混流式水轮机结构

a
—坐环上环； b —坐环下环；20—连接螺栓
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
b0 与
轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。此外，随着水头增高，相同功率下水轮机 的过流量减小，这样有可能减小流道的过流载面。
b0
一般随水头增加而减小。
导叶和水轮机顶盖 4 及底环 3 之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。 一般采用橡胶的或金属制成的密封件， 可使导水机构关闭时的漏水量最小。 在高水头的水轮
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
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
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，进口边的高度和
导叶的高度一样。这样的转轮单位过流量必然很小，强度和刚度有充分保证。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 转速转轮，
n S 60 ~ 120
D2 D1
的低比
出水截面积越大，可提高过流能力和改善汽蚀性能，但 越大会引起脱流，使水力损失增
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
图 2-9
止漏装置型式
(a) 间隙式； (b) 迷宫式； (c) 梳齿式； (d ) 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红套固定两种。 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，采用红套固定。 （2）止漏环型式的选择 使用水头 H 200 m，型谱内所列各型号混流式转轮一般都采用间隙式或迷宫式止漏 环，它止漏效果差，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。在 清水电站采用迷宫式止漏环较多。如图 2-9 所示迷宫式止漏环，当水从间隙中流过时， 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。
a
图 2-1 HL200-LJ-550 水轮机剖面图（高度单位：m，尺寸单位：mm）
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； 19a , 19b —上，下迷宫环；
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。 阶梯式止漏环也多用于水头 H 200 m 的水电站[见图 2-9 (d ) ]，其止漏效果好，因它 具有迷宫式及梳齿式止漏环的作用。另外，这种止漏环与转轮的同心度好，安装测量比较方 便。 （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 （见图 2-9）一般可取转轮直径的 ，具体数值参见表 2-4 。 在安装时，应仔细测量止漏环的单边间隙，当转轮位于安装的最终高程，各止漏环间隙 的允许值应符合表 2-5 的要求。 表 2-4 止漏环单边间隙表
图 2-5 2．转轮叶片
转轮上冠曲线形状
叶片的作用是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 对水力性能和强度有显著的影响， 随比转速的不同叶片数
Z1
Z1
的多少
在 9~21 的范围内。 表 2-1 绘出
了叶片数与比转速的关系，这是实践统计资料，可供设计时参考。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， 但叶片 的厚度在流道中又起排挤空间的作用， 叶片数增加减小过水断面面积， 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
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 控开在泄水锥的外侧） ，还作为主轴的中心补气和有的转轮的顶盖补气通道之用。 5．止漏装置 止漏装置的作用是用来减小转动部分与固定部分之间的漏水损失。 止漏装置分为固定部 分和转动部分，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。目前广泛采用的止漏环结构型式有间隙式，迷宫式，梳齿式和阶 梯式四种，如图 2-9 所示。
断面积，因而使水轮机的单位流量增加。试验证明，转轮上冠曲线的倾斜角 越小单位流量 越大。当然不能过小，否则会破坏整个流道的光滑性。不同上冠曲线转轮的工作特性
f (Q11 ) 如图 2-5 所示。由此可见，倾斜度小的上冠曲线应得到更广泛的应用。当然，
无论采用哪一种上冠曲线， 都应当使泄水锥部分与轴心线的交角不过大， 以免引起水流剧烈 的撞击。
比转速较高的混流式转轮，下环通常采用具有锥角（图 2-5a）的直线形。锥角 越大
=0.6~0.7 时具有良好的汽蚀性能和效率。
大效率下降。图 2-7 和图 2-8 绘出了具有不同下环锥角 的转轮的汽蚀和能量特性的曲线。
图 2-7
11 不同下环锥角转轮的 和 11 1—α =3°；2—α =6°；3—α =13°
第一节
一、概述
混流式水轮机结构
混流式水轮机是反击式水轮机的一种，其应用水头范围很广，从 20~700m 水头均可使 用。它结构简单，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。现以图 2-1 所示的混流式水轮机为例来介绍这种水轮机结构。水轮机的进水部件是具有钢板里衬的 蜗壳，座环支柱也称固定导叶 1，在转轮四周布置着导水机构导叶 2。座环支柱具有坚固的 上环 a 和下环 b ，蜗壳和上下环焊接在一起。导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底 环 3 和固定于顶盖 4 的套筒 5 上。 底环固定于座环的下环上面。 顶盖用螺钉 6 与座环的上环 连接。导水的传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂 12，连杆 13 和控制环 14 组成。导 叶的开度 0 （从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的改变是通过导水机构的两个 接力器 16 和控制环连接的推拉杆 15 传动控制环来实现的。
轮的过流能力 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。 根据实践在表 2-2 和表 2-3 中给出了 2 1 ，锥角 角与比转速的关系。采用这些数 据是有利的，但随着生厂技术的发展，这些关系是可以变化的。 表 2-2 转轮进出口直径的关系
D D
表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。 其外形呈倒锥体。 它的结构型式有铸造和钢板焊接两种。
(b)
使用水头 H 200 m 的混流式水轮机，常采用梳齿式止漏环，它的转动环和固定环的
截面为梳齿状，两个环的截面形成交错配合，图 2-9 是这种型式的止漏装置。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。梳齿式止漏环的间隙为
(c )
1 ~ 2 mm，平面间隙 1 h, h 为允许抬机的高度，一般取 10~15mm。其缺点是止
得到的改善并不显著，同时 Z1 增加，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，因此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。 3．转轮下环 转轮下环的作用是增加转轮的强度和刚度并与上冠形成过流通道。 下环形状及转轮出口 直径
D2
（见图 2-3）对转轮出口附近的过水断面面积影响很大，因而它影响转轮的过水能
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。 转轮是水轮机将水流能量转换为机械能的核心部件。 水流通过导水机构进入转轮。 转轮 由上冠 9，下环 10 和叶片 11 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 8 的下法兰连接。泄水锥 18 与上冠连接，用于 消除水流旋蜗。 转轮密封 19a ， 19b 是安置在转轮上冠和下环上的多槽环。水轮机工作时，转轮前后 的水流个别为高压与低压，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。 密封环就是为了减少流量漏损。 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， 当有 减压孔（图 2-1 上的 20）时，转轮上冠必须设置密封装置。 图 2-2 为混流式水轮机水平剖面图，座环的固定导叶数量通常为导叶数一半。