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水泵水轮机结构介绍

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水泵水轮机结构 第 1 页 共 19 页 1 广州蓄能水电厂水泵水轮机结构介绍

肖苏平 一．简介 广州蓄能水电厂分二期建设，一、二期工程分别安装4×300MW可逆式水泵水轮机，单机容量（发电工况）300MW，总装机容量2400 MW。一期（称A厂）工程于1994年全部建成。二期（称B厂）工程于1999年全部建成。一、二期工程于2000年3月全部投产。8×300MW机组投产后，已成为当今世界最大的抽水蓄能电厂。 可逆式水泵水轮机在抽水、发电起动，停机操作灵活方便，在电网峰荷时放水发电，在低谷负荷时利用系统多余的电能抽水，在电网中起到了填谷调峰的积极作用，使系统中的所有各种电站的负荷趋于均匀，提高了整个电力系统的经济运行。 本电站两期工程共装设八台可逆式水泵水轮机。每台机组设备包括：水泵水轮机、调速系统、进水球阀、尾水事故闸门以及相应的操作控制系统，各种连接管路、阀门、管件、表计、自动化元件、控制电缆、备品、专用工具、实验设备等。A厂水泵水轮机由法国Neyrpic公司承制、供货，B厂由德国Voith承制、供货。 电站工程主要特征数据如下： 上库水位：正常蓄水位 816.8 m 最低蓄水位 797.0 m 下库水位：正常蓄水位 287.4 m 最低蓄水位 275.0 m 电站毛水头：最大水头 541.8 m 额定水头 522.0 m 最小水头 509.6 m 水泵水轮机结构 第 2 页 共 19 页 2 二．水泵水轮机基本参数 水泵水轮机为竖轴单级、可逆、法兰西斯式，具有可调导水机构，与电动发电机轴直接连接。A、B厂水泵水轮机主要参数如下： A厂 B厂 额定转速：水轮机工况 500 r/min 500 r/min 水泵工况 500 r/min 500 r/min 旋转方向（俯视）： 水轮机工况为顺时针 水泵工况为反时针 转轮直径：进口直径 3886mm 3802 mm 出口直径 2312mm 2090 mm 额定出力：水轮机工况 306 MW 308 MW 水泵工况 330 MW 330 MW 水轮机最大出力： 306 MW 352 MW 水轮机额定流量： 62.88m/s 65.95m/s 水轮机最大流量： 68.7m/s 72.92m/s 水泵最大流量： 60.03m/s 57.3m/s 水泵最小流量： 53.73m/s 50.6m/s 水泵水轮机总重： 450 t 转动惯量GD2: 3600t.m2 轴向最大水推力：正常运行时，水轮机工况 1500 kN 水泵工况 1500 kN 过渡工况时，最大向上 3600 kN 水泵水轮机结构 第 3 页 共 19 页 3 最大向下 4800 kN 蜗壳进水方向： 与厂房纵向中心线成65º角 最大飞逸转速：稳态 700 r/min 690 r/min 瞬态 725 r/min 725 r/min 安装高程： 205m 205 m 最小淹没深度： -70 m -70 m

