第五章 反击式水轮机的基本结构(一)

3
t
主轴重量Ws的近似计算：
高水头混流式：Ws=WR
中水头混流式：Ws=（0.4~0.5）WR 对发电机与水轮机同一轴的机组：Ws=（0.7~0.8）WR 水轮机总的轴向推力：
F Ft 9 .81 10 3 (W R W S )
N
高水头混流式水轮机为降低机组推力轴承的负荷，
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。
增加叶片数可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。
叶片厚度在流道中排挤过流空间，叶片数增加， 必然减小过水断面面积，致使转轮单位流量减小。
叶片数不同时效率与单位流量的关系曲线
叶片数对空化性能的影响： 增加叶片数：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，这将改善空化 性能。因混流式转轮叶栅的稠密度本来就较大，所以 因叶片数增加使空化得到的改善并不显著。同时增加 叶片数，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。 叶片数增加对空化性能的影响要看哪个因素起主要 作用而定，没有一定规律。
一、轴流式水轮机转轮
1、转轮体 小型定桨式转轮，一般采用圆柱形转轮体。 优点：转轮体形状简单，同时水力条件和空蚀性能均 比球形转轮体好。 缺点：转轮体与叶片内缘之间的间隙是根据叶片在最 大转角时的位置来确定的。当转角减小时，转轮体与 叶片之间的间隙显著增大，漏水量增加，效率下降。 所以圆柱形转轮体的效率低于球形转轮体。
上冠流线：直线形、曲线形。
直线型：具有较好工艺性，但效率特别在负荷超过最
优工况时低于曲线型上冠。
曲线型：可增加转轮流道在出口附近的过水断面积，
增加单位流量。上冠曲线倾斜角越小单位流量越大。
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，叶片数对水力性能有显著的 影响，随比速Ns不同在9~21的范围内：
水头H>200m，采用梳齿式、阶梯式止漏环。
含泥沙较多的电站，
水头H<200m
采用间隙式止漏环。与转
轮的同心度高，制造、安
装方便，抗磨损性能较好，
但止漏效果较差，不及迷
宫式止漏环。
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。
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
一、混流式水轮机转轮 转轮：将水能转变成机械能的核心部件。 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。 应满足：水力设计的型线有足够的强度和刚
梳齿式：转动环和 固定环的截面为梳 齿状，两环截面形 成交错配合。当水 流经过梳齿时，转 了许多直角弯，增 加水流阻力，使漏 水量减少。
水头H>200m
梳齿式
阶梯式迷宫
缺点：止漏环与转轮的同心度不易保证，间隙测量困 难，安装不便，一般与间隙式配合使用。
阶梯式止漏环具有迷宫式、梳齿式的作用，止漏效果
一、轴流式水轮机转轮
1轮体。
优点：(1)能使转轮体与叶片内缘之间的间隙，在各转
角下都保持不大于2～5mm，以减少漏水损失；(2)增大
了放置叶片处的轮毂直径，有利于操作机构布置。
缺点：相同轮毂直径下，球形转轮体减小了叶片区转 轮的过水面积，流速增大，空蚀性能比圆柱形差。
1 —组合螺栓； 2—组合定位螺栓； 3 —定位销； 4—下部分剖面； 5—上部分剖面； 6—临时组合发兰； 7—下环分瓣面。
第二节
轴流式水轮机的基本结构
水流进入转轮和离开转轮均是轴向的，分：轴流定
桨式；轴流转桨式。
轴流转桨式的转轮叶片和导叶，
能随着工况的变化形成最优的协
联关系，提高了平均效率。
轴流式水轮机用于开发较低水
3．转轮下环 作用：增加转轮的强度和刚度；与上冠形成过流通道
下环形状及转轮出口直径 D2 ，影响转轮出口过水断
面面积，影响转轮过水能力及空化性能。
低比转速转轮下环呈曲线形，D2/D1值小于1，单位流
量小。由于叶片较长，叶片单位面积上的负荷较小， 空 化 系 数 减 少 。 对 ns=60 ～ 120 的 低 比 转 速 转 轮 ， D2/D1=0.6~0.7时具有良好的空化性能和效率。
(2) 主 轴 的 中 心 补 气
和转轮顶盖补气。
二、止漏装置
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，有部分水流 会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
F3—作用于下环因水压力产生的推力； F4—浮力。
实际设计中往往用经验公式，对混流式水轮机作 用于转轮的轴向推力：
Ft 9.8110 K
3

4
D1 H max N
2
水轮机轴向力系数K与水轮机型号的关系
转轮重量近似计算式，分瓣结构的转轮重量增加10%。
W R [ 0.5 0.025(10 D1 )] D1
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。
止漏装置作用：减小转动部分与固定部分之间的漏水 损失。 为防止水流向上、向下漏出，水轮机上一般装有 上、下两道止漏环，各有固定部分、转动部分。上止 漏环固定部分装在顶盖上，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。四种型式：
1—转轮室 2—底环 3—固定导叶 4—活动导叶 5—顶盖 6—支持盖
7—连杆；8—控制环；9—轴承支架；10—接力器 11—安全销；12—真空破坏阀；13—扶梯；14—排水泵
15—水轮机导轴承 16—冷却器 17—轴承密封 18—转轮体 19—桨叶 20—桨叶连杆 21—接力器活塞 22—泄水锥 23—主轴 24、25—操作油管
第五章
第一节
反击式水轮机的基本结构
