第五章 反击式水轮机的基本结构(一)

转轮上冠曲线形状
2．转轮叶片 叶片作用：直接将水能转换为机械能。 叶片断面形状为翼形，转轮叶片数的多少对水力 性能和强度有显著的影响，随比速Ns不同在9~21的 范围内：
混流式转轮比转速与叶片数关系表
Ns 叶片数
叶片上端与上冠相连，下端与下环连成一个整体。在其它尺 寸（如叶片厚度，叶型长度）不变的条件下，增加叶片数目会 增加转轮的强度和钢度。 因此当水轮机应用水头提高时转轮叶片数亦相应增加。
转动环和固定环 的截面为梳齿状， 两个环的截面形成 交错配合。当水流 经过梳齿时，转了 许多直角弯，增加 了水流阻力，使漏 水量减少。
水头H>200m
梳齿式
阶梯式迷宫
梳齿式止漏环的间隙为δ=1~2mm，平面间隙δ1=δ+h，h为 允许抬机的高度，一般取10~15mm。其缺点是止漏环与转轮的 同心度不易保证，间隙测量困难，安装不便，它一般与间隙式 止漏环配合使用。 阶梯式止漏环具有迷宫式及梳齿式止漏环的作用 D2/D1
4．泄水锥 泄水锥的作用：引导经叶片流道流出的水流迅速而顺畅 的向下渲泄，防止水流相互 撞击，以减少水力损失， 的向下渲泄，防止水流 提高水轮机效率。
外形呈倒锥体，结构型式有铸造和钢板焊接。 （1）里面空心，下面开口，以便排除通过止漏环的漏水及橡胶 导轴承的润滑水（有的转轮将泄水孔开在泄水锥的外侧）。 （2）主轴的中心补气和转轮顶盖补气。
4
D1 H max N
2
水轮机轴向力系数K与水轮机型号的关系
混流式水轮机转轮重量可按下式近似计算：
WR [0.5 0.025(10 D1 )]D
分瓣结构的转轮重量增加10%
3 1
t
主轴重量Ws的近似计算：
高水头混流式水轮机可取Ws=WR； 中水头混流式水轮机可取Ws=（0.4~0.5）WR ，（较低水头或大 机组取小值）； 对发电机与水轮机同一轴的机组，混流式可取 Ws=（0.7~0.8）WR
间隙式
迷宫式
梳齿式
阶梯式迷宫
1、止漏环的材料和固定方式 止漏环的材料一般采用ZG30或A3钢板，泥沙较多的电站采 用不锈钢。 止漏环的固定方式有直接车制和热套固定。 对一些水质干净，转轮尺寸较小的转轮，可以直接在上冠 和下环上车制迷宫环。 一般在整铸转轮上为考虑折卸方便，采用热套固定。 2、止漏环型式的选择 水头H<200m，采用间隙式、迷宫式止漏环。 水头H>200m，采用梳齿式、阶梯式止漏环。
顶盖和尾水管内有数条排水管相连，使上冠上面的漏水一部 分经排水管泄至尾水管，另一部分经转轮上的泄水孔排入尾水 管。自转轮泄水孔排入尾水管的漏水有的直接排至尾水管。 经转轮上的泄水孔排入尾水管，使转轮上面的压力降低，从 而减轻作用在转轮上的轴向推力。
四、转轮的加工制造
混流式转轮的结构型式主要是指上冠，叶片和下环三部 分的构造型式。 分为整铸转轮，铸焊转轮，组合转轮三种。 (1)整铸转轮 整铸转轮是指上冠，叶片和下环整体铸造而成的转轮。 整铸转轮当尺寸不大 时，它的生产周期短，成本 较低，且有足够的强度，所 以广泛采用。 缺点：容易产生铸造缺陷， 铸造质量不易保证，尤其当 转轮尺寸大时，需要铸造设 备的能力也大。
3、止漏环的安装 止漏环的间隙值不但影响止漏效果，影响机组效率，还会 对机组运行稳定性产生较大影响。 止漏环单边间隙一般可取转轮直径0.5/1000。 止漏环单边间隙表
混流式转轮止漏环间隙允许偏差
工作水头范围 ＜200m a1 a2 b1 b2 允许偏差（mm） 各间隙与实际平均间隙之差不应超过实际平均间隙的±20% 各间隙与实际平均间隙之差不应超过实际平均间隙的±10% 各间隙与设计间隙之差不应超过±0.20mm
3．转轮下环 下环作用： （1）增加转轮的强度和刚度； （2）与上冠形成过流通道。
下环形状及转轮出口直径D2对转轮出口附近的过水断面面积 影响很大，它影响转轮的过水能力及汽蚀性能。 低比转速水轮机的转轮下环呈曲线形，D2/D1值小于1，单位 过流量很小。由于叶片比较长，叶片单位面积上的负荷就比较 小，空化系数减少。 实践表明，对ns=60～120的低比转速转轮，D2/D1=0.6~0.7 时具有良好的汽蚀性能和效率。
FE F1 F2 F3 F4 ( N )
F1—转轮流道内水流作用产生的推力； F2—作用于转轮上冠因水压力产生的水推力； F3—作用于下环因水压力产生的推力； F4—浮力。
在实际设计中，往往用经验公式来计算作用于转轮的轴向推 力。对混流式水轮机有：
Ft 9.81 10 K
3

转轮：将水能转变成机械能的核心部件。 转轮直接决定水轮机的过流能力，水力效率，空蚀 性能，工况稳定性等工作性能。 要求转轮各部分应满足：水力设计的型线，有足够的 强度和刚度，制造的转轮应具备有抗空蚀损坏，耐泥 沙磨损的性能。 转轮由上冠，下环和叶片组成，一般混流式水轮机 有14~19个叶片。叶片、上冠和下环组成坚固的整体钢 性结构。转轮上冠与主轴的下法兰连接。泄水锥与上 冠连接，用于消除水流旋蜗。
Ns=60
Ns=265
Ns=400
Ns=60
Ns=265
