智能型恒真空度混流水轮发电机组全负荷范围中心运行补气装置的制作方法

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1.本发明是一种用于混流式水轮机组从最低到额定负荷运行发电全过程智能型恒真空度中心运行补气装置。


背景技术：

2.当前，混流式水轮机都采用机械式中心运行补气装置，这种补气装置采用弹簧控制阀盘的补气行程来控制补气量，该种补气装置不仅勉强应用在混流式水轮机自然补气阶段，还无法满足混流式水轮机强迫补气阶段的补气量。这种补气装置更无法满足混流式水轮机恒真空度补气的技术要求，因为只要混流式水轮机在运行过程中形成ampa真空区时，就要产生真空区导致混流式水轮发电机组振动，此时就要求阀盘在真空度作用下压缩弹簧打开补入大量的空气，使混流式水轮机产生的真空区的真空度不再继续加大，但此时该补气阀的阀盘与阀口处于打开临界状态，而需要补入大量的空气就无法从阀盘与阀口之间的过流环带补入真空区中，要把大量的空气补入真空区中就需要混流式水轮机产生更大的真空度bmpa把阀盘向下吸开至足够的行程，加大阀盘与阀口之间的距离以便增大补入空气的过流环带，这样才能将大量的空气通过补气腔和中心补气管道补入真空区中，使真空区的真空度不再加大。但此时阀盘的行程对应的真空度是bmpa，此时真空度bmpa又远远大于水轮机要求在形成真空度ampa就需要补入大量空气的技术要求，如果现有技术中的补气装置在ampa时就需要向真空区补入大量空气，混流式水轮机就不会发生剧烈振动和气蚀情况，给水轮发电机组带来巨大的损害；现有技术中的补气装置无法在ampa时向真空区补入大量的空气，只能在真空度达到bmpa时才能使阀盘行程达到补入大量的空气要求，在真空区达到bmpa时混流式水轮发电机组已发生剧烈振动。所以，现有技术中的机械式补气装置不但满足不了强迫补气技术要求，而且对混流式水轮机自然补气也无法满足其运行的技术要求，该补气装置更适合用于紧急停机时对瞬间产生的巨大真空区进行补气和防止尾水倒灌水淹发电机组方面。机械式补气装置不仅有前述原理和技术上的缺陷，还有弹簧变形及锈蚀、缓冲器加工工艺难和整体重量大，并且安装在大轴端部补气腔上，给上导轴承带来一定的影响。当前，混流式水轮机急需一种智能型和恒真空度、适合发电机组运行负荷全过程的新型补气装置，本新型补气装置的补气行程不受弹簧影响，在补气过程中真空度ampa恒定，还应具有可靠性好、重量轻和智能化水平高的技术特征，以替代现有技术中的机械式中心运行补气装置，满足混流式水轮发电机组的最佳运行技术要求。


技术实现要素：

3.本发明所提供的技术方案完美地解决了现有技术中机械式中心运行补气装置诸多问题，本技术方案以其简捷、巧妙的结构和高智能化水准完全满足混流式水轮发电机组全负荷范围补气最佳技术要求，为混流式水轮发电机组安全、高效运行发电提供了可靠、先进的技术保障。其主要技术特征是：在带有阀盘中孔的锥型阀盘下面中心位置以密封方式
固定有上面带上孔和弧形密封环的挡风管，通过4个支板和托环把浮球放置在挡风管内部下端，4个支板固定在挡风管内部下端，通过法兰孔、补气腔法兰和螺栓把带有锥型阀口的阀盘座与锥型阀盘同心固定在补气腔的补气腔法兰上，补气腔下面固定有中心补气管道，中心补气管道与混流水轮机真空区连通，通过底座法兰上的法兰孔用螺栓将外部带外轴台、管螺纹和内部带有调整轴中孔的空心转轴固定在锥型阀盘上面中心位置上，把下面带调心孔、内部以密封方式装有鱼眼轴承和外套管的轴承座套在空心转轴上面，把内套管套在空心转轴上，并顶到鱼眼轴承上，鱼眼轴承外套与轴承座内表面密封，鱼眼轴承内套孔与空心转轴密封装配，鱼眼轴承内、外套是球面密封滑动，通过管螺纹用中心螺帽把内套管固定好，通过3个u型板和螺栓把下面出口管上固定有橡胶密封环的分风环腔以锥型阀口为中心固定在补气室内部，橡胶密封环与阀盘座上表面滑动接触，带有真空腔的移动中轴下端通过中轴法兰、法兰孔和螺栓固定在轴承座上的轴承座法兰上，入口管用连接法兰与补气管连通，通过安装凸台、过孔和螺帽把风速传感器装在补气管内部；环腔压力传感器通过过孔用螺帽固定在带有弧形导风板的分瓣环腔盖上，分瓣环腔盖有分瓣密封台，分瓣密封台上有分瓣导孔和密封带，把带有弧形导风板的分瓣环腔盖固定在入口管对面的分风环腔上，带有弧形分风板的分瓣环腔盖对称另一瓣分瓣环腔盖固定在带有入口管一侧的分风环腔上，弧形导风板和弧形分风板中心线都与x轴重合；把真空传感器前端通过安装凸台上的安装螺孔拧入真空腔中，再用螺帽进行固定；通过拉力传感器用螺栓把移动中轴和伺服电动缸的伸缩杆连接在一起，伺服电动缸用螺栓固定横梁下面，横梁两端分别固定在2个l型板上，2个l型板分别用螺栓固定在补气室内侧；伺服电动缸、真空传感器，环腔压力传感器和风速传感器都通过信号线与带有电源电缆和指令电缆的控制模块单元连接，拉力传感器和真空传感器的信号线上设有螺旋节，调整轴中孔通过连通腔与移动中轴上的真空腔连通，把盖板通过法兰孔和法兰螺孔用螺栓固定在补气室的安装口上面。
