混流式水轮机轴向水推力计算公式研究
混流式水轮机轴向水推力的模型试验研究
《 节 能 技 术 》
ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨ ＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ１．３４，Ｓｕｍ ．Ｎｏ．１９５ Ｊａｎ．２０１６，Ｎｏ．１
混 流 式 水 轮 机 轴 向水 推 力 的模 型试 验 研 究
刘 文杰 。秦坤 涛 ，徐 用 良 ，王 磊 （哈 尔滨 电机 厂有 限责任 公 司 ，黑龙 江 哈 尔滨 １５００４０）
摘 要 ：为 了研 究试 验 工况及 试验 条件 对 混流 式 水轮 机模 型 转轮 轴 向水推 力 的影响 ，特别是 对 用于模 型和 原 型之 间进行 换 算 的单位 轴 向水动 力 的影 响 ，采 用静 态压 力传 感 器测 量模 型 转轮 各 部 分 的 受 力 ，并将 转轮 作 为一 个控 制体 的理 论 分析 方 法 ，通过 改 变试 验 水 头 、空 化 系数 、导 叶 开度 、单 位 转速 等 试验 参数 的 方式进 行 了模 型试验 。试验 结 果表 明 ：转轮 各部 分 受 力相 对 于初 始 试 验 条件 基 本 上呈 线性 变化 ；而转轮 各部 分 的单位 受 力均 与单位 转速 无 关 ，但 与其 他试 验条 件有 关 。 当空化 系数 不 变时 ，单位 轴 向水动 力 不随试 验 水 头变化 ，从 试 验 的 角度 验证 了轴 向力水动 力从模 型 到原 型 相 似换 算是 合 理 的 。
· ９１ ·
近 年来轴 向力模 型 试 验结 果 ，提 出较 正确 的原 型 轴 向力 计算 方 法 。高校 教 材 ＿６ 中给 出 了轴 向 力 的 理 论计 算公 式 ，文 献 ［７］在 水 力 设 计 和 结 构设 计 的基 础上 ，通过 理论计 算 分 析 较精 确 地 计算 出转 轮 的 轴 向水 推力 。其他 学 者 也对 轴 流 、可 逆式 等 其 他 类 型 转轮 的轴 向 力进 行 了研 究 ＿８ 。本 文 从 一 个 新 的
水轮机模型转轮轴向水推力试验方法研究
５ ｒｒｉ－９ ｒｍｉ，导 叶开 度 间隔 为 ２ ，单 ０／ ｎ ０／ ｎ ａ 。 位 转 速 间 隔 为 ５／ ｉ 行 布 点 ，通 过 调 节 ｒｒ ｎ进 ａ
测功机 的 转 速和 改 变导 叶开 度 调 整 工 况 点 ，
图 ３ 待 意器标 定装置 示意 图
当工况稳 定时 ，通过计 算 机对 各工 况 点包括 轴 向水推 力在 内 的各项 参 数 进行 采集 ，在此 基础上计 算 出单位水 推力 系数 并绘 制 在综合
维普资讯
《 东方 电机 ｝ ０ ２年 第 ３ ２０ ０卷 第 ｌ期
水 轮 机 模 型 转 轮 轴 向 水 推 力 试 验 方 法 研 究
万 兵 韩子 春 房 建 华
摘要
本 文 分 析 了水 轮 机 模 型 转 轮 轴 向 水推 力 的传 递 路 径 ，描 述 了 电 刹 法 测 定 水轮
验方法 的研 究。 ２ 试 验 原理 圉 １ 轴 向 水推 力 试 验 蓑 置 试 验 圈
在 东 方 电 机 股 份 有 限 公 司ＤＦ一２ ８水 力
与 核 工 业 部 第 九 研 究 设 计 院 共 同 研 制 开 发 的
机 械 试 验 台 上 ．安 装 着 水 布 垭 水 电 站 水 轮 机 模 型 。 该 机 组 为 立 轴 混 流 式 模 型水 轮 机 ，水 轮机 轴装在 新研制 的转动 部件 中 （ 图 １ 。 见 ） 转动 部 件 固定 在水 轮 机模 型 的顶 盖上 。水 轮 机 运行 时 ，转 轮 受 到水 推 力 作用 ，水 推力 可 分 解 为轴 向水推 力 和径 向水 推力 （ 图 ２ 。 见 ） 轴 向水 推 力 经 过 水 轮 机 轴 传 递 到 推 力 轴 承 。作 用到 转 动 部 件 外 套 ，再 通 过 顶 盖 、蜗 壳 传 递 到 试 验 台 的 立 柱 上 。经 向 水 推力 则作 用 到 转 动 部 件 的 径 向轴 承 上 。 为 了 测定 水 轮 机 的 轴 向水 推 力 ．我 们 在 转 动 部 件 中安 装 了
中小型混流式、轴流式水轮机模型参数及型谱表
， n1 (r/min)
20
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18
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68
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76 78 80
30 32
85
10
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0.04
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Ao=8
σ =0.03
86 87 88
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0.05
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91
92 92.8%
90
.5
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Ao=8
σ =0.03
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600
700
800
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1000
1100
δ =
60
55
600
700
800
900
1000
1100
模型转轮综合特性曲线
90
80
70
η = 60
δ
50
40
100
120
140
160
180
200
A244-35 转轮综合特性曲线
110
7 80 8
100
7 74 2 76
A244-35 转轮综合特性曲线
转轮综合特性曲线
δ =
δ =
δ =
δ =
η =
400
450
500
550
600
650
700
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24.0
27.0
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33.0
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500
600
报告-轴向水推力计算
