水轮发电机主轴

2024-06-01

水轮发电机主轴（通用7篇）

水轮发电机主轴篇1

水轮机与水轮发电机的关键零件分别是, 水轮机主轴与立轴式水轮发电机。水力发电机组的转动部分由转轮与两轴和转子共同组成 (见图1) , 机组在出厂前必须要检查的一项重要技术指标就是各配合位置及各轴承部位在两轴连接后的同轴度, 并且对于该指标的要求相对较高。转动部分在发电机组的运行中主轴承担着巨大的扭矩, 产生了较大的离心力, 主轴的同轴度如果达不到相应的要求, 那么轴承上必然会产生附加力, 造成轴承温度不断升高, 产生噪音和震动, 导致密封处极为容易损坏, 对机组的使用寿命造成了严重影响。

1 分析找正方案

1.1 找正部位、连接方式以及相关技术要求

(1) 找正部位。

(A) 上导轴承位, (B) 推力轴承位, (C) 转子配合外圆, (D) 下导轴承位, (E) 法兰外圆, 以上为水轮发电机主轴的主要找正位。 (E) 法兰外圆, (F) 水导轴承位, (G) 法兰端面, 以上为水轮机主轴的主要找正位。具体见 (图1) 。

(2) 连接方式。

主轴用螺栓连接, 用内止口和凸间在端部定位, 两主轴的找正在转轮和转子的安装之前进行, 在找正两主轴后主要有两个定位的方法, 分别如下。

(1) 用定位销定位, 在法兰外圆结合处钻铰定位销孔 (见图2b) 。

(2) 用带销螺栓定位, 同镗部份螺栓孔 (见图2a) 。

(3) 相关技术要求。

通过精加工后的两轴把合找正摆度, 各个部位的误差要小等于0.02/1000, 个别要求较高厂家的控制指标在0.01/1000。

1.2 分析误差

(1) 主轴技术要求。

水轮机和发电机主轴自身的各轴承外圆、法兰外圆、连接止口的位置公差要求为:

其中主轴的理想轴线为A, 发电机轴连接凸肩公差为h6, 水轮机轴连接内止口公差为H7, 两结合法兰平面度要求和平面跳动要求。

(2) 误差分析。

两轴的径向位移误差与角度位移误差是主要组成同轴度误差的因素, 为了方便说明, 本文以某水电站的水轮发电机组为案例。 (该机组, 发电机轴长度5190 mm, 水轮机轴长度3750 mm, 连接法兰外径φ900, 水轮机型号HL820-LJ-260, 发电机容量15000 k W, 型号SF12-36/5100, 净量11510 kg, 净质量5887 kg。)

该机组用12个M76×4螺栓连接两轴, 定位止口尺寸φ450, 带销螺栓的其中有六个, 具体见图2a。

(1) 径向误差。

由于联结止口间隙过大而造成了径向位移误差。例如该电站的例子, 对轮凹止口上差极限尺寸为φ450.063 mm, 配合孔尺寸φ450H7, 对轮凸止口极限尺寸φ449.96 mm, 轴配合尺寸φ450h6。由于两极限尺寸相差0.103mm, 所以会在安装过程中极有可能造成轴线无法重合的情况发生。

(2) 角度误差。

两法兰结合平面度0.03以下, 对轴线跳动都要求为0.03 mm, 平面度的影响不进行考虑, 主轴轴线的垂直平面与法兰连接平面仍然有一个角度, 例如法兰φ900处跳动0.03 mm, 那么角度则为:tgα=0.015/450=0.000033, α≈0.002°,

如果在两轴装配时, 安装的角度是相反的, 那么则会增加一倍的侧角度误差, 达到0.004°, 会对两轴的同轴度造成比较大的影响, 如果在安装时角度的方向相同, 那么就可以互相抵消角度误差。

(3) 操作误差。

有可能会引起两轴同轴度超差的主要因素有, 在安装时螺栓松紧度不一致、接合面不清洁、起吊的过程中变位等等。

2 相应的措施

(1) 针对两轴所存在的角度误差问题。

如果在法兰找正以后其他部位仍超差, 那么可将轴转一个方向, 一边旋转角度在90°~270°之间, 安装完成后再次进行测量, 如果不合格则继续转换方向, 直到合格为止。

(2) 针对定位不准确, 定位止口间隙大问题。

用百分表在两轴把合后, 分别对两法兰外圆进行测量, 如果有发现偏差, 那么先将偏差找正, 然后再测量其他部位的同轴度。

(3) 针对人为因素所导致的误差问题。

在安装时, 要求相关人员对配合尺寸和配合面质量进行检查, 要清洗擦净工件, 去锐边毛刺, 然后在进行安装。在安装过程中螺栓用力矩扳手, 根据标准力矩要求, 对称并均匀上紧。用万向摇臂钻床钻铰销孔, 以防止吊装中引起变形的工件, 打入销后才吊下, 对外圆上用骑缝销定位。

3 具体工艺过程 (以上述某电站主轴为例)

机床加工最大长度14000 mm, 最大直径2500 mm, 所使用的机床为普通车床C61250。

3.1 将发电机主轴吊装上车床

四爪夹住上导轴承位侧主轴外圆, 按上导轴承位外径校正, 百分表检测径向跳动小于0.01 mm。中心架托住下导轴承处轴颈外圆, 检测此处外圆跳动应小于0.01 mm。然后用百分表检测联轴器的端面跳动和径向跳动。按照加工精度要求, 此时的联轴器外圆跳动应小于0.02 mm, 端面跳动应小于0.03 mm。如达不到要求, 则对联轴器进行返修加工。将此时联轴器与主轴的安装位置和端面跳动的高点位置做出标记, 将联轴器拆下。

3.2 吊装水轮机主轴上车床

一端用尾座顶中心孔, 洗、擦净结合部位。一端以中心架支承外圆。检查轴颈跳动应小于0.01 mm。然后, 检查联轴器法兰的端面跳动和外圆径向跳动。同理, 如达不到要求则对联轴器进行返修加工。然后将联轴器的端面跳动的高点做出标记。

