CN102865177B - 一种组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式结构的冲击式水轮发电机转轮的结构及制造方法，尤其是勺斗部件由双轮毂夹持结构的组合式结构冲击式水轮发电机转轮的结构和制造，克服整体锻造圆饼毛坯加工成本高昂及焊接结构转轮安全性不足的缺点。该转轮设有勺斗部件、轮毂，轮毂为两圆盘轮毂夹持结构，勺斗部件一端夹设于两圆盘轮毂夹持结构之间，相邻勺斗部件之间相互连接。本发明勺斗部件采用电渣熔铸工艺、精铸工艺或锻造工艺等多种工艺方法单个制造，转轮勺斗部件毛坯方便数控加工，勺斗水利型线精确，转轮出力高。采用单个勺斗独立数控加工，不使用大型数控加工设备，并可多工位同时加工，提高冲击式转轮的加工效率，缩短加工周期，同时使加工成本降低。

Description

一种组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构及制造方法

技术领域

本发明涉及一种组合式结构的冲击式水轮发电机转轮的结构及制造方法，尤其是勺斗部件由双轮毂夹持结构的组合式结构冲击式水轮发电机转轮的结构和制造工艺。

背景技术

随着国家对电力建设的结构性调整和对环境保护的重视，积极发展水电已成为我国电力工业建设的指导方针。水电属于可再生的清洁能源，发展水电，提高大型高水头冲击式水轮机组的设计、制造和生产能力，是促进国民经济发展的和促进机械工业发展的需求。

随着水轮机出力的提高，水电站水头越来越高，高水头水轮机技术主要体现的是其冲击式转轮的制造。转轮水斗是冲击式水电站的核心部件，其制造水平的高低直接影响水轮机的效率、寿命和使用的安全性，因此世界各国都高度重视转轮制造技术的研究与发展。

对于高水头冲击式转轮，其直径一般为0.6~4米，更大的直径可达6米以上，使用中主要的危险是斗根开裂，裂穿轮毂造成飞斗，发生重大安全事故。同时，由于转轮制造成本较高，对其使用寿命的要求也越来越高。

国内通常有四种生产工艺生产冲击式转轮：

1、整体砂型铸造：优点是生产成本低，缺点是由于工艺造成的材料自身缺陷使用寿命较低，同时使用安全性不高，很容易产生飞斗事故；

2、分体铸造焊接成转轮，即轮毂与水斗分别独立制造，然后通过铆接或焊接将轮毂与水斗连接成一个整体组合式转轮：优点是制造成本较低，缺点是使用安全性很差。当转轮运行时，水斗受到水射流的脉冲交变载荷的作用，水斗与轮毂的焊缝将产生疲劳而发生开裂；

3、整体铸造圆饼型坯料，数控加工成型：优点是制造成本稍低，型线准确出力好，缺点是使用寿命低，安全性较差；

4、锻造圆饼型坯料，数控加工成型：优点是型线准确出力好，使用寿命很高、安全性很好，缺点是成本极高。目前，这是高水头转轮的主要制造工艺。

目前，国内外高水头冲击式转轮制造，主要采用锻造毛坯，然后数控加工的工艺方法，这是由于锻造工艺能够有效的减少转轮缺陷，提高转轮的使用安全性。但在实际生产中这种工艺存在很大问题，首先是锻件的加工量大，材料利用率不到50％；其次，对于生产大型冲击式转轮，由于轮径较大，所需要的锻坯一般需要上万吨的大型锻压机才能生产，使转轮的制造成本极高。

发明内容

为了克服整体锻造圆饼毛坯加工成本高昂及焊接结构转轮安全性不足的缺点，本发明提供一种组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构及制造方法。

本发明的技术方案是：

一种组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，该转轮设有：勺斗部件、轮毂，轮毂为两圆盘轮毂夹持结构，勺斗部件的一端夹设于两圆盘轮毂夹持结构之间，相邻勺斗部件之间相互连接。

所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，勺斗部件与轮毂采用以下一种或一种以上组合方式连接：

（1）在轮毂与勺斗部件的连接位置，轮毂和勺斗部件之间通过相对应的贯通式孔和连接件固定；

（2）在轮毂与勺斗部件的连接位置，轮毂和勺斗部件之间通过相对应的非贯通式孔和连接件固定；

（3）在轮毂与勺斗部件的连接位置，轮毂和勺斗部件之间通过圆柱形凸台和相应的凹槽定位；

（4）在轮毂与勺斗部件的连接位置，轮毂和勺斗部件之间通过斜条形凸台和相应的凹槽定位；

（5）在轮毂与勺斗部件的连接位置，轮毂和勺斗部件之间通过梯形凸台和相应的凹槽定位。

所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，在连接方式（1）中，轮毂与勺斗部件采用整根螺栓或铆接件通过贯通式孔紧固夹持。

