的轴体相连接，需要发电时，高速的大流量水流从进水管流出而依次冲击各叶片的迎水面，从而带动转轮高速转动。也就是说，水流施加给转轮的工作扭矩是依靠水流均匀地施加在各叶片的迎水面上的，因此，虽然其总体的工作扭矩巨大，但是转轮各叶片承受的作用力比较平缓。也就是说，如果在制动时，我们在短时间内直接在叶片上施加很大的制动力，会造成叶片的损坏。

为此，本实用新型在机坑上设置制动管，并使制动管的输出口朝向叶片的背水面，同时在制动管上设置可泵送高压流体的高压流体泵送装置。这样，当正常发电时，进水管的进水口流出的水流正对叶片的迎水面，从而可驱动转轮转动，进而带动转子转动而发电。在需要制动转轮以停机检修时，则可通过进水阀门关闭进水管，使转轮失去动力。然后开启高压流体泵送装置，以便通过制动管输出高压流体，该高压流体冲击叶片的背水面，从而可对转轮的叶片产生柔缓和巨大的制动阻力，有效地阻止转轮的转动。可以理解的是，此时的转轮仍然会继续转动一定的时间和角度，因此，从制动管输出的高压流体可对不同的叶片背水面依次进行冲击，一方面可对转轮形成连续的制动，使转轮在最短的时间内停止转动，另一方面最大限度地使叶片受力均匀，避免因叶片的受力集中或过大而导致叶片的损坏。

可以理解的是，当转轮停止转动时，我们只需关闭高压流体泵送装置，即可开始对水轮机组进行检修维护。

作为优选，所述高压流体泵送装置为水泵，所述水泵的进水一端通过旁接管路旁接在进水管上位于进水阀门的上游部分，所述旁接管路上设有控制阀门。

在本方案中，高压流体泵送装置为水泵，因此，要制动转轮以停机检修时，我们可利用水泵通过制动管输出较大流量、且具有一定流速和压力的水流，以便对叶片的背水面形成冲击，进而可尽快地制动转轮。可以理解的是，水流对转轮的制动类似于进水管的水流对转轮的驱动，其作用在叶片上的制动力是柔缓且连续的，并作用在整个叶片的背水面上，因此，既可对转轮形成极大地制动力矩，又可有效地避免对叶片造成破坏，而制动时产生的水流则可通过机坑上的出水口迅速地向外排出。特别是，水泵的进水一端是连接在进水管上的，因此，既方便制动管的取水，又有利于确保从制动管输出的水流具有足够的压力和流速，进而可降低水泵的功耗。

作为优选，所述高压流体泵送装置为压缩气泵，所述制动管上设有控制阀门。

在本方案中，高压流体泵送装置为压缩气泵，因此，要制动转轮以停机检修时，我们可利用压缩气泵通过制动管输出较大流量、且具有极高流速和压力的压缩气流，以便对叶片的背水面形成冲击，进而可尽快地制动转轮。可以理解的是，相比较不可压缩的水流，压缩空气形成的气流具有极高的可压缩性，因此，当压缩空气作用在叶片的背水面上时，其形成的制动力会更加柔缓。我们知道，流体对转轮送产生的制动能量主要和该流体的动能有关，而流体的动能和流体的质量、流速有关。因此，可通过合理地计算得到所需的气体流量、流速等参数，从而确保对转轮形成足够的制动力矩，又可有效地避免对叶片造成破坏。特别是，高速气流可迅速吹干转轮表面的水分，从而有利于后续对转轮的检修和维护。

作为优选，所述机坑上设有二根所述的制动管，所述高压流体泵送装置包括水泵和压缩气泵，所述水泵的进水一端通过旁接管路旁接在进水管上，旁接管路上设有控制阀门，所述水泵的出水一端连接第一根制动管，所述压缩气泵设置在第二根制动管上，该制动管上设有控制阀门。