三．水泵水轮机结构 水泵水轮机为单级、立轴、混流可逆式，电动发电机为悬吊式，主轴有三个径向导轴承荷一个推力轴承。水导轴承布置在主轴密封德上方，下导轴承布置在电动发电机下机架上，上导轴承布置在推力轴承上方，推力轴承布置在电动发电机上机架上。 水泵水轮机由转轮、主轴、导轴承、主轴密封、座环、蜗壳、顶盖、底环、泄流环（基础环）、止漏环（迷宫环）、抗磨板、导叶及其操作机构、机坑里衬、机坑内环形吊车、尾水管等组成。 水泵水轮机的拆装采用中拆方式。水泵水轮机所有可拆部件包括转轮、主轴（包括中间轴）、水导轴承、轴承支座、顶盖、导叶、导叶接力器、导水机构、主轴密封装置等。 根据设备的结构特点和习惯，我们将水泵水轮机分成三大部分，即：转动部分，固定部分和埋入部分。下面就机组的各个部件的构成和作用分别作简要介绍。 1． 转动部分 转动部分及其相关部件主要包括：转轮、主轴、中间轴、主轴密封、水导轴承等。转动部分是机组的核心组成部分，是水能转换成机械能/电能的关键设备。 1.1． 转轮 水泵水轮机结构 第 4 页 共 19 页 4 转轮是实现水能转换的主要部件，它将大部分水能转换成转轮的旋转机械能，并通过水轮机主轴传递给发电机主轴及其转子，所以它是水轮机的主体，水轮机转轮的设计和制造水平，是水轮机质量的主要标志。 转轮由上冠、叶片（9片）、下环和泄水锥焊接而成，材料16Cr5Ni不锈钢，重量34 t。转轮与上方的顶盖及下方底环和相邻的导叶形成完整的水流通道，作用是将水能/机械能转换成机械能/水能。 可逆式水泵水轮机的转轮要适应两种工况的要求，其特征形状与离心泵更为相似。高水头转轮的外形十分扁平，其进口直径与出口直径的比率为2：1或更大，转轮进口宽度（导叶高度）在直径的10%以下；叶片数少但叶片薄而长，包角很大，能到180°或更高。很多混流可逆式机组都使用6～7个叶片，近年来为向更高水头发展，使用到8～9片。因为可逆式机组的过流量相对较小，水轮机工况进口处叶片角度只有10°～12°，为改善水轮机和水泵工况的稳定性，叶片出口边经常作成有后倾角，而不是在一个垂直面上。 1.2． 主轴/中间轴 主轴是水轮机的重要部件之一。其作用是承受水轮机转动部分的重量及轴向水推力所产生的拉力，同时传递转轮产生的扭矩。可概括的说成，水轮机主轴要同时承受拉、扭及径向力的综合作用。 水轮机主轴主要由上、下法兰及轴身三部分组成，上端与中间轴用螺栓联接，下端与转轮上冠法兰用螺栓和销钉套联接，联接螺栓是从定位销中间穿过，此法比较独特，螺栓数量为18个M90×6，螺栓的拉伸值为0.68mm，拉伸方法采用加热棒加热法。结构为整锻中空。材料：CK35N，主轴直径Ф990mm，长度为2700mm，水导轴承处Ф1280mm，重量23t。 水泵水轮机结构 第 5 页 共 19 页 5 中间轴为碳钢整锻，下方与水轮机主轴由18个M130×6螺栓联接，上方与发电机下端轴联接。中间轴重量14.5t。中间轴是为实现水泵水轮机组中拆而特别设计的。 1.3． 转轮拆卸方式 蓄能机组的转轮在大修时需取出进行修理，立式机组转轮的拆卸要牵涉很多其他重大部件的拆卸，实际上影响整个水泵水轮机以致电动发电机的总体结构设计。现在大型立式机组转轮的拆卸可以有三种方式：或将尾水锥管和底环以及转轮由下方取出；或取出一段中间轴并拆卸顶盖后，将转轮由机坑取出；或用传统方式，吊出电机转子并拆除顶盖后由上方取出转轮，以上三中拆卸方式分别称为下拆、中拆和上拆方式。我厂一期为下拆，二期为中拆。 1.4． 主轴密封及检修密封 1.4.1．主轴密封 主轴密封紧靠水轮机主轴下法兰端面，在水导轴承下方由内顶盖支撑，密封形式为弹簧复位式流体静压平衡径向机械密封。其作用是有效地阻挡水流从主轴与顶盖之间的间隙上溢，防止水导轴承及顶盖被淹，维持轴承和机组的安全运行。 从其结构简图我们可以说明其工作原理，旋转抗磨环⑸直接把合在主轴⑴下端法兰