所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，在连接方式（2）中，轮毂与勺斗部件采用两侧各通过一根螺栓或铆接件通过非贯通式孔固定。

所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，螺栓与轮毂间通过放置增加对轮毂夹持面积的垫块。

所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，相邻勺斗部件之间采用以下一种或一种以上组合方式连接：

（1）勺斗部件两侧分别开有楔形凹槽，相邻勺斗部件之间通过X形楔块和楔形凹槽配合连接；

（2）勺斗部件两侧分别设有楔形凹槽和楔形凸台，相邻勺斗部件之间直接通过楔形凹槽和楔形凸台配合连接；

（3）勺斗部件两侧分别设有半楔形凹槽和半楔形凸台，相邻勺斗部件之间直接通过半楔形凹槽和半楔形凸台配合连接；

（4）勺斗部件两侧邻接面分别设有邻接面凸台和邻接面凹槽，邻接面凸台和邻接面凹槽配合，用于勺斗部件的轴向精确定位。

所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，在连接方式（4）中，邻接面凸台和邻接面凹槽分别为由勺斗部件端部向勺斗根部倾斜的梯形结构。

所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，当组合式的冲击式水轮发电机转轮传递扭矩较大时，勺斗部件根部采用齿轮状结构，并加装中心传力部件与勺斗部件根部齿轮状结构配合。

所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，中心传力部件与轮毂通过螺栓或铆接方式接合，勺斗部件与中心传力部件齿接，向中心轴传递扭矩。

所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构的制造方法，包括如下步骤：

（1）转轮的分解，根据转轮设计图纸，将转轮以勺斗部件为单位进行分解，并根据使用要求对材质进行选择；

（2）勺斗部件制造，采用电渣熔铸工艺、精铸工艺或锻造工艺制造勺斗部件毛坯；

（3）轮毂制造，采用铸造、钢板焊接结构制造轮毂；

（4）对组合式转轮的勺斗和轮毂进行数控加工；

（5）对组合式转轮装配；

（6）对组合式转轮进行静平衡和动平衡检测调试。

本发明的优点及有益效果：

1、本发明组合结构的冲击式转轮勺斗可采用电渣熔铸工艺、AOD（VOD）精铸工艺或锻造工艺等多种工艺方法单个制造。特别是，采用电渣熔铸工艺制造的勺斗，具有质量好，使用寿命长，造价低，材料利用率高等优点。

2、本发明组合式转轮制造方案，水斗部件采用不锈钢制造，轮毂及其它辅助件可采用低碳高强钢，整个转轮降低了不锈钢使用量，进一步降低转轮造价。

3、本发明工艺方案转轮勺斗部件毛坯方便数控加工，勺斗水利型线精确，转轮出力高。且由于采用单个勺斗独立数控加工，不使用大型数控加工设备，并可多工位同时加工，提高了冲击式转轮的加工效率，缩短加工周期，同时使加工成本降低。

4、本发明工艺方案无需使用大型锻造设备制备坯料，也不使用大型数控加工设备，制造简单、高效、成本低。

5、本发明的优势在于在使用中通过凸台及楔形凸块等设计，防止飞斗事故的发生，提高了转轮使用安全性。

6、采用本发明当个别勺斗损坏时，可以通过更换部分勺斗的方式修复转轮，提高了转轮使用寿命。

7、本发明针对不同尺寸的冲击式水轮机转轮，要根据其勺斗部件数量及其他结构件尺寸设计中心传力部件，以达到改善传力的目的。

附图说明

图1是本发明组合式冲击转轮结构示意图（其中：左半部为有轮毂时外观示意图，右半部为局剖勺斗部件间结合示意图）。

图2是单个勺斗部件结构示意图。

图3是图1勺斗与轮毂连接方式局部剖视示意图。

图4是勺斗凸台的第二种形式，采用斜条状凸台。

图5是勺斗凸台的第三种形式，采用梯形凸台。

图6是勺斗部件连接楔形凸台第二种形式。

图7是勺斗部件连接楔形凸台第三种形式。

图8是勺斗部件与轮毂连接螺孔在凸台上的示意图。

图9是图8的A-A剖视图。

图10是勺斗部件末端第一种形式的示意图。

图11是图10结构中可选用的中心传力部件示意图。

图12是勺斗部件末端第二种形式的示意图。

图13是勺斗部件上邻接面凸台和邻接面凹槽示意图。

图14是图13的左视图。

图15是图13的右视图。

图中，1、勺斗部件；2、圆柱形凸台；3、非贯通式孔；3’、贯通式孔；4、楔形凹槽；5、轮毂；6、垫块；7、勺斗水利型线；8、X形楔块；9、斜条形凸台；10、梯形凸台；11、楔形凸台；12、半楔形凹槽；13、半楔形凸台；14、中心传力部件；15、齿轮状结构；16、邻接面凸台；17、邻接面凹槽。