1 轴向水推力的计算表1如图1所示，混流可逆式水轮机转轮轴向水推力F w(方向向下为正)的构成可描述[1]为：F w=F1-F2-F3-F4F1=F11+F12+F13+F14F2=F21+F22+F23F3=F31+F32F4=F41+F42式中：F1—转轮上冠上表面所受轴向水推力，向下为正；F2—转轮下环外表面所受轴向水推力，向上为正；F3—转轮进、出口所受轴向水推力，向上为正；F4—转轮内腔流道表面所受轴向水推力及转轮在水中浮力，向上为正；F11—上止漏环外侧高压腔上冠上表面所受轴向水推力；F12—上止漏环齿槽处上冠上表面所受轴向水推力；F13—上止漏环内侧低压腔上冠上表面所受轴向水推力；F14—主轴密封腔内法兰盘上表面所受轴向水推力；F21—下止漏环外侧高压腔下环外表面所受轴向水推力；F22—下止漏环齿槽处下环外表面所受轴向水推力；F23—下止漏环内侧低压腔下环外表面所受轴向水推力；F31—转轮进口断面所受轴向水推力；F32—转轮出口断面所受轴向水推力；F41—转轮内腔流道(包括叶片)表面所受轴向水推力；F42—转轮在水中浮力。
轴向水推力的计算采用两种方法。
F3和F4采用ANSYS CFX软件数值模拟计算得到，而转轮上冠和下环水体计算域由于尺寸太小，采用数值模拟方法无法准确计算出结果，所以F1和F2采用解析计算方法得到。
1.1 转轮轴向水推力的解析计算(1) F11，F13，F14和F21，F23的求解转轮上冠上表面或下环外表面所受轴向水推力的公式[1]如下：F ij=π{[p0−ρ2(πK0nr030)2](r22−r12)+ρ(πK0n30)2r24−r144}式中：Fij—所求轴向水推力(即F11，F13，F14和F21，F23)(N)；r0，p0—已知点处的半径(m)和静压力(Pa)；ρ—水的密度(kg/m3)；n—转轮转速(RPM)；r1，r 2—对应腔体内、边界处的半径(m)；K—圆周速度系数，一般取0.5。
混流式水轮机结构
Q11 ，同时也改变出力限制
线的位置。图 2-6 说明了上述分析。 表 2-1 混流式转轮的叶片数与比转速的关系
图 2-6
叶片数不同时的
n f (Q11 ) 曲线
叶片数对汽蚀性能的影响没有一定规律。在叶片长度 L 不变的情况下，增加
Z 1 意味增
L 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 L Z 面压差，这将改善汽蚀性能。但因混流式转轮叶栅的 本来就较大，所以因 1 增加使汽蚀
Q
N 曲线
图 2-8
不同下环锥角转轮的
Q11 曲线
f (Q11 )和 f ( N11 ) 均右移， 角越大，曲线右移 （1）下环锥角 加大则曲线
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。因而转轮 需长期在部分负荷下工作，则锥角 不宜太长，以免平均的运行效率下降。 （2）下环锥角 由 3°增加到 6°时，在实际上不改变水轮机最高效率情况下可使转
式水轮机轴面投影，一般来说水轮机适应水头愈高，它的比数愈小，不同比转速的转轮其形 状是不同的。
图 2-3 不同比转速的混流式水轮机轴面投影 不管什么形状的混流式水轮机，其转轮基本上由上冠、下环、叶片、上下止漏装置，泄 水锥和减压装置组成，图 2-4 是混流式转轮结构示意图。
图 2-4 混流式转轮示意图 1— 压装置；2、6—止漏环；3—上冠；4—叶片；5—泄水锥；7—下环 1．转轮上冠 转轮上冠的作用除了支承叶片外，还与下环构成过流通道。上冠形似圆锥体，其上部中 间为上冠法兰，此法兰的上面与主轴相连，其下面固定泄水锥，在上冠上固定有均匀分布的 叶片。在上冠法兰的外围开有几个减压孔，在其外侧面装有减压装置。上冠流线可以做成直 线形和曲线形两种，如图 2-5 所示。直线型上冠具有较好的工艺性，但其效率特别是在负 荷超过最优工况时低于曲线型上冠。 此外采用曲线型上冠可增加转轮流道在出口附近的过水
数据统计下的混流式水泵水轮机主要参数计算方法
第39卷第4期水电站机电技术Vol.39No.42016年04月Mechanical &Electrical Technique of Hydropower StationApr.2016收稿日期：2016-02-03作者简介：孔凡瑞（1980-），男，高级工程师，从事水轮机设计工作。
数据统计下的混流式水泵水轮机主要参数计算方法孔凡瑞，张树邦，王威（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040）摘要：混流式水泵水轮机要在水泵和水轮机两个方向运行，电站前期论证工作中很难有恰好合适的转轮与给定电站参数完全匹配。
通过对以往抽水蓄能电站机组参数的统计，归纳总结出系列公式，在未获得与电站参数相匹配模型转轮条件下给出机组主要参数合理范围，并为电站模型开发提供方向性保障。
关键词：混流式水泵水轮机；参数选择；数据统计中图分类号：TK734文献标识码：A文章编号：1672-5387（2016）04-0001-05DOI：10.13599/ki.11-5130.2016.04.0011引言随着国内电力系统发展到一定阶段，电力系统对电网的调节性能和品质要求越来越高，尤其是国内核电的发展，对电力系统中调峰调频、备用容量、削峰填谷容量等需求越来越大，而国内抽水蓄能机组容量在电力系统中所占比例却远没有达到推荐的合理范围。
2000年后，我国开始加快了抽水蓄能电站建设速度，已经兴建了多个高水头、大容量混流式抽水蓄能电站，并有大量抽水蓄能电站进入可行性研究阶段，并陆续开工建设，如河北丰宁、吉林敦化、黑龙江荒沟、安徽金寨、山东沂蒙、河南天池等抽水蓄能电站，都已进入招标或即将进入招标阶段。
因此，在抽水蓄能电站快速发展的当下，快速并准确得到机组主要参数对于设计和机组生产制造单位来说至关重要。
根据水泵水轮机自身技术特点知道，机组水泵工况和水轮机工况下机组各运行参数有较大差异。
对于给定水头、机组容量和机组转速下特定电站，一般很难找到已有的模型与之相恰好匹配，需要根据电站实际参数重新开发新转轮模型。
2012水轮机作业
第一章 绪论（一）选择题1．水轮机的工作水头是（ ）。
（A ）水电站上、下游水位差 （B ）水轮机进口断面和出口断面单位重量水流的能量差2．水轮机的效率是（ ）。
（A ）水轮发电机出力与水流出力之比 （B ）水轮机出力与水流出力之比3．反击式水轮机是靠（ ）做功的。
（A ）水流的动能 （B ）水流的动能与势能4．冲击式水轮机转轮是（ ）。
（A ）整周进水的 （B ）部分圆周进水的5．喷嘴是（ ）水轮机的部件。
（A ）反击式 （B ）冲击式（二）填空题1．水电站中通过 ____________能转变成旋转机械能，再通过____________把旋转机械能转变成电能。
2．水轮机分为 _____________ 和 _____________两大类。
3．轴流式水轮机分为_____________ 和 _____________两种。
4．水轮机主轴的布置形式有_____________和_____________两种。
5．冲击式水轮机有_____________、_____________ 和_____________三种。
