CN220470099U - 混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置，把带有轴承组的阀盖通过阀轴和弹簧连接在支承座上，阀口环和支承管固定在补气腔上。带有矩型环、浮动密封环、真空度传感器、自然补气口、补气口和接近开关的补气蜗壳固定在补气室内，补气蜗壳通过壁管与风量调整管和风机蜗壳连通。风量调整管内有分风板、弧板、竖板、导块和导柱，竖板与伸缩杆连接，推拉杆装在补气室盖板上。风机蜗壳有电机、风机进风口、叶轮和风机支架。液压缸有下行和上行电磁阀并固定在盖板上，活塞杆上有密封盖，真空度传感器、接近开关、下行和上行电磁阀、推拉杆和电机由控制电缆与带信号电源电缆的控制单元连接。本发明将广泛应用于混流水轮机补气领域。

Description

混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置

技术领域：

本发明是一种用于混流水轮机中心自然补气和强迫补气自动切换的补气装置。

背景技术：

随着风力发电、光伏发电发展较快，加之各个江河流域水量减小，水轮发电机组有时基本达不到满负荷或带负荷50％以上发电。由于水轮发电机组一般设计最小带负荷不得小于额定负荷的35～45％，尤其是混流水轮机与转浆水轮机不同，转浆水轮机可以调整桨叶角度来满足小负荷运行发电，而混流水轮机叶片是固定的，混流水轮发电机组都设计标准为额定负荷50％以上运行发电，在设计方面、工艺方面和安装方面使水轮发电机组产生固有振动，该固有振动符合水轮发电机运行标准，当水轮发电机组在35～45％负荷以下，在水力方面就会产生卡门涡街和水力脉动形成巨大真空区，巨大真空区导致水轮发电机组产生强烈振动，给水轮发电机组造成巨大损坏和工作寿命减少，增加检修次数和工作量。现有技术为消除水轮发电机组超低负荷时产生的卡门涡街和水力脉动在混流转轮中心形成巨大的真空区，采用在顶机盖和尾水管十字架补入大量的压缩空气，不仅耗能巨大，而且这两种强迫方式都无法消除水轮发电机组在超低负荷运行时产生的剧烈振动。如果不彻底消除水轮发电机组在超低负荷运行时产生剧烈振动的问题，就会导致大、中型水轮发电机组不能满足电网超低负荷运行发电的要求，给水电厂造成经济损失，电网只能把这些发电指标给那些小型水轮发电机组，这些小型水轮发电机组对大、中型水轮发电机组的超低负荷发电指标是完全在正常负荷发电范围内的，小型水轮发电机组不会产生强烈振动。电网要求的发电指标就是水电厂的经济收益，如果大、中型水轮发电机组为了完成超低负荷发电指标而不影响水电厂经济收益，超低负荷发电又是在水轮发电机组的剧烈振动带中，给发电机组带来巨大的损害，造成检修成本上升和工作寿命减少，并且给发电机组带来安全隐患；如为了机组安全运行和工作寿命不进行超低负荷运行发电，又大大降低了水电厂的经济收益。为消除水轮发电机组超低负荷运行发电时产生的巨大真空区导致机组剧烈振动这一技术问题，采用中心强迫补气效果最佳，但由于水轮机中心补气腔上又加装了自然补气阀，所以现有技术无法解决通过自然补气阀对中心补气管对巨大真空区进行强迫补入大量空气这一技术难题，同时采用压缩空气进行补气时导致在大型空气压缩机工作量极大，大型空气压缩机也不适合长时间工作。水轮发电机组在带50％以上负荷运行发电时，只需要通过自然补气阀对水轮机进行自然补气；在水轮发电机组处于超低负荷运行发电时，自然补气已远远不能满足水轮机在此阶段产生的巨大真空区所需大量的空气，就需要从中心自然补气阶段自动切换到强迫中心补气阶段，所以，采用强迫中心补气的方式向巨大的真空区补入大量的空气来消除水轮机产生的剧烈振动。目前水轮机采用的自然补气阀结构和安装方式不能满足水轮机中心强迫补气的要求，同时在为水轮机中心强迫补气时还要满足水轮机的工作效率，不能因采用中心强迫补气降低水轮机工作效率。大、中型混流水轮发电机组急需解决机组在超低负荷运行发电时产生剧烈振动的问题，即不因为满足电网要求超低负荷运行发电而导致剧烈振动损害水轮发电机组结构，还要通过对水轮机中心强迫补气消除真空区，从而使水轮发电机组可在超低负荷发电时能平稳运行发电，保证水电厂经济收益。