4.浮球和弧形密封环主要密封从尾水管上来的工作水，当工作水上来后就浮起浮球，浮球堵住弧形密封环，使工作水不能通过上孔、阀盘中孔、调整轴中孔和连通腔进入真空腔中。采用轴向载荷力大的鱼眼轴承主要解决移动中轴和锥型阀盘与锥型阀口调心，以便锥型阀盘与锥型阀口密封性良好，同时防止移动中轴与锥型阀盘一起转动的技术问题，鱼眼轴承内、外套具有良好的接触转动密封性能；鱼眼轴承外套与轴承座内表面和鱼眼轴承内套与空心转轴都采用密封方式安装。挡风管与锥型阀盘也采用密封方式进行安装，如在安装位置涂抹耐水密封胶。弧形分风板将补入的大量空气分成两部分，两部分的空气沿着分风环腔内表面圆周向补气腔补入空气，弧形导风板主要作用是避免空气流在分风环腔中相撞产生絮流，影响对真空区补气效果。采用分瓣环腔盖便于安装和检修，分瓣对接面可采用竖板密封把合结构。在拉力传感器和真空传感器的信号线上设计了螺旋节，主要目的是两个传感器都随着伺服电动缸的伸缩杆上、下移动，螺旋节为信号线提供伸缩量，便于两个传感器随动工作，螺旋节引出端可加装固定结构。控制模块单元根据指令电缆传入的指令来设置传感器监控阈值对伺服电动缸进行精准快速控制；控制模块单元可根据最佳效率值、最小振动值和发电机组其它相关参数，采用数学模型和算法为混流式水轮机提供最佳补气控制方案，对发电机组从最低负荷到额定负荷全范围进行合理有效的实施智能补气，为混流式水轮发电机组在全负荷范围以最佳状态运行发电，彻底消除混流式水轮机因脱离额定工况产生有害的真空区，避免因有害的真空区导致发电机组剧烈振动的现象。
5.本发明提供的技术方案所达到的技术效果是这样实现的：首先，通过控制模块单元对真空传感器和拉力传感器进行监控阈值的设定，当补气腔中真空度达到ampa时，拉力传感器拉力静态变化量达到δf＝移动部套重量+s
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p，s是锥型阀盘有效面积，p是补气腔中的真空度，这个真空度是混流式水轮机在脱离额定工况时产生的有害真空区的真空度，真空度ampa是通过中心补气管道、补气腔、调整轴中孔和连通腔传至真空腔中的。移动部套中的锥型阀盘、挡风管、轴承部件和移动中轴的重量在静止时是恒定的，锥型阀盘的有效面积也是不变的，只有真空度p从0～a变化时才导致δf发生变化，所以真空度p变化才使δf变化，当真空度p达到ampa时，δf＝s
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ampa值就是拉力传感器所设定的监控阈值。
6.混流式水轮机产生真空区的真空度通过中心补气管道、补气腔、挡风管下面4个支板、浮球、弧形密封环、上孔、阀盘中孔、调整轴中孔、连通腔传至真空腔内，传至真空腔中的真空度由真空传感器进行实时监测并将数据传给控制模块单元。当真空传感器监测到真空腔中的真空度达到ampa时，通过信号线把此时监控阈值传给控制模块单元，控制模块单元根据数学模型和算法控制伺服电动缸的伸缩杆下移速度和行程，开始通过补气管、入口管、分风环腔、锥型阀口、补气腔和中心补气管道向混流式水轮机形成的真空区补入大量空气。在补入空气的全过程都必须通过真空传感器监测真空度是否满足ampa，ampa是发电机组在最高效率和最小振动时的最佳补气真空度，此时，发电机组既没有剧烈振动，工作效率还最高。真空传感器监测到当前真空度值大于ampa时，就按数学模型及算法加大锥型阀盘的合理行程，也就是加大空气补入量，避免真空区的真空度升高；真空传感器监测到当前真空度监测值小于ampa时，就按数学模型及算法减小锥型阀盘的合理行程，从而减少补入的空气量，使真空度值恢复到真空度监控阈值ampa，此时的补气量既不降低混流式水轮机工作效率，也不使混流式水轮机发生振动；同时，还要根据环腔压力传感器和风速传感器对算法进行实时整定，使补入真空区的空气量更为精准。当真空传感器出现故障不能正常工作时，控制模块单元就转入拉力传感器对真空度通过δf的变化进行实时监控，待停机后应对真空传感器进行维修或更换。由于锥型阀盘移动行程是根据真空传感器监测的数值来控制伺服电动缸实现的，所以混流式水轮发电机组补气的过程都是在ampa恒真空度条件下进行的，由伺服电动缸主动调节伸缩杆行程来实现锥型阀盘与锥型阀口之间过流环带面积的，所以，补气过程由始至终都是在ampa实现的。最佳补气真空度ampa值根据混流式水轮发电机组运行工况随时可调可设，灵活方便。向真空区补入的大量空气通过分风环腔内的弧形分风板和弧形导风板可使大量空气顺畅地补入真空区，不会在分风环腔中产生空气絮流影响补气效果。浮球主要用于密封尾水上到连通腔中，给鱼眼轴承和真空传感器带来隐患。