灯泡贯流式水轮机的结构

第一章灯泡贯流式水轮机的结构
灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一。

1919年初，美国工程师哈尔扎(Harza)首先提出其设计理念。

经过瑞士爱舍维斯公司(Escher Wyss)公司近20年的研究，于1936年研制成功，并开始生产。

该水轮机应用水头一般在25m以下，主要应用于潮汐电站，近年来逐渐应用到江河上的低水头电站。

贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式。

它与中、高水头水电站和低水头立轴的轴流式水电站相比，具有如下显着的特点。

1．效率高、结构简单、施工方便
贯流式水轮发电机组从进水到出水方向基本上轴向贯通，不拐弯，流道尺寸大而短，过流通道的水力损失少，效率高，结构简单，施工方便。

2．尺寸小
贯流式水轮机有较大的比转速，所以在水头和功率相同的条件下，贯流式水轮机的直径要比转桨式水轮机的小10％左右。

3．土建投资少
贯流式水电站的机组结构紧凑，与同一容量的轴流转桨式机组相比，其尺寸较小，可布置在坝体内，取消了复杂的引水系统，可以减少厂房的建筑面积，减少电站的开挖量和混凝土用量。

根据有关资料分析，土建费用可以节省20％～30％。

4．运行方式多
贯流式水轮机适合作可逆式水轮机运行。

由于进出水流道没有急转弯，使水轮机发电和抽水均能获得较好的水力性能。

它可应用于潮汐电站，具有双向发电、双向抽水和双向泄排水等6种功能。

因此，很适合综合开发利用低水头水力资源。

5．见效快
贯流式水电站一般比轴流式水电站建设周期短、投资小、收效快、淹没移民少；电站靠近城镇，有利于发挥地方兴建电站的积极性。

第一节贯流式水轮机的分类及简介
贯流式水轮机组按总体布置方式的不同可分为以下几种：
(1)全贯流式。

(2)灯泡贯流式。

(3)竖井贯流式。

(4)轴伸贯流式。

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(5)虹吸贯流式。

按运行工况不同可分为以下3种：
(1)单向贯流式。

(2)双向贯流式。

(3)可逆贯流式。

一般习惯按总体布置方式的不同来分类，而很少按运行工况分类，所以本节按总体布置方式的不同分类，介绍贯流式机组的类型。

一、全贯流式水轮机
全贯流式水轮机的流道平直，水流可沿轴向一直流过导叶、转轮叶片和尾水管，故称为全贯流式水轮机，也称为直线流动的水轮机——管型水轮机。

由于全贯流式发电机转子布置在水轮机转轮的外缘，故称为轮缘贯流式水轮机，如图1—1所示。

世界上第一台贯流式水轮发电机是全贯流式水轮机，由瑞士爱舍维斯(EscherWyss)公司于1937年制造，并安装在德国的莱茵河上。

单机容量．为1753kW，转轮直径为2．05m。

经过若干次改进，目前单机容量最大的全贯流式机组也是由爱舍维斯公司制造，安装在加拿大的安纳波利斯电站，于1983年投产发电。

该机组最大出力达20MW，转轮直径7．6m，最大应用水头7．1m。

目前全世界已有100多台这类机组投入运行。

由于全贯流式水轮机的发电机密封止水较困难，因此它在世界上应用不多，我国应用得更少。

目前正在研制500kW的机组，已通过鉴定。

正在运行的机组有1958年哈尔滨工业大学试制的功率为200kW的全贯流式水轮机，该水轮发电机组安装在黑龙江青年水电站：湖北白莲河水库渠首的机组容量为120kW，转轮直径1．2m，最大运行水头5m。

全贯流式水轮机的优点是：无传动轴、结构紧凑、便于整装，这可直接放在溢洪道内或大坝溢流段的下部闸墩内。

因该机组的发电机布置在过流道以外的宽敞处，所以通风好，检修方便。

当发电机布置在轮缘外时，转子飞轮力矩大，运行易于稳定。

实际上这类机组的发电机转子和水轮机的转轮已经结合为一体，所以厂房跨度很小，可节省大量土建投资．
第二章灯泡贯流式水轮发电机的结构
灯泡贯流式水轮发电机由贯流式水轮机驱动。