将发电机联轴器装上, 将端面上的高点标记与水轮机主轴联轴器的端面跳动高点相差1800布置, 均匀上紧6个联轴螺栓 (60°分布) 。首先用百分表检测出发电机轴法兰外圆跳动。与水轮机主轴法兰的外圆跳动进行比较, 如果有错位, 扶上中心架, 用中心架调节法兰高度, 将最高点转到最下端, 松开联接螺栓, 使其至误差的1/2, 螺栓上紧后法兰需要再进行检查, 一直到两法兰的同轴度一致为止。最后将两个连接好的联轴器一同拆下主轴。

3.3 在刀架上安装专用的镗孔工具

两法兰6-φ80H7孔合在一起进行镗削, 装上并上紧带销螺栓。对各处同轴度进行重新检查并做好相应记录。如果采用外圆上骑缝销定位, 那么可用铰合定位销孔、万向摇臂钻床钻, 在整体找正合格上紧螺栓后, 装入定位销, 然后将工件吊下。

3.4 联轴器法兰的最终装配

将两个联轴器法兰拆开, 分别按照先前标识的位置分别装在水轮机和发电机主轴上。再分别将两个转子上车床, 对联轴器法兰的端面跳动和径向跳动进行最终检验。此时应该是完全保证设计要求的联轴器法兰径跳和端跳。

4 结语

文中所叙述的找正定位和摆度, 极大程度减少了电站安装的工作量, 机组转动部分安装位置的准确度得到了保证, 经实践证明, 振动较小, 机组运行平稳, 是切实可行的方法。

摘要：本文对水轮发电机组转动部分的水轮机主轴与水轮发电机出现偏差的原因进行了分析, 并提出了相应的找正方法, 通过实际应用取得了良好的效果。

关键词：主轴同轴找正,水轮发电机,定位方法,找正部位,发电机轴

参考文献

[1]问海洋.立式水轮发电机转轴结构型式与加工工艺特点[J].科技创业家, 2012 (12) .

[2]鲍长桥.贯流式水轮机主轴的强度分析与优化设计[J].河北工业大学, 2006 (1) .

[3]宋佳.立式水轮发电机转轴结构型式与加工工艺特点[J].音大电机技术, 2010 (5) .

卧式混流水轮机组主轴密封的改造篇2

1 水轮机主轴密封概述

在卧式混流水轮机组运转的过程中, 主轴密封技术主要是在水轮机中主轴和顶盖部位之间的位置处, 设置相关的防水密封系统, 让卧式混流水轮机组在实际运转的过程中, 其部分构件不会出现磨损、漏水等方面的问题, 使得卧式混流水轮机组的安全性得到进一步的提高。近年来, 随着科学技术的不断发展, 人们在卧式混流水轮机组中所采用的主轴密封办法也有很多, 其中常见的密封方法主要有工作密封法和检修密封法这两种。所谓的工作密封法也就是卧式混流水轮机组在正常运作的过程中, 通过相应的密封方法, 来减少水轮机组的磨损, 以确保卧式混流水轮机组的工作性能。而检修密封法的利用, 也就是在对水轮机组进行检修时产用的密封方法。一般来说, 在人们在对水轮机主轴进行密封处理的过程中, 除了按照人们的相关要求来对其进行施工应用以外, 还要根据卧式混流水轮机组运行的实际情况, 来进行密封施工。不过, 这些常见的主轴密封技术在实际应用的过程中, 也存在着许多的问题, 这就对卧式混流水轮机组的正常运行有着严重的影响。为此我们还要在不断的实践过程中, 来对其进行改造, 以确保卧式混流水轮机组安全稳定的运行。

2 改造前存在的主要问题

近年来, 卧式混流水轮机组在运行的过程中, 主轴密封还存在着许多的问题, 这就对水利建筑设施的正常运作有着严重的影响, 导致部分构件在使用的过程中出现磨损的情况, 从而使其存在着一定的安全隐患。其中卧式混流水轮机组主轴密封技术在改造前存在的问题, 主要表现在以下几个方面:

主轴磨损, 密封不严, 漏水加大, 漏水甚至窜入导轴承箱, 于是盘根越压越紧, 主轴磨损就越来越严重, 日常检修维护频繁更换盘根, 盘根也越用越多, 形成恶性循环, 到后来, 主轴竟被磨损了10毫米以上, 形成一个凹颈, 机组也因此需要每年进行大修, 将机组解体, 把磨损严重的主轴拆下, 进行修补, 再上车床加工, 有时修补不到位, 需要几上几下车床, 检修工作量很大, 修补过程中如果控制不均匀, 甚至造成主轴中心偏移或弯曲, 直至报废, 造成极大经济损失。平时机组停机频繁, 发电量大受影响, 正常检修计划和安全生产也无法保证。

3 改造的具体过程和做法

经过我厂领导研究并请示上级后决定, 对我厂两台水轮机组主轴密封进行改造, 并确定了自主完成, 分步实施的原则, 经过多方比较探讨和查找资料, 最后决定选择改造为平板密封, 具体工作过程如下:

3.1 将机组解体, 由于前期盘根密封已造成主轴磨损, 仍需对主轴进行一定的修补, 但因改造后主轴与平板橡胶并不直接接触, 因此主轴修补后的光洁度不再有严格要求, 工作量明显减少。

3.2 拆除原来盘根密封的部件, 包括盘根压紧板。

3.3 制作一块过渡板, 由于原来盘根压紧板较小, 固定螺栓间距较小, 没有容纳平板橡胶和抗磨板的空间, 故需先制作一块过渡板, 用四颗沉头内六角螺栓固定在原来盘根压紧板的顶盖位置, 并保证螺栓不露头。过渡板外圈钻八个螺栓孔, 用于固定平板橡胶和漏水收集器

3.4 装上平板橡胶和抗磨板, 调整平板橡胶与抗磨板的间距, 一般它们之间间距不超过1毫米为宜。

3.5 装上漏水收集器, 接上水管以排出漏水。

3.6 组装机组, 主轴密封改造完成, 通水试机。

4 本次主轴密封改造取得成功, 经过几年的运行与改进, 有几点经验与大家分享:

4.1 关于平板橡胶的选择。原来许多文献推荐用8~10毫米厚的中硬耐油耐磨橡胶板, 经我们多次比较和试验, 最后选定市面上容易购买的传送带橡胶板最为合适, 因其内衬多层尼龙丝而具有强韧抗折耐磨的特性, 只要不被磨穿, 该主轴密封基本不会漏水。

4.2 该主轴密封在安装橡胶板与抗磨板时, 应在抗磨板上先涂上一层润滑脂, 否则机组刚启动, 橡胶板与抗磨板干磨, 极易使橡胶板过热损坏, 只要机组开动后, 橡胶板与抗磨板之间有了水压力, 就不会干磨了, 经过一个检修周期后, 橡胶板与抗磨板可同时更换, 抗磨板经过修复, 可作为备件供下次使用。

4.3 该主轴密封更换时, 若主机不需检修, 则橡胶板可用曲线锯依尺寸将中心挖去, 用皮带冲冲出螺栓孔, 再用锋利的刀具将橡胶切开, 套进主轴后, 再用502胶水粘牢即可, 不需从主轴后部套进, 也就不需拆开尾水弯管、转轮等部件, 大大减轻了工作量。

5 改造后的效益和意义

经过此次主轴密封改造, 我厂的检修工作量和停机时间大大降低, 在一个检修周期内可不需更换主轴密封, 即使更换, 在配件备足的条件下, 也仅需很少时间即可完成。经过三年多的运行, 本次主轴密封改造取得成功, 为我厂创造了可观的经济效益, 保证了安全生产, 它不仅简单易行, 而且投资少, 见效快, 为同类机组设备, 特别是农村小型水电站的老旧设备改造提供了借鉴意义。

结束语

总而言之, 在对水利工程中, 卧式混流水轮机组主轴的密封处理有着十分重要的意义, 它不仅有着有效减少水轮机组部分构件磨损现象的出现, 还使得卧式混流水轮机组运行的安全性得到进一步提高。而且随着科学技术的不断发展, 人们也将许多先进的技术和设备应用到其中, 从而使得卧式混流水轮机组主轴密封改造的效果得到很好的提升, 让水轮机组的工作性能得到进一步的提升。

摘要：在水利工程建设施工的过程中, 卧式混流水轮机组由于有着良好的工作性能, 因此得到了的广泛应用, 但是, 人们在对其进行使用的过程中, 其主轴结构容易出现磨损和漏水的情况, 这就对卧式混流水轮机组的正常运作有着一定的影响, 甚至会发生安全事故。为此, 我们就要根据工程施工的实际情况和相关要求, 来对卧式混流水轮机组主轴进行改造, 从而使其可以安全稳定的运行。这不但使其工作性能得到进一步的提高, 还很好的满足卧式混流水轮机组安全生产的相关要求。文章首先对卧式混流水轮机组主轴密封方法和问题概述, 其次来对水轮机组主轴密封改造的技术手段进行简要的概述, 以供参考。

关键词：卧式混流,水轮机组,密封改造

参考文献

[1]王福潮.东雷二级站黄河2号泵运行状况分析[J].杨凌职业技术学院学报, 2010 (1) .

水轮机主轴密封技术及改造设计篇3

水轮机是一种能量转换设备, 水轮机通过两次能量的转换来完成其工作职能, 第一次是水能转换为机械能, 第二次是机械能转换为电能。水轮机工作的动力来源是水, 运行的首要条件是主轴密封, 目前水轮机普遍存在启用不久后就漏水的现象, 因此要对主轴密封加以研究和改造。

1 水轮机主轴密封的形式

主轴密封可以分为主轴检修密封和主轴工作密封两大类。检修密封根据密封结构形式可细分为空气围带式检修密封、机械式检修密封和抬机式检修密封。工作密封根据密封结构形式可细分为主轴平板密封、主轴径向密封、主轴盘根密封、主轴端面密封和主轴迷宫环密封。以下针对各种工作密封技术做介绍。

1.1 主轴平板密封

主轴平板密封就是依靠橡胶板与固定在主轴上的不锈钢转环端凭借水的压力实现密封, 包括单层平板密封和双层平板密封。单层平板密封的框架比较简单, 但是密封性不是很好, 使用寿命也不长;双层平板密封的框架比较复杂, 但是密封作用非常好, 并且使用寿命比单层的要长很多。

1.2 主轴径向密封

主轴径向密封是由很多个与水轮机钢扇形块形状相似的碳精块凭借弹簧的压力紧压在主轴上, 达到密封效果, 碳精块形成的是一层又一层的开有小排水孔的密封圈, 这样少量渗漏出来的水可以通过小排水孔排出。径向密封只适合应用在干净的水中, 由于它的耐磨性能不好, 维修起来又费事, 所以在含杂质较多的水中不使用。

1.3 主轴盘根密封

主轴盘根密封是由底封环、盘根、水封环、水封管和压盖等部件组成, 实现原理是将底封环和压盖使劲扣紧后套在中间的盘根上从而达到密封效果。

1.4 主轴端面密封

主轴端面密封包括机械式和水压式两种。机械式端面密封是依靠弹簧弹力将装有圆形橡胶块的圆盘拖起, 使圆形橡胶块和固定在主轴上的不锈钢转环紧紧贴合从而达到密封效果。橡胶密封环固定在水轮机的顶盖上, 这种密封的优点是架构简单, 便于维护和调整, 缺点是受弹簧性能的影响, 容易因受力不均发生偏卡、摩擦, 导致密封效果不稳定。

1.5 主轴迷宫环密封

主轴迷官环密封是这两年新发现的一种密封方式。它的实现原理是在水轮机转轮的顶部装置一个泵板装置, 由于泵板的吸引力作用, 使主轴法兰始终处于空气之中, 轴与轴封间隔着一层空气, 彼此不接触, 因此这种密封又被称作非接触密封, 该密封由紧靠着轴上的转动套、密封座和主轴密封排水管等部件组成。迷宫环密封的使用寿命在所有密封方式中是最长的。

在水轮机正常运行情况下, 整个负荷范围内密封盒上无水压。水轮机转轮顶部的泵板随转轮同时旋转以阻止水漏入主轴密封。排水管的作用一是阻止沙子等固体杂质沉淀在水轮机顶盖下, 二是将少量漏水排至集水井。迷宫环密封现在已经被很多水电站使用, 并且使用的效果都很显著。

