水电站发电设备介绍

水电站发电设备介绍本章教学要求：了解水能的优越性及水电站的型式；掌握水轮机的基本工作参数；熟悉水轮机的各种类型与特点；熟练掌握各种类型水轮机的型号表示方法及意义；掌握中小型水轮机的装置型式。自然界有多种能源，目前已被开发利用的能源中主要有热能、水能、风能和核能。水能是一种最经济的能源，也是一种永远消耗不尽的能源。地球上江河纵横，湖泊星罗棋布，海洋辽阔，蕴藏着丰富的水力资源。借助太阳的帮助，把地球上的水蒸发成汽，在天空中汽又凝聚成雨雪降至大地，通过江河又流入海洋，如此循环不已，永无止境。所以说利用水能发电是最经济的电能转换方式，它与火力发电和核能发电相比有许多的优点，例如成本低，运行管理简单，启动快，消耗少，适于调峰和调频，污染少自然界的河流都具有一定的坡降，水流在重力作用下沿着河床流动，在高处的水蕴藏着丰富的位能，如果没有把这种水能加以利用，当它向低处流动时，则所有的能量都消耗在克服水流的粘性、摩阻、冲刷河床和夹带泥沙等方面去了。水轮机是一种能将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的机械。水轮机通过主轴带动发电机将旋转机械能转换成电能。水轮机与发电机联接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备之一。水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换为电能的企业。为了利用水流发电，就要将天然落差集中起来，并对天然的流量加以控制和调节（如建造水库），形成发电所需要的水头和流量。水电站的型式主要取决于集中水头的方式，根据集中水头的方式的不同，水电站分为坝式水电站、引水式水电站和混合式水电站，见所示。图电建论坛差，单位为。对反击式水轮机进口断面取在蜗壳进口处口断面。列出水轮机进、出口断面的能量方程，如图头的定义可写出其基本表达式：式中：力，其值为水库；调压室、出力、效率水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量转换为转轮机械能过程中的一些、流量、转速特性数据。水轮机的基本工作参数主要有水头。一、水头水轮机的水头（亦称工作水头）是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量断面，出口取在尾水管出所示，根据水轮机工作水闸门室；一有压隧道；或为单位重量水体的能量，为断面平均流速，为重力加速度，一进水一坝；压力管道；泄水道；尾水渠为断面动能不均匀系数；为水的重度，为相对某一基准的位置高度，；为相对压（）图水电站和水轮机的水头示意图厂房；图混合式水电站枢纽布置示意图电建论坛与的三项之和为某水流截面水的总比能。式中，计算常取式中：特征水头表示水轮机水头的范围。特征水头包括最大水头额定水头等，这些特征水头由水能计算给出。加权平均水头，是在一定期间内（视水库调节性能而定），所有可能出现的能（称为某截面的水流单称为某截面的水流单位动能，即比动称为某截面的水流单位压力势能，即比压能（又称净水头，是水轮机做功的有效水头。上游水库的水流经过进水口位位置势能，即比位能（水轮机水头，其单位为拦污栅、闸门和压力水管进入水轮机，水流通过水轮机做功后，由尾水管排至下游。上、下游水位差值称为水电站的毛水头水轮机的工作水头又可表示为—△为水电站毛水头，为水电站引水建筑物中的水力损失，从式（可知，水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变，常用取几个、最小水头均水头最大水头、加权平，是允许水轮机运行的最大净水头。它对水轮机结构的强度设计有决性的影响。最小水头，是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。额定水头，是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。水轮机的水头表明水轮机利用水流单位机械能的多少，是水轮机最重要的基本工作参，是指水轮机具有最高效率的水头。水轮机的流量是单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，常用符号的水流量称为设计流量水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内旋转的次数，常用符号四、出力表示，则水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符(由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗，所以水轮机出力。水轮机的输入和输出功率之比称为水轮机的效率，用符号设计水头二、 流数，其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。表示，常用的单位为三、 转速表示，常用单位与效率水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号表示，常用单位为号。