水泵水轮机大轴主轴密封供水管

密封压板密封活动环密 封 环抗 磨 环

弹 簧

支 持 环检修密封

磨损指示装置

广蓄B厂主轴密封结构简图水泵水轮机结构 第 6 页 共 19 页

6 上端面与静止密封环⑷相对，密封环在弹簧和尾水水压的作用下紧压着抗磨环，使其起到密封的作用，当机组在运行时，密封环内腔给适当压力的过滤后的润滑水（冷却水），在密封环与抗磨环之间建立一层水膜，其作用相当于流体静压轴承将旋转抗磨环与静止密封环分开，使它们不发生直接摩擦从而减少磨损量和热量。密封环内腔的冷却水水压应大于尾水压力，并保持在9.5bar，工作流量应保持在10.5mз/h左右。 主轴密封润滑（冷却水）用水，直接取直引水压力钢管经过消能环管减压，减压后经过过滤器和旋流器直接通至密封环内腔。由于在弹簧的作用下密封环压紧抗磨环，所以在机组停机时切断冷却水的情况下，密封环仍然起到密封作用。只有在机组运行时才投入冷却水。 为了监视主轴密封在运行过程的情况，设置二种安全装置：一种是温度监视，密封环内环端面互成120°角分别装有一个温度传感器，如果密封环与抗磨环之间间隙太小，或水膜受到破坏，则转动过程中必将造成温度升高，当温度过高必然损坏密封环，温度达45°时跳机；另一种是压力传感器，监视密封环冷却水供水压力，正常情况下冷却水供水压力必须高于尾水压力的0.4bar及以上，才能保证主轴密封的正常工作。此外，为了监视密封快的磨损程度，装设有标尺，可供读数，如果经过长时间的运行，密封快被磨损到一定程度时，则应进行更换。 主轴密封对机组过渡过程中没有特别要求，即密封有较强的抗振性。经过主轴密封内环的少量漏水会自流排至集水井。 1.4.2．检修密封 检修密封位于水轮机轴下法兰轴面，在机组停机检修或主轴密封损坏时，打开检修密封操作三通阀，将压縮空气充入空气围带使其抱紧法兰轴面从而防止水淹水车室。在机组正常运行时或机组尚未完全停止时，不得投入检修密封，所以检修密封的操作设为水泵水轮机结构 第 7 页 共 19 页 7 手动投退。 1.5． 水导轴承 水导轴承的作用，一是承受机组在各种工况下运行时通过主轴传过来的径向力，一是维持已调好的轴线位置。按润滑剂不同，导轴承主要分为水润滑的橡胶瓦导轴承油润滑的乌金瓦导轴承。乌金瓦导轴承又分为稀油自循环分块瓦导轴承和筒式导轴承。 我厂水导轴承为强迫外循环冷却分块式导轴承，位于主轴密封上方。水导轴承由12块轴瓦、支座、静止油箱及强迫外循环冷却系统组成在油箱的盖板上装有空气呼吸器和观察孔，油箱旁装有油位计，整个油箱安装在顶盖上，油箱分成上、下油盆。 有关技术参数为： 轴颈直径： Φ1280mm 线速度： 33.5m/sec 功率损耗： 66kw 水导轴承总间隙： 0.55mm 瓦数量： 12块 轴承润滑的原理如下，在机坑外的油泵将润滑油从下油盆中吸出，经冷却过滤后输送至各轴瓦之间，冷油工作后，从上油盆溢流到下油盆，油泵又将其从下油盆中吸出，如此反复，实现强迫循环。循环管路系统包括油泵、逆止阀、过滤器和冷却器，以及油位、油量、油温和瓦温传感器。 2． 固定部分 固定部分的主要部件包括：导水机构、顶盖和底环等。 2.1导水机构 导水机构的作用，是使水流进入转轮之前形成旋转并改变水流的入射角度；当机组