2 非接触式密封

2.1 非接触式密封的优点

国内外通常采用的水轮机主轴密封方式主要为接触式密封, 如上述的平板密封、径向密封、盘根密封等。在不含杂质的清水中运行的水轮机, 采用上述几种接触式密封, 都能满足密封要求, 起到防漏密封的作用, 密封效果也能保持很长的时间。但是在杂质较多的水环境中运行的水轮机, 如果采用上述接触式主轴密封, 就无法达到良好的密封效果。尤其在汛期, 机组过机泥沙量增大, 过机泥沙粒径增大, 导致密封结构磨损加快, 从而造成机组漏水加大, 造成经济损失。

水轮机主轴非接触式密封结构由主轴、轴套以及密封座体组成, 主轴上固装有轴套, 密封座体内圈上紧固有轴瓦并制有多个凹槽, 密封座体轴瓦内侧面与轴套之间设有间隙, 密封座体最下或上层的凹槽上连接有密封排水管。非接触式密封优点在于, 该轴封的密封座体与轴套部分不接触, 减少了不必要的磨损, 延长了主轴密封的使用寿命;解决了水压密封因水压不稳而带来的密封性能不稳定的问题;在正常水轮机运行时不需要冷却或润滑, 可降低生产成本。

2.2 非接触式密封设计

下图1是根据水轮机非接触式密封原理设计的轴流、离心式密封结构示意图, 图2是密封结构中密封叶片位置的示意图。

图1所示的这种水轮机非接触密封中, 叶片组是直接与主轴相连接的, 叶片随着主轴的转动而转动, 如图2所示。由于非接触设计, 密封结构与主轴间不存在摩擦, 也不会有由于摩擦产生的热量的影响。叶片实现密封效果的动力来源于水轮机的转轮, 而不需增加其它任何辅助设备和消耗其它任何能量就能实现较好的密封效果, 从而保证电站的发电效率和经济效益。

密封叶片的设计是根据水轮机结构及漏水量的大小进行的。对现运行的机组, 还可以根据具体的空间进行改造设计。这种密封结构最突出的优点是允许采用较大的密封间隙, 因此能在处于杂质沙粒较多的水质中运行的水轮机上安全可靠的起到密封效果, 可以做到零泄漏, 零磨损, 具有结构简单、易于维护、密封效果可靠、使用寿命长等诸多优点。

3 结束语

非接触式密封是在近几年出现的一种新型密封结构。这种型式的密封由于采用非接触而极大的降低了摩擦, 甚至可以说是零摩擦, 由此动力的消耗也随之降低, 使用的寿命也随之延长。目前非接触式密封已被广泛使用在大型, 复杂, 高速运转的水轮机上, 达到的密封效果非常

好, 取得了显著的经济效益。

摘要：水轮机是否能够安全运行, 水轮机的主轴密封起决定因素, 主轴密封是装在水导轴承的下面, 以防止水在压力的作用下从主轴和顶盖处渗漏到机器内, 水轮机主轴密封不好, 将导致漏水量大, 会使水导轴承被水淹, 导致水轮机断电, 漏电, 严重威胁水电站的安全。

关键词：水轮机,主轴密封,水电站

参考文献

[1]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1976.[1]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1976.

[2]陈湘匀, 麦景朝.高水头大容量抽水蓄能机组主轴密封改进[J].水力发电, 2004.[2]陈湘匀, 麦景朝.高水头大容量抽水蓄能机组主轴密封改进[J].水力发电, 2004.

[3]刘丽娟.水轮机主轴密封的改进[J].润滑与密封, 2002.[3]刘丽娟.水轮机主轴密封的改进[J].润滑与密封, 2002.

[4]王汝美.实用机械密封技术问答[M].北京:中国石化出版社, 2004.[4]王汝美.实用机械密封技术问答[M].北京:中国石化出版社, 2004.

水轮机主轴与转轮镗模的设计篇4

由于水轮机主轴的联接孔与转轮的联接孔 (销孔) 是一一对应的关系, 在使用的过程中, 销孔中需穿入螺栓, 最终用螺栓把主轴和转轮通过加工出来的销孔联接在一起, 又由于主轴和转轮的销孔不能一次加工出来, 必须分别加工, 所以必须设计两个镗模:一个镗模用来加工主轴联接的销孔, 叫主轴镗模;另一个镗模用来加工与转轮联接的销孔, 叫转轮镗模。在加工两个镗模的过程中, 主轴镗模与转轮镗模的销孔必须是一次加工出来的, 一个镗模带有凹止口, 另一个镗模带有凸止口, 用于止口定位。两个镗模加工完成后, 把两个镗模分开, 一个与主轴联接, 加工主轴的所有销孔;另一个与转轮联接, 加工转轮的所有销孔。主轴与转轮的销孔加工完成后, 主轴与轮轮通过加工好的销孔用螺栓联接。因为销孔的精度是通过镗模孔的精度来保证的, 所以镗模孔的位置公差、形位公差及尺寸公差均在图纸要求的范围内, 加工后的孔的尺寸及各项公差也在图纸的要求范围内, 也满足装配的尺寸要求。

2 镗模的加工工艺

在设计水轮机镗模时, 因为镗模的直径和厚度较大, 所以采用铸钢件, 铸钢件需退火处理但不需要探伤, 镗模在粗加工后和精加工前都需要再次退火以消除内部应力。退火必须在退火炉内进行, 不允许用其他的方式退火, 退火要充分消除应力, 防止使用过程中镗模因自身残余应力产生变形。

(1) 水轮机的镗模止口设计。

一般主轴的镗模设计为凹止口, 因为主轴为凸止口, 与凹止口的主轴镗模正好配合。同理, 转轮的镗模设计为凸止口, 与转轮体的凹止口正好配合, 这样起到了良好定位的作用 (如图1) 。