在额定水头下，水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应，它是水轮机发出额定出力时所需要的最大流量。总是小于水流出力表示。(由于水轮机在工作过程中存在能量损耗，故水轮机的效率电建论坛水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力，产生旋转力矩用来克服发电机的阻抗力由此，水轮机的出力可写成矩，并以角速度旋转。水轮机出力、旋转力矩式中：轮机转速，和角速度之间有以下关系式(为水轮机旋转角速度，为水轮机主轴输出的旋转力矩，为水水轮机是将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机。根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。一、反击式水轮机反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力驱动转轮旋转。当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。混流式水轮机所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。混流式水轮，结构简单，运行稳定且效率高，是现代应用最广图主轴；如图机应用水头范围较广，约为泛的一种水轮机。混流式水轮机一导叶流保持轴向流动，轴流式水轮机的常用水头约为叶片；轴流式水轮机如图所示，水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水。轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。根据其转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式水轮机两种。轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定不动的，因而结构简单、造价较低，但它在偏离设计工况运行时效率会急剧下降，因此，这种水轮机一般用于水头一导叶；一叶片；轮毂图轴流式水轮机电建论坛式等装置形式，如图、图、图它是在较低、出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动，从而扩大了高效率区的范围，提高了运行的稳定性。但是，这种水轮机需要有一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。图斜流式水轮机如图蜗壳；一转轮叶片；所示，水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。斜流式水轮机的转轮叶片大多做成可转动的形式，具有较宽的高效率区，适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为世纪年代初为了提高轴流式水轮机适用水头而在轴流转桨式水轮机基础上改进提出的新机型，其结构形式及性能特征与轴流转桨式水轮机类似，但由于其倾斜桨叶操作机构的结构特别复杂，加工工艺要求和造价均较高，所以一般只在大中型水电站中使用，目前这种水轮机应用还不普遍。贯流式水轮机贯流式水轮机是一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机，它不设引水蜗壳，叶片可做成固定的和可转动的两种。根据其发电机装置形式的不同，分为全贯流式和半贯流式两类。全贯流式水轮机（如图的发电机转子直接安装在转轮叶片的外缘。它的优点是流道平直、过流量大、效率高。但由于转轮叶片外缘的线速度大、周线长，因而旋转密封困难。目前这种机型已很少使用。半贯流式水轮机有轴伸式、翌井式和灯泡所•；示，其中轴伸式和翌井式结构简单、维护方便，但效率较低，一般只用于小型水电站。目前广泛使用的是灯泡贯流式水轮机，其结构紧凑、稳定性好、效率较高，其发电机布置在被水绕流的钢制灯泡体内，水轮机与发电机可直接联接，也可通过增速装置联接。图一转轮叶片；—发电机定子;—锥形插入物;图转轮;齿轮转动机构；一转轮轮缘；一支柱；一拉紧杆；承；一水轮机主轴；轴伸贯流式水轮机一尾水管；一发电机全贯流式水轮机一发电机转子轮一轴颈；一导叶；一导轴承一轮毂；一推力轴斜流式水轮机一导叶；一尾水管图翌井贯流式水轮机电建论坛。国内湖南洪江水电站最大水头；单机出力最大的为日本的贯流式水轮机适用于低水头、大流量的水电站，利用水头一般为，也有最大水头达的电站。由于其卧轴式布置及流道形式简单，所以土建工，效率约高；由于施工简便，施工期短，程量一般比同规模的轴流机少约机电设备费约节约因而在开发平原地区河道和沿海地区潮汐等水力资源中得到较为广泛的应用。