鱼眼轴承可以调整锥型阀盘和移动中轴与锥型阀口的同心度和垂直度，鱼眼轴承另一个作用就防止关闭后的锥型阀盘带动上、下的移动中轴旋转，从而移动中轴又带动拉力传感器和伺服电动缸一起旋转，因为补气腔和阀盘座都是随水轮机一起旋转的，采用轴向载荷大的鱼眼轴承就解决了移动中轴不与锥型阀盘一起旋转的技术问题，锥型阀盘通过空心转轴固定在鱼眼轴承内环上，内环可以旋转，而鱼眼轴承外环就不旋转。移动中轴固定在鱼眼轴承外环的轴承座上。鱼眼轴承摩擦力极小，这个摩擦力不会带动移动中轴旋转，伺服电动缸本身的防转结构完全可以克服这一问题。分瓣密封台是用于移动中轴动静处密封的，并且在分瓣密封台中还装有密封带。出口管上的橡胶密封环与阀盘座上表面接触滑动密封，使分风环腔与阀盘座动静处密封性良好。挡风管的作用就是防止补入的空气不影响真空腔中的真
空度，挡风管的长度可以适当延长，同时，控制模块单元的算法也要考虑补入空气在挡风管端部产生射流效应而引起的射流真空度对补气真空度ampa影响，这个影响可以通过数学模型和算法进行修正，锥型阀盘的直径远远大于挡风管的直径，这样就可以大大地减小射流效应所产生的射流真空度。
7.本发明提供的技术方案完美地解决了混流式水轮机恒真空度补气技术难题，解决了现有技术中的机械中心运行补气装置不能满足混流式水轮机最佳补气技术要求的问题，本技术方案与现有技术相比具有新颖性、创造性和实用性，必将广泛应用于混流式水轮发电机组领域。
附图说明：
8.图1.智能型恒真空度混流水轮发电机组全负荷范围中心运行补气装置主视图
9.图2.智能型恒真空度混流水轮发电机组全负荷范围中心运行补气装置a-a视图
10.图3.智能型恒真空度混流水轮发电机组全负荷范围中心运行补气装置b-b视图
11.图4.智能型恒真空度混流水轮发电机组全负荷范围中心运行补气装置i放大视图
12.图5.智能型恒真空度混流水轮发电机组全负荷范围中心运行补气装置n向视图
13.图6.智能型恒真空度混流水轮发电机组全负荷范围中心运行补气装置k向视图
14.其中：
15.1、补气室
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2、螺栓
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3、u型板
16.4、分风环腔
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5、安装法兰
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6、法兰孔
17.7、分瓣环腔盖
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8、弧形导风板
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9、l型板
18.10、盖板
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11、安装口
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12、横梁
19.13、伺服电动缸
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14、伸缩杆
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15、拉力传感器
20.16、安装凸台
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17、安装螺孔
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18、真空传感器
21.19、信号线
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20、螺旋节
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21、环腔压力传感器
22.22、过孔
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23、螺帽
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24、分瓣密封台
23.25、管螺纹
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26、中心螺帽
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27、内套管
24.28、鱼眼轴承