贯流式水轮机是一种带有固定或可调转轮叶片的轴流式水轮机的特殊型式，它的主要特征是转轮轴线采取水平或倾斜布置，并与水轮机进水管和出水管水流方向一致，整个机组置于水中。

贯流式水轮发电机具有结构紧凑、重量轻的优点。

发电机总体结构通常采用两支点悬吊型结构，发电机与水轮机共用一根主轴。

发电机通风冷却系统通常采用径、轴向混合强迫通风冷却方式。

灯泡贯流式水轮发电机主要包括定子、转子、泡头、组合轴承。

位于水轮机的上游侧，泡头与定子相连，定子与水轮机座环相连，水轮机座环作为发电机定子及泡头的主要支撑。

为增加机组刚度，防止振动，在泡头部分设有辅助支撑。

转子为无轴结构，悬垂于水轮机主轴上。

第一节灯泡贯流式水轮发电机定子的结构
一、定子结构方式
目前，灯泡贯流式机组定子结构采用较普遍的结构方式，定于机座式结构方式和定子贴壁式结构方式。

1．定子机座式结构方式
该结构方式与一般立式机组相同。

发电机定子铁心叠压成形后，通过螺栓将其固定在定子机座上，定子机座再同灯泡体外壁结合在一起，如图2—1所示。

这种结构方式的优点是定子机座机械强度高，运输中变形小，发电机定子安装容易，适用于直径大、发电机采用强迫通风密闭循环、冷却采用空气冷却器的通风冷却方式的发电机。

2．定子贴壁式结构方式
该结构方式与一般立式机组不同，省去了定子机座，利用灯泡体外壳作为发电机定子机座，要求机座壁与定子铁心接触良好，如图2—2所示。

在机座内、外壁表面喷涂一层软质的传热材料，如铜、锡、铝等，使铁心热态膨胀时与机座壁充分贴紧，增加发电机贴壁结构的散热能力。

由于定子铁心同灯泡体外壁结合在一起，可充分利用灯泡体的外壁将定子产生的热量直接传散到流道中的河水中，并可减小发电机和灯泡体外壳直径，缩小发电机组灯泡比，进一步优化过流条件，是一种经济、效率高的结构方式。

但这种结构方式因定子机座利用了灯泡体外壳，必须加厚灯泡体外壳才能保证其强度和刚度。

同时，对定子安装技术也要求较高，对于定子发热后的变形，也要充分考虑。

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第三章灯泡贯流式水轮发电机辅助设备的结构及特点
第一节概述
灯泡贯流式水电站的主体设备为灯泡贯流式水轮发电机组。

它的辅助设备有与机组配套的附属设备，如通风冷却系统、调节设备、油系统、压缩空气、技术供水、排水、水力监测设备等，这些辅助设备是为控制机组的启动、并网调整负荷，保持转速恒定、停机润滑、冷却、制动、水力参数的监测和防止飞逸等服务的，因此，辅助设备对保证水电站和水力机组的安全经济运行、机组出力和电能质量等方面起着决定性作用。

水电站的容量越大，自动化水平越高，则辅助设备的内容越复杂，其作用也越重要。

因此．研究辅助设备对水力机组、水电站及电力系统的影响，探讨各辅助设备系统的结构原理、运行、维护及检修等问题，是水电站动力设备系统技术工作的重要组成部分。

第二节灯泡贯流式水轮发电机的通风与冷却
水轮发电机的通风冷却方式与其发电机的结构方式有很大关系。

发电机的通风冷却方式必须结合发电机组的结构来讨论。

由于灯泡式水轮发电机组的直径小、转速低、λ值又很大，依靠发电机转子所产生的风压较常规水轮发电机低很多，本能满足通风冷却的要求，故不宜采用常规的自通风冷却方式，而需要采用具有外鼓风的强迫循环通风冷却方式。