（三）问答题1.水轮机有哪些类型?划分类型的依据是什么?各类水轮机的适用范围是什么？2.混流式与轴流式水轮机主要不同点有哪些？其适用范围有什么不同？3.简述各类水轮机转轮区水流的流动与转轮的结构特点。
4.水轮机的基本工作参数有哪些？有何含义？它们的代表符号和单位是什么？5.反击式与冲击式水轮机各有哪些过流部件?各有何作用?6.水电站和水轮机的特征水头都有哪些？它们之间有何区别？7．冲击式水轮机的特点是什么？类型有哪些？试说明冲击式水轮机适合高水头的原因？8．反击式和冲击式水轮机在能量转换上有何区别？9．贯流式水轮机的特点是什么？类型有哪些？10．灯泡贯流式水轮机有哪些优点？简述灯泡贯流式水轮机基本组成部分。
11．灯泡贯流式机组的布置形式有几种，各自的适用条件是什么？12．灯泡贯流式机组与立式机组有何区别，相比较其优点是什么？13．喷管的作用是什么，其型式有几种？折向器和分流器的作用是什么，二者有何区别？14.水轮机的型号如何表示?各部分代表什么意义?15．解释水轮机型号： HL160-LJ-520、 ZZ560-LH-800、GD600-WP-250、2CJ30-W-120/2×10。
第五章_水轮机的特性曲线
• ③ 以n11为横坐标，以Q11为纵坐标绘一直角坐标 系，并在其中绘出各导叶开度的等开度线，将② 中所得到的各交点按其n11 、 Q11值绘到坐标图中 相应的等开度线上，将各点连成光滑曲线，即得 到相应于所取得效率值的一条等效率曲线。
4. 水轮机的空化特性与水轮机的nS有关，同时与水轮机的工况有 关，一般在最优工况附近空化系数较小，大流量时空化系数大， 小流量和低水头时，由于偏离设计工况而产生脱流，空化往往 也会很严重。
5. 固定叶片水轮机在部分负荷时存在一个振动区，是由于空腔空 化所造成，振动区一般在40%～55%开度范围。
水轮机特性曲线的意义
由空化系数线换算，方法同等效率线。
HＳ
ＨＳ＝－１
n11
(H) H
Q11
Pr
ＨＳ＝－１
Pr
二、转桨式水轮机运转特性曲线换算与绘制
取n11=常数线与等φ角线的交点作计算点，计算交 点效率、出力，绘制η＝f(p)曲线．
n11
5o 0o
5o 等叶片转角线
常数线
0.5 0.6
0.7
１２３４５
0.5 0.6
0.7
a 14 18
22
等开度线 26
Q11
第三节水轮机运转综合特性曲线
• 原型水轮机的运转综合特性曲线是转轮直径和转速为常数时，以水头
H、出力P为纵横坐标作出的等效率线、等吸出高度线以及出力限制
线。
模型综合特性曲线—〉原型运转综合
； n11 H ；ηm η； Q11—＞P σ—＞HS
角固定值时定桨特性曲线
中小型立式混流式水轮机轴承分析及应用
作者简介 ：刘会平（ １ ９ ６ ９ 一） ，女，工程师，研究方向：水轮机设计。
机 电技 术 时带 走 热量 ，热水 经排 水管 道流 入集 水井 或排入 尾水 中 。机组 运行 时润 滑水 是不 允许 中断 的 ，这
样才 能满 足轴承 的运 行 需要 。
２ ０ １ ３ 年８ 月
”＝ ”＝— — ６ Ｏ （ ｍ／ ｓ ） ｌ
式中： 一 一 瓦面 圆周速 度 ，ｒ ／ ｍｉ ｎ ： ， ｌ ～ 一 主轴 转速 ，ｒ ／ ａｉ ｒ ｎ ：
— —
轴 承 内径 ，ｍ ｉ ｌ ｌ 。
整好的水轮发 电机组转动部件轴线的位置 ，保持 水 轮发 电机 组在 各种 工 况下 运 行时 的稳 定性 。
２ ． ３ 循环 方式 电站清 洁水 源 引 出的润 滑水 经水 管不 间断 地
悬浮物质不允许超过 ０ ． １ ｇ ／ Ｌ ；二是要求橡胶瓦面 圆周速 度 ＜ １ ２ ｒ ｒ ｄ ｓ 。
瓦面 圆周速 度 为 ：
流入轴承的润滑水箱，使润滑水箱注满水 ，润滑 水箱中的水经橡胶轴瓦上水槽，由于主轴的旋转 使橡胶瓦水槽中的润滑水与主轴一起旋转 ，并流 经整个瓦面，使主轴与轴 瓦之间的润滑 良好，同
稀 油 润 滑 油 浸 式 分 块 瓦 轴 承 ；稀 油 润 滑 带 有 转
动 油 盆 、毕 托 管 上 油 方 式 的轴 承 。 福 建 南 电股
用螺钉把合在轴承体上。润滑水箱上部采用橡胶 平 板密 封 ，便于 检修 与维 护 。图 ｌ 是 水润 滑 的橡 胶轴 承 的典 型结 构 。 性 能 ：橡胶 轴 瓦具有 一 定 的吸振 作用 ，并 且
橡 胶轴 瓦布 置 在离 转轮 位置 较近 ，从 而提 高水 轮 发 电机 组运 行 的稳 定性 。不 足是 橡胶 轴 瓦易 随温 度变 化 ，摆度 变化 大 ，刚 性不如 油轴 承 。
飞逸
机组飞逸特性的分析
1、飞逸的定义（实质） 、飞逸的定义（实质） 2、飞逸的动力学分析 、 3、飞逸特性曲线 、 固定叶片水轮机 转桨式水轮机 4、飞逸特性与机型、比转速的关系 、飞逸特性与机型、
1、空气动力翼型的特性 、
0升力角 0升力角=－（４ｏ～８ｏ）
Ｃｙ，Ｃｘ
升力系数
阻力系数
－４ｏ
０ｏ
０升力角
正确定义
当水轮机突然丢弃全部负荷，发电机输出功率为零时， 当水轮机突然丢弃全部负荷，发电机输出功率为零时， 此时如调速机构失灵或其他原因使导水叶不能关闭， 此时如调速机构失灵或其他原因使导水叶不能关闭，则水 轮机转速迅速升高。转速升高导致机械摩擦损失的增大， 轮机转速迅速升高。转速升高导致机械摩擦损失的增大， 同时使水轮机中的流态变坏，转轮所发生的功率大大降低。 同时使水轮机中的流态变坏，转轮所发生的功率大大降低。 当转轮所产生的功率与转速升高产生的机械摩擦损失能量 当转轮所产生的功率与转速升高产生的机械摩擦损失能量 相平衡时，转速达到某一稳定最大值。 相平衡时，转速达到某一稳定最大值。
3、固定叶片水轮机飞逸
0升力角 △u △u+
ao ↑
u+
0升力角
ao
n11 R
ao↑ nR ↑
ao
4、转桨式水轮机的飞逸特性
桨叶与导叶的协联： 桨叶与导叶的协联：导叶开度增大时叶片角度 增大
ao ↑ ↑ ao ↓ ↓
1)转桨式水轮机桨叶与水头的协联 转桨式水轮机桨叶与水头的协联 水头增大时叶片角度增大
水轮机的飞逸特性
飞逸现象： 飞逸现象： 当由于某种原因， 当由于某种原因，水轮发电机组突然甩掉部分或 全部负荷，而导水叶又不能紧急关闭时， 全部负荷，而导水叶又不能紧急关闭时，水轮机 的转速会升高到某一数值，即飞逸转速。这种现 的转速会升高到某一数值，即飞逸转速。 象称作机组的飞逸。 象称作机组的飞逸。 飞逸的危害： 飞逸的危害： 1）转速升高，离心力超过机组允许值，形成破 ）转速升高，离心力超过机组允许值， 坏。2）与机组固有频率重合，形成共振。 ）与机组固有频率重合，形成共振。
《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》国际标准项目研究
682019.05.DQGYSTANDARDIZED SYNTHESIS ‖标准化综合一、混流式水轮机发展及国内外技术情况分析水电开发是世界上许多快速经济增长体的增长战略的重要组成部分，在全球100多个国家都有水电开发，约占全球电力生产的16.4%。