1.镗模2.定位销3.手柄4.内圆调整块5.紧固螺钉6.调整螺钉

(2) 水轮机的主轴镗模与转轮镗模在加工时, 要高低点相对, 并且每个孔要一一对应打上标记。

主轴镗模与转轮镗模联接在一起之前, 要先在联接面的接触上分别打上高低点, 即每个镗模在联接面上都要找出高点“H”和低点“L”, 在联接的过程中, 主轴镗模的高 (低) 点对应转轮镗模的低 (高) 点, 然后再加工, 当两个镗模上的所有孔加工完成后, 在拆开之前, 两个镗模上的对应孔要依次打上标记 (即1, 2…) , 这样做的目的是保证将来在分别加工主轴和转轮时, 孔也要一一对应。同理, 镗模与主轴和转轮联接时, 也要高低点相对, 以减少平面度的误差。

(3) 主轴镗模与转轮镗模要凹凸止口配合, 用调整块调整间隙。

两个镗模是凹凸止口相互配合的, 所以都是间隙配合, 既然是间隙配合, 就需要用调整块来调整间隙。由于内圆为止口配合, 受空间限制, 没有办法来调整间隙, 只能从外圆来调整间隙。调整过程如下:在转轮镗模上有4个M30的螺纹孔, 用于调整间隙, M30的紧固螺钉把调整块紧紧地紧固在转轮镗模上, 然后用调整螺钉来微调间隙, 先计算出止口间隙, 在止口外均匀选取四条直径 (8个端点) 均匀加入塞尺片, 来调整两镗模, 使同轴度小于准0.02mm, 两镗模端面间隙小于准0.03mm, 当间隙不均匀时, 就通过镗模止口处的3个准100mm孔来观察, 然后也在准100mm孔处塞入塞尺片, 通过塞入塞尺片, 同时顶紧螺钉微调, 当止口处的间隙调均匀后, 加工镗模上所有的孔, 如图2所示。

1.M30紧固螺钉2.调整块3.调整螺钉

1.调整螺钉2.紧固螺钉3.调整块

同理, 主轴镗模与主轴、转轮镗模与转轮之间的调整也是采用这种方式。调整块用于调节主轴 (转轮) 镗模与主轴 (转轮) 的同轴度, 由于受镗模板与主轴和转轮联接形式的限制, 有时会选择外圆调整, 有时会选择内圆调整。图3是转轮镗模与转轮之间的内圆调整示意图。

(4) 镗模的定位销用于定位及控制轴向自由度。

镗模的定位销是很重要的一环, 定位销主要是控制在加工镗模孔时的径向自由度, 凸凹止口是控制轴向自由度。定位销在设计时, 定位销与镗模孔、产品三者必须配车, 顺序是先加工孔, 然后记录孔的尺寸, 用销子尺寸来配孔尺寸, 配车间隙全部在准0.03mm以内, 而且定位销本身两个轴径同轴度误差不超过准0.01mm, 这样加工出来的孔可以满足设计要求。定位销中间加工孔, 减轻重量, 然后两端加堵板, 以便于打中心孔, 定位销要带有手柄, 便于装拆, 如图4。

1.堵板2.定位销3.把手

(5) 镗模还需要在孔的两侧加工出空刀槽。

在磨削整个大平面的过程中, 空刀槽使磨削的面积变小了, 保证了加工镗模板平面的表面粗糙度及形位公差。由于此孔加工是断续车削, 易打刀, 而且磨削时产生的热量易使孔的边缘变形, 所以使用空刀槽是非常必要的。

3 结语

以上就是镗模从选材到加工以及加工过程中调整间隙、保证尺寸公差、控制形状和位置公差的方法。通过此镗模加工后, 主轴和转轮孔的形位公差、精度均符合图纸要求, 保证主轴与转轮联接孔的位置及公差完全符合图纸的要求。经过实践证明, 此种加工方法具有一定的结构通用性, 整套方案设计合理, 主轴与转轮联接效果良好, 达到了国内领先水平, 有一定的推广价值。

摘要：介绍了水轮机的主轴镗模和转轮镗模的设计。通过止口定位、调整块的间隙调整、定位销控制径向尺寸等方法来保证镗模尺寸精度。通过高低点相对的方式分别与主轴和转轮联接, 然后调整块调整止口间隙, 用塞尺片塞间隙的方式来分别加工主轴和转轮的把合孔, 最终按图纸要求完成所有把合孔的加工。

水轮发电机主轴篇5

关键词：中小型卧式水轮机,密封,改进,填料

0前言

随着水电市场的大力发展, 我国的水电技术取得了突飞猛进的发展, 但在中小型水电站技术当中, 相对于本行业的技术水平来说, 还存在着许多不足, 因而导致效率普遍偏低。我认为中小型卧式水轮机主轴密封装配的密封效果, 也是影响效率的因素之一。故针对中小型卧式水轮机的主轴密封结构, 参考了黑龙江机械学院韩建勇、王平山的《离心清水泵填料密封的改进设计》, 在现有的基础上对其进行改进。

1 对传统主轴密封结构的分析

主轴填料密封是用填料来填补通道阻止泄漏的一种密封形式。其密封结构简单、成本低廉、清洁及维修方便等优点被广泛应用于中小型卧式水轮机中。但该密封有很多不足:密封性能不太良好、填料本身的损耗并对轴套 (甩水盘) 的磨损大, 使用寿命短、封水效果不佳致使水轮机效率下降等。大多数中小型卧式水轮机的主轴密封结构如图1所示:

在密封过程中, 填料使用大多数为柔性石墨盘根[2]。填料通过盘根压盖压紧在轴上, 填料依靠压盖轴向压紧, 产生径向变形, 填满间隙, 在变形时, 依靠径向变形产生的力紧贴封水盒内壁从而实现密封。

1.1 填料径向压力的分布

填料径向压力分布如图2所示, 可以看出填料径向压力的分布趋势。该径向压力是由拧紧压盖螺栓时引起填料变形而产生的。介质压力由内端逐渐向外递减, 当外端的介质压力大于零时, 则密封状态最佳;而当外端的介质压力小于零时, 则泄漏量随着介质的增大而增大。由上述分析可知:填料的径向压力分布与介质的压力分布恰恰相反, 内端介质压力最大, 此处所需的密封力要大, 但填料的径向压力却恰好为最小, 这就暴露出该填料密封的缺陷。