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黑麇峰抽水蓄能电站水泵水轮机结构设计

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可拆部分包括转轮 、主轴及其联接件 、水导 轴承 、主轴密封部件 、导水机构、接力器等 。
３ １ １ 转 轮 ．．
格的控制 ，因此其焊接性能较好 。叶片与上冠 的 接头焊缝为全熔透焊缝 ；叶片与下环的接头焊缝 分 为三 段 ，两 端 为全熔 透 焊缝 ，中部约 ９ 。 Ｏ圆弧 部分流道狭窄 ，较难施焊 ，且不属于高应力区 ， 故采 用非 熔透 焊缝 。
转轮 是水 泵水 轮机 的心 脏 ，转轮 的设 计首 先
考虑满足水泵运行的性能要求 ，同时兼顾发电运
行 的性能要求 。黑糜峰水泵水轮机转轮具有 ９ 个 叶片 采用 数控 加工 ，保 证其 流 道型线 与模 型 叶片。 转轮采用铸焊结构 ， 转轮名义直径 ５４ｍｍ， 完全一致 。在转轮的上冠和下环上直接加工出止 ００ 喉径为 ２０ｍｍ， ７０ 最大直径为 ５０ｍ 重 ４ ． 。 １０ ｍ， ３ ｔ ５ 漏环 ，其止漏环型式具有典型的高水头止漏环特 转轮上冠 、下环及叶片的材料均为抗空蚀 、抗磨 征 ，上冠侧为梳齿式迷宫环结构 ，而下环侧为阶
３ 水泵水轮机 结构简介
来稿 时 间 ： ０ ０ ０ —１ ２ １— ５ ０
黑麋峰水泵水轮机为高水头单级混流可逆式 机型，主要 由埋人部分和可拆部分组成 ，其中埋 入部分包括尾水管 、导水机构底环 、蜗壳座环 、
２
机坑里衬 、埋人管路及各种预埋附件。除埋人部
《 东方电机 ） ｏ ｏ ２ ｌ 年第 ４ 期
《 东方 电机 ） ０ ０ ２ １ 年第 ４期
黑麇 峰抽水 蓄能 电站水泵水 轮机结构设 计
常喜兵 摘 要 黑麋 峰 电站 抽 ห้องสมุดไป่ตู้蓄 能机 组是 国家发 改委 指 定的抽 水 蓄 能机 组设 备 国产 化后 续 工程 的
水轮发电机结构PPT课件

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水轮发电机
发电机结构 形式： 按布置方式的不同水轮发电机可分卧式和立式两种。 按推力轴承位置的不同来分,立式发电机又分为悬式和伞式
两种。 推力轴承位于装置上方的发电机称为悬式发电机，它适用
于转速在100r/min以上。其优点是推力轴承耗损小，装配方 便，运转较稳定；缺点是机组高度较大，消费钢材较多。
部件。在运行中要承受扭矩、重力、离心
力等的综合作用。大型水轮发电机的转子 支架有组合式（辐射型）和圆盘式两种。
主轴是用来传递转矩，并承受转动部分的轴向 力，通常用高强度钢整体锻成，或由铸造的法 兰与锻造的轴筒拼焊而成；
轮毂是主轴与轮臂之间的连接件；轮臂是用来 固定磁轭并传递扭矩的，大、中型机组的轮臂 一般为焊接结构；
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
一条边放在某一槽的上层，另一条边则放在相隔一个 线圈节距的下层，整个绕组的线圈数恰好等于槽数。
双层绕组的主要优点为: 1）可以选择最有利的节 距。并同时采用分布绕组，来改善电动势和磁动势的 波形；2）所有线圈具有同样的尺寸，便于制造； 3） 端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度。分 叠绕组和波绕组。 叠绕组 ： 绕组嵌线时，相邻的两个串联线圈中。后一
磁轭的主要作用是产生转动惯量和挂装磁极， 同时也是磁路的一部分，直径小于4m的磁轭可 用铸钢或整圆的厚钢板组成，大于4m时则由3～ 5mm的钢板冲片叠成一整圆，用键固定在轮臂 外端；
（二）转子结构
发电机转子由主轴、轮毂、磁轭、端压板、风扇、 磁极、制动闸板等组成，
水轮机的类型及构造

水轮机的类型及构造

本篇重要内容：水轮机(The hydraulic turbine)水轮机是将水能转变成旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。

研究的目的是充分利用水能资源，为厂房布置设计作准备。

第二章 水轮机类型与构造第一节水轮机大体类型、特点、适用条件一、水轮机的大体类型（一）按主轴装置方式划分1. 立式水轮机：水轮机主轴竖直安装；大中型水轮机均采用该装置方式。

