一种轴向力自平衡的双挑两级串联可逆式水力发电机组

1.本发明涉及可逆式水力发电机组，特别是一种轴向力自平衡的双挑两级串联可逆式水力发电机组。


背景技术：

2.为消纳风电、光伏需要建设储能设置，抽水蓄能作为一种清洁无污染的储能方式被大力发展，分布式小微型抽蓄是对大型抽蓄电站的一种补充，具有选址容易、建设周期短、布置灵活等突出优势，目前，市场上没有针对小微型高水头抽水蓄能电站专用的主机设备，如果简单按照大型抽水蓄能电站缩小考虑，存在投资成本较高、系统复杂冗余等问题。提高抽水蓄能电站的水头有利于快速的降低投资，但是水泵水轮机的适用的水头有限，制约抽水蓄能电站的成本降低，对于高水头抽水蓄能电站，轴向水推力的平衡一般通过上冠处平衡孔和顶盖泄压实现，均加大了水泵水轮机的容积损失，降低了机组效率，特别是对于小流量高水头机组，容积损失的影响不可忽视，如果减少容积损失则会急剧增加机组轴向水推力，将只能采用大型滑动轴承和油润滑，并增设一系列辅助系统，安装布置难度均大幅度增加。因此，急需针对小型高水头抽水蓄能电站开发专用的机组，克服常规机组结构和系统复杂的弊端，新机组应具有结构紧凑、高效稳定、使用方便、施工快捷、易于维护等特点，但至今未见公开报道。