比转速较高的混流式 转轮，下环通常采用具有 锥角的直线形。 锥角α越大出水截面 积越大，可提高过流能力 和改善汽蚀性能，但锥角 过大会引起脱流，使水力 损失增大效率下降。
Ns=106
Ns=325
Ns=190
Ns=400
（1）下环锥角α 加大则曲线均右 移，α角越大，曲 线右移越多。此时 最高效率移向较大 流量区域，而在小 于最优工况的低负 荷区效率下降。 转轮需长期在部 分负荷下工作，则 锥角α不宜太大， 以免平均的运行效 率下降。
二、止漏装置
止漏装置作用：减小转动部分与固定部分之间的漏水损失。 分为固定部分、转动部分。 为防止水流向上和向下漏出，水轮机上一般装有上、下两 道止漏环。上止漏环固定部分装在顶盖上，其转动部分装在 上冠上；下止漏环的固定部分一般装在底环上，转动部分装 在转轮的下环上。 止漏环结构型式有间隙式，迷宫式，梳齿式和阶梯式四种。
HL200-LJ-550水轮机剖面图 1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉；7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠； 10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承； 18—泄水锥；19—上，下迷宫环；20—减压孔
由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲 载荷大，因此导叶的相对高度与轴流式水轮机比较起 来做得短一些，以减小跨度。 一般导叶相对高度随水头增加而减小。 导叶和水轮机顶盖及底环之间的间隙及相邻导叶， 一般采用橡胶的或金属制成的密封件，使导水机构关 闭时的漏水量小。在高水头的水轮机中，有时采用专 门的管状密封装置，在关机时其内腔充以压缩空气， 能使端面完全密封。
由于水头和流量的不 同，混流式水轮机转轮形 状也各不相同。 水头愈高转轮叶片高度 减小，长度增加，水流在 转轮中愈趋于幅向流动； 随着工作水头降低，转轮 叶片变短，高度增加，水 流愈趋于轴流方向。 一般说水轮机适应水头 愈高，它的比数愈小。
Ns=190 Ns=400 Ns=106 Ns=325 Ns=60 Ns=265
第五章 反击式水轮机的基本结构
第一节 混流式水轮机的基本结构
混流式水轮机应用水头范围很广，从20~700m水头均可使用。 优点： 结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率 和较低的空蚀系数。 进水部件是具有钢板里衬的蜗壳； 座环支柱也称固定导叶，具有坚固 的上环和下环； 转轮四周布置着导水机构导叶； 座环的固定导叶数量通常为导叶数 一半。 导叶的开度：从导叶出口边端到相 邻导叶背部的最短距离。
1—α=3°；2—α=6°；3—α=13°
（3）下环锥角α的增加能使汽蚀系数下降，改善汽蚀性能。 原因： α 角加大后增加了转轮出口附近的过水截面积，降低了 流速而造成的。
不同下环锥角转轮的汽蚀系数与单位流量曲线 1—α=3°；2—α=6°
转轮下环锥角与比转速的关系
水头(m) 比转速 下环锥角
转轮出、进口直径比与比转速的关系
转轮密封：水轮机工作时，转轮前后的水流分别为高 压与低压，转轮后常形成真空，因此，水轮机工作时 有部分水流经过转动与不转动部件之间的间隙无益地 漏掉，从而使水轮机效率降低，为了减少流量漏损， 在转轮上冠和下环上安置多槽环即密封环。 密封原理：当水经过密封环空间时，受到突然扩大和 缩小的局部水力阻挡，产生水力损失，从而减小流 速，使通过缝隙的流量减小。 减压孔：联通转轮上腔和转轮下面的低压区，从而减 小由推力轴承承受的轴向推力。
叶片的厚度在流道中起排挤空间的作用，叶片数目 增加，必然减小过水断面面积，致使转轮的单位流量减 小。 试验表明，叶片数的改变不仅改变最优工况时的单 位流量，同时也改变出力限制线的位置。
叶片数不同时效率与单位流量的关系曲线 效 率 17 14 17 14 14 17
单位流量
叶片数Z1对汽蚀性能的影响没有一定规律。 增加叶片数目：在叶片长度不变的情况下，意味增加 转轮叶栅稠密度，即增加叶片的总面积，从而降低单 位面积叶片负荷，降低叶片正背面压差，这将改善汽 蚀性能。因混流式转轮叶栅的稠密度本来就较大，所 以因叶片数目增加使汽蚀得到的改善并不显著。同时 增加Z1，必然引起叶片对流道的排挤增加，流道中流速 增加，又使得空化性能变坏。 叶片数增加对汽蚀性能的影响要看哪个因素起主要 作用而定。
止漏效果差，但其与转轮 的同心度高，制造、安装方 便，抗磨损性能较好。在含 泥沙较多的电站采用间隙式 止漏环。迷宫式止漏环，与 转轮的同心度高，制造、安 装较方便。
水头H<200m
间隙式
迷宫式
当水从迷宫式止漏环间隙中流过时，由于局部阻力加大，使 压力降低，当水流到达沟槽部位时又突然扩大，进入下一个间 隙时又突然收缩，这种反复扩大、收缩的结果减低了水流压 力，使漏水量大大减少。