在本方案中，将水泵和压缩气泵相结合，从而可充分发挥水流制动的制动力矩大、以及气流制动的柔性好不易损坏叶片的优点。可以理解的是，此时我们可适当地降低水泵输出的水流的流量、以及压缩气泵输出的气体的流速，在确保制动速度的前提下有利于进一步分散转轮的受力。

作为优选，所述制动管输出高压流体的开口端连接有开口封闭的分流管，所述分流管靠近转轮一侧为与转轮同轴的内凹弧形喷射面，喷射面上设有若干沿周向均匀分布且朝向叶片背水面的喷出口，所述喷出口的内端伸入分流管内部形成导流段，所述导流段向着制动管输出高压流体的开口端倾斜，分流管内各导流段的长度从靠近制动管的开口端开始逐渐增加，从而使各导流段在分流管内呈台阶状。

本实用新型在制动管的开口端设置分流管，并在分流管的内侧设置若干喷出口。这样，要制动转轮以停机检修时，制动管内的高速流体可通过若干喷出口均匀地喷射到多个叶片的背水面上，进而有利于进一步缓和制动的流体对转轮的冲击。

由于导流段向着制动管输出高压流体的开口端倾斜，因此，有利于进入分流管内的流体通过导流段从喷出口向外喷出，减少通过导流短时的阻力。特别是，分流管内各导流段的长度从靠近制动管的开口端开始逐渐增加，从而使各导流段在分流管内呈台阶状。因此，可确保进入分流管内的流体能尽量均匀地进入各导流管内。

作为优选，所述分流管和导流段的横截面呈矩形，相邻导流段在分流管的轴线方向的前后侧壁抵接在一起，各导流段在分流管的轴线方向的左右侧壁与分流管的侧壁抵接在一起。

由于相邻导流段在分流管的轴线方向的前后侧壁抵接在一起，并且各导流段在分流管的轴线方向的左右侧壁与分流管的侧壁抵接在一起，因此，可最大限度地确保进入分流管内的流体依次从个导流段向外流出。也就是说，在导流段侧壁与分流管侧壁之间不会形成缝隙和滞留流体的死角，进而最大限度地发挥流体的制动效果。

因此，本实用新型具有如下有益效果：可显著地缩短转轮的制动时间，从而提高检修维护效率，有利于电网的正常运行。

附图说明

图1是本实用新型的一种结构示意图。

图2是本实用新型的另一种结构示意图。

图3是分流管的一种结构示意图。

图中：1、机坑 2、转轮 21、轴体 22、叶片 3、进水管 31、进水口 32、进水阀门 4、出水管 41、出水口 42、出水阀门 5、制动管 6、高压流体泵送装置 7、旁接管路 8、分流管 81、喷射面 82、喷出口 83、导流段。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

如图1所示，一种水轮发电机停机装置，其中的水轮发电机包括定子和转子（图中未示出），水轮发电机转轮制动结构包括机坑1、可转动地设置在机坑内的转轮2，转轮包括与转子同轴传动连接的轴体21、设置在轴体上的22，叶片为不锈钢锻造成型的薄壳件，其迎水面内凹，背水面向外鼓凸，水斗在加工成型后通过焊接工艺与中间的轴体相连接。需要说明的是，叶片俗称水斗。此外，机坑上设置与进水管3连通的进水口31，进水口朝向叶片的迎水面设置，进水管的另一端与水库的蓄水相连接；机坑下部设有与出水管4连通的出水口41，出水管的另一端连接下游排水道。在进水管上设置进水阀门32，以控制进水管的启闭，在出水管上设置出水阀门42，以控制出水管的启闭。

需要发电时，高速的大流量水流从进水管的进水口流出，从而依次冲击各叶片的迎水面，此时水流均匀地在各叶片的迎水面上施加工作扭矩，进而带动转轮高速转动，并且转轮各叶片承受的作用力比较平缓。

我们知道，现有的转动机构的制动系统通常是给转动件（主要是转动轴）施加一个制动力矩，但是，大型水轮机组的转轮以及转子的质量大、转速高，相应地，其转动惯量极大，而如果对转轮的轴体施加制动力矩，由于其半径较小，因此，在一定的制动摩擦力下，其整体的制动力矩有限，难以快速地制动转轮和转子。