发明内容：

本发明所提供的技术方案完全满足本领域混流水轮机全阶段中心自然补气和强迫补气的技术要求，可使水轮发电机组在超低负荷下平稳运行发电，既能满足电网对大、中型水轮发电机组超低负荷运行发电的要求，又能使水轮发电机组不产生剧烈的振动，为水电厂提高经济收益和社会效益提供了技术保证。本技术方案有装盖板和自然补气管的补气室、补气腔下端固定混流转轮、在补气腔中装有中心补气管直通真空区，其主要技术特征是：有装盖板和自然补气管的补气室、补气腔下端固定混流转轮、在补气腔中装有中心补气管直通真空区，支承管通过上端带有均布法兰孔和法兰螺孔的法兰放置在补气腔上面的法兰上，支承座通过4个筋板固定在支承管下端中心位置，即支承管在补气腔内部，阀轴上端通过螺孔和螺杆固定有阀盖，在阀盖上面中心位置装有轴承座，在轴承座中装有推力轴承、带有轴台的顶轴和深沟轴承，在轴承座上端固定有轴承盖，弹簧套在阀轴上后，阀轴再穿过支承座上的导孔，在阀盖上面固定有带阀口的阀口环，阀口环和支承管上端的法兰通过法兰孔和法兰螺孔用螺栓固定在补气腔上端；在补气蜗壳下面与补气口同心位置装有带矩型环槽的矩型环，矩型环槽内装有浮动密封环，在补气蜗壳内部通过底座、支架和水平板固定有真空度传感器，真空度传感器通过控制电缆与控制单元连通，真空度传感器监控阈值在0.001～0.01Mpa范围内设定，用2～4个固定臂将下面带有补风口和上面带有自然补气口的补气蜗壳与阀口同心固定在补气室内，在补气蜗壳上面用支架和螺栓固定有接近开关，接近开关通过控制电缆与控制单元连通，补风蜗壳的蜗壳进风口与过壁管连通，过壁管的另一端与带有分风口的风量调整管上有效补风出口连通，风量调整管中的竖板上端通过连接座和固定销与推拉杆的伸缩杆端部连接在一起，竖板背部下端用2个导块与2个导柱滑动连接在一起，2根导柱固定在风量调整管内部，竖板前面固定有分风板和弧板，推拉杆用支架和螺栓固定在补气室上面，用控制电缆把推拉杆和控制单元连通，分风板在叶轮的径向H方向上下移动，即分风板采用与叶轮径向调整风量，电机通过控制电缆与控制单元连通，风机蜗壳内有叶轮，风机蜗壳下面有风机进风口和风机支架，风量调整管另一端与风机出风口连通；活塞杆穿过带有法兰孔的盖板中心过孔把液压缸固定在盖板上，下行电磁阀通过油管与液压缸连通，下行电磁阀用控制电缆与控制单元连接，上行电磁阀通过油管与液压缸连通，上行电磁阀用控制电缆与控制单元连接，用固定销把带有固定套的密封盖固定在活塞杆上，活塞杆端部距密封盖距离为L+A，即密封盖距自然补气口距离为L+A，盖板通过法兰孔用螺栓固定在补气室上面，控制单元上连接有信号电源电缆。

