混流式水轮机轴向水推力的研究

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1、哈尔滨工业大学工程硕士学位论文式中n——比转速（m..hp）；sD——转轮出口直径（m）；3（3）两公式的比较和分析由公式（1-3）得出的轴向力，在相同比转速下要远小于由公式（1-2）得出的轴向力，以后的章节中将对造成这种差异的主要原因进行分析，可以认为这主要是由于在水轮机相同比转速条件下混流式转轮的轮廓尺寸各家有较大的差异，如在比转速n=200（m-kW）时，原苏联的设计中s一般采用的向外扩张的下环锥角，而欧美传统设计中则通常采用的是向内收缩的下环。此外还应该指出,以上公式是总结了各自的大量中、小型混流式机组的实践后得出的

2、，由公式可以看出，这里只与水头、转轮直径和比转速三者有关，与设计中所有其他结构因素无关，因此这些公式所确定出的数据就必然与实际有较大差异，随着机组容量的加大，以致无法设计出合理的推力轴承，为了准确地确定轴向水推力值，必须在设计中考虑转轮轮廓形状和结构因素的影响，诸如上冠、下环处止漏环的位置及其间隙值，以及均压管、洩荷孔及减压板等结构措施对水推力的影响。（4）列宁格勒金属工厂和克瓦纳公司的方法原苏联列宁格勒金属工厂（LMZ）、挪威克瓦纳公司（KB）都相继发展了自己的计算方法[13～14]，其基本思路在于将总的轴向水推力分解为转

3、轮内腔的作用力，作用于转轮上冠的作用力及作用于转轮下环的作用力，分项进行计算后叠加而成，由于分项计算，便有可能考虑由于转轮轮廓形状和结构因素所造成的轴向水推力差异，但是在各自的方法中仍采用了一些假设。如对转轮进口压力的处理，和对动量变化产生的轴向推力等方面的处理都是各不相同的，致使与模型试验结果和真机实测结果相比仍存在着相当差异，同时也不能反映轴向力随工况变化的趋势。（5）哈电模型试验与计算相结合的方法1988年结合天生桥Ⅱ级电站模型验收试验（最大水头Hmax=204m、额定出力P=220MW），为更准确地确定真机的轴向水推

4、力量值，哈尔滨电机厂首次在水力试验台上进行了轴向水推力分项试验[15]，由于模型转轮和真机转轮的结构及密封等部分难以满足力学和几何相似条件，不可能进行模型到真机的简单相似换算。只有模型转轮的流道部分与真机成线性比例，满足力学相似条件，可以进行转轮水流通道的力学相似换算，为此采用了试验与计算相结合的办法来确定水推力，其基本思路是利用测得总轴向力扣除由上冠、下环处测得压力按计算得到的该部分轴向力，便得到作用于模型转轮内部的水推力，然后按相似定律将该部分水推力换算至真机，而真机上作用于上冠、下环部分的轴向力则按水力学法算出。采用模

5、型试验与计算相结合的办法比单纯采用分项计算的方法又前进了一步，这样不仅可以用--3--哈尔滨工业大学工程硕士学位论文相似准则换算作用转轮内部的轴向水推力，了解这部分水推力在整个轴向水推力中的比重，而且还可得出轴向水推力随工况的变化状况。为了验证模型试验中轴向力的符合程度，曾于1993年在天生桥Ⅱ级电站2#机（最大水头Hmax=204m、额定出力P=220MW）进行了水推力实测，真机实测中采用了应变电测法，在推力轴承中三个弹性油箱处贴了电阻应变片，利用机组顶落转子进行标定，根据标定结果，测出了机组运行时的水推力值。试验结果表明

6、真机与模型试验在数量级及变化规律方面是基本符合的，模型试验中最小单位水推力TH出现在单位流量Q′=0.25m3/s附近，与单位转速′n变化1111无关，与真机中最小水推力出现在120MW附近是一致的[16]。哈电曾针对一些不同比转速的大型混流式水轮机结合模型验收试验进行了类似的轴向力模型试验，积累了许多试验数据。（6）IEC规程采用的方法1999年国际电工委员会发布了“IEC60193”水轮机及水泵水轮机模型验收试验规程[17]，其中规定了水轮机轴向力的模型试验方法。在模型试验结果向真机换算过程中与哈电采用试验与计算相结合的

7、基本思路是一致的，但哈电的试验中采用了与列宁格勒金属工厂一致的分项办法，旨在求得由于动量变化部分所产生的轴向力，而IEC规程中则将转轮进出口的压力场也包括在内作为整体求得作用于整个转轮内部的水推力，混流式水轮机各分项轴向力的分布见图1-1。图1-1作用于混流式水轮机转轮各部位的轴向力Fig.1-1TheschemeofhydraulicthrustactingonthedifferentpartsofFrancisrunner--4--哈尔滨工业大学工程硕士学位论文由图可见模型与真机间在止漏环结构、洩荷孔、均压管等方面都是不

8、可能模拟的，必须分别处理。规程中还提供了各分项力在模型向真机换算过程中的处理办法。（7）卢勃里昂纳水力透平研究所的研究为研究不同比转速混流式水轮机轴向力的变化规律及其随工况变化的变动趋势。原南斯拉夫卢勃里昂纳水力透平研究所（TurbineinstitutLjubjana）发表了题为“作用于