水力发电占全球储能能力的95%以上。
根据国际水电协会（IHA）的数据，2017年，全球新增装机容量达219GW，中国再次占据了新调试项目的最大份额。
个体增长最大的五个国家分别是中国（9.1GW）、巴西（3.4G W ）、印度（1.9G W ）、葡萄牙（1.1G W ）和安哥拉（1.0GW）。
目前，全球总装机容量已达1267千兆瓦，清洁电力约为4185太瓦时（tWh），占可再生能源发电量的三分之二。
目前全球有100多个抽水蓄能水电项目正在建设中，总容量约为75GW。
到2030年，这些项目将使现有全球存储容量增加50%，达到近225GW。
根据能量转换的特征，水轮机分为反击式和冲击式两种。
反击式水轮机的水流体动能和势能发生变化，而冲击式水轮机仅利用水流的动能发生变化。
在水电站中，反击式水轮机中的混流式水轮机由于适应水头和流量范围广、结构简单、运行稳定、效率高等特点，在建设水电站已经使用的水轮机中占有比重很大。
当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向《混流式水轮机压力脉动换算的技术规范》 国际标准项目研究每年出口产品在5亿美元左右。
作为世界上水力发电的大国，中国在混流式水轮机从模型机到原型机的压力脉动换算方面有丰富的经验和先进的技术。
同时，由于大型水电站的建立，中国掌握着很多其他国家所无法得到的试验数据。
二、国际标准项目研究基础分析IEC/TC4（水轮机委员会）是国际电工委员会（IEC）所属委员会，创建于1913 年，是IEC 第一批成立的4个委员会之一。
IEC/TC4主要任务是负责编制、定期审查和更新国际标准和技术报告，标准和技术报告内容包括水轮机、蓄能泵和水泵水轮机以及与水力发电相关设备的设计、制造和修复、调试、安装、测试、操作和维护等。
混流式水轮机转轮倒置安装轴向水推力的计算
混流式水轮机转轮倒置安装轴向水推力的计算
混流式水轮机转轮倒置安装时，水流的进口方向和流经叶轮后的出口方向发生了颠倒，这会对水轮机的水力性能产生影响，特别是对轴向水推力的计算会有一定影响。
轴向水推力指的是水流顺轴向流动时对转轮产生的冲击力，其大小和方向与水流速度、进口和出口面积、进口和出口水面高度等因素有关。
在混流式水轮机转轮倒置安装时，由于进口和出口水面高度发生了倒置，会产生额外的压力和水推力。
计算轴向水推力的方法可以采用Bernoulli方程和欧拉方程。
其中Bernoulli方程适用于定常流动，假设水轮机流道中水流的压力、速度和高度都是均匀分布的，可以用以下公式计算：
P1/ρ+V1^2/2+gH1=P2/ρ+V2^2/2+gH2
其中，P1和P2分别为进口和出口的压力，ρ为水的密度，V1和V2分别为进口和出口的水流速度，g为重力加速度，H1和H2为进口和出口的水面高度。
欧拉方程则适用于旋转流动，将水轮机转轮看作一个整体，可以用以下公式计算：
Fwater=0.5*ρ*A*(V1-V2)*[(V1+V2)/2]
其中Fwater为水推力大小，A为转轮叶片面积，ρ为水的密度，V1和V2分别为叶轮进口和出口处的水流速度。
需要注意的是，由于混流式水轮机转轮倒置安装会对水流的进口和出口高度产生影响，因此在计算水推力时要根据实际情况考虑调整这些参数的值。
此外，水推力大小和方向的计算结果还需要考虑其他因素，例如水轮机的叶轮形状和旋转速度等。
毕业设计论文-混流式水轮机
白山水电站水轮机结构设计摘要水轮发电机组是将水能转化为电能的核心设备，水轮机结构设计得是否合理就成为电站能否有效运行得关键。
本设计的主要内容为白山水电站水轮机结构设计。
白山水电站位于吉林省桦甸市老恶河哨口，第二松花江上游，是国家电力公司东北公司直属的梯级水力发电厂，国家特大型企业。
白山发电厂介于东北电网南网、北网之间，地理位置适中，在东北电网中担负调峰、调频和事故备用任务，目前是东北电网装机容量最大的水电厂。
这次设计的主要内容有三部分。
第一部分是对水轮机进行总体结构的设计。
第二部分是对导水机构进行设计。
第三部分则是对主要部件进行强度校核。
在本次毕业设计中，所有的图纸都采用AutoCAD软件进行绘制。
关键词：白山水电站；水轮机；结构设计；强度校核The Structural Design of Hydraulic Turbine for Baishan Hydraulic Power StationABSTRACTThe water-turbine generator set transforms the hydro energy as the electrical energy core equipment, the hydraulic turbine structural design whether reasonable becomes the power plant whether effective movement to result in the key.This design primary coverage Baishan hydroelectric power station hydraulic turbine structural design. The Baishan hydroelectric power station is located on Lao’e river sentry post mouth in Huadian city of the Jilin Province, upstream the second Songhua River, is the stave hydro-electric power station which SGCC Northeast Corporation subordinates, National Extra large type Enterprise. The Baishan power plant is situated between south and north of the northeast electrical network, the geographical position is moderate, shoulders in the northeast electrical network adjusts the peak, the frequency modulation and the accident spare duty, at present is the biggest hydroelectric power plant installed capacity in northeast electrical network. This design primary coverage has three parts. The first part carries on the design of the overall structure. The second part carries