监控补气口真空度的真空度传感器阈值在0.001～0.01Mpa内设定，必须在保证混流水轮机合理补气真空度条件下，由风机叶轮通过补气蜗壳、补气腔和中心补气管向混流转轮形成巨大真空区进行强迫补入大量空气Q₂，Q₂为有效强迫补气量，这个补气量Q₂是满足补气口处真空度传感器监控阈值和水轮机工作效率的，如果Q₂满足不了真空度传感器监控阈值时，控制单元就通过推拉杆和竖板、弧板、分风板和分风口对Q₂的风量进行调整，多余的风量Q₁从分风口排出，确保不因强迫补气降低混流水轮机工作效率。补气室及补气室中的部套为固定部套，补气腔及补气腔中的部套为旋转部套，为防止活塞杆在下行压开阀盖至最大行程的过程中与阀盖一起旋转，在阀盖上面中心位置装有由轴承座、推力轴承、带有轴台的顶轴、深沟轴承和带有过孔的轴承盖组成的防转部套。浮动密封环可以在矩型环的矩型环槽中上下浮动密封。阀轴可在支承座的导孔中滑动，接近开关监控密封盖是否盖上自然补气口，密封盖盖上自然补气口后，控制单元启动电机，电机带动叶轮通过风机蜗壳向巨大真空区补入Q₂的风量。分风板和弧板采用对叶轮径向调整风量Q₂，这样可以保证无论Q₂风量如何变化，风速不变，进一步满足混流水轮机在超低负荷情况下快速补气的技术要求。补气蜗壳是把水平补入的气量Q₂无絮流并垂直通过阀口、补气腔和中心补气管补入巨大真空区中，高效改变了高速补入空气的流向，由水平方向变成垂直方向。当混流水轮发电机不处于超低负荷运行发电阶段时，活塞杆就带着密封盖上行，转换到自然补气阶段，大气中的空气根据水轮机形成真空吸开阀盖的行程补入空气，此时电机停止工作。

本发明提供的技术方案所达到的技术效果是这样实现的：当混流水轮发电机组在带50～100％负荷运行发电时，是自然补气阶段，此时由自然补气管提供的空气通过补气蜗壳上的自然补气口、补气口、阀口、补气腔和中心补气管向真空区补气，在真空区的真空度作用下，阀盖压缩弹簧向下移动，空气便从阀口与阀盖形成的环带补入混流转轮形成较小的真空区中，减小水轮机振动和气蚀。自然补气阶段阀盖被吸开的真空度在0.001～0.01Mpa范围内设计制造，阀盖最大行程L根据技术要求进行计算确定，阀盖开启行程由真空区的真空度大小和弹簧参数来确定，这个阶段为混流水轮发电机组自然补气阶段。当混流水轮发电机组带负荷低于额定负荷35～45％时为超低负荷运行发电，在超低负荷运行发电时，机组就会在巨大真空区作用下产生剧烈振动，这种剧烈振动主要是由于混流转轮产生巨大的真空区导致的，要消除这个巨大真空区只靠自然补气是根本不行的，必须要通过中心补气管对巨大真空区进行强迫补入大量空气才能有效消除机组剧烈振动，这个阶段为强迫补气阶段。当混流水轮发电机组进入超低负荷运行发电时，控制单元打开下行电磁阀和上行电磁阀，将高压油通过下行电磁阀注入液压缸中，活塞杆带着密封盖向下移动，当活塞杆前端压到顶轴上端时，顶轴不旋转，而深沟轴承外套和推力轴承下套旋转，顶轴与活塞杆相对静止。此时活塞杆继续向下移动使阀盖开到最大行程L，密封盖把自然补风口密封上，接近开关检测到密封盖密封到位并给控制单元发出信号，控制单元关闭下行电磁阀和上行电磁阀，自然补气口处于密封状态，控制单元就启动带有叶轮的电机，通过风机蜗壳和风量调整管由补气蜗壳向巨大真空区补入有效风量Q₂，有效风量Q₂通过补气口、阀口、补气腔和中心管道补入巨大真空区。叶轮把空气Q从风机进风口吸入，由风量调整管中的分风板、弧板和分风口把Q分成Q₁和Q₂两部分，Q₂为补入真空区的有效风量，风量Q₁通过分风口排出，风量Q₂通过竖板、分风板和弧板用推拉杆进行控制，这样分配出有效的风量可以调整，而风速恒定不变，使补入的风量能迅速达到巨大真空区。Q₂风量根据真空度传感器设定的监控阈值进行调整，这样才能保证混流水轮机的工作效率，真空度传感器设定监控阈值在0.001～0.01Mpa范围内，真空度传感器通过控制电缆与控制单元连接，控制单元通过控制推拉杆来控制Q₂风量，推拉杆选用伺服推拉杆。如果当前真空度小于真空度传感器设定的监控阈值时，控制单元就控制推拉杆向下移动减少Q₂的风量，使当前的真空度与监控阈值相等；反之，当前真空度大于真空度传感器设定的监控阈值时，控制单元就控制推拉杆上提分风板加大Q₂风量，使当前真空度与监控阈值相等。当机组恢复带50～100％负荷时，控制单元打开上行电磁阀和下行电磁阀，高压油通过上行电磁阀注入液压缸中，此时活塞杆带着密封盖升起至原位，同时控制单元控制电机停止工作，即强迫补气阶段停止工作，机组又恢复至自然补气阶段。矩型环和浮动密封环提高了动静密封处的密封性，确保有效风量Q₂全部补入真空区。补气蜗壳有效的将水平高速补入的空气改变成垂直方向补入巨大真空区中。信号电源电缆为控制单元提供了指令信号和电源。本技术方案从根本上解决了混流水轮发电机组在超低负荷运行发电时产生强烈振动技术难题。