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29、调心孔
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30、锥型阀口
25.31、阀盘中孔
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32、上孔
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33、弧形密封环
26.34、浮球
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35、托环
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36、支板
27.37、挡风管
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38、锥型阀盘
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39、底座法兰
28.40、外轴台
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41、空心转轴
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42、轴承座
29.43、外套管
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44、轴承座法兰
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45、中轴法兰
30.46、连通腔
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47、调整轴中孔
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48、连接法兰
31.49、入口管
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50、弧形分风板
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51、密封带
32.52、分瓣导孔
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53、真空腔
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54、移动中轴
33.55、法兰螺孔
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56、电源电缆
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57、指令电缆
34.58、控制模块单元
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59、补气管
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60、风速传感器
35.61、补气腔法兰
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62、出口管
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63、橡胶密封环
36.64、补气腔
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65、阀盘座
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66、中心补气管道
具体实施方式：
37.通过4个支板36和托环35把浮球34放在挡风管37中，4个支板36固定在挡风管37下端，挡风管37内部上端有弧形密封环33和上孔32，挡风管37通过安装法兰5用螺栓2固定在带有阀盘中孔31的锥型阀盘38下面中心位置上。将带有外轴台40、管螺纹25和调整轴中孔47的空心转轴41，通过底座法兰39上的法兰孔6用螺栓2固定在锥型阀盘38上面中心位置。把带有锥型阀口30的阀盘座65通过法兰孔6用螺栓2与补气腔64同心固定在补气腔法兰61上，补气腔64中有中心补气管道66直通水轮机中真空区。把鱼眼轴承28的外套以密封方式置于下面带调心孔29和上面有轴承座法兰44的轴承座42中，通过鱼眼轴承28的内套以密封方式将轴承座42套在空心转轴41上，将内套管27套在鱼眼轴承28上的空心转轴41上，通过管螺纹25在内套管27上端拧上中心螺帽26，把外套管43放在轴承座42内。