on the design of the water organization. The third part carries on the intensity checking of the major component.In this graduation project, all blueprints use the AutoCAD to carry on the plan.KEYWORD: Baishan hydro-power station; hydraulic turbine;structural design; ntensity checking目录摘要 (1)ABSTRACT (2)目录 (3)1 绪论 (5)1.1选题的目的和意义 (5)1.2白山水电站的基本情况 (5)1.3基本参数 (6)1.4毕业设计具体内容 (6)2水轮机总体结构设计 (7)2.1转轮流道尺寸 (7)2.2导叶高度及分布圆直径 (8)2.3主轴直径 (8)2.4主要部件结构 (9)2.4.1转轮 (9)2.4.2接力器 (11)2.4.3导叶 (12)2.4.4座环 (19)2.4.5顶盖 (20)2.4.6底环 (20)2.4.7 基础环 (21)2.4.8主轴 (21)2.4.9水导轴承 (23)2.4.10主轴密封 (23)2.4.11控制环 (24)2.4.12 补气装置 (25)3导水机构传动系统设计 (27)3.1导叶开度 (27)3.2导水机构运动系统的设计 (28)3.2.1导水机构的装配尺寸 (28)3.2.2导水机构的配合公差与间隙 (28)3.2.3导水机构的传动部分 (29)4 强度校核 (36)4.1主轴的强度校核 (36)4.1.1基本参数的定义 (36)4.1.2轴身应力的计算 (36)4.1.3薄臂轴法兰与轴身联接处应力的计算 (37)4.2导叶强度计算 (42)4.2.1 基本参数的意义： (42)4.2.2 导叶上的作用力计算： (43)4.2.3 各断面惯性矩、断面模数计算： (44)4.2.4 挠度计算： (45)4.2.5 各支反力及其应力计算： (47)4.2.6 导叶轴颈C的最优间隙确定： (49)4.2.7 按选定的挠度值，复核若干断面应力： (50)致谢 (52)参考文献 (53)1 绪论1.1选题的目的和意义作为一名即将毕业的大学生，毕业设计是大学学习的最后一个重要的综合性教学环节，撰写毕业论文，主要有两个方面的目的：一是对所学知识进行一次全面的考核。
混流式水轮机转轮倒置安装轴向水推力的计算
混流式水轮机转轮倒置安装轴向水推力的计算一、水轮机的基本原理水轮机是一种将水的动能转化为机械能的装置，其基本原理是利用水的冲击力和动能转动轮盘，进而带动轴上的机械装置工作。
水轮机通常由水轮机转轮、导叶、水导管、发电机等组成。
其中，转轮是水轮机的核心部件，它负责接受水流的动能并将其转化为机械能。
而水流的动能主要来自于水的势能和动能。
二、混流式水轮机的结构特点混流式水轮机是一种结合了径流式水轮机和轴流式水轮机优点的新型水轮机。
它的转轮既有轴向叶片，又有径向叶片，使得水流在转轮内部同时具有径向和轴向速度，从而提高了水轮机的效率和输出功率。
混流式水轮机通常由转轮、导叶、调节器、发电机等部分组成。
三、转轮倒置安装对轴向水推力的影响转轮倒置安装是指将混流式水轮机的转轮倒置安装在水流中，使得水流的进出口位置发生改变。
转轮倒置安装可以改变水流通过转轮的方向，从而对水轮机的轴向水推力产生影响。
一般情况下，水轮机的轴向水推力与水流通过转轮的方向以及转轮叶片的倾角有关。
当转轮倒置安装时，水流通过转轮的方向发生改变，从而导致轴向水推力的大小和方向发生变化。
具体来说，当转轮倒置安装时，水流从转轮的上部进入，然后由转轮叶片的作用转向下方，最后从转轮的下部出口离开。
在这个过程中，水流对转轮的冲击力主要集中在转轮的下部，使得轴向水推力的方向指向转轮的上方。
这种情况下，水轮机在运行过程中会产生向上的轴向水推力，需要通过其他方式进行平衡，以保证水轮机的正常运行。
四、混流式水轮机转轮倒置安装轴向水推力的计算要计算混流式水轮机转轮倒置安装时轴向水推力的大小，需要考虑多个因素，如水流的流速、水流的密度、转轮的叶片形状和倾角等。
具体的计算方法可以参考相关的水力学和力学原理，利用数学公式和计算公式进行推导和计算。
在计算中，需要根据实际情况，确定转轮倒置安装后水流通过转轮的方向和叶片的倾角等参数，以便进行准确的计算。
混流式水轮机转轮倒置安装对轴向水推力的计算是一个复杂的问题，需要综合考虑多个因素，包括水流的流速、水流的密度、转轮的叶片形状和倾角等。
水轮机的选型设计
水轮机的选型设计水轮机选型时水电站设计的一项重要任务。
水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的功能经济指标及运行稳定性，可靠性都有重要影响。
水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式，功能参数，水工建筑物的布置等，并考虑国内外已生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选假设干个方案进展技术经济的综合比拟，最终确定水轮机的最正确型式与参数。
一：水轮机选型的内容，要求和所需资料1：水轮机选择的内容（1）确定单机容量及机组台数。
（2）确定机型和装置型式。
（3）确定水轮机的功率，转轮直径，同步转速，吸出高度及安装高程，轴向水推力，飞逸转速等参数。
对于冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等。
（4）绘制水轮机的运转综合特性曲线。
（5）估算水轮机的外形尺寸，重量及价格。
wertyp9ed\结合水轮机在构造、材质、运行等方面的要求，向制造厂提出制造任务书。
2.水轮机选择的根本要求水轮机选择必须要考虑水电站的特点，包括水能、水文地质、工程地质以及电力系统构成、枢纽布置等方面对水轮机的要求。
在几个可能的方案中详细地进展以下几方面比拟，从中选择出技术经济综合指标最优的方案。
（1）保证在设计水头下水轮机能发生额定出力，在低于设计水头时机组的受阻容量尽可能小。
（2）根据水电站水头的变化，及电站的运行方式，选择适合的水轮机型式及参数，使电站运行中平均效率尽可能高。
（3）水轮机性能及构造要能够适应电站水质的要求，运行稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能。
在多泥沙河流上的电站，水轮机的参数及过流部件的材质要保证水轮机具有良好的抗磨损，抗空蚀性能。
（4）机组的构造先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。
（5）机组制造供货应落实，提出的技术要求要符合制造厂的设计、试验与制造水平。
（6）机组的最大部件及最重要部件要考虑运输方式及运输可行性。