采用空气作第一冷却介质是绝大多数灯泡式发电机首选的冷却方式。

空气将发电机产生的损耗带出成为热风，通过水空热交换器(水空冷却器)将空气冷却，冷风通过外鼓风吹入发电机。

一、灯泡贯流式水轮发电机的通风方式
灯泡贯流式发电机的通风方式通常采用以下3种方式。

1．轴向通风方式
该方式就是冷风只沿轴向流动，由轴流风机使冷风通过转子支架上的通风孔从上游侧流至转子的下游侧，然后进入发电机定子与转子之间，流经磁极端部、定子支架、磁极间气隙、磁极与定子间气隙、定子冲片齿上通风气隙等，在上游侧端部汇合后，通过空气冷却器进入轴流风机，达到对发电机转子、定子的冷却，完成密封空气的循环，如图3—1所示：这种通风方式的优点是定子铁心无径向通风沟，铁心长度可缩短，适用于定子铁心长度小于1．5m的发电机。

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2．轴、径向通风方式
该通风方式中，冷风沿发电机轴向、径向都有流动，在发电机定子、转子都设有径向风孔和轴向风沟，如图3—2所示。

该方式是利用转子上能够产生径向风压的鼓风作用，加上轴向通风，使冷风比较均匀地在发电机内流动，通风效果较好，适用于定子铁心长度大于1．5m的发电机。

3．径向通风方式
径向通风方式中，冷风只沿发电机径向流动对发电机进行冷却，如图3—3所示。

这种冷却方式与常规机组一样，主要是利用转子本身的元件(如风扇)产生径向风压，通过定、转子上的径向风孔让冷风流动。

它的优点是发电机定子铁心结构简单，适用于转速较高的发电机组。

近年来，径向通风方式有较大的发展，即利用转于支臂磁轭和磁极的风扇作用获得较高的负压，再通过磁轭上的径向风沟，将冷风吹入定子铁心，对发电机进行冷却。

此方式称为磁轭风沟通风系统，它可以减小或完全省去外加电动鼓风机，提高发电机的效率。

第四章灯泡贯流式水轮发电机组的安装
第一节灯泡贯流式水轮发电机组安装概述
灯泡贯流式水轮发电机组是一种卧式水轮发电机组。

由于该机型具有库区淹没小、建设时间短、效率高、投资小、收益快等优点而应用逐渐广泛。

灯泡贯流式水轮发电机组按桨叶是否能操作可分为转桨式和定桨式两种。

转桨式水轮机比定桨式水轮机安装复杂，本章主要介绍转桨式水轮发电机组的安装工艺，其基本的安装流程和方法亦可供定桨式水轮机安装时参考。

1．灯泡贯流式机组的基本安装程序
灯泡贯流式水轮发电机组因型号、容量、应用水头及生产厂家的不同，结构上有所区别，如单支腿支承、多支腿支承、两轴承结构、三轴承结构等。

由于结构不同，安装方法也有所异。

同时由于土建进度、设备到货情况、场地条件的不同也会有所变化。

但是，灯泡贯流式水轮发电机的基本结构大同小异，安装的程序也基本相同。

施工队伍要充分利用施工条件和设备，先进行基础埋设，大部件组装，然
后将已组装好的大件按顺序吊人机坑进行安装。

贯流式水轮机组的安装大致按以下3部分进行：
(1)埋设部分的安装。

灯泡贯流式水轮发电机组的埋设部分包括尾水管里衬、外(内)管形壳(座)、灯泡头下支撑基础板、侧向支撑基础板、墩子盖板、发电机吊装孔框架、接力器支墩基础、管路埋设等，如图1—21所示。