38.将下面通过出口管62固定有橡胶密封环63的分风环腔4用3个u型板3固定在补气室1的内部，使橡胶密封环63与阀盘座65上表面滑动接触并与锥型阀口30同心和垂直。分风环腔4的入口管49通过连接法兰48用螺栓2与补气管59连通，风速传感器60通过安装凸台16和过孔22用螺帽23固定在补气管59的内部。带有真空腔53和安装凸台16的移动中轴54通过中轴法兰45和法兰孔6用螺栓2固定在轴承座法兰44上面，真空传感器18通过安装螺孔17拧入真空腔53中，再用螺帽23进行锁定。拉力传感器15下端通过安装螺孔17用螺栓2与移动中轴54上端固定在一起，拉力传感器15上端用螺栓2与伺服电动缸13的伸缩杆14固定在一起。伺服电动缸13用螺栓2固定在横梁12下面，横梁12两端固定在l型板9上，2个l型板9分别用螺栓2固定在补气室1上端。
39.通过过孔22用螺帽23把环腔压力传感器21固定在下面装有弧形导风板8的分瓣环腔盖7上，将密封带51填入分瓣环腔盖7上的分瓣密封台24中，然后将此分瓣环腔盖7对称入口管49固定在分风环腔4上，将另一瓣固定有弧形分风板50和分瓣密封台24的分瓣环腔盖7固定在有入口管49这一侧的分风环腔4上面，弧形分风板50和弧形导风板8的中心线与x轴重合。伺服电动缸13、拉力传感器15、真空传感器18、环腔压力传感器21和风速传感器60都通过信号线19与带有电源电缆56和指令电缆57的控制模块单元58连接，拉力传感器15和真空传感器18的信号线19上设有螺旋节20。盖板10通过法兰孔6和法兰螺孔55用螺栓2固定在补气室1的安装口11上面。实施完毕。

技术特征：
1.一种智能型恒真空度混流水轮发电机组全负荷范围中心运行补气装置，其特征是，在带有阀盘中孔的锥型阀盘下面中心位置以密封方式固定有上面带上孔和弧形密封环的挡风管，通过4个支板和托环把浮球放置在挡风管内部下端，4个支板固定在挡风管内部下端，通过法兰孔、补气腔法兰和螺栓把带有锥型阀口的阀盘座与锥型阀盘同心固定在补气腔的补气腔法兰上，补气腔下面固定有中心补气管道，中心补气管道与混流水轮机真空区连通，通过底座法兰上的法兰孔用螺栓将外部带外轴台、管螺纹和内部带有调整轴中孔的空心转轴固定在锥型阀盘上面中心位置上，把下面带调心孔、内部以密封方式装有鱼眼轴承和外套管的轴承座套在空心转轴上面，把内套管套在空心转轴上，并顶到鱼眼轴承上，鱼眼轴承外套与轴承座内表面密封，鱼眼轴承内套孔与空心转轴密封装配，鱼眼轴承内、外套是球面密封滑动，通过管螺纹用中心螺帽把内套管固定好，通过3个u型板和螺栓把下面出口管上固定有橡胶密封环的分风环腔以锥型阀口为中心固定在补气室内部，橡胶密封环与阀盘座上表面滑动接触，带有真空腔的移动中轴下端通过中轴法兰、法兰孔和螺栓固定在轴承座上的轴承座法兰上，入口管用连接法兰与补气管连通，通过安装凸台、过孔和螺帽把风速传感器装在补气管内部；环腔压力传感器通过过孔用螺帽固定在带有弧形导风板的分瓣环腔盖上，分瓣环腔盖有分瓣密封台，分瓣密封台上有分瓣导孔和密封带，把带有弧形导风板的分瓣环腔盖固定在入口管对面的分风环腔上，带有弧形分风板的分瓣环腔盖对称另一瓣分瓣环腔盖固定在带有入口管一侧的分风环腔上，弧形导风板和弧形分风板中心线都与x轴重合；把真空传感器前端通过安装凸台上的安装螺孔拧入真空腔中，再用螺帽进行固定；通过拉力传感器用螺栓把移动中轴和伺服电动缸的伸缩杆连接在一起，伺服电动缸用螺栓固定横梁下面，横梁两端分别固定在2个l型板上，2个l型板分别用螺栓固定在补气室内侧；伺服电动缸、真空传感器，环腔压力传感器和风速传感器都通过信号线与带有电源电缆和指令电缆的控制模块单元连接，拉力传感器和真空传感器的信号线上设有螺旋节，调整轴中孔通过连通腔与移动中轴上的真空腔连通，把盖板通过法兰孔和法兰螺孔用螺栓固定在补气室的安装口上面。

技术总结
一种智能型恒真空度混流水轮发电机组全负荷范围中心运行补气装置，带有浮球、挡风管、外轴台、内外套管、管螺纹与调整轴中孔空心转轴和阀盘中孔锥型阀盘放在带锥型阀口阀盘座下。内有鱼眼轴承座套在空心转轴上，用U型板把带橡胶密封环和入口管分风环腔固定在有盖板补气室内。带真空腔移动中轴与轴承座并用拉力传感器与横梁上伺服电动缸伸缩杆连接。真空传感器拧入真空腔中。带弧形分风板、弧形导风板、环腔压力传感器和分瓣密封台的分瓣环腔盖装在带入口管分风环腔上，补气管内有风速传感器。真空腔与补气腔连通，环腔压力、真空、风速、拉力等传感器和伺服电动缸用信号线与带电源电缆和指令电缆的控制模块单元连接。本发明用于水轮机补气领域。于水轮机补气领域。于水轮机补气领域。


技术研发人员：吴博恩
受保护的技术使用者：吴博恩
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/19