用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置及调节方法

1.本发明属于水力发电设备技术领域，具体涉及一种用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置及调节方法。


背景技术：

2.抽水蓄能电站，又称蓄能式水电站，是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。
3.抽蓄电站具有调峰填谷优点，能够快速开停机以及变负荷运行；但是频繁的开停机和小负荷运行会造成机组剧烈振动，影响机组安全稳定运行，减少机组工作寿命；甚至，在部分过渡过程会造成“抬机”现象；即机组丢失负荷时，尾水管压力骤降，水流以水泵工况倒流，产生巨大的反向轴向力，当轴向力增加到临界值后，机组转动部分被抬起一定的高度；在这一过程中，甚至会造成转轮叶片严重损伤，导致主轴连接处螺栓松动脱落，造成极大的安全事故。
4.当下常规连接方式是水轮机轴与发电机轴采用外法兰连接，法兰螺栓联接结构的性能是水轮发电机整体特性的重要组成部分,有时甚至成为结构整体破坏、失效的薄弱环节。在主轴周向，螺栓易发生剪切变形，在轴向，机组发生抬机现象时，在巨大的轴向力拉扯下，由于无缓冲，轴连接处螺栓易发生拉伸变形，造成螺栓松动甚至脱落，形成巨大的安全隐患。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置及调节方法，解决现有技术中在机组发生抬机现象时，外法兰连接方式因螺栓易松动甚至脱落，导致机组存在安全隐患的技术问题。
6.本发明解决其技术问题所采用的方案是：用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，包括套管和多个平键，水轮机轴的一端插设并固定在套管中；套管的侧壁上开设有多个第一长条孔，多个第一长条孔绕套管的中心线周向均匀分布，每个第一长条孔均与套管的中心线平行；每个第一长条孔的两端分别具有一个第二长条孔；每个第一长条孔和其两端的两个第二长条孔均呈工字形布置，每个第一长条孔均与其两侧的两个第二长条孔连通；每个第二长条孔中均安装有缓冲组件；发电机轴的连接端上开设有多个键槽，多个键槽绕水轮机轴的中心线周向均匀分布；水轮机轴和发电机轴连接后，发电机轴的连接端插设在套管中，每个平键分别嵌入相应的第一长条孔和键槽中，每个平键的两端分别与相应的缓冲组件接触。
7.通过设置套管、平键、第一长条孔和键槽，使水轮机轴和发电机轴在通过平键和键槽的配合进行连接，改进后的连接方式可以在周向上更好的传递力矩；通过设置缓冲组件和第二长条孔，当发生抬机现象时，轴向外力作用于缓冲组件上，利用缓冲组件的缓冲作用
减少振动，避免轴向外力直接作用于水轮机轴和发电机轴的连接处，因此，可以减轻抬机现象对机组的危害，相应的减少安全隐患。
8.进一步的是，缓冲组件包括第一底板、第二底板和至少一个缓冲单元；每个第二长条孔位于其长度方向上的两个侧壁，一个靠近第一长条孔，记为第一侧壁；另一个记为第二侧壁；第一底板和第二底板相互平行的插设在第二长条孔中，第一底板与第一侧壁平行且接触，第二底板与第二侧壁平行且接触；缓冲单元位于第一底板和第二底板之间，缓冲单元的两端分别与第一底板和第二底板连接。
9.进一步的是，每个缓冲组件中均设置两个缓冲单元，两个缓冲单元以第一长条孔位于其长度方向上的中心线为对称轴对称设置；每个缓冲单元包括第一套管和第二套管；第一套管固定在第一底板靠近第二底板的一面；第二套管固定在第二底板靠近第一底板的一面；第一套管和第二套管之间设有一根轴芯；轴芯的两端分别插设在第二套管和第一套管中；轴芯上套设有弹簧，弹簧的两端分别与第二套管和第一套管接触。
10.通过设置第一底板、第二底板、第一套管和第二套管，用于安装轴芯和弹簧；其中轴芯用于限位弹簧，使弹簧能够沿轴芯的长度方向伸缩。
11.进一步的是，缓冲单元还包括碟簧，碟簧位于第二套管中，碟簧的两端分别与轴芯和第二底板接触。
12.通过设置碟簧，可以进一步增加缓冲组件的减振效果。
13.进一步的是，第二套管的高度是碟簧长度的2倍，碟簧的高度和第一套管的长度相同。
14.通过上述限制，使轴芯的两端不会脱离第一套管和第二套管。
15.第一长条孔、平键和键槽的数量均为6个，缓冲组件和第二长条孔的数量均为12个。
