水輪機結構設計淺析
科技專論
作者：鄭立新
【摘要】水輪機作為把水流能量轉換為旋轉機械能的動力機械係統，屬於流體機械中的透平機械,在我國的很多領域都扮演著重要的角色。我國在100多年前便出現了水輪，它是水輪機的雛形，被廣泛的應用在農田灌溉和機械驅動等領域。如今，水輪機主要安裝在水電站內，其結構較複雜，結構設計要求嚴格，且出圖量大。本文將結合實際情況進行分析，闡述各類型水輪機的結構設計，及其新結構的特點。
【關鍵詞】水輪機；結構設計；水輪機結構
前言
水輪機是水電行業必不可少的設備之一，它能夠充分利用清潔能源，實現環境保護，節能減排的社會理念，並且已經逐漸適應我國水電行業的發展模式。如今，在經濟的拉動下，我國的科學技術也在不斷地更新，在這種背景下，水輪技術水平在不斷的完善。水輪機結構複雜，由多個部件組成，其設計工序也較多。在市場上，水輪機的交貨期越來越短，質量要求卻越來越高。了解水輪機結構，不但能夠開闊設計師的思路，也有利於新產品、新技術的研發與應用。
1.水輪機的種類
按照其工作特點和機身結構，水輪機可分為大型混流式水輪機、大型軸流式水輪機、貫流式水輪機、水泵水輪機。
1.1大型混流式水輪機
大型混流式水輪機廣泛吸收了國內外先進技術，在機身結構和機器性能方麵已經達到了世界先進水平。漫灣電站水輪機和李家峽電站水輪機是較為先進的混流式水電機。前者應用頂蓋取水技術進行冷卻，在轉輪和主軸之間采用摩擦鍵結構，並在主軸中心設置了補氣裝置。後者的轉輪采用分瓣結構，減少了運輸的難度。李家峽電站水輪機的座環是平行式的，主軸和轉輪比較靈活，可以互換。與此同時，研究人員在導葉限位裝置、導軸承、主軸密封等方麵也作出了較大的改進，提高了水輪機的工作效率。
1.2大型軸流式水輪機
大型軸流式水輪機在混流式基礎上進行了技術的改革，結構設計也逐漸成熟。迪什林水輪機、高壩洲水輪機是我國較常用的軸流式水輪機。迪什林水輪機單機容量較大，水輪機和發電機采用一根軸的設計模式，並通過接力器對對角進行布置，再通過軸承斜楔進行調節，這樣的設計結構使水輪機的總體布局合理，也在一定程度上提高了水輪機的經濟指標。高壩洲水輪機采用鑄焊結構的座環，座環的上下環板有地腳螺栓，能夠較大程度地承受來自各個方向的水壓力，而葉片邊緣的裙邊結構提高了轉輪的抗蝕能力，這些結構都保證了水輪機高效運轉，也保持了良好的水力性能。
1.3貫流式水輪機
我國的低水頭水力資源較為豐富，在這種背景下，貫流式水輪機在我國有較好的發展空間，石溪口電站水輪機、流灘壩和黃泥灘水輪機是我國較為典型的貫流式水輪機。石溪口電站水輪機由8個固定導葉支撐著座環，座環的兩個支腳和混凝土的支撐基礎相連，采用無操作架的轉輪缸動結構，將轉輪接力器設置在排水錐內。流灘壩和黃泥灘水輪機的設計較為精準，其中的試驗機組、機組參數、結構型式等基本數值都參照了國際大型的貫流機標準。此外，二者在機身尺寸和設計結構都較為相似，都有較好的運行效果。
1.4水泵水輪機
水泵水輪機是20世紀30年代出現的新型抽水蓄能機組，與水輪機和水泵串聯的蓄能機組相比，其重量大為減輕，造價降低，因而得到廣泛應用。響洪甸水泵水輪機充分考慮到水輪機在工作時過渡過程複雜、機組振動大的特點，並結合水泵水輪機運行的特殊性，對座環、蝸殼、主軸、活動導葉等器件進行剛強度分析，保證了水輪機在運行時的安全性。與此同時，為了降低水泵水輪機主軸密封性的影響，水泵水輪機采用斷麵水壓碳精密封裝置，這種結構設計不但能夠減少自身的對偶麵磨損程度，也曾強了自身的潤滑性，使得轉輪與主軸進行銷套連接。與此同時，為了確保導葉的密封性能，水輪機的頂蓋和座環上設有金屬端麵，進行相應的密封。