技术实现要素：

3.针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种轴向力自平衡的双挑两级串联可逆式水力发电机组，可有效解决现有技术没有针对小型高水头抽水蓄能电站开发专用的机组，不能满足要求的问题。
4.为实现上述目的，本发明解决的技术方案是，一种轴向力自平衡的双挑两级串联可逆式水力发电机组，包括一级水泵水轮机、二级水泵水轮机和发电电动机，所述的发电电动机的两端分别与主轴相连，一级水泵水轮机与二级水泵水轮机结构相同，反向对称穿装在主轴两端，一级水泵水轮机包括一级蜗壳、一级固定导叶、一级活动导叶、一级水泵水轮机轮和一级水尾水管，一级蜗壳内装有均布的一级固定导叶，一级固定导叶内侧同心装有相间开的一级活动导叶，一级活动导叶与穿过一级蜗壳的一级调速机构相连，一级调速机构经同步轴与二级调速机构相连，保持导叶开度和水轮机运行工况一致，一级活动导叶内侧同心装有一级水泵水轮机轮，一级水泵水轮机轮内侧轴孔经键与主轴外周相连，一级水泵水轮机转轮左端的主轴上装有一级泄水锥，一级水泵水轮机轮的出水口与一级水尾水管相连通，一级蜗壳的一级水尾水管经连接管与二级蜗壳的进水口相连通，构成串联结构；水轮机工况时，水流从一级蜗壳进入，经一级水泵水轮机转轮完成总水头的一半的能量转换，从一级水尾水管排出，经连接管路进入二级蜗壳，在二级转轮内部完成剩余一半的能量转换后，从二级尾水管排出，水泵工况时，水流流动是水轮机工况的逆过程，水流从二级尾水管吸入，经二级转轮后从二级蜗壳内经连接管路进入一级蜗壳内，后经一级水
泵水轮机转轮内完成能量逆转换后，经一级蜗壳进水口压出，运行中转轮承受的轴向水推力大小一致、方向相反，自动实现轴向力的平衡。
5.本发明结构紧凑，设计科学合理，克服常规水泵水轮机使用水头有限、轴向力大、系统复杂、成本高等缺点，机组运行可靠，减少工程量和机组投资，社会和经济效益显著。
附图说明
6.图1是本发明结构示意图（剖视）。
7.图2是本发明俯视图。
8.图3是本发明结构侧视图。
具体实施方式
9.以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。
10.结合附图给出，一种轴向力自平衡的双挑两级串联可逆式水力发电机组，包括一级水泵水轮机、二级水泵水轮机和发电电动机，其特征在于，所述的发电电动机9的两端分别与主轴8相连，一级水泵水轮机与二级水泵水轮机结构相同，反向对称穿装在主轴8两端，一级水泵水轮机包括一级蜗壳1-1、一级固定导叶2-1、一级活动导叶3-1、一级水泵水轮机轮4-1和一级水尾水管6-1，一级蜗壳1-1内装有均布的一级固定导叶2-1，一级固定导叶2-1内侧同心装有相间开的一级活动导叶3-1，一级活动导叶3-1与穿过一级蜗壳1-1的一级调速机构7-1相连，一级调速机构7-1经同步轴12与二级调速机构7-2相连，保持导叶开度和水轮机运行工况一致，一级活动导叶3-1内侧同心装有一级水泵水轮机轮4-1，一级水泵水轮机轮4-1内侧轴孔经键与主轴8外周相连，一级水泵水轮机转轮4-1左端的主轴8上装有一级泄水锥5-1，一级水泵水轮机轮4-1的出水口与一级水尾水管6-1相连通，一级蜗壳1-1的一级水尾水管6-1经连接管10与二级蜗壳1-2的进水口相连通，构成串联结构，运行中转轮承受的轴向水推力大小一致、方向相反，自动实现轴向力的平衡。
11.为保证更好的实施效果，所述的二级水泵水轮机与一级水泵水轮机结构相同，二级水泵水轮机二级蜗壳1-2、二级固定导叶2-2、二级活动导叶3-2、二级水泵水轮机轮4-2和二级水尾水管6-2，二级蜗壳1-2内装有均布的二级固定导叶2-2，二级固定导叶2-2内侧同心装有相间开的二级活动导叶3-2，二级活动导叶3-2与穿过二级蜗壳1-2的二级调速机构7-2相连，二级活动导叶3-2内侧同心装有二级水泵水轮机轮4-2，二级水泵水轮机轮4-2内侧轴孔经键与主轴8外周相连，二级水泵水轮机转轮4-2右端的主轴8上装有二级泄水锥5-2。
12.所述的一级蜗壳1-1右端与主轴8连接处经轴封装有一级顶盖11-1，二级蜗壳1-2左端与主轴8连接处经轴封装有二级顶盖11-2。
13.所述的发电电动机9为同步发电电动机或异步发电电动机。
14.所述的一级活动导叶3-1和二级活动导叶3-2数量相同，均设有均布的10-20个，一级固定导叶2-1和二级固定导叶2-2数量相同，均设有均布的2-10个。
15.所述的一级调速机构7-1包括手电一体执行器701、摇臂702、推拉杆703、长耳柄704、短耳柄705和连接板706，摇臂702与推拉杆703一端铰接在一起，推拉杆703另一端与长耳柄704一端铰接，长耳柄704另一端与其中一个一级活动导叶3-1连接，其余一级活动导叶
2分别与短耳柄705一端相连，短耳柄705另一端分别与相邻的2个连接板706相连，并经连接板706与长耳柄704相连，构成传动结构，手电一体执行器701带动摇臂702绕输出轴707中心旋转，经推拉杆703将旋转扭矩传递到长耳柄704，长耳柄704旋转时通过连接板706带动短耳柄705旋转，从而实现所有一级活动导叶3-1的同步的开关，二级调速机构7-2与一级调速机构7-1结构相同。