16.通过上述限制，使发电机轴的连接端，每隔60
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布置一个键槽和与之对应的平键，使水轮机轴和发电机轴连接时，在周向上通过6个平键连接。
17.进一步的是，水轮机轴和套管一体成型。
18.基于上述用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置的调节方法，包括如下步骤：步骤一、将发电机轴的一端插设于套管中，然后将每个平键嵌入相应的第一长条孔和键槽中，在每个第二长条孔中安装一个缓冲组件，将水轮机轴和发电机轴连接起来；平键的两端分别与相应的缓冲组件接触；步骤二、当抽水蓄能电站水轮机组发生抬机产生振动时，反向轴向力大于机组转动部分总重量，机组转动部分被抬起一定高度，即发电机轴静止，水轮机轴向发电机轴方向移动，靠近电机轴一侧的缓冲组件底受到挤压，对应侧的弹簧处于压缩状态；此时，第二底板紧贴第二侧壁，碟簧被轴芯压缩，套在轴芯周侧的弹簧受第一套管和第二套管组合压缩；当机组转动部分回落时，远离电机轴一侧的缓冲组件处于压缩状态，压缩过程同上所述，缓冲过程减小轴向冲击力。
19.本发明的有益效果：1、通过设置套管、平键、第一长条孔和键槽，使水轮机轴和发电机轴通过平键和键槽的配合进行连接，改进后的连接方式可以在周向上更好的传递力矩。
20.2、通过设置缓冲组件和第二长条孔，当发生抬机现象时，轴向外力作用于缓冲组件上，利用缓冲组件的缓冲作用减少振动，避免轴向外力直接作用于水轮机轴和发电机轴的连接处，因此，可以减轻抬机现象对机组的危害，相应的也会减少了安全隐患。
附图说明
21.图1显示了本发明的整体结构示意图。
22.图2显示了水轮机轴和套管的连接关系示意图。
23.图3显示了发电机轴和平键的连接关系示意图。
24.图4显示了缓冲组件的结构示意图。
25.图5显示了缓冲单元的整体结构示意图。
26.图中零部件、部件及编号：发电机轴1、第二长条孔11、第一长条孔12、套管13、水轮机轴2、平键21、缓冲组件3、第一底板31、第一套管311、弹簧32、轴芯33、碟簧34、第二底板35、第二套管351、缓冲单元36。
实施方式
27.下面给出发明的具体实施方法，并结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
28.如图1、图2、图3和图4所示，一种用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，包括套管13和6个平键21，水轮机轴2的一端插设并固定在套管13中，且一体设置；套管13的侧壁上开设有6个第一长条孔12，6个第一长条孔12绕套管13的外壁周向均匀分布，每个第一长条孔12均与套管13的中心线平行；每个第一长条孔12的两端分别具有一个第二长条孔11；每个第一长条孔12和其两端的两个第二长条孔11均呈工字形布置，每个第一长条孔12均与其两端的两个第二长条孔11连通。发电机轴1的连接端上开设有6个键槽，6个键槽绕发电机轴1的外壁周向均匀分布；水轮机轴2和发电机轴1连接后，发电机轴1的连接端插设在套管13中，每个平键21分别嵌入相应的第一长条孔12和键槽中，每个平键21的两端分别与相应的缓冲组件3接触，缓冲组件3安装在对应的第二长条孔11中。
29.在本实施例中，发电机轴1的连接端插设在套管13中时，水轮机轴2和发电机轴1不接触，之间存在间隙。
30.如图5所示，缓冲组件3包括第一底板31、第二底板35和缓冲单元36；每个第二长条孔11位于其长度方向上的两个侧壁，其中靠近第一长条孔12的一侧，记为第一侧壁；远离第一长条孔12的一侧记为第二侧壁；缓冲组件3插设在第二长条孔11中后，第一底板31与第一侧壁平行且接触，第二底板35与第二侧壁平行且接触；缓冲单元36位于第一底板31和第二底板35之间，缓冲单元36的两端分别与第一底板31和第二底板35连接。
31.在本实施例中，第二长条孔11由于开设在套管13的周向上，所以第二长条孔11沿其宽度方具有一定曲率。
32.在本实施例中，每个第二长条孔11位于其宽度方向上的两个侧壁上，分别设置有滑槽；每个滑槽均与套管13的轴线方向平行；第一底板31和第二底板35的两端均固定有滑块，滑块滑动设置在滑槽中；通过设置滑槽和滑块，用于限定第一底板31和第二底板35的移动方向或位置，避免缓冲组件3脱离第二长条孔11，同时滑槽中预留有用于安装滑块的缺口，当滑块安装在滑槽中时，可以封闭缺口。