1.2 传统填料密封的不足

(1) 预紧力恒定。预紧力恒定, 即密封力恒定, 而被密封介质的压力是波动变化的, 这就可能出现密封填料过度密封或密封不足。

(2) 轴套或其它磨损严重。密封力不足时, 采取的方法往往是加大预紧力, 这样使预紧力过大, 造成密封填料的摩擦力增大, 并导致填料对轴套 (甩水盘) 磨损严重, 功率损失增大, 漏水量增大, 水轮机的机械效率降低。

(3) 检修周期短。由于填料的磨损, 为使水轮机正常运转, 停机更换填料的次数就增多, 这样运行成本就提高了。

2 填料密封的结构改进

在分析了上述填料密封的结构、工作原理及其缺陷后, 要想改善和提高填料密封的效果, 在填料密封结构设计时要考虑解决的问题是:

(1) 尽量使径向压紧力均匀且与泄漏压力规律一致, 使轴套承压面受压均匀, 从而使轴套磨损小而且均匀。

(2) 使填料密封结构中的填料具有补偿能力、足够的弹性。 (3) 密封的填料沿轴向抱紧力应均匀分布。

鉴于以上分析, 新型的填料密封结构应该是一种能够自动根据被密封介质压力的变化而变化密封力的填料密封结构。通过分析参考最后得出改造后的填料密封结构见图3。

当进行密封工作时, 首先通过轴封腔套螺栓给填料一个预紧力, 此力是通过轴封腔套反向施加在填料上的, 填料因变形而产生径向力。由于整个填料块在受力过程中是双向受力, 两侧所受的力是相等的, 所以应该以填料中线为基准, 左右两侧分别进行受力分析。最后画出径向压力与介质压力分布曲线。如图4。

由图可得轴向力的平衡方程:

由图5可见, 填料函因变形而产生的径向力正好从密封腔的内端向外端逐渐递减, 此时, 实际上填料函对轴套 (甩水盘) 表面产生的径向压力在轴向刚好同介质压力分布趋势一致, 这就从本质上实现了加大密封力的要求。由于在轴封腔套的连接螺栓上加了弹簧, 可以实现填料对轴的密封力可随密封介质压力的变化而变化, 保持了填料的弹性, 从而使填料具有良好的密封性能和较长的使用寿命。

设:Py=KPx, K为填料的柔软系数

由以上四个式子可以得出:L为填料的总长度, 对上式积分后可得:

即

同样的方法对右侧进行受力分析, 得:

由以上数据可画出径向压力与介质压力分布曲线如图5。

3 结论

本文分析了传统中小型卧式水轮机主轴填料密封的密封缺陷, 考虑到由于填料 (柔性石墨盘根) 受力的不合理性, 对其进行了改进。通过改进, 在结构上弥补了传统密封结构的不足, 使得密封结构更为合理, 在密封性能上得以进一步提高。通过分析可以得出一个性能良好、寿命较长的主轴密封结构。对提高水轮机运行的稳定性及机组效率有一定的参考价值。

参考文献

[1]韩建勇, 王平山.离心清水泵填料密封的改进设计[J].水泵技术, 2006, (2) :44-46.

水轮发电机主轴篇6

关键词：模糊优化设计,动态特性,水轮发电机组

0 引言

水电是可再生的绿色能源,随着全球环境状况的不断恶化和能源供求关系的日益紧张,人们对这种清洁能源更为珍爱,迫切需要进一步挖掘和利用这种绿色能源,以满足社会发展和人类健康的需求,体现以人为本的精神;然而,水轮发电机组的激烈振动现象严重影响水电站的正常、安全、稳定运行,因而水轮发电机组主轴系统振动的控制研究及结构优化设计显得越来越重要。许多学者也对此进行了深入地研究,并且取得了一些可喜成果[1,2,3,4,5]。这些研究主要是侧重两个方面:一是为机组避免振动工况区域的运行工况优化;二是为提高转轮水力效率和稳定性所做的转轮几何参数优化。而以水轮发电机组主轴系统的动态性能为目标的优化设计则鲜见报道。

本文以混流式水轮发电机组主轴系统为研究对象,用有限单元法建立系统的非线性全局耦合动态方程,并在此动态方程的基础上,对主轴系统的动态性能进行优化。由于在许多工程实际问题的设计中往往含有大量的不确定因素,尤其是结构设计中约束的

1 主轴系统的模糊优化数学模型

1.1 目标函数

混流式水轮发电机组在机械、电磁和水流的联合作用下,振动机理极其复杂,当机组固有频率与外激励频率满足共振条件的时候,就会产生丰富的非线性共振现象。因在机组的减振降噪方面,除了采取消除或降低激振力的措施外,还可以通过改变机组自身的参数,进而改变机组的固有振动特性,从而错开共振区域,达到降低振动响应的目的。这里以主轴系统的下导轴承摆度响应为目标函数,以机组主轴的内外径的几何尺寸为设计变量X=[d D]T,在满足避免共振的条件下,目标函数Ф(X*)可表示为

Ф(X*)=miny (1)

其中,X*为设计变量的最优解;y为下导轴承的摆度。

1.2 模糊约束条件

混流式水轮发电机组主轴系统的约束包括几何约束和性能约束两部分。几何约束包括主轴的外径D和内径d,并应考虑其边界的模糊可行性。为了避开共振区域,性能约束包括主轴系统的固有频率约束,由于系统的共振特性主要受低阶固有频率的影响,这里主要考虑系统的前6阶固有频率fi(i=1,2,3,4,5,6)的约束,避免系统的固有频率位于固定导叶卡门涡频带内产生共振。据计算[8],固定导叶卡门涡频率带为24～35Hz,同时也应考虑其从完全允许到完全不允许的过渡性,因而该主轴系统的模糊约束可表示为

undefined

(2)

其中,“～”表示该式包含有模糊性,上角标“L”表示模糊约束集合下限,“U”表示模糊约束集合上限,各约束的上、下限的确定可采用普通设计方法得到。

1.3 模糊约束的隶属函数

由于各模糊约束的取值存在一个从完全允许到完全不允许的过渡过程,因而需要用隶属函数μ对该过程进行描述。为了使隶属函数能够更好地表示模糊边界的可用域,隶属函数应根据约束的性质和设计要求来确定。这里对几何约束和性能约束均采用线性隶属函数[6],即

undefined

(3)

undefined

(4)

undefined

(5)