为了便于转轮的制动，我们需要在机坑上设置制动管5，制动管与高压流体泵送装置6相连接，以便通过制动管输出用于制动转轮的液体或气体。而制动管的输出口应朝向叶片的背水面设置。

这样，在需要制动转轮以停机检修时，我们可通过进水阀门关闭进水管，使转轮失去动力。然后开启高压流体泵送装置，以便通过制动管的输出口输出高压流体，该高压流体冲击叶片的背水面，从而可对转轮的叶片产生柔缓和巨大的制动阻力，有效地阻止转轮的转动。可以理解的是，此时的转轮仍然会继续转动一定的时间和角度，因此，从制动管输出的高压流体可对不同的叶片背水面依次进行冲击，一方面可对转轮形成连续的制动，使转轮在最短的时间内停止转动，另一方面最大限度地使叶片受力均匀，避免因叶片的受力集中或过大而导致叶片的损坏。

当转轮停止转动时，我们只需关闭高压流体泵送装置，即可开始对水轮机组进行检修维护。

作为第一种优选方案，高压流体泵送装置为水泵，水泵的进水一端通过旁接管路7旁接在进水管上位于进水阀门的上游部分。

需要说明的是，我们将进水管中位于进水阀门和水库的蓄水之间部分称为上游部分，将进水阀门至进水口部分称为下游部分。

要制动转轮以停机检修时，我们可启动水泵，以便通过制动管输出较大流量、且具有一定流速和压力的水流，以便对叶片的背水面形成冲击，进而可尽快地制动转轮。可以理解的是，由于水泵的进水一端是连接在进水管上的，因此，既方便制动管的取水，又有利于确保从制动管输出的水流具有足够的压力和流速，进而可降低水泵的功耗。

当然，我们需要在旁接管路上设置控制阀门，以方便地控制旁接管路的通断，进而在发电模式和制动模式之间来回切换。

作为第二种优选方案，高压流体泵送装置为压缩气泵，要制动转轮以停机检修时，我们可启动压缩气泵，以便通过制动管输出较大流量、且具有极高流速和压力的压缩气流，压缩气体对叶片的背水面形成冲击，进而可尽快地制动转轮。可以理解的是，相比较不可压缩的水流，压缩空气形成的气流具有极高的可压缩性，因此，当压缩空气作用在叶片的背水面上时，其形成的制动力会更加柔缓，并且高速气流可迅速吹干转轮表面的水分，从而有利于后续对转轮的检修和维护。

当然，我们同样需要在制动管上设置控制阀门，以方便地控制制动管内压缩气体的通断，进而在发电模式和制动模式之间来回切换，并且压缩气泵的进气口与大气连通。

作为第三种优选方案，如图2所示，我们可在机坑上设置二根制动管，此时高压流体泵送装置包括一个水泵和一个压缩气泵，其中水泵的进水一端通过旁接管路旁接在进水管上位于进水阀门的上游部分，旁接管路上设置控制阀门，水泵的出水一端则连接第一根制动管。压缩气泵设置在第二根制动管上，该制动管上同样设置控制阀门。

需要制动转轮以停机检修时，我们可启动水泵和压缩气泵，以便通过第一根制动管输出较大流量、且具有一定流速和压力的水流，同时通过第二根制动管输出较大流量、且具有较高流速和压力的气流，水流和气流分别对叶片的背水面形成冲击，从而可充分发挥水流制动的制动力矩大、以及气流制动的柔性好不易损坏叶片的优点，一方面可尽快地制动转轮，另一方面可适当地降低水泵输出的水流的流量、以及压缩气泵输出的气体的流速，在确保制动速度和效率的前提下有利于进一步分散转轮的受力。