33.如图5所示，每个缓冲组件3中均设置两个缓冲单元36，两个缓冲单元36以相应第一长条孔12位于其长度方向上的中心线为对称轴对称设置；每个缓冲单元36包括第一套管311和第二套管351；第一套管311固定在第一底板31靠近第二底板35的一面；第二套管351固定在第二底板35靠近第一底板31的一面；第一套管311和第二套管351之间设有一根轴芯33；轴芯33的两端分别活动式插设在第二套管351和第一套管311中；轴芯33上套设有弹簧32，弹簧32的两端分别与第二套管351和第一套管311抵触。
34.在本实施例中，第一底板31、第二底板35和缓冲单元36均位于第二长条孔11中，避免相应的部件伸出第二长条孔11，当第一底板31和第二底板35有部分伸出或伸入套管时，可以将相应部分的板切割。
35.在本实施例中，轴芯为具有伸缩功能的伸缩杆，该伸缩杆包括多个伸缩节，以实现伸缩。
36.在其他实施例中，轴芯可以由弹性材料制成，如聚氨酯缓冲器，以实现伸缩功能。
37.缓冲单元36还包括碟簧34，碟簧34位于第二套管351中，碟簧34的两端分别与轴芯33和第二底板35接触。
38.在本实施例中，碟簧34的一端固定在第二底板35上，另一端和伸缩杆（即轴芯33）的安装端连接，弹簧32套设在伸缩杆上，伸缩杆的伸缩端固定在第一底板31上。
39.第二套管351的长度是碟簧高度的2倍，碟簧34的高度和第一套管311的长度相同。
40.当平键作用于第一底板31时，碟簧和弹簧因受外力而压缩变形，因此碟簧和弹簧具发生形变，起到缓冲作用，可以减少振动，避免轴向外力直接作用于水轮机轴和发电机轴的连接处。
实施例
41.基于上述用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置的调节方法，包括如下步骤：步骤一、将发电机轴的一端插设于套管中，然后将每个平键嵌入相应的第一长条孔和键槽中，在每个第二长条孔中安装一个缓冲组件，将水轮机轴和发电机轴连接起来；平键的两端分别与相应的缓冲组件接触；步骤二、当抽水蓄能电站水轮机组发生抬机产生振动时，反向轴向力大于机组转动部分总重量，机组转动部分被抬起一定高度，即发电机轴静止，水轮机轴向发电机轴方向移动，靠近电机轴一侧的缓冲组件底受到挤压，对应侧的弹簧处于压缩状态；此时，第二底板紧贴第二侧壁，碟簧被轴芯压缩，套在轴芯周侧的弹簧受第一套管和第二套管组合压缩，缓冲组件3的压缩过程使得水轮机轴2冲力减小，避免抬机冲击发电机部分，造成发电机部分损坏。
42.当机组转动部分回落时，远离电机轴一侧的缓冲组件处于压缩状态，压缩过程同
上所述，缓冲过程减小轴向冲击力，避免传统主轴外法兰连接方式螺栓损坏或脱落，杜绝了安全隐患。
43.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，其特征在于，包括套管（13）和多个平键（21），水轮机轴（2）的一端插设并固定在套管（13）中；套管（13）的侧壁上开设有多个第一长条孔（12），多个第一长条孔（12）绕套管（13）的外壁沿周向均匀分布，每个第一长条孔（12）均与套管（13）的中心线平行；每个第一长条孔（12）的两端分别具有一个第二长条孔（11）；每个第一长条孔（12）和其两端的两个第二长条孔（11）均呈工字形布置，每个第一长条孔（12）均和其两端的两个第二长条孔（11）连通；每个第二长条孔（11）中均安装有缓冲组件（3）；发电机轴（1）的连接端上开设有多个键槽，多个键槽绕水轮机轴（2）外壁沿周向均匀分布；水轮机轴（2）和发电机轴（1）连接后，发电机轴（1）的连接端插设在套管（13）中，每个平键（21）分别嵌入相应的第一长条孔（12）和键槽中，每个平键（21）的两端分别与相应的缓冲组件（3）接触。2.根据权利要求1所述的用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，其特征在于，所述缓冲组件（3）包括第一底板（31）、第二底板（35）和至少一个缓冲单元（36）；每个第二长条孔（11）沿其长度方向上的两个侧壁中，靠近第一长条孔（12）的一个记为第一侧壁；另一个记为第二侧壁；所述第一底板（31）与第一侧壁平行且接触，第二底板（35）与第二侧壁平行且接触；缓冲单元（36）位于第一底板（31）和第二底板（35）之间，且两端分别与第一底板（31）和第二底板（35）连接。