本发明提供的技术方案结构巧妙简洁，完美地解决了混流水轮发电机组全阶段自动切换中心强迫补气技术问题，彻底消除了机组低负荷产生振动的问题，减小了机组检修成本和工作量，大幅度提高水电厂的经济效益和社会效益。本技术方案与现有技术相比具有新颖性、创造性和实用性，将广泛用于水力发电领域。

附图说明：

图1.混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置主视图

图2.混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置A-A视图

图3.混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置B-B视图

图4.混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置C-C视图

图5.混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置I放大视图

图6.混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置II放大视图

其中：

1、液压缸 2、油管 3、下行电磁阀

4、控制电缆 5、上行电磁阀 6、控制单元

7、支架 8、推拉杆 9、信号电源电缆

10、伸缩杆 11、固定销 12、连接座

13、竖板 14、弧板 15、分风口

16、分风板 17、电机 18、风机蜗壳

19、叶轮 20、风机支架 21、风机进风口

22、风口法兰 23、风量调整管 24、导柱

25、导块 26、补气口 27、矩型环

28、矩型环槽 29、法兰孔 30、阀口环

31、轴承座 32、补气腔 33、支承管

34、筋板 35、支承座 36、阀轴

37、中心补气管 38、混流转轮 39、真空区

40、导孔 41、弹簧 42、螺杆

43、螺孔 44、阀盖 45、顶轴

46、阀口 47、法兰螺孔 48、法兰

49、浮动密封环 50、轴承盖 51、真空度传感器

52、水平板 53、支架 54、底座

55、补气室 56、自然补气管 57、螺栓

58、盖板 59、密封盖 60、液压缸法兰

61、过孔 62、固定套 63、开口销

64、活塞杆 65、过壁管 66、接近开关

67、自然补气口 68、补气蜗壳 69、固定座

70、固定臂 71、蜗壳进风口 72、有效补风出口

73、风机出风口 74、风量调整入口 75、深沟轴承

76、推力轴承 77、轴台

具体实施方式：

支撑管33上端有错位均布法兰孔29和法兰螺孔47的法兰48，支撑管33下端通过4个筋板34在中心位置上固定带有导孔40的支撑座35，通过螺孔43和螺杆42把阀盖44固定在阀轴36上端，通过法兰48和法兰孔29把上端带有法兰48的轴承座31用螺栓57固定在阀盖44上面中心位置，在轴承座31中按先后顺序装入推力轴承76、带有轴台76的顶轴45和深沟轴承75，将带有过孔61的轴承盖50用螺栓57通过法兰孔29固定在轴承座31上端，顶轴45上端高于轴承盖50上表面5～10毫米。将阀轴36穿过弹簧41插入支承座35上的导孔40中，把带有阀口46的阀口环30套在阀盖44上面后，先通过法兰螺孔47用螺栓57将阀口环30固定在支承管33法兰48上，然后再用螺栓57通过法兰孔29将阀口环30和支撑管33固定在补气腔32上，补气腔32中有中心补气管37，补气腔32下端固定有混流转轮38，在混流转轮38下面是真空区39。