其中,aU,bU,cU分别为相对应的模糊约束的上容许偏差;aL,bL,cL分别为相对应的模糊约束的下容许偏差,其值可以由增扩系数法确定。而隶属度函数可根据模糊集合的分解定律,用一系列λ值(λ∈[0,1] )去截取模糊集合,便得到不同设防水平下的λ。λ的最优值λ*可根据设计水平、制造水平、材质好坏、使用条件及重要程度等情况采用二级模糊综合评判法j进行确定[7]。

2 系统的动态响应

本文以文献[9]中的混流式水轮发电机组主轴系统为研究对象,分析简图如图1所示。

运用有限元法所建立的系统动态方程可表示为[9]

undefined (6)

undefined

U={u1u2u3u4u5u6u7u8u9u10u11u12u13u14u15

u16u17u18u19u20u21u22u23u24u25u26u27u28u29

u30u31u32u33u34u35 }T

其中,U为系统广义坐标向量,且u1,u6,u11,u16,u21,u26,u31分别为主轴上各节点沿Y轴方向的横向位移;u3,u8,u13,u18,u23,u28,u33分别为各节点沿Z轴方向的横向位移;u2,u7,u12,u17,u22,u27,u32分别为各节点处轴截面沿Z轴的截面转角位移;u4,u9,u14,u19,u24,u29,u34分别为各节点处轴截面沿Y轴的截面转角位移;u5,u10,u15,u20,u25,u30,u35分别为各节点绕X轴的扭角;M、C分别为系统动态方程的质量矩阵和阻尼矩阵;K为与系统结构参数有关的刚度矩阵;K1为考虑发电机气隙磁场能的影响引入的刚度矩阵,其不仅与发电机轴的结构参数有关,而且还和电磁参数有关,为机电耦合项;M0X为水轮机转轮所受到的水力矩;J0为水轮发电机组主轴系统的转动惯量;g1为与电磁参数有关的系数;Uε、Kε1为系数矩阵;undefined为系统的自激惯性力项,它不仅和系统的运动参数有关,而且还和系统的结构参数、电磁参数和水力参数有关,其中包含有机电耦合项、液固耦合项和机、电、液耦合项,而且还包含系统广义坐标向量U的平方项,即二次非线性项。式(6)所示的混流式水轮发电机组主轴系统动态方程为非线性机电液全局耦合动态方程。

为了求解系统的动态响应,首先对式(6)进行线性变换

其中,ϕ为正则模态矩阵,η为相应的模态坐标列阵。

将式(7)代入式(6)中,并左乘ϕT,整理得

式(8)所示系统为非线性系统,固可利用多尺度法求解系统的动态响应[10]。

3 实例分析

这里对广西某大型混流式水轮发电机组进行仿真计算。

1) 机组相关参数:主轴的弹性模量E=206GPa;主轴剪切弹性模量G=79.38GPa;主轴额定转速n=75/rmin;发电机定子内圆半径Rg=8.115m;转子有效长度L′=2.9m;均匀气隙大小δ0=2.1cm;空气导磁系数μ=4π×10-7H/m;合成磁场磁极对数p=40;额定电压15.75kV;额定电流12 673A ;额定励磁电压464V ;额定励磁电流1 968A;功率因数cosφ=0.875;转子质量mg=1 047t;转轮质量mt=286t。

2) 模糊优化相关的参数如表1所示。

3) 最优λ值:λ*=0.6。

按上节所述的方法编制仿真程序,得到初始普通优化结果为X*=[1.28 1.9]T,ϕ(X*)=316μm;模糊优化设计结果为X*=[1.0 2.05]T,ϕ(X*)=274μm。这与初始普通优化设计相比,机组下导轴承摆度降低13%。这表明:由于模糊优化设计充分考虑了各设计变量和约束条件的模糊性,使所建立的数学模型更接近实际情况,从而使模糊优化设计的结果比初始普通优化设计的结果更优,这与实际情况更吻合。

4 结论

本文以混流式水轮发电机组主轴系统为研究对象,用有限单元法建立系统的非线性全局耦合动态方程,并在此动态方程的基础上,运用模糊优化理论,建立了以主轴系统动态性能为目标函数、以主轴系统的结构参数为设计变量、具有模糊约束的优化设计的数学模型,并在此基础上对系统进行了模糊优化设计。实例仿真及分析结果表明,由于在优化设计中考虑了模糊约束的影响,本文所建立的数学模型及优化结果与实际情况更吻合。

参考文献

[1]冯顺田.混流式水轮机振动分析与优化运行[J].水电自动化与大坝监测,2005,29(1):26-28,36.

[2]高志芹,吴余生.基于自适应遗传算法的水轮机导叶关闭规律优化计算[J].大电机技术,2007(5):32-36.

[3]闫志国,张树邦.恶滩电站水轮机参数优化[J].黑龙江电力,2002,24(6):410-412.

[4]刘胜柱,纪兴英.三峡右岸水轮机水力性能优化设计[J].大电机技术,2004(1):30-34,45.

[5]Lluis Ferrando.混流式水轮机转轮叶片形状参数优化设计[J].陈浩亮,译.国外大电机,2005(3):52-56.

[6]黄洪钟.机械设计模糊优化原理及应用[M].北京:科学出版社,1997.

[7]赖一楠,张广玉,杨乐民,等.具有模糊约束的机械结构优化设计[J].哈尔滨理工大学学报,2002,7(5):76-82.

[8]高忠信,唐澍,梁贺志.水轮机固定导叶和活动导叶后的卡门涡频率研究[J].水动力学研究与进展(A辑),2005,20(6):729-735.

[9]李兆军,蔡敢为,杨旭娟,等.混流式水轮发电机组主轴系统非线性全局耦合动力学模型[J].机械强度,2008,30(2):175-183.