(2)转动部分的安装。

包括水轮机转轮、发电机转子、主轴及主抽内的操作油管等。

为了便于安装，将部分非转动部分小部件，如组合轴承、水导轴承、支持环和导水锥等组装在主轴上吊装。

(3)非转动部分的安装。

包括发电机顶罩(灯泡头、中间环、进入竖井及踏板等)、受油器、定子、支持环、组合轴承、水轮机导轴承、导水机构、转轮室及机组附属设备等。

2．灯泡贯流式机组安装的一般要求
(1)设备在安装前应进行全面清扫、检查。

对重要部件的尺寸及配合公差应进行校核。

厂家预装设备，应进行分解检查、清扫并作相关试验。

(2)设备组装时，设备分瓣组合面和安装法兰面均应进行清洗、除毛刺、去高点等工作。

安装时组合面应按要求涂密封胶，组合面和法兰面间隙用0．05mm塞尺检查，且不能通过。

组合面允许有局部间隙，用0．10mm塞尺检查，深度不应超过法兰宽度的1／3，总长不超过周长的20％。

连接螺栓和销钉周围不应有间隙。

组合缝处安装面错牙不超过0．10mm。

定子上、下游端面法兰组装后，应根据实际情况进行水压渗漏试验。

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(3)M42及以上螺栓应进行仔细检查、清洗及试装。

检查螺栓螺纹有无损坏及不良现象，如有损坏，应根据厂家意见进行处理。

安装时，细牙螺纹应涂润滑剂。

连接螺栓应对称并分次均匀紧固。

对有预紧力要求的螺栓，其实际预紧度与设计偏差不得超过+10％。

采用热把合工艺紧固的螺栓，应在室温时抽查20％左右。

螺栓、螺母、销钉均应按设计要求锁定或点焊牢固。

各部件安装定位后，应按设计要求钻销钉孔。

(4)同类部件或测点在安装记录里按顺序编号，对固定部件，应从+X开始，顺时针进行编号；对于转动部件，应从对应于转子磁极引出线位置开始，除盘车轴上测点为逆时针外，其余均应顺时针编号。

以上与制造厂不同的，应遵照厂家规定执行。

(5)机组安装用坐标应按制造厂规定坐标进行。

测量中心用的钢琴线直径一般为0．3～0．4mm，其拉应力不小于1200MPs。

第五章灯泡贯流式水轮机的检修内容及质量标准
第一节灯泡贯流式水轮机的检修类别
为使机组具有很高的运行可靠性，确保其经常处于良好的工作状态，减少临时性的检修，必须对
机组进行有计划的检查和修理，以便及时发现问题，消除隐患。

通常将检修工作分为4类，见表5—1。

1．维护检查
维护检查是在机组不停机的情况下进行的经常性的维修工作，目的是消除和防止机组运行过程中可能发生的故障。

该项工作根据机组运行状况可酌情增加次数。

2．小修
小修在机组停机状态下进行．通常是为㈠目除平时维护检查中已发现的、但因各种原因尚未处理的设备缺陷，并对机组进行必要的例行检查和清扫，使机组保持良好状态。

通过小修，能了解机组各部件的实际状况，为大修项目的编制提供依据。

3．大修
对于灯泡贯流式水轮机，大修是在水轮机不吊出的情况下进行，主要进行下述工作：
(1)全面地消除平常运行中已出现的、经小修仍无法予以消除或因各种条件限制尚未处理的设备缺
陷(包括水轮机转轮就地解体检查处理)。

(2)按规定进行各部件的检查调整工作，使各项技术参数处于最理想状态。

(3)对各部件进行全面的维护性保养(如清扫、清洗、除锈刷漆，加注润滑汕等)。

(4)修补处理被气蚀破坏的水轮机及其他过流部件。

4．扩大性大修
扩大性大修要求全面、彻底地检查机组每一部件(包括埋设部件)的结构状况及其技《数据．并按规定标准进行处理。

这是一种为消除水轮机运行过程中发生的重大设备缺陷或自于零部件的严重磨损、损坏．导致机组性能和技术指标下降的修复工作。

扩大性大修
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要吊出水轮机转轮，通常要将水轮机及导水机构进行解体、拆卸，检查修复所有被损坏的零部件，有时还要进行较大的技术改造工作。

扩大性大修可分为3个阶段；大修准备阶段、修理阶段和大修后的检查试验阶段。

为提高扩大性大修的目的性和针对性，确保其优质高效，首先要求在大修准备阶段，必须了解设备设计、制造、安装、运行中的问题，如结构的合理性，安装质量，以往大修后的质量和存在的问题，运行过程中各部的振动、摆度、噪音、温升等情况。

