轴流式水轮机的结构

轴流式水轮机的结构

一、概述

轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，由于水流进入转轮和离开转轮均是轴向的，故称为轴流式水轮机。轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流式水轮机用于开发较低水头，较大流量的水利资源。它的比转速大于混流式水轮机，属于高比转速水轮机。在低水头条件下，轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有较明显的优点，当它们使用水头和出力相同时，轴流式水轮机由于过流能力大（图2-15），可以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。当两者具有相同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多的效率。

特别是轴流转桨式水轮机，由于转轮叶片和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，更是值得广泛使用的一种机型。

图2-15 轴流式水轮机

1—1—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

图2-16所示是轴流转桨式水轮机的结构图。它的工作过程和混流式水轮机基本相同。水流经压力水管、蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管到下游。与混流式水轮机所不同的是负荷变化时，它不但调节导叶转动，同时还调节转轮叶片，使其与导叶转动保持某种协联关系，以保持水轮机在高效区运行。

轴流式水轮机转轮位于转轮室内，轴流式水轮机转轮主要由转轮体、叶片、泄水锥等部件组成。轴流转桨式水轮机转轮还有一套叶片操作机构和密封装置。

转轮体上部与主轴连接，下部连接泄水锥，在转轮体的四周放置悬臂式叶片。在转桨式水轮机的转轮体内部装有叶片转动机构，在叶片与转轮体之间安装着转轮密封装置，用来止油和止水。

轴流式水轮机广泛应用于平原河流上的低水头电站，应用水头范围为3～55m ，目前最大应用水头不超过70m 。限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。由于轴流式水轮机的过流能力大。单位流量11Q 和单位转速11n 都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数σ。在相同水头下，轴流式水轮机转轮由于叶片数少，叶片单位面积上所承受的压差较混流式的大，叶片正背面的平均压差较混流式的大，所以它的空化性能较混流式的差。因此，在同样水头条件下，轴流式水轮机比混流式水轮机具有更小的吸出高度和更深的开挖量。随着应用水头的增加，将会使电站的投资大量增加，从而限制了轴流式水轮机的最大应用水头。另一方面是由于轴流式水轮机叶片数较少，叶片呈悬臂形式，所以强度条件较差。当使用水头增高时，为了保证足够的强度，就必须增加叶片数和叶片的厚度，为了能够方便地布置下叶片和转动机构，转轮的轮毂比

1D dh

d h =，亦要随之增大，这些措施将减少转轮流道的过流断面面积，使得单位流量11Q 下降。当达到某一水头时，轴流式水轮机的单位流量甚至比混流式水轮机的还要小。这种情况也限制了混流式水轮机应用水头的提高。但随着科学技术的发展，相信轴流式水轮机的应用水头会进一步提高。

二、转轮体

轴流式水轮机的转轮体上装有全部叶片和操作机构，在安放叶片处转轮体的外形

有圆柱形和球形两种。大中型转桨式水轮机的转轮体多数采用球形，它能使转轮体与叶片内缘之间的间隙在各种转角下都保持不大于2～5mm ，达到减少漏水损失的目标。另外环形转轮体增大了放置叶片处的轮毂直径，有利于操作机构的布置。但是相同的轮毂直径下，球形转轮体减小了叶片区转轮的过水面积，水流的流速增加，使球形转轮体的空蚀性能比圆柱形差。

圆柱形转轮体其形状简单，同时水力条件和空蚀性能均比球形转轮体好。但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，而当转角减小时，转轮体与叶片之间的间隙显著增大，叶片在中间位置时，一般间隙达几十毫米，增加了通过间隙的漏水量，效率下降，所以圆柱形转轮体的效率低于球形转轮体。

转轮体的具体结构要根据接力器布置与操作机构的形式而定。小型水轮机转轮，定桨式水轮机转轮一般都采用圆柱形转轮体。转轮体一般用ZG30或ZG20MnSi 整体铸造，为了支承叶片，转轮体开有与叶片数相等的孔，并在孔中安置叶片轴。随着工艺、材料和结构的改进，转轮体球面直径与转轮直径之比，即轮毂比1/D d d B B =逐步减少。转轮体和叶片的安放角位置，可以按叶片法兰面上0=ϕ标记线对照。当0°线标记与转轮体轴孔的水平线重合时，叶片安放角︒=0ϕ，与轴孔外圆的弦长1S 相对应处为max ϕ+，与2S 相对应处为max ϕ-，见图2-17所示，其中：

2sin 2sin

max

2max 1ϕϕ-=+=D S D S

(2-5)

图2-16 ZZ-LH-1130水轮机

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

图2-17 叶片安放角位置

三、叶片

轴流式水轮机的比转速1000~450 S n ，随着比转数的增高，转速流道的几何形状相应发生变化。为了适应水轮机过流量的增大，同时既要保证水轮机具有良好的能量转换能力和空化性能，又要保持叶片表面的平滑不产生扭曲，轴流式转轮取消了混流式转轮的上冠和下环，叶片数目相应减少，一般为3~8片，叶片轴线位置变为水平，使得转轮流道的过流断面面积增大，提高了轴流式水轮机的单位流量和单位转速。

轴流式转轮叶片由叶片本体和枢轴两部分组成。对于尺寸较小的水轮机，一般采用整体轴，因为这样可以减少零件数目，铸造、加工、安装的困难也不大。但当水轮机尺寸大时，采用分开成叶片本体和枢轴两部分就比较有利。这是因为

(1)分成叶片本体和枢轴两部分，每一部分的重量和尺寸都减少了，对于铸造，加工和安装都带来方便。(2)因为叶片易受空蚀损坏，分开的结构可单独地拆卸某个叶片进行检修。(3)分开的结构有可能对两个部件采用不同的材料，例如叶片本体采用不锈钢，而枢轴采用优质铸钢。但是分开结构对转轮的强度是有所削弱的，因为为了布置叶片，枢轴和转臂的连接螺钉，分件式叶片法兰和枢轴法兰的外径都要比整体时大（见图2-18），这一缺点对于高水头的转轮可能就是致命的，因为水头高，叶片数目就多，转轮上相邻叶片轴孔之间的宽度本来就很小，