3.水轮机选型所需要的原始技术材料水轮机的型式与参数的选择是否合理、是否与水电站建成后的实际情况相吻合，在很大程度上取决于对原始资料的调查、聚集和校核。
水轮机结构设计方案
水轮机结构设计方案1绪论1.1罗洲坝水电站的概况罗洲坝水电站坐落在市武隆县的江口镇，地理位置优越，交通便利。
其供电目标主要是电网，在电网担任调峰、调频和事故备用的作用，该电站利用江口水电站的水库，正常蓄水位为300米，相应的库容为5.4亿立方米；死水位为260米，相应库容为2.7亿立方米，调节库容为3.4亿立方米，为季调节型水库。
设计洪水位为300.1米，校核洪水位304.1米，相应水库总库容5.8亿立方米，装机容量10万千瓦，额定水头106米。
1.2设计的基本参数水轮机额定出力：102Mw额定转速：214.3r/min额定流量：104.3m3/s最大允许吸出高度：-5.5m最大水头：120m额定水头：106m最小水头：73m安装高程：175.70m1.3 毕业设计的具体容（一）根据给定的罗洲坝水电站水轮机基本参数进行水轮机总体结构设计：1.根据参数选择水轮机型号和转轮直径等基本参数，确定水轮机的主要特征尺寸，对水轮机主要部件进行结构设计；2.根据机组型式和电站基本条件设计主轴密封和水导轴承；3.绘制水轮机总装配图。
（二）导水机构传动系统设计1.根据机组的型式进行导水机构传动系统设计；2.绘制导水机构装配图及导叶布置图；（三）绘制控制环零件图（四）外文翻译2.水轮机选型设计2.1基本参数水轮机额定出力：102Mw额定转速：214.3r/min额定流量：104.3m3/s最大允许吸出高度：-5.5m最大水头：120m额定水头：106m最小水头：73m安装高程：175.70m2.2方案初选作为一种水力原动机，水轮机的作用是将水流的能量转化为水力机械的机械能，进而带动发电机转子进行水力发电。
水轮机分为两种：分别是冲击式水轮机和反击式水轮机，冲击式水轮机又分为切击式、斜击式和双击式；反击式水轮机则可分为混流式、斜流式、轴流式以及贯流式水轮机。
混流式水轮机能适应的水头围很宽，是目前最受欢迎也是最常用的一种水轮机。
报告-轴向水推力计算
1 轴向水推力的计算表1如图1所示，混流可逆式水轮机转轮轴向水推力F w(方向向下为正)的构成可描述[1]为：F w=F1-F2-F3-F4F1=F11+F12+F13+F14F2=F21+F22+F23F3=F31+F32F4=F41+F42式中：F1—转轮上冠上表面所受轴向水推力，向下为正；F2—转轮下环外表面所受轴向水推力，向上为正；F3—转轮进、出口所受轴向水推力，向上为正；F4—转轮内腔流道表面所受轴向水推力及转轮在水中浮力，向上为正；F11—上止漏环外侧高压腔上冠上表面所受轴向水推力；F12—上止漏环齿槽处上冠上表面所受轴向水推力；F13—上止漏环内侧低压腔上冠上表面所受轴向水推力；F14—主轴密封腔内法兰盘上表面所受轴向水推力；F21—下止漏环外侧高压腔下环外表面所受轴向水推力；F22—下止漏环齿槽处下环外表面所受轴向水推力；F23—下止漏环内侧低压腔下环外表面所受轴向水推力；F31—转轮进口断面所受轴向水推力；F32—转轮出口断面所受轴向水推力；F41—转轮内腔流道(包括叶片)表面所受轴向水推力；F42—转轮在水中浮力。
轴向水推力的计算采用两种方法。
F3和F4采用ANSYS CFX软件数值模拟计算得到，而转轮上冠和下环水体计算域由于尺寸太小，采用数值模拟方法无法准确计算出结果，所以F1和F2采用解析计算方法得到。
1.1 转轮轴向水推力的解析计算(1) F11，F13，F14和F21，F23的求解转轮上冠上表面或下环外表面所受轴向水推力的公式[1]如下：F ij=π{[p0−ρ2(πK0nr030)2](r22−r12)+ρ(πK0n30)2r24−r144}式中：Fij—所求轴向水推力(即F11，F13，F14和F21，F23)(N)；r0，p0—已知点处的半径(m)和静压力(Pa)；ρ—水的密度(kg/m3)；n—转轮转速(RPM)；r1，r 2—对应腔体内、边界处的半径(m)；K—圆周速度系数，一般取0.5。
混流式水轮机轴向水推力计算公式研究
２５０πλＤ２１
ｎ 槡Ｑ
Ｈ０．２５
（３）
式中：λ 为修正系数。
公式（３）的优点 一 是 简 便，省 去 轴 向 水 推 力 需 要 分 项 计 算
再求和的繁琐；二是将转轮轴向水推力 与 水 轮 机 具 体 运 行 工 况
参数紧密联系起来；三是所用参数都是 容 易 获 取 的 基 本 运 行 参
数，较其他方法来说 容 易 实 施。 公 式 （３）的 关 键 主 要 在 于 修 正
水电站参数tab1hydropowerstationparameters设计水头转轮直径额定转速rpm额定效率装机容量mw290175215500925440水电站运行参数tab2hydropowerstationoperationalparameters工况编号工况名称转速rpm流量口压强mpa尾水管进口压强mpa4台发38mw5000014693132330800254台发额定出力40mw5000016002880028600484台发42mw5000017052850028100434台发44mw5000018302790027600384台甩40mw蜗壳最大水压对应工况625294743754937400604台甩40mw最大转速上升对应工况671013623590236000794台甩42mw蜗壳最大水压对应工况686453963743637500764台甩42mw最大转速上升对应工况690853713599636100814台甩44mw蜗壳最大水压对应工况70955396375423760077104台甩44mw最大转速上升对应工况7123437835753359008321采用简化公式计算轴向水推力根据表2提供的数据将转速流量水头代入到公式取值上工况1取074工况2和3取075工况4取076工况510为甩负荷工况统一取1
混流式水轮机压力脉动特性研究
混流式水轮机压力脉动特性研究罗丽;李景悦【摘要】为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响，基于流场数值模拟的计算方法，对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。
计算结果表明，混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致；当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时，混流式水轮机效率最高，为92.66%，且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小，水力稳定性最好。
对研究背景、计算方法与步骤，以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。