其次要明确本次大修工作需主要解决的问题，制定大修计划表，然后做好检修工具、材料、备件、检修用设备、场地准备及人员安排等工作。

检修阶段应严格按照大修计划和质量标准进行。

检查、试验阶段是在大修完后对修过的部件进行综合性质量检查，并通过一系列试验及试运行检查水轮机运行状况，以确保检修质量。

第二节灯泡贯流式水轮机的检修项目及质量标准
灯泡贯流式水轮机的检修项目和质量标准，见表5—2～表5—4。

第六章灯泡贯流式水轮机转轮的大修
第一节灯泡贯流式水轮机转轮大修的判定
贯流式水轮机转轮一般不需大修，仅在下列情况下考虑进行：
(1)导叶、轮叶协联关系被破坏，且经仔细检查分析，排除了调速器电气控制回路(包括导叶、轮叶反馈传感器)故障、导叶接力器及调速环故障、受油器及操作油管路故障，诸多现象均证实轮叶内已
串压时。

(2)轮叶操作不平稳，有串动现象时。

(3)轮叶操作不到位，行程达不到设计要求时。

(4)制造厂家有特殊要求时。

第二节灯泡贯流式水轮机转轮大修前的准备
在转轮大修前，应做好下列准备工作：
(1)落下进、尾水闸门，流道排水。

(2)调速器液压系统泄压、排油。

(3)高位轮毂油箱及受油器排油后，将轮毂排气孔转至朝上位置。

(4)测量转轮室与轮叶之间的间隙并做好记录。

(5)准备好吊具、用具(包括工具、测量仪器具等)及备件材料。

第三节转轮大修的方式、步骤和方法
灯泡贯流式水轮机转轮，其类型按操作方式来划分，有缸动式、活塞套筒式、操作架式等，见图6—1和图6—2。

因其基本的检修工艺方法大致相同，故以缸动式转轮的大修来加以说明。

贯流式水轮机转轮的大修视情况可拆卸吊出至安装场进行，亦可在水轮机室内现场进行，考虑到各水电站在现场进行检修居多，故以现场检修为例来说明。

缸动式水轮机转轮现场大修大致按下述步骤进行。

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(1)视情况考虑是否拆除水轮机室上部。

为方便转轮的检修及安装，转轮室通常由上下两部分组成。

如存在可能要将大型部件吊出加工处理，或因现场施工场地狭窄不便展开工作等情况时，可拆除其上部。

(2)在转轮室搭设脚手架工作平台。

(3)用铝楔板在轮叶的两面把轮叶楔住，以防止转轮转动。

(4)拆卸尾水管上部的吊点堵头，将专用吊梁、滚轮及链条葫芦装好，在尾水管末端装设手扳葫芦。

(5)在泄水锥端盖中心位置焊接一个大小适当的螺帽，或用圆钢做成的圆环，在泄水锥适当位置焊接一个吊环(其大小根据泄水锥重量确定)。

(6)用链条葫芦吊住泄水锥后，拆卸泄水锥与轮毂连接的内六角螺栓。

(7)将尾水管末端的手扳葫芦与泄水锥端盖上的螺帽(或圆环)连接，将泄水锥退出接力器导杆，并落至尾水管作防腐处理。

(8)检查接力器、导叶及导杆轴套的磨损情况，视情况加以处理。

(9)打开关闭腔和开启腔的排气孔，排除操作油管和活塞缸内的积油。

(10)拆卸接力器导杆与活塞缸连接的所有螺栓，取下导杆。

(11)取下轮毂油管固定压板。

(12)做好标记，拆卸活塞缸盖与活塞缸体的所有连接螺栓，用两个与螺栓孔适配的吊环旋+x方向螺栓孔内，用链条葫芦旋出并放至尾水管。

(13)将轮毂油管旋出并放至尾水管。

(14)拆卸操作油管与活塞连接的所有螺栓，将操作油管旋出并落至尾水管。

(15)均匀分8点用塞尺测量活塞与缸体之间的间隙，并作好记录。

(16)拆除活塞与油缸筒的所有螺栓。

