第二章 水轮机类型与构造

本篇重要内容：水轮机(The hydraulic turbine)

水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。研究的目的是充分利用水能资源，为厂房布置设计作准备。

第二章 水轮机类型与构造

第一节水轮机基本类型、特点、适用条件

一、水轮机的基本类型

（一）按主轴装置方式划分

1. 立式水轮机：水轮机主轴竖直安装；大中型水轮机均采用该装置方式。

2. 卧式水轮机：水轮机主轴水平安装；小型或微型水轮机采用。

（二）按能量转换特征

水轮机是水电站的主要动力设备之一。根据能量转换的特征，可将水轮机分为反击式、冲击式两大类。各种类型水轮机按照其水流方向和工作特点不同又有如下不同的形式。

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⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧双击式斜击式水斗式（切击式）冲击式斜流式贯流转桨式）贯流式（贯流定桨式，轴流转桨式）轴流式（轴流定桨式，混流式反击式水轮机 二、水轮机的特点及适用条件

（一）反击式水轮机的特点及适用条件

特点:（1）水流流经转轮时，水流充满整个转轮叶片流道，利用水流对叶片的反作用力，即叶片正反面的压力差使转轮旋转；

（2）主要利用水流的势能和动能，主要是利用水流的势能；

（3）水轮机在工作工程中，转轮完全浸没在水中。

反击式水轮机根据水流流经转轮的方式不同分为混流式、轴流式、斜流式、贯流式四种。

1、混流式（法郎西斯式）：水流径向流入转轮，轴向流出。

适用范围：H=30~700 m , 单机容量：几万kW~几十万kW

优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。

2、轴流式（卡普兰式）：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

(a)、轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。结构简单，效率低。适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定），H：3~50m。

(b)、轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度）。适用水头流量的变化，高效率区广，大中型电站多采用。H：3~80m。（葛洲坝：17万kW、12.5万kW，Hr=27m）。

混流式转轮轴流定桨式转轮

3、斜流式（法国德里亚齐式）：水流斜向流进、流出转轮。转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。兼有轴流转浆式运行效率高，混流式水轮机汽蚀性能好、强度高的优点。适用水头范围H=40~200m。是具有可逆性的水泵―水轮机，广泛地用于抽水蓄能电站，因其结构复杂很少用于小型水电站。

斜流式

4、贯流式水轮机（卧轴流式）

水流由管道进口到尾水管出口均为轴向流动，不设置蜗壳，水流沿轴向直贯流入流出水轮机，故称为贯流式水轮机，根据发电机装置方式不同，此种水轮机又分为全贯流式和半贯流式；根据转轮轮叶能否改变又可分为贯流转浆式和贯流定浆式。

全贯流式水轮机，发电机转子安在转轮外缘。优点为水力损失小，过流量大，结构紧凑，密封不易，应用较少。

半贯流式水轮机又可分为轴伸式、竖井式、灯泡式。

贯流式水轮机过流能力较好，多用于河床式与潮汐式水电站，适用水头范围2~30m，单机容量：几千瓦~几万千瓦。

贯流式

（二）冲击式水轮机特点及适用条件

特点:（1）转轮工作过程中，喷嘴射流冲击部分导叶，转轮部分接触水流；

（2）在大气压下工作；

（3）水轮机依靠喷嘴的射流冲击力使转轮转动，利用的是水的动能。

冲击式水轮机主要由喷嘴、折向器、转轮和机壳组成，喷嘴将水能全部转化为动能形成自由射流，冲击转轮转动，将水能转换为机械能。

冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为水斗式（切击式）、斜击式和双击式三种。

1、水斗式水轮机（切击式水轮机，卧式）（培尔顿式）

射流位于转轮的转动平面内，沿转轮圆周切线方向冲击斗叶，故又名切击式水轮机。

1998年瑞士兴建的克留逊(Cleuson)水电站，安装3台各40万kW冲击式机组，最高水头1883m。中国最高的水斗式水轮机是天湖水电站，水头高达1022.4m。

适用的水头范围：40~2000m，一般常用水头范围40~800m。

2、斜击式水轮机（1912年发明，仇戈式）（立式）

喷嘴射流方向与转轮旋转平面斜交，射流自转轮侧冲击转轮，故称斜击式。

斜击式水轮机适应水头范围50~400m，最大单机容量一般不超过400KW，故只适用于小型水电站。

3、双击式水轮机（1917年匈牙利人发明，班克式）（卧式）

水流由喷嘴射到转轮一侧的轮叶上，由轮叶外缘流向转轮中心，而后水流穿过转轮内部空间再一次流到轮叶上，沿轮叶流向外缘，最后以很小的流速离开转轮，水流两次冲击转轮，故称双击式。

双击式水轮机适用的水头范围6~150m，最大的单机容量一般不大于300KW，所以只适用于小型水电站。

切击式

三、水轮机新机型及新技术

近年来水轮机出现了一些新的结构型式，如：辐向转桨混流式水轮机，双转轮混流式水轮机，双叶片转桨式水轮机。（见下图）

提高各类水轮机的使用水头，进一步有效地发挥水轮机的潜力。如48m水头级的灯泡式，90m水头级的轴流式及600m水头级的混流式水轮的出现，反映了新型水轮机的发

展趋势。但各类水轮机在高水头范围的使用，必然给强度、汽蚀、磨损及振动等方面带来许多新问题，这也是对水轮机的结构设计和制造提出了新的课题。

如今在水轮发电机组制造上广泛采用铸焊工艺，如“电气液压仿型”加工方法，提高了叶片精度，减少了流道损失，提高了效率。

第二节反击式水轮机的主要过流部件

反击式水轮机的主要过流部件（沿水流途经从进口到出口）有：引水部件（蜗壳），导水部件（座环与导叶），工作部件（转轮），泄水部件（尾水管）。为保证其正常运行和功率输出，还有其它部件如：主轴、轴承、顶盖、止漏装置等。

一、混流式水轮机的主要过流部件

水流——> 蜗壳——>座环——>导叶——>转轮——>尾水管——>下游（一）工作部件——转轮

转轮是水轮机的核心部件，由上冠、下环、叶片组成。转轮叶片均布在上冠与下环之间，轮叶上端固定于转轮上冠，下端固定于转轮下环。轮叶呈扭曲形，各轮叶间形成狭窄的流道。其作用是将水能转变为机械能。