%To understand the influence of ratio of long and short blades on pressure pulsation of Francis turbine, on the basis of numerical simulation of flow field, the 3D full-passage unsteady turbulent flow in Francis turbine passage for different ratio of long and short blades was calculated The results show that the pressure pulsation inside the Francis turbine is caused by rotor-stator interaction of runner and stator and the low-frequency pressure pulsation of draft tube. The efficiency of the Francis tur-bine reaches the largest of 92. 66% when the ratio of the closest distance between short blade and rotation axis to the diameter of long blade is equal to 0. 6; meanwhile, the corresponding pressure pulsation amplitude and the vibration amplitude of all flow passage components are the minimum, so the hydraulic stability is the best.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2016(047)009【总页数】5页(P95-99)【关键词】非定常湍流;数值模拟;压力脉动;混流式水轮机【作者】罗丽;李景悦【作者单位】西华大学能源与动力工程学院，四川成都610039;西华大学能源与动力工程学院，四川成都610039【正文语种】中文【中图分类】TV734近年来，随着水利资源的大力开发，混流式水轮机以其独特的优越性得到了广泛使用，并逐渐朝着高比转速、大容量、高效率方向发展。
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９
７０９．５５ ３．９６ ３７５．４２ ３．７６ ０．０７７
水压对应工况
４台甩４４ ＭＷ 最大转速
１０
７１２．３４ ３．７８ ３５７．５３ ３．５９ ０．０８３
上升对应工况
２．１ 采 用 简 化 公 式 计 算 轴 向 水 推 力
根据 表 ２ 提 供 的 数 据，将 转 速、流 量、水 头 代 入 到 公 式 （３） 中计算出不同 工 况 下 的 转 轮 轴 向 水 推 力。 在 修 正 系 数λ 取 值 上，工况１取０．７４，工况２和３取 ０．７５，工 况 ４ 取 ０．７６，工 况 ５ ～１０ 为 甩 负 荷 工 况 ，统 一 取 １。 计 算 结 果 见 表 ５。
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ Ａｘｉａｌ Ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ ｏｆ Ｆｒａｎｃｉｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ
ＺＨＡＯ Ｘｉ，ＬＡＩ Ｘｉ－ｄｅ，ＧＯＵ Ｑｉｕ－ｑｉｎ，ＺＨＵ Ｌｉ，ＴＡＮＧ Ｊｉａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｘｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ ｏｆ Ｆｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄａｔａ ｉｎ ｕｎｉｔ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｉｔｓ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ
大 水 头 ，ｍ。
ＦＷ 在轴向水推力系 数ｋ 确 定 后 为 一 个 固 定 值，不 随 运 行
工况的变化而变化。 以 公 式 （１）为 原 型，加 入 流 量、水 头、转 速
等 参 数 ，引 入 比 转 速 公 式 整 理 合 并 后 公 式 如 下ｎ 槡Ｑ
Ｈ０．２５
（２）
一种通过模拟生物 界 的 优 胜 劣 汰，适 者 生 存 的 自 然 选 择，建 立
的一种全局优化搜 索 方 法，其 应 用 范 围 十 分 广 泛，尤 其 适 用 于
参数寻优。ＧＡ 求解问 题 的 流 程 如 图 １ 所 示，其 原 理 和 算 法 实
现 过 程 详 见 文 献 ［７］。
图 １ 遗 传 算 法 流 程 图 Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ
本文在前人研究的基础上，以轴向 水 推 力 经 验 估 算 公 式 为 参考，结合转速、流 量、水 头 等 水 轮 机 具 体 运 行 工 况 参 数，提 出 一种新的混流式水轮机转轮轴向水推力的计算公式。在此基 础上，以某水电站运 行 参 数 作 为 算 例 数 据，计 算 出 不 同 工 况 下 的轴向水推力，并 分 别 用 ＣＦＤ 数 值 模 拟 和 解 析 计 算 两 种 方 法 所计算出的结果进行对比分析，以此来 验 证 该 公 式 应 用 的 可 行 性，为准确确定不同工况下混流式水轮 机 轴 向 水 推 力 的 研 究 提 供一定的参考。
６
６７１．０１ ３．６２ ３５９．０２ ３．６０ ０．０７９
上升对应工况
４台甩４２ ＭＷ 蜗壳最大
７
６８６．４５ ３．９６ ３７４．３６ ３．７５ ０．０７６
水压对应工况
４台甩４２ ＭＷ 最大转速
８
６９０．８５ ３．７１ ３５９．９６ ３．６１ ０．０８１
上升对应工况
４台甩４４ ＭＷ 蜗壳最大
字化设计理 论 及 制 造 技 术 研 究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｂｕｅｒ＠１３９． ｃｏｍ。