进一步地，如图2、图3所示，我们可在制动管输出高压流体的开口端连接一根分流管8，分流管的开口端封闭，分流管靠近转轮一侧为内凹的圆弧形喷射面81，并且喷射面与转轮同轴设置，从而使喷射面与转轮之间具有均匀的间隙。此外，喷射面上设置若干沿周向均匀分布且朝向叶片背水面的喷出口82，喷出口的内端伸入分流管内部形成导流段83，并且导流段向着制动管输出高压流体的开口端倾斜，分流管内各导流段的长度从靠近制动管的开口端开始逐渐增加，从而使各导流段在分流管内呈台阶状。

需要说明的是，本实施例中，制动管输出高压流体的开口端即为制动管与分流管连接处。

要制动转轮以停机检修时，制动管内的高速水流或气流可通过各喷出口均匀地喷射到多个叶片的背水面上，进而有利于进一步缓和制动的流体对转轮的冲击。

可以理解的是，进入分流管内的流体优先地会进入最近的导流段内，并从相应的喷出口流出。由于分流管内各导流段的长度从靠近制动管的开口端开始逐渐增加，从而使各导流段在分流管内呈台阶状。因此，有利于进入分流管内的流体能尽量均匀地进入各导流管内。

更进一步地，分流管和导流段的横截面呈矩形，并且相邻导流段在分流管的轴线方向的前后侧壁抵接在一起，各导流段在分流管的轴线方向的左右侧壁与分流管的侧壁抵接在一起。此时，在导流段侧壁与分流管侧壁之间不会形成缝隙和滞留流体的死角，通过制动管进入分流管的流体可快速地全部从各分流管的喷出口向外流出，进而最大限度地发挥流体的制动效果。

需要说明的是，本实施例中，将沿分流管弧形轴线的方向称为前后方向，并相应地将垂直于前后方向的方向定义为左右方向。

Claims (6)

1.一种水轮发电机停机装置，包括机坑、可转动地设置在机坑内的转轮，转轮包括与转子传动连接的轴体、设置在轴体上的叶片，机坑上设有与进水管连通的进水口、与出水管连通的出水口，所述进水口朝向叶片的迎水面，在进水管上设有进水阀门，在出水管上设有出水阀门，其特征是，所述机坑上设有制动管，所述制动管与高压流体泵送装置相连接，制动管的输出口朝向叶片的背水面，当进水管的进水口流出的水流冲击叶片的迎水面时，转轮带动转子转动而发电；当高压流体泵送装置通过制动管的输出口输出的高压流体冲击叶片的背水面时，转轮连同转子逐渐停止转动。

2.根据权利要求1所述的一种水轮发电机停机装置，其特征是，所述高压流体泵送装置为水泵，所述水泵的进水一端通过旁接管路旁接在进水管上位于进水阀门的上游部分，所述旁接管路上设有控制阀门。

3.根据权利要求1所述的一种水轮发电机停机装置，其特征是，所述高压流体泵送装置为压缩气泵，所述制动管上设有控制阀门。

4.根据权利要求1所述的一种水轮发电机停机装置，其特征是，所述机坑上设有二根所述的制动管，所述高压流体泵送装置包括水泵和压缩气泵，所述水泵的进水一端通过旁接管路旁接在进水管上，旁接管路上设有控制阀门，所述水泵的出水一端连接第一根制动管，所述压缩气泵设置在第二根制动管上，该制动管上设有控制阀门。

5.根据权利要求1所述的一种水轮发电机停机装置，其特征是，所述制动管输出高压流体的开口端连接有开口封闭的分流管，所述分流管靠近转轮一侧为与转轮同轴的内凹弧形喷射面，喷射面上设有若干沿周向均匀分布且朝向叶片背水面的喷出口，所述喷出口的内端伸入分流管内部形成导流段，所述导流段向着制动管输出高压流体的开口端倾斜，分流管内各导流段的长度从靠近制动管的开口端开始逐渐增加，从而使各导流段在分流管内呈台阶状。

6.根据权利要求5所述的一种水轮发电机停机装置，其特征是，所述分流管和导流段的横截面呈矩形，相邻导流段在分流管的轴线方向的前后侧壁抵接在一起，各导流段在分流管的轴线方向的左右侧壁与分流管的侧壁抵接在一起。

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