3.根据权利要求2所述的用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，其特征在于，每个缓冲组件（3）中均设置两个缓冲单元（36）；每个缓冲单元（36）包括第一套管（311）和第二套管（351）；第一套管（311）固定在第一底板（31）靠近第二底板（35）的一面；第二套管（351）固定在第二底板（35）靠近第一底板（31）的一面；第一套管（311）和第二套管（351）之间设有一根轴芯（33）；轴芯（33）的两端分别插设在第二套管（351）和第一套管（311）中；轴芯（33）上套设有弹簧（32），弹簧（32）的两端分别与第二套管（351）和第一套管（311）接触。4.根据权利要求3所述的用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，其特征在于，所述缓冲单元（36）还包括碟簧（34），碟簧（34）位于第二套管（351）中，碟簧（34）的两端分别与轴芯（33）和第二底板（35）接触。5.根据权利要求4所述的用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，其特征在于，所述第二套管（351）的长度是碟簧（34）高度的2倍，碟簧（34）的高度和第一套管（311）的长度相同。6.根据权利要求5所述的用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，其特征在于，所述第一长条孔（12）的长度等于平键（21）的长度。7.根据权利要求6所述的用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，其特征在于，所述第一长条孔（12）、平键（21）和键槽的数量均为6个，缓冲组件（3）和第二长条孔
（11）的数量均为12个。8.根据权利要求7所述的用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置，其特征在于，所述水轮机轴（2）和套管（13）一体成型。9.基于权利要求1-8中任一项所述用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置的调节方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将发电机轴的一端插设于套管中，然后将每个平键嵌入相应的第一长条孔和键槽中，在每个第二长条孔中安装一个缓冲组件，将水轮机轴和发电机轴连接起来；平键的两端分别与相应的缓冲组件接触；步骤二、当抽水蓄能电站水轮机组发生抬机产生振动时，反向轴向力大于机组转动部分总重量，机组转动部分被抬起一定高度，即发电机轴静止，水轮机轴向发电机轴方向移动，靠近电机轴一侧的缓冲组件底受到挤压，对应侧的弹簧处于压缩状态；此时，第二底板紧贴第二侧壁，碟簧被轴芯压缩，套在轴芯周侧的弹簧受第一套管和第二套管组合压缩；当机组转动部分回落时，远离电机轴一侧的缓冲组件处于压缩状态，压缩过程同上所述，缓冲过程减小轴向冲击力。

技术总结
本发明公开了一种用于抽水蓄能电站的水轮机轴和发电机轴连接装置及调节方法，包括套管和多个平键，水轮机轴的一端固定在套管中；套管的侧壁上开设有多个第一长条孔，多个第一长条孔绕套管的中心线周向均匀分布，每个第一长条孔均与套管的中心线平行；每个第一长条孔的两侧分别具有一个第二长条孔；每个第一长条孔和其两侧的两个第二长条孔均呈工字形布置，每个第一长条孔均与其两侧的两个第二长条孔连通；每个第二长条孔中均安装有缓冲组件；水轮机轴的连接端上开设有多个键槽，多个键槽绕水轮机轴的中心线周向均匀分布。利用缓冲组件的缓冲作用减少振动，避免轴向外力直接作用于水轮机轴和发电机轴的连接处，可以减轻抬机现象对机组的危害。象对机组的危害。象对机组的危害。


技术研发人员：孔令华 姜爱军 张涛 郑宏用 张玉全 李向阳 谭信 郑源 李思原 杨启瑞 覃海龙 郭绘娟 任慎明
受保护的技术使用者：国网新源控股有限公司 河海大学
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/5/26