2. 卧式水轮机：水轮机主轴水平安装；小型或微型水轮机采用。

（二）按能量转换特征水轮机是水电站的主要动力设备之一。

按照能量转换的特征，可将水轮机分为还击式、冲击式两大类。

各类类型水轮机依照其水流方向和工作特点不同又有如下不同的形式。

⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧双击式斜击式水斗式（切击式）冲击式斜流式贯流转桨式）贯流式（贯流定桨式，轴流转桨式）轴流式（轴流定桨式，混流式反击式水轮机 二、水轮机的特点及适用条件（一）还击式水轮机的特点及适用条件特点:（1）水流流经转轮时，水流充满整个转轮叶片流道，利用水流对叶片的反作使劲，即叶片正反面的压力差使转轮旋转；（2）主要利用水流的势能和动能，主如果利用水流的势能；（3）水轮机在工作工程中，转轮完全浸没在水中。

还击式水轮机按照水流流经转轮的方式不同分为混流式、轴流式、斜流式、贯流式四种。

1、混流式（法郎西斯式）：水流径向流入转轮，轴向流出。

适用范围：H=30~700 m , 单机容量：几万kW~几十万kW长处：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。

2、轴流式（卡普兰式）：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

(a)、轴流定浆式：叶片不能随工况的转变而转动。

改变叶片转角时需要停机进行。

结构简单，效率低。

适用H 、Q 转变不大的情况（工况较稳定）， H ：3~50m 。

(b)、轴流转浆式：叶片能随工况的转变而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度）。

水轮机的基本结构及其主要部件的作用

水轮机的基本结构及其主要部件的作用

水轮机的基本结构及其主要部件的作用水轮机总体由引水、导水、工作和排水四大部分组成。

1、水轮机的引水部件：主要指蜗壳及座环等，水流由蜗壳引进，经过座环后才进入导水机构。

蜗壳的作用是使进入导叶以前的水流形成一定的旋转，并轴对称地、均匀地将水流引入导水机构；座环的作用是：承受整个机组及其上部混凝土的重量以及水轮机的轴向水推力；以最小的水力损失将水流引入导水机构；机组安装时以它为基准。

所以，座环既是承重件，又是过流件，也是基准件。

因此，要求座环必须有足够的强度、刚度和良好的水力性能。

2、水轮机的导水机构：导水机构主要由操纵机构（推拉杆、接力器及其锁锭装置）、导叶传动机构（包括控制环、拐臂、连杆和连接板等）、执行机构（导叶及其轴套等）和支撑机构（顶盖、底环等）四大部分组成。

其作用使进入转轮前的水流形成旋转，并可改变水流的入射角度，当发电机负荷发生变化时，用它来调节流量，正常与事故停机时，用它来截断水流。

导水机构的操纵机构导水机构的操纵机构的作用是：在压力油的作用下，克服导叶的水力矩及传动机构的摩擦力矩，形成对导叶在各种开度下的操作力矩。

导水机构的操纵机构分为直缸式和环形接力器两大类。

调速环或接力器锁锭装置锁锭装置的作用是：当导叶全关闭后，锁锭投入，可阻止接力器活塞向开侧移动；一旦关侧油压消失，又可防止导叶被水冲开。

导水机构的传动机构导水机构的传动机构的作用：是将操纵机构的操作力矩传递给导叶轴并使之发生转动。

其型式主要有叉头式和耳柄式两种。

太站为耳柄式，长站为叉头式。

正常运行时应着重检查控制环、拐臂、连杆和连接板之间的连接销有无串出或脱落。

剪断销及引线是否完好。

导水机构的执行机构导水机构的执行机构包括导叶和轴套，为了操作导叶使其转动，既减少摩擦阻力又不摆动，在水轮机导叶上均装有三个滑动轴承。

下轴套装在底环上，上、中轴套装在导叶套筒内，套筒固定在顶盖上。

为了减少沿轴颈的漏水量和减轻泥沙对轴颈的磨损，导叶轴颈均装有密封，当密封损坏时可能造成顶盖水位升高。