16.所述的轴向力自平衡的两支点双挑两级串联可逆式水力发电机组具有水轮机和水泵两种运行工况，水轮机工况时，水流从一级蜗壳1-1进入，经一级水泵水轮机转轮3-1完成总水头的一半的能量转换，从一级水尾水管6-1排出，经连接管路10进入二级蜗壳1-2，在二级转轮4-2内部完成剩余一半的能量转换后，从二级尾水管6-2排出，水泵工况时，水流流动是水轮机工况的逆过程，水流从二级尾水管6-2吸入，经二级转轮4-2后从二级蜗壳1-2内经连接管路10进入一级蜗壳1-1内，后经一级水泵水轮机转轮3-1内完成能量逆转换后，经一级蜗壳1-1进水口压出。
17.本发明中，一级水泵水轮机与二级水泵水轮机反向穿装在主轴两端，一级水泵水轮机转轮4-1包括轮毂、叶栅和下环，一级泄水锥5-1将一级水泵水轮机转轮4-1连接在主轴左端，水轮机工况水流从一级蜗壳1-1进入，经一级水泵水轮机转轮3-1完成总水头的一半的能量转，从一级水尾水管6-1排出，经连接管路10进入二级蜗壳1-2，在二级转轮4-2内部完成剩余一半的能量转换后，从二级尾水管6-2排出，水泵工况时水流流动是水轮机工况的逆过程，一级调速机构7-1和二级调速机构7-2之间经同步轴9保持动作同步，以保证导叶开度和两级水轮机运行工况一种，运行中转轮承受的轴向水推力大小一致、方向相反，自动实现轴向力的平衡，机组设置两组轴承位于电机内部两端，一、二级水泵水轮机和发电机均固定在同一个公共底座上，结构紧凑。
18.一级水泵水轮机和二级水泵水轮机按照水泵水轮机理论设计，水力设计参数保持一致，结构上沿轴镜像反向安装，两级水轮机在工作中为接力关系，适用总水头可以达到单机水泵水轮机水头的2倍，适应水头变化的能力更强，运行过程中一级水泵水轮机转轮4-1和二级水泵水轮机转轮4-2所受的轴向水推力大小相等、方向相反，两个力共同作用在主轴8上实现受力平衡，轴向水推力在整个轴系作用力中占主要部分，轴向力被自动平衡以后轴承受力大幅度降低，可以选用更为简单的轴承类型和润滑形式，简化甚至取消外部辅助系统，有利于降低小微型抽水蓄能电站的建设投资。
19.一级调速机构7-1和二级调速机构7-2工作中完全保持同步，调速机构的输出轴经同步轴12连接，使串联的两级水轮机运行工况保持一致，保证轴向力自平衡效果更好。
20.发电电动机9的左右两端分别与一级水泵水轮机和二级水泵水轮机通过台阶配合连接一体，机组的对中靠机械加工保证，安装过程方便、简单，对中精度高，口环间隙可以取更小的值，有利于减少口环泄露损失，水泵水轮上冠和顶盖11处则无需开泄压平衡孔，可以提高水泵水轮机的运行效率。
21.本发明在具体使用时，具有水轮机和水泵两种运行工况，水轮机工况时，水流从一级蜗壳1-1进入，经一级水泵水轮机转轮3-1完成总水头的一半的能量转换，后经一级固定导叶2-1和一级活动导叶3-1，从一级水尾水管6-1排出，经连接管路10进入二级蜗壳1-2，后经二级固定导叶2-2和二级活动导叶3-2后，在二级转轮4-2内部完成剩余一半的能量转换后，从二级尾水管6-2排出，水泵工况时，水流流动是水轮机工况的逆过程，水流从二级尾水
管6-2吸入，经二级转轮4-2后从二级蜗壳1-2内经连接管路10进入一级蜗壳1-1内，后经一级水泵水轮机转轮3-1内完成能量逆转换后，经一级蜗壳1-1进水口压出。
22.本发明经实地试验，效果非常理想，具体资料如下：轴向力自平衡的两支点双挑两级串联可逆式水力发电机组用于储能试验台，设计水头为360m，流量为3000m3/h，采用轴向力自平衡的两支点双挑两级串联可逆式水轮机和异步发电电动机组，单机水泵水轮机设计水头为180m，机组卧式布置，可逆式双转轮叶栅按照水泵水轮机原理设计，一、二级水泵水轮机转轮均采用9个长叶片，机组配2240kw异步发电电动机，同步转速为1500r/min，调速器采用机械电动式结构，实验过程中机组运行稳定，储能转换效率达到0.65~0.75，机组采用卧轴布置方式，采用两组深沟球轴承和锂基脂润滑，运行中轴向水推力几乎被全部平衡，运行振动小，无叶区压力脉动小，高效区宽。
23.本发明结构紧凑，设计科学合理，与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、轴向力自平衡的两支点双挑两级串联可逆式水力发电机组结构新颖，两级水泵水轮机串级使用水头增加2倍，适应水头变化的能力更强，总水头高能大幅度降低建设投资，运行中轴向力自动平衡，运行稳定，机组容积损失小，效率高；2、机组仅有发电机两组轴承，另计水轮机呈“双挑”布置，结构紧凑，轴向尺寸短，电机两端与两级水泵水轮机通过台阶配合，对中精度高，口环间隙小，顶盖和上冠无需开减压平衡孔，容积损失小，效率高，机组采用卧轴整装布置方案，机组结构紧凑、安装方便，可以减少土建开挖量和现场安装工程量，降低电站工程投资；3、调速机构输出轴通过同步轴保持一致，机组运行工况一致，水推力平衡效果好，轴承受力小，采用滚动轴承和脂润滑，辅助系统少，布局灵活，充分适应小微型高水头抽水蓄能电站的要求，社会和经济效益显著。
24.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。