补气室55上带有自然补气管56、过壁管65和盖板58，在补气蜗壳68中通过底座54、支架53和水平板52固定有真空度传感器51，真空度传感器51通过控制电缆4与控制单元6连接。以补气蜗壳68的补气口26为中心固定带矩型环槽28的矩型环27，在矩型环槽28中装有浮动密封环49。通过3～4组底座54、固定臂70、固定座69用螺栓57将上面带有自然补气口67、下面带有补气口26的补气蜗壳68固定在补气室55内部，并且使补气口26与阀口46同心。在自然补气口67附近补气蜗壳68上通过支架7固定有接近开关66，接近开关66通过控制电缆4与控制单元6连接。补气蜗壳68的蜗壳进风口71通过风口法兰22和螺栓57与过壁管65一端连通，过壁管65另一端与带有分风口15的风量调整管23连通，将两个导块25通过导孔40分别套在两根端部带有螺孔43的导柱24上，两个导块25固定在竖板13背部，两根导柱24通过两端螺孔43用螺栓59固定在风量调整管23内部上、下面上。竖板13下面固定有分风板16，在竖板13和分风板16之间固定有弧板14，竖板13通过上端固定的连接座12、固定销11和开口销63与推拉杆8的伸缩杆10前端固定在一起，推拉杆8通过支架7和螺栓57固定在补气室55上面，推拉杆8通过控制电缆4与控制单元6连接。风量调整管23另一端与风机蜗壳18的风机出风口73连通。带有风机进风口21、电机17和叶轮19的风机蜗壳18固定在风机支架20上。把活塞杆64穿过盖板58上的过孔61后，通过液压缸法兰60用螺栓57把液压缸1固定在盖板58上，下行电磁阀3通过油管2与液压缸1连通，上行电磁阀5通过油管2与液压缸1连通，下行电磁阀3和上行电磁阀5通过控制电缆4与控制单元6连接，控制单元6连接有信号电源电缆9。带有固定套62的密封盖59通过导孔40套在活塞杆64上，密封盖59距顶轴45距离为L+A，用固定销11将密封盖59通过固定套62和活塞杆64上的导孔40固定在活塞杆上，在固定销11两端装有开口销63，用螺栓57通过法兰孔29把盖板58固定在补气室55上面。实施完毕。

Claims (1)

1.一种混流水轮机全阶段自动切换式中心强迫补气装置，有装盖板和自然补气管的补气室、补气腔下端固定混流转轮、在补气腔中装有中心补气管直通真空区，其特征是，支承管通过上端带有均布法兰孔和法兰螺孔的法兰放置在补气腔上面的法兰上，支承座通过4个筋板固定在支承管下端中心位置，即支承管在补气腔内部，阀轴上端通过螺孔和螺杆固定有阀盖，在阀盖上面中心位置装有轴承座，在轴承座中装有推力轴承、带有轴台的顶轴和深沟轴承，在轴承座上端固定有轴承盖，弹簧套在阀轴上后，阀轴再穿过支承座上的导孔，在阀盖上面固定有带阀口的阀口环，阀口环和支承管上端的法兰通过法兰孔和法兰螺孔用螺栓固定在补气腔上端；在补气蜗壳下面与补气口同心位置装有带矩型环槽的矩型环，矩型环槽内装有浮动密封环，在补气蜗壳内部通过底座、支架和水平板固定有真空度传感器，真空度传感器通过控制电缆与控制单元连通，真空度传感器监控阈值在0.001～0.01Mpa范围内设定，用2～4个固定臂将下面带有补风口和上面带有自然补气口的补气蜗壳与阀口同心固定在补气室内，在补气蜗壳上面用支架和螺栓固定有接近开关，接近开关通过控制电缆与控制单元连通，补风蜗壳的蜗壳进风口与过壁管连通，过壁管的另一端与带有分风口的风量调整管上有效补风出口连通，风量调整管中的竖板上端通过连接座和固定销与推拉杆的伸缩杆端部连接在一起，竖板背部下端用2个导块与2个导柱滑动连接在一起，2根导柱固定在风量调整管内部，竖板前面固定有分风板和弧板，推拉杆用支架和螺栓固定在补气室上面，用控制电缆把推拉杆和控制单元连通，分风板在叶轮的径向H方向上下移动，即分风板采用与叶轮径向调整风量，电机通过控制电缆与控制单元连通，风机蜗壳内有叶轮，风机蜗壳下面有风机进风口和风机支架，风量调整管另一端与风机出风口连通；活塞杆穿过带有法兰孔的盖板中心过孔把液压缸固定在盖板上，下行电磁阀通过油管与液压缸连通，下行电磁阀用控制电缆与控制单元连接，上行电磁阀通过油管与液压缸连通，上行电磁阀用控制电缆与控制单元连接，用固定销把带有固定套的密封盖固定在活塞杆上，活塞杆端部距密封盖距离为L+A，即密封盖距自然补气口距离为L+A，盖板通过法兰孔用螺栓固定在补气室上面，控制单元上连接有信号电源电缆。