刘永新,杨卫彬,魏 松

(哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040)

水斗式水轮机模型转轮喷管位置测量方法研究

刘永新,杨卫彬,魏 松

(哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040)

为解决水斗式水轮机模型转轮、喷管空间位置测量不准确问题,分析了水斗式水轮机工作原理,提出了一种基于水斗式水轮机射流原理的测量方法。即利用百分表读取位置偏差,通过计算求得转轮、喷管相对空间位置。试验结果表明,采用该方法测量转轮和喷管空间位置重复性好,不因操作人员技术水平而产生差异;测量精度高,完全满足水轮机模型验收试验标准要求;同时该方法也为转轮、喷管位置调整提供依据,为机组稳定运行奠定基础。

水斗式水轮机模型;转轮;喷管;测量方法

冲击式水轮机主要应用在500 m以上的高水头水电站中,具有结构简单、安装高程不受空蚀条件限制、对流量变化不敏感等优点[1-2],按结构形式可分为水斗式水轮机、斜击式水轮机及双击式水轮机三种[3]。针对水斗式水轮机测量问题进行研究,水斗式水轮机的工作原理是利用特殊导水喷管引出具有动能的自由射流,即把水流的位能变成喷管出口的高速度动能[4],使转轮水斗受到冲击力,进而实现水能转换成机械能的目的[5]。水的动能来自上游的引水管路,通过配水环管形成环量,再由各喷管制造自由射流,自由射流被喷入大气之中对转轮水斗施力。喷管、转轮、机壳是水斗式水轮机的主要零件,根据水头高低、水流量、机组容量大小的不同,喷管通常设计1～6组[6]。喷管射出的水柱冲到转轮水斗上后,被分水刃分成两半,在水斗内转了半圈后从水斗外缘排出水斗。喷管是水斗式水轮机的核心部件之一,起着将水能转化为动能的重要角色,喷管射出的水流与转轮水斗的相对位置准确与否,对水力性能的影响至关重要[7]。

精准的射流位置需要对转轮、喷管的相对位置准确测量后调整得来,传统的测量方法使用U型管、米尺等通用测量工具,依据技术人员经验进行测量,测量误差大、可靠性低。由于射流位置无法保证,将造成机组振动、轴承磨损、效率降低,更无法验证水力计算的准确性。鉴此,从水斗式水轮机射流原理出发,提出一种基于水斗式水轮机射流原理的测量方法,利用百分表读取位置偏差,通过计算求得转轮、喷管相对空间位置。此测量方法不因技术人员操作水平而产生差异,其可靠性与精度,通过测量结果看是否完全满足《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》[8]标准要求。

1 水斗式水轮机模型转轮喷管位置测量方法概述

六喷管立式水斗式水轮机模型装置如图1所示。喷管起到引导水流、调节流量的作用,将水的机械能转变为笔直的射流动能,利用水的动能推动转轮旋转发电。试验时要求6个喷管在机壳内按夹角60°等分均布,并且射流方向与转轮节圆相切,射流中心高度与转轮水斗分水刃齐平。由于喷管与转轮分水刃处于独立的空间位置,喷管切圆直径和喷管与转轮轴向距离不能直接测量,模拟以上射流原理设计专用测量装置,测量两者相对空间位置。

图1 六喷管立式水斗式水轮机模型装置

立式水斗式水轮机专用测量装置示意图如图2所示。在喷管出口安装射流杆模拟喷管射流状态,在静压轴承轴头上安装转动套等部件模拟转轮,通过安装在测量杆和转动套上的百分表读取相关部件位置偏差,通过计算式求得转轮水斗分水刃和喷管的竖直方向和圆周方向的位置数据。

图2 立式水斗式水轮机专用测量装置示意图

2 水斗式水轮机模型测量装置材料要求

测量装置必须具备高尺寸稳定性,高耐磨性和一定的韧性,以保证使用过程中不变形、磨损微小,以及碰撞时不致损坏。该测量装置在使用过程中易受到磨损,因此对量具钢的主要性能要求如下:

a.高的尺寸精度:保证长期存放和使用中尺寸不变,形状不变。

b.高的硬度和耐磨性:以防止在使用过程中因磨损而失效。

c.良好的磨削加工性。

形状简单、精度要求不高的量具可选用碳素工具钢制造,如T10A、T11A、T12A等;精度要求较高的量具可选用高碳低合金工具钢制造,如CrMn、CrWMn等;承受磨损和冲击、质量要求较高的量具可选用渗碳的低碳钢、经表面淬火或淡化的中碳钢;要求精度和耐腐蚀的量具制造可选择不锈钢,如4Cr13、9Cr18等。

由于该测量装置使用在潮湿条件下,为保证装置使用过程中不发生锈蚀,而影响使用精度,可选择不锈钢加工;或选择非不锈钢材质加工,并进行表面防锈处理。该装置采用碳钢、工具钢制造时,其主要测量面的最低硬度约为664 HV;该装置采用不锈钢制造时,其主要测量面的最低硬度约为551 HV。

3 水斗式水轮机模型测量装置设计及安装要求

六喷管立式水斗式水轮机模型装置安装时,需保证6个喷管中心处于同一个水平面,即射流共面;射流中心线与转轮节圆相切。因此,需测量6个喷管射流相对于转轮节圆的偏差,及射流中心与下静压轴承轴头端面的距离。根据测量偏差值,进行后续调整,使转轮与喷管的位置满足验收标准要求,具体内容如下。