(17)制作专用拉马，将活塞拉出缸体，并落放至尾水管。

拉出过程中在接近出缸体时要使用吊环和链条葫芦带住活塞，要特别小心地保护活塞工作面，防止与缸体碰撞。

(18)做好清洗，测量检查前的各项准备工作，包括清理场地，设置通风设施、照明，准备好各种清洗及检查测量用的材料、工器具等，并做好防火措施。

(19)用汽油清洗缸体及活塞、导杆、油管等。

(20)检查活塞及活塞缸体内壁的磨损和硬头情况，记录好分布位置，必要时作拓印或摄影。

(21)检查活塞环的磨损情况，测量活塞环的张量，检查两活塞环开口应在对应的180°位置。

必要时可取出活塞环检查、测量及修磨。

第96页第七章灯泡贯流式水轮机导水机构的检修
第一节导水机构的检修分类、时间间隔及主要内容
1．检修的分类
灯泡贯流式水轮机导水机构包括内外配水环、导叶及接力器、调速环、拐臂及连杆等。

导水机构的检修按性质亦可分为3类：小修、大修、扩大性大修。

2．检修的时间间隔
(1)小修间隔。

每年为汛前或汛后，2次／年。

(2)大修间隔。

新投产机组通常为3—4年／次；以后可根据运行经验和机组实际运行状况确定。

(3)扩大性大修间隔。

视导水机构运行状况决定。

3．检修的主要内容
(1)小修的主要内容。

调速环与外配水环间隙的检查；检查密封盘根；加注润滑脂；检查导叶拐臂及连杆是否正常，检查所有的连接螺栓是否有松动现象；检查接力器与调速环的动作是否灵活，有无卡
涩现象；消除正常运运行时已发现但尚未能处理的缺陷。

小修时流道一般不排水，故需做好防止机组转动的措施。

(2)大修的主要内容。

导叶端面及立面间隙检查及处理；调速环与外配水环间隙的检查及调整；滚珠轴套磨损情况检查及处理；导叶球铰轴承(尼龙轴套)局部更换；导叶及流道汽蚀处理；接力器的检查及调整等。

所有大修项目均在现场进行，无需将导水机构解体吊至安装场。

(3)扩大性大修系指检修项目要求将导水机构解体并吊至安装场才可进行的项目。

主要内容有：导叶需大面积的进行气蚀处理或因泥沙严重磨损需整体更换；导叶球铰整体磨损较严重，大部分需更换；机组需整体扩大性大修。

第二节导水机构扩大性大修的检修工艺及标准
1．导水机构大修前的准备(包括安全措施)
(1)机组停机，关闸，流道排水。

(2)调速器液压系统泄压，排油。

(3)轴承润滑油系统排油。

(4)轮毂油系统排油。

(5)测量转轮室与轮叶之间的间隙并做好记录。

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(6)在转轮室下方搭设脚手架平台，高度以略低于转轮室分半线为宜。

(7)在安装场准备好放置转轮的钢支墩。

(8)准备好吊具、工器具，枕木及各种备件材料。

2．导水机构大修的步骤和方法
灯泡贯流式机组导水机构结构和布置型式很多，如接力器有单接力器与关闭重锤组合在一起的型式(湖南省南津渡水电站)、双接力器与水平成45°夹角的布置型式(湖南省马迹塘电厂)、双接力器垂直布置型式(湖南慈利城关电站)等。

导叶与调速环的操作连杆，亦有两端均为球铰的普通连杆连接方式(带剪断销及剪断破断信号装置)、液压连杆与挠性连杆相间布置的方式、安全弹簧式连杆机构连接方式。

灯泡贯流式机组导水机构与立式机组的导水机构相比较最大的不同是其导叶为锥形。

由于灯泡贯流式机组导水机构结构及布置方式的不同，决定了其检修工艺步骤其方法亦有很大的不同。

下面以其扩大性大修为例，说明其检修的具体步骤及工艺方法。