具体实施方式

如图1-图9所示，本发明组合式的冲击式水轮发电机转轮主要包括：勺斗部件1、轮毂5，轮毂5为两圆盘轮毂夹持结构，勺斗部件1的一端夹设于两圆盘轮毂夹持结构之间，相邻勺斗部件1之间相互连接。其中，

本发明中，勺斗部件1与轮毂5采用以下一种或一种以上组合方式连接：

（1）在轮毂5与勺斗部件1的连接位置，轮毂5和勺斗部件1之间通过相对应的贯通式孔3’和连接件固定（图3），如：采用整根螺栓或铆接件紧固夹持，螺栓或铆接件与轮毂间可通过放置垫块，增加对轮毂的夹持面积。

（2）在轮毂5与勺斗部件1的连接位置，轮毂5和勺斗部件1之间通过相对应的非贯通式孔3和连接件固定（图3、图9），如：两侧各通过一根螺栓或铆接件固定，螺栓或铆接件与轮毂间可通过放置垫块6，增加对轮毂的夹持面积。

（3）在轮毂5与勺斗部件1的连接位置，轮毂5和勺斗部件1之间通过圆柱形凸台2和相应的凹槽定位（图2、图3、图9）。

（4）在轮毂5与勺斗部件1的连接位置，轮毂5和勺斗部件1之间通过斜条形凸台9和相应的凹槽定位（图4）。

（5）在轮毂5与勺斗部件1的连接位置，轮毂5和勺斗部件1之间通过梯形凸台10和相应的凹槽定位（图5、图8、图9）。

本发明中，相邻勺斗部件1之间采用以下一种或一种以上组合方式连接：

（1）勺斗部件1两侧分别开有楔形凹槽4，相邻勺斗部件1之间通过X形楔块8和楔形凹槽4配合连接（图2）。

（2）勺斗部件1两侧分别设有楔形凹槽4和楔形凸台11，相邻勺斗部件1之间直接通过楔形凹槽4和楔形凸台11配合连接（图6），不需要另外使用楔块。

（3）勺斗部件1两侧分别设有半楔形凹槽12和半楔形凸台13，相邻勺斗部件1之间直接通过半楔形凹槽12和半楔形凸台13配合连接（图7），通过改变勺斗部件侧面结构形式，不需要另外使用楔块。

本发明组合结构冲击式转轮，在单个勺斗部件1经过电渣熔铸并数控加工后，通过各种连接方式，如：相邻楔形槽中楔入X形楔块和/或楔形凸台相互紧固连接及定位(勺斗部件1之间的联接方式见图4、图5、图6、图7、图8)，形成一个转轮整体。然后整体转轮通过螺栓或铆接方式与轮毂接合，组合式转轮轮毂5与勺斗部件1通过其上的凸台相接合，并向中心轴传递扭矩(联接后的勺斗部件1与轮毂5之间的连接方式如图1、图3和图9所示)。这样做的好处是，当单个勺斗部件1间有X形楔块和/或楔形凸台相互连接，即使单个勺斗部件1上的凸台发生破坏，但由于勺斗部件1间相互固定运行中仍可借助相邻勺斗部件1上的凸台传递扭矩，并可有效防止单个勺斗发生损坏而造成飞斗事故的发生。

当组合结构冲击式水轮机转轮传递扭矩较大时，对转轮结构有特殊传力要求，可以通过增加设计勺斗部件1根部为齿轮状结构15（图10、图12），并加装中心传力部件14（图11）与图10中勺斗部件1配合，或者中心传力部件14的轮齿方向与图11相反，与图12中勺斗部件1根部齿轮状结构相配合。中心传力部件14与轮毂5通过螺栓或铆接方式接合，勺斗部件1与中心传力部件14齿接（啮合），向中心轴传递扭矩，进一步降低对轮毂强度的要求，实现了全方位的牢固连接。

采用图4、图5形式的凸台时，根据要求设计凸台的倾斜角度；轮毂5与勺斗部件1采用非贯通式孔3连接、贯通式孔3’连接、以及圆柱形凸台2配合连接的结构（图3），增加安全可靠性。为避免断裂，勺斗部件1与轮毂5连接夹持的螺栓或铆接件，要不受转轮径向剪切力作用，而只能承受拉应力作用。因此，在设计上增加图9中的垫块6。轮毂5与勺斗部件1采用非贯通式孔3连接、梯形凸台10配合连接的结构（图9），并增加垫块6，通过螺栓穿过垫块6、轮毂5（或者同时穿过勺斗部件1的梯形凸台10），使得螺栓不直接与轮毂接触，进一步防止其受剪切力而发生损坏的危险。