水轮发电机主轴篇7

关键词：雷打滩水电站,转子轮毂,发电机主轴,热套方案

1 引言

在水电站常规施工中, 转子轮毂与发电机主轴的热套方案有两种:一种轮毂套轴方案, 一种轴插轮毂方案。在正常情况下, 一般都采用轮毂套轴方案, 操作方便简单, 但是受工程现场各种条件的制约, 需要因地制宜选择热套方案, 以保证经济安全及工期要求。本文对雷打滩水电站的热套方案进行了综合比选, 最终确定采用轴插轮毂, 该方案有效降低了安全风险, 缩短了工期, 并减少了费用。该项目的转子热套施工方案的相关经验, 可作为其他类似工程施工的参考。

2 套嵌方案的对比及选择

2.1 轮毂套轴方案

雷打滩水电站工程位于云南省弥勒县和邱北县交界的南盘江干流上, 工程以发电为主。装有3台单机容量为36MW的立轴悬式混流式水轮发电机组, 保证出力24.928MW, 年发电量5.327×108k W·h。机组中转子起吊重量为150t, 其中转子轮毂重16t, 为圆盘式焊接结构, 转子轮毂外形尺寸为准4310mm×1475mm;发电机主轴采用优质合金钢20Si Mn锻制而成, 具有足够的刚强度, 长6877mm。为运输方便, 转子轮毂与发电机主轴拟在工地现场进行热套。

该电站厂房装有一台160/50t双小车桥式起重机, 主钩起吊高度为9.1m, 副钩为9.7m, 安装场转子组装检修坑尺寸为2500mm×2500mm×1200mm (长×宽×深) , 发电机主轴竖直固定在转子检修坑后, 主轴露出安装场地面高度计算如下:发电机主轴露出安装场地面高度=L发电机主轴-h基坑深=6877-1200=5677mm, 即轮毂至少需吊高5677mm, 且越过发电机主轴后方可进行热套操作。此时, 起吊钢丝绳垂直高度为:起吊钢丝绳垂直高度=9100-H-L轮毂=9100-5677-1475=1948mm。为保证热套过程中转子轮毂支架保持水平, 以一钩起吊为宜, 同时为控制转子轮毂支架热套中的下落速度, 采用桥机主钩起吊。

转子轮毂支架套入主轴并下落1948mm后, 由于主轴顶部会与桥机主钩接触, 须采取措施将转子轮毂支架暂时支撑, 更换钢丝绳后, 再将转子轮毂支架套到位。因此, 若采取轮毂套轴方案存在如下问题:

1) 需准备2套不同长度的钢丝绳以备更换;

2) 需制作更换钢丝绳时的转子轮毂支架支撑平台;

3) 更换钢丝绳后, 调节转子轮毂支架水平较困难, 花费时间长且在热套施工中易造成轮毂支架与大轴碰撞事故;

4) 为保证转子轮毂支架轴孔涨量不减少, 转子轮毂支架加温不能停止, 施工工序繁杂且危险性较大。综上所述, 在雷打滩水电站采取轮毂套轴方案会延长工期、增加费用和施工风险。

2.2 轴插轮毂方案

为控制主轴下落速度, 轴插轮毂方案也采用桥机主钩起吊主轴, 根据工程特点采取机坑内施工的方法。以下机架为支持平台, 将转子轮毂支架翻转放置在下机架上并固定。下机架制动闸高程为905.72m, 转子轮毂支架上部高程计算:转子轮毂支架上部高程=905.72+1.475=907.195m。安装场高程为909.8m, 从转子轮毂支架上部至桥机的极限起升高度垂直尺寸为:极限起升高度=安装场地面高程-轮毂支架上部表面高程+9.1m=909.8-907.195+9.1=11.705m。

可见, 极限起升高度大于主轴加吊具及钢丝绳长度, 轴插轮毂方案在机坑内有足够的垂直空间实施, 且热套施工可一次成功, 工序工艺相对简单。综合考虑, 本电站采取轴插轮毂方案, 见图1。

3 轴插轮毂实施过程

轴插轮毂方案的施工过程如下:

1) 把机组下机架吊入机坑, 调平并紧固螺栓, 将轮毂吊起翻转并放置在下机架上, 调平并固定;主轴颠倒吊起, 调节吊轴工具, 使主轴垂直度保持在0.1mm/m以内;将主轴吊到轮毂上空对中;调整励磁引线方位, 用行车反复升降几次, 将大轴穿入轮毂中心孔进行预套;将大轴悬吊在轮毂上方2m处等待正式套嵌。

2) 对轮毂进行加热升温 (主要采用电热丝加热升温, 加热体总负荷为90k W, 30根3k W电热丝) :轮毂中心孔4根, 外壁8个加热点, 每个加热点2根;在底部布置4根, 8个退下方6个;用蓬布加工成保温箱, 整个轮毂安置在特制的保温箱内。

3) 电气接线方式:采用三相对称布置负荷, 7组开关分别进行控制, 使轮毂加热升温过程能够很好地控制调整。确保轮毂加温过程能够均匀、匀速地进行。

4) 保温箱上下需留通过主轴的活动孔门。轮毂加热过程中, 每小时用温度计或红外测温仪监测一次轮毂中心孔温度, 用内劲千分尺测量轮毂孔径实际膨胀量。套装前应仔细检查加温后轮毂孔径的膨胀量, 其值需满足计算要求。

5) 轮毂加温时注意:

(1) 开始加温时, 温升控制在15℃/h之内, 缓慢均匀加热;

(2) 当达到100℃时, 可根据内部上下温差情况, 适当加入底部电热器, 当到达150℃时所有电炉全部加入使用, 温度快速上升;

(3) 保温箱四周要有足够的消防设备, 并安排专人值班监护;

(4) 每小时测量并记录温度及轮毂孔径膨胀量一次, 保持测量值与设计要求值近似;

(5) 温度升高到计算值后, 保持2h, 再复查轮毂孔径实际膨胀量, 达到要求后方可进行套装。

图2为施工过程中的检测场景, 图3为施工最终完成后的场景。

4 结语

本文对雷打滩水电站转子轮毂与发电机主轴的热套方案进行了综合比选, 最终确定采用轴插轮毂。实践表明, 该方案有效控制了工程风险和费用, 并明显缩短了工期, 相关经验可作为其他类似工程施工的参考。