近年来，许多学 者 对 如 何 确 定 轴 向 水 推 力 做 了 一 些 研 究。 吴文旭，闰国军［３］等人提出可以利用模 型 试 验 配 合 压 差 传 感 器 来测定。邵国辉，赵越［４］等人提出可 通 过 测 量 静 压 轴 承 中 的 油 压来推算。刘德有，游光华［５］等人提 出 了 一 种 混 流 式 水 轮 机 转 轮轴向水推力的解析计算方法，并指出 转 轮 轴 向 水 推 力 的 计 算 精度主要取决于上、下止漏环外侧高压 腔 内 转 轮 表 面 所 受 的 轴 向水推力的大小。上述方法对设备和实验条件有一定的要求， 对于没有相关设备和条件的研究人员 来 说，实 施 起 来 有 很 大 困 难 。 同 时 ，上 述 方 法 与 水 轮 机 具 体 运 行 工 况 联 系 不 紧 密 。
设 ＦＣ 为 ＣＦＤ 数 值 模 拟 算 出 的 轴 向 水 推 力 。 在 求 得 多 个 电站不同工况 下 的 ＦＣ 基 础 上，用 ＧＡ 对 式 （２）中 的 系 数 Ｋ 反 复寻优，直到每一个工况都满足（ＦＣ －Ｆ′Ｗ ）／ＦＣ ≤０．０５。 最 后 得 到轴向水推力简化计算公式如下：
ＦＷ
＝
系数λ 的取值及其规律。实验数 据 表 明，在 正 常 运 行 工 况 下，λ 随机组出力和流量的增大而增大，取值范围为０．７～０．８。机 组 发额定出力时建议取值０．７５±０．０１，机组超额定出力运行时 建 议取值０．７７±０．０１。 在 甩 负 荷 工 况 下，λ 基 本 保 持 不 变，可 取 固 定 值 １±０．０１。
收 稿 日 期 ：２０１４－１２－０８ 基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５１３７９１７９）；西 华 大 学 研 究
生 创 新 基 金 资 助 项 目 （ｙｃｊｊ２０１４１７９）， 作者简介：赵 玺（１９８８－），男，硕 士 研 究 生。 主 要 从 事 动 力 机 械 数
混流式水轮机轴向水推力计算公式研究 赵 玺 赖喜德 苟秋琴 等
１７３
１ 轴 向 水 推 力 计 算 公 式
对于混流式水轮发电机组，其转轮所受 轴 向 水 推 力 为 ＦＷ 。 轴 向 水 推 力 经 验 估 算 公 式 如 下［６］：
ＦＷ ＝ｋ ４πＤ２１Ｈｍａｘ
（１）
式 中：ｋ 为轴向 水 推 力 系 数 ；Ｄ１ 为 转 轮 名 义 直 径 ，ｍ；Ｈｍａｘ为 最
ａｎｄ ｉｔｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｇｏｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｆｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｎｅ；ａｘｉａｌ ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ；ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｆｏｒｍｕｌａ；ＣＦＤ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０ 引 言
混流式水轮发电机组转轮轴向水推力是机组设计的重要 参数，其值的准确性 对 降 低 机 组 制 造 成 本，提 高 机 组 运 行 的 安 全可靠性具有十分重要的现实意义。对于立轴混流式水轮机， 其轴向水推力的计算一直沿用经验估算公式。该公式只能推 算一个大致范围，并不能反映轴向水推 力 与 水 轮 机 运 行 工 况 的 关 系 ，而 二 者 的 联 系 是 十 分 紧 密 的 。 ［１，２］ 尤 其 是 对 机 组 转 动 部 件进行静力学和动力学分析时，需要计 算 出 不 同 工 况 下 转 轮 所 受 轴 向 水 推 力 ，这 就 必 须 与 水 轮 机 具 体 运 行 工 况 结 合 起 来 。
１７２
文 章 编 号 ：１００７－２２８４（２０１５）０５－０１７２－０４
中 国 农 村 水 利 水 电 ·２０１５ 年 第 ５ 期
混流式水轮机轴向水推力计算公式研究
赵 玺，赖喜德，苟秋琴，朱 李，唐 健
（西华大学能源与环境学院，成都 ６１００３９）
摘 要：混流式水轮机轴向水推力是机组设计的重要参 数，其 值 的 准 确 性 对 机 组 的 安 全 运 行 具 有 重 要 的 现 实 意 义 。 本文提出一个新的混流式水轮机轴向水推力的计算公式，可 计 算 不 同 工 况 下 的 轴 向 水 推 力 。结 合 某 水 电 站 运 行 参 数 分 别利用该公式、ＣＦＤ 数值模拟和解析计算３种方法进行了轴向水推力的比较计算，并对这３种方法进行了对比分析。结 果 表 明 ，该 公 式 计 算 简 便 ，与 流 量 、水 头 、转 速 等 参 数 结 合 紧 密 ，具 有 良 好 的 计 算 精 度 。 关键词：混流式水轮机；轴向水推力；计算公式；ＣＦＤ 数值模拟 中 图 分 类 号 ：ＴＫ７３３．１；ＴＫ７３０．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
表 １ 水 电 站 参 数 Ｔａｂ．１ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
设计 水 头／
ｍ
设计流 量／（ｍ３ ·ｓ－１）
转轮 直 径／
ｍ
额定 转 速／ ｒｐｍ
额定 效 率／
％
装机 容 量／ ＭＷ
２９０
１７．５ ２．１５
５００
９２．５ ４×４０
表 ２ 水 电 站 运 行 参 数 Ｔａｂ．２ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ａ ｎｅｗ ｆｏｒｍｕｌａ ｔｈａｔ ｃａｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ａｘｉａｌ ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ ｏｆ Ｆｒａｎｃｉｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｒｅｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌ－ ｃｕｌａｔｅ ａｘｉａｌ ｈｙｄｒｏ－ｔｈｒｕｓｔ ａｎｄ ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｍａｄｅ ａｎｄ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ，ＣＦＤ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａ－ ｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌｏｓｅｌｙ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｌｉｋｅ ｆｌｏｗ，ｈｅａｄ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ，
工况 工况名称