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：20~700m。 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化系数。 进水部件：具有钢板里 衬的蜗壳。 座环支柱：也称固定导 叶，数量通常为活动导叶 的一半。其上、下具有坚 固的上环和下环。 导水机构导叶：布置在 转轮四周。
限制轴流式水轮机最大应用水头的条件：空化、强度 空化问题
（1）轴流式单位流量、单位转速都比较大，转轮中水
流的相对流速，较混流式同条件时高，所以具有较大
的空化系数。
（2）轴流式转轮叶片数少，在相同水头下，叶片正、 背面单位面积上所承受的压差较混流式大，所以空化 性能较混流式差。 因此在同样水头条件下，轴流式比混流式具有更 将会使投资大量增加，从而限制了轴流式水轮机的最
度，具备抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的性能。
主要部件：
1— 减压装置；2、6—止漏环；3—上冠； 4—叶片；5—泄水锥；7—下环
1．转轮上冠 上冠作用：支承叶片；与下环构成过流通道。 上冠形似圆锥体，上部中间为上冠法兰，与主轴相 连连；下面固定有泄水锥，在上冠上固定有均匀分布 的叶片。 上冠法兰 外围开有减 压孔，在其 外侧面装有 减压装置。
Ns=60
Ns=265
Ns=400
比转速较高的混流 式转轮，下环常采用具 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
空化性能，但锥角过大
会引起脱流，使水力损 失增大、效率下降。
(1) 下 环 锥 角 α 加大，曲线均右
移。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。 转轮长期在部 分负荷下工作，
小的吸出高度和更深的开挖量。随着应用水头的增加， 大应用水头。
强度问题 叶片数较少、呈悬臂形式，强度条件较差。
当使用水头增高时，
为保证强度需增加叶片 数及厚度。为能布置叶 片和转动机构，转轮轮 毂比随之增大，必将减 少转轮流道的过流面积， 使得单位流量下降。当
达到某一水头时，轴流
式的单位流量甚至比混 流式还要小。
间隙式
迷宫式
梳齿式
阶梯式迷宫
1、止漏环材料和固定方式
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：直接车制、热套 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。考虑折卸方便，一 般在整铸转轮上采用热套固定。
2、止漏环型式的选择
水头H<200m，采用间隙式、迷宫式止漏环。
则锥角α不宜太
大，以免平均运 1—α=3°；2—α=6°；3—α=13°
行效率下降。
(2) 下环锥角α由 3 增加到 6 ，在不改变水轮机最高效 率情况下，可使单位流量增加2.5%，出力增加2%左右。 当锥角α角由6
o o
o
o
增 至 13 时 ， 虽 然单位流量和 单位出力增加
较多，但最高
效率开始下降。
因而锥角α不
宜过大：小于 13 。 1—α=3°；2—α=6°；3—α=13°
o
(3)下环锥角增加能使空化系数下降，改善空化性能。 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。
不同下环锥角，空化系数与单位流量关系曲线 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
比转速
D2/D1
4．泄水锥
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，提 高水轮机效率。 外形呈倒锥体，有铸造、钢板焊接。 (1) 里 面 空 心 ， 下 面 或外侧开口，以便 排除通过止漏环的 漏水及橡胶导轴承 的润滑水。
顶盖与尾水管间有数条排水管相连，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。目的：降低转轮上面的压力， 从而减轻作用在转轮上的轴向水推力。
四、转轮的加工制造
结构型式：上冠，叶片和下环三部分的构造型式。 整铸转轮 (1)整铸转轮 上冠，叶片和下环整体铸造而成转轮。 当尺寸不大时，生产 周期短、成本较低，且 有足够的强度，广泛采 用。缺点：易产生铸造 缺陷，质量不易保证， 当转轮尺寸大时，要求 铸造设备的能力也大。 铸焊转轮 组合转轮
结构措施：减小作用在上冠外面的轴向水推力。
常用减压装置形式：引水板、泄水孔； 顶盖排水管、转轮泄水孔 上、下环形引水板分别装 在顶盖下方和上冠的上面。 当漏水进入二者间隙 c 时， 在旋转离心力作用下，被逸 至顶盖引水板上，经泄水孔 排至尾水管。引水板和泄水 孔面积越大，间隙 E 和 c 越小， 减压效果越显著。泄水孔最 好开成顺水流方向倾斜 β=20o~30o。
(2)铸焊转轮 上冠、叶片和下环三部分单独铸造后，经过一定的
生产工艺流程，焊接而成。
目前在混流式转轮制造中广泛采用。可对不同部位
采用不同的钢种，既提供了转轮的抗空蚀能力，又节
省了镍铬等金属，具有良好的技术经济效果。但铸焊 结构转轮焊接工作量大，对焊接工艺要求高。
（3）组合转轮 当转轮直径较大受运输条件限制，或铸造能力不足 时，必须把转轮分半制作，运到现场再组合成整体。
头，较大流量的水力资源。比转
速大于混流式水轮机，属于高比 转速水轮机。
低水头条件： 轴流式水轮机 过流能力大，可
采用较小的转轮
直径和较高的转
速，从而缩小了
机组尺寸、降低 了投资。相同直 径、同一水头时， 轴流式较混流式
能发出更多的功
率。
1—转轮接力器活塞；2—转轮体；3—转臂 4—叶片；5—叶片枢轴；6—转轮室
好，与转轮的同心度较好，安装测量比较方便。
三、减压装置
作用：减小作用在转轮上的轴向水推力。 形状：环形减压板，分别装在顶盖下面、上冠上方。 根据混流式特点，总的轴向水推力为：
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；