测量装置装配图如图3所示,c为轴套项9外圆与竖直滑块项6间的距离;项5、项7为百分表,分别测量圆周方向和竖直方向位置偏差。喷管罩项1中心线为射流中心线,射流杆项2旋转中心线与喷管罩项1中心线同轴;由于射流杆项2仅前端与水平滑块项4存在配合关系,为减少加工量可仅对射流杆项2前端进行加工;保证测量杆项8的圆柱度,且测量杆项8与轴套项9为小间隙配合,测量杆项8长度为转轮节圆直径的4/5左右为宜;分别在水平滑块项4、竖直滑块项6、轴套项9上钻孔攻丝并安装顶丝螺钉,防止各部件在测量过程中产生位移,也可同时在射流杆项2、测量杆项8上安装挡块防止零件移动。按图3所示位置安装各零部件,保证竖直滑块项6、百分表项7、测量杆项8、轴套项9沿轴承项3轴线旋转时,不与喷管等部件发生干涉。

图3 测量装置装配图

测量装置相关部件尺寸如图4所示,依次为图3中的水平滑块项4、竖直滑块项6、轴套项9。需保证水平滑块项4上平面、基准面、下平面的平面度,及上下平面与基准面的垂直度,中心孔与基准面的平行度,百分表轴孔与基准面的垂直度;保证竖直滑块项6上平面、基准面的平面度,基准面与上平面的平行度,中心孔与基准面的平行度,百分表轴孔与基准面的垂直度;保证轴套项9的孔Φd与孔ΦD1的同轴度,ΦD1孔与ΦD2孔的垂直度。

图4 测量装置相关部件尺寸

4 水斗式水轮机模型测量装置使用方法及数据处理

在满足设计及安装要求情况下,可对水斗式水轮机模型转轮和喷管空间相对位置进行测量,具体步骤如下。

4.1 使用游标卡尺测量轴套项9外圆与竖直滑块项6间的距离c,单位mm。

4.2 转动轴套项9使水平百分表项5读数处于最大值,并记录此值a1max,单位mm;记录此时竖直百分表项7读数b1max,单位mm。

4.3 转动轴套项9到适当位置,使用量块测量水平百分表项5测量头相对于水平滑块项4基准面距离,水平百分表读数a1,单位mm,使用量块测量竖直百分表项7测量头相对于竖直滑块项6基准面距离,竖直百分表读数b1,单位mm。

4.4 根据测量装置尺寸及测量数值,计算喷管切圆直径及喷管中心与静压轴承轴头距离,计算式如下:

D=2(c-d/2±(a1max-a1)+e)

(1)

H=f+g-h±(b1max-b1)

(2)

式中:D为喷管切圆直径,mm;d为转动轴套项9的外圆直径,单位mm;e为水平滑块项4基准面与中心孔的距离,mm;H为喷管中心与静压轴承轴头距离,mm;f为水平滑块项4中心孔与下平面的距离,mm;g为竖直滑块项6中心孔与基准面的距离,mm;h为转动轴套项9中ΦD1孔下平面与ΦD2孔中心线的距离,mm。

根据《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》[8]标准要求,水斗式水轮机模型装置喷管切圆直径D允许误差范围为±0.2%D,喷管中心与静压轴承轴头距离H的偏移误差允许范围为±0.5%B,其中B为水斗宽度。以水斗宽度B=118 mm、喷管切圆直径D=400 mm的模型装置为例,切圆直径D允许误差范围为±0.8 mm,喷管中心与静压轴承轴头距离H的偏移误差允许范围为±0.59 mm;而该测量方法测量精度为百分表精度,即0.01 mm。因此,测量精度远高于验收试验标准。

5 结 语

基于冲击式水轮机喷管射流原理,提出了一种基于水斗式水轮机射流原理的测量方法,解决了转轮、喷管空间位置测量问题。此方法测量重复性好、精度高,不因技术人员操作水平产生差异,测量结果完全满足《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》[8]标准要求。该测量方法为转轮、喷管位置调整提供数据基础,确保射流位置的准确性,最大限度的保证水力性能,避免了由于射流不准确导致的机组振动、效率下降等问题,在工程上具有良好的应用价值。

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(责任编辑 李世杰)

Study on position measurement method of runner and nozzle in Pelton turbine model

LIU Yongxin,YANG Weibin,WEI Song

(Harbin Electric Machinery Co.,Ltd.,Harbin 150040,China)

In order to solve the problem of inaccuracy of space position measurement of runner and nozzle in Pelton turbine model,the working principle of Pelton turbine was analyzed.Thus,a method of measurement based on the jet principle of Pelton turbine was proposed.Namely,position deviation was read by using the dial indicator and then by calculating the relative spatial position of runner and nozzle was acquired.The test results show that by the method,good repeatability is presented in measuring space position of runner and nozzle which does cause difference because of technical levels of the operating personnel.Alos,high precision is improved which fully meets the acceptance and test standard requirements of Pelton turbine model.At the same time,this method provides the basis for runner and nozzle position adjustment,laying the foundation for the stable operation of the unit.

Pelton turbine model; runner; nozzle; measurement method

2016-07-04。

刘永新(1985—)，男，硕士研究生，工程师，现从事水轮机结构设计与研究工作。。

TM730.2

B

2095-6843(2016)06-0554-03