如图13-图15所示，相邻勺斗部件1之间的邻接面分别设置邻接面凸台16和邻接面凹槽17，邻接面凸台16和邻接面凹槽17配合，用以对勺斗部件1的轴向精确定位。邻接面凸台16和邻接面凹槽17分别为由勺斗部件1端部向勺斗根部略微倾斜的梯形结构。勺斗部件1的迎水面设置邻接面凸台16或邻接面凹槽17，勺斗部件1的背水面设置与迎水面配合的邻接面凹槽17或邻接面凸台16。本实施例中，在迎水面设置邻接面凸台16，在背水面设置邻接面凹槽17。

本发明中，组合结构冲击式水轮发电机转轮制造工艺路线如下：

（1）转轮的分解，根据转轮设计图纸，将转轮以勺斗部件为单位进行分解，并根据使用要求对主要部件和附件材质进行选择；

（2）勺斗部件制造，可采用电渣熔铸工艺、AOD（VOD）精铸工艺或锻造工艺制造勺斗部件毛坯，主要采用电渣熔铸工艺制造勺斗；

（3）轮毂制造，可采用铸造、钢板焊接结构制造轮毂，主要采用钢板焊接结构；

（4）组合式转轮的勺斗和轮毂进行数控加工；

（5）组合式转轮装配；

（6）对组合式转轮进行静平衡和动平衡检测调试。

本发明组合式转轮制造方案，勺斗水利型线7精确，转轮出力高。水斗部件、轮毂及其它辅助件可采用不同材质，降低不锈钢使用量，进一步降低转轮造价。

实施例结果表明，本发明制造的转轮不仅具有毛坯质量很好，使用寿命长；数控加工工艺简单；材料利用率很高；可采用双金属材料，生产加工成本很低的特点，而且能够有效防止飞斗等安全事故，保证转轮使用安全性。

Claims (4)

1.一种组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，其特征在于，该转轮设有：勺斗部件、轮毂，轮毂为两圆盘轮毂夹持结构，勺斗部件的一端夹设于两圆盘轮毂夹持结构之间，相邻勺斗部件之间相互连接；勺斗部件为电渣熔铸工艺、精铸工艺或锻造工艺制造，轮毂采用铸造、钢板焊接结构，具体结构采用以下a）和b）之一：

a）在轮毂（5）与勺斗部件（1）的第一连接位置，轮毂（5）和勺斗部件（1）之间通过相对应的贯通式孔（3’）和连接件固定；在轮毂（5）与勺斗部件（1）的第二连接位置，轮毂（5）和勺斗部件（1）之间通过相对应的非贯通式孔（3）和连接件固定；在轮毂（5）与勺斗部件（1）的第三连接位置，轮毂（5）和勺斗部件（1）之间通过圆柱形凸台（2）和相应的凹槽定位；

勺斗部件（1）两侧分别开有楔形凹槽（4），相邻勺斗部件（1）之间通过X形楔块（8）和楔形凹槽（4）配合连接；

b）勺斗部件（1）两侧分别开有楔形凹槽（4），相邻勺斗部件（1）之间通过X形楔块（8）和楔形凹槽（4）配合连接；

在轮毂（5）与勺斗部件（1）的第一连接位置，轮毂（5）和勺斗部件（1）之间通过梯形凸台（10）和相应的凹槽定位，所述的第一连接位置两侧各通过一根螺栓或铆接件固定，对应于梯形凸台（10）的螺栓或铆接件与轮毂间放置垫块（6）；在轮毂（5）与勺斗部件（1）的第二连接位置，轮毂（5）和勺斗部件（1）之间通过相对应的非贯通式孔（3）和连接件固定。

2.按照权利要求1所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，其特征在于，当组合式的冲击式水轮发电机转轮传递扭矩较大时，勺斗部件根部采用齿轮状结构，并加装中心传力部件与勺斗部件根部齿轮状结构配合。

3.按照权利要求2所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构，其特征在于，中心传力部件与轮毂通过螺栓或铆接方式接合，勺斗部件与中心传力部件齿接，向中心轴传递扭矩。

4.按照权利要求1所述的组合式的冲击式水轮发电机转轮的结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）转轮的分解，根据转轮设计图纸，将转轮以勺斗部件为单位进行分解，并根据使用要求对材质进行选择；

（2）勺斗部件制造，采用电渣熔铸工艺、精铸工艺或锻造工艺制造勺斗部件毛坯；

（3）轮毂制造，采用铸造、钢板焊接结构制造轮毂；

（4）对组合式转轮的勺斗和轮毂进行数控加工；

（5）对组合式转轮装配；

（6）对组合式转轮进行静平衡和动平衡检测调试。