目前已运行的灯泡贯流式水轮机最大转轮直径为只见电站为为，单机容量二、冲击式水轮机冲击式水轮机的转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已转变成高速自由射流，该射流冲击转轮的部分轮叶，并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的改变，从而将其动能大部分传递给轮叶，驱动转轮旋转。在射流冲击轮叶的整个过程中，射流内的压力基本不变，近似为大气压。冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为水斗式、斜击式和双击式三种。水斗式水轮机水斗式水轮机，亦称切击式水轮机，如图所示。从喷嘴出来的高速自由射流沿水头超过转轮圆周切线方向垂直冲击轮叶。这种水轮机适用于高水头、小流量的水电站，特别是当时，由于结构强度和气蚀等条件的限制，混流式水轮机已不太适用，则常采用水斗式水轮机。大型水斗式水轮机的应用水头约为。目前水斗式水轮机的最高水头已用到，小型水斗式水轮机的应用水头约为（奥地利莱塞克电站），我国天湖水电站的水斗式水轮机额定水头为如图斜击式水轮机所示，从喷嘴出来的自由射流沿着与转轮旋转平面成一角度的方向，从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。与水斗式相比，其过流量较大，但效率较低，因此这种水轮机一般多用于中小型水电站，适用水头一般为双击式水轮机图一转轮叶片；灯泡贯流式水轮机一导叶；一发电机转子；一发电机定子；一灯泡体图)转轮；一管帽；一针阀；斜击式转轮斜击式转轮进水示意图图水斗式水轮机轮叶(电建论坛嘴数喷嘴；一调节闸板；反击式水轮机转轮标称直径舵轮；引水管；根据我国“水轮机型号编制规则”规定，水轮机的型号由三部分组成，每一部分用短横线“一”隔开。第一部分由汉语拼音字母与阿拉伯数字组成，其中拼音字母表示水轮机型式，阿拉伯数字表示转轮型号，入型谱的转轮的型号为比转速数值，未入型谱的转轮的型号为各单位自己的编号，旧型号为模型转轮的编号；可逆式水轮机在水轮机型式后加所示。”表示。第二部分由两个汉语拼音字母组成，分别表示水轮机主轴布置形式和引水室的特征；第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其它必要的数据。水轮机型号中常见的代表符号如表对于冲击式水轮机，上述第三部分应表示为：转轮标称直径（/每个转轮上的喷射流直径（各种型式水轮机的转轮标称直径（简称转轮直径，常用表示）规定如下（参见图所示）：混流式水轮机转轮直径是指其转轮叶片进水边的最大直径；）轴流式、斜流式和贯流式水轮机转轮直径是指与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径；冲击式水轮机转轮直径是指转轮与射流中心线相切处的节圆直径。的尺寸系列规定如表。随着科学技术的不断进步，单、制作方便，但效率低、转轮叶片强度差，电站，其适用水头一般为一各种类型水轮机及应用水头范围如表带有闸板阀门的双击式水轮机―工作轮；一尾水槽所示。表图水轮机类型及应用水头范围仅适用于单机出力不超过的小型水如图所示，从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。这种水轮机结构简电建论坛水轮机的装置型式，是指水轮机主轴的布置型式和引水室型式相结合的总体。它取决于使用水头、单机容量和上下游水位等的变化情况。水轮机装置型式对水电站厂房设计有着密切的关系，下面对我国中小型水轮机常用的几种装置型式作简要介绍。一'反击式水轮机装里型式反击式水轮机使用水头范围大，单机容量的差别大，机型繁多，所以装置型式各不相，表示转轮型号为，表示转轮型号为，表示转轮型号为，表示转轮型号为的水斗式水轮机，一根轴上装有单位：图各种类型的水轮机转轮盲径规定示意图的混流式水轮机，立轴、金属蜗壳，转轮的轴流转桨式水轮机，立轴、混凝土蜗壳，的贯流定桨式水轮机，卧轴、灯泡式引个转轮，卧轴、转轮直径为，每个转轮具有个喷嘴，射流直径为水，转轮直径为转轮直径为直径为水轮机型号示例：注括号内的数字仅适用于轴流式水轮机表反击式水轮机转轮标称直径系列表水轮机型号的代表符号计算手段和加工能力不断发展，目前，除小型机组之外，大中型机组的转轮直径一般不套用标准系列・而是根据实际需要进行设计。电建论坛图金属蜗壳一立轴装置图混凝土蜗壳一立轴装置壳，弯肘形尾水管，如图所示，一般中低水头混流式机组和轴流式机组采用立轴，混凝土蜗壳，弯肘形尾水管，如图所示。对贯流式机组，主轴都采用卧轴布置型式，引水尾水管；室采用贯流式。如图一图所示。对中、小型机组，根据利用方式不同，主轴也可以布置成立式或者卧式。水轮机轴与发电机轴可以采用直接连接，也可以通过齿轮、皮带间接连接。在高水头时，一般采用蜗壳，在低水头时大多采用开敞式引水室。另外也有采用曜式、虹吸式的，而尾水管一般采用直锥形和肘形尾水管。图是立轴、金属蜗壳，图金属蜗壳一卧轴布置图金属蜗壳一立轴装置调节轴；蜗壳进水断面垂直向下的方法；金属蜗壳；一主轴；蜗壳进水断面朝向水平的方式一推拉杆；主阀；一压力水管；蜗壳进水断面；弯管；一支撑腿；压力水管；直锥形尾水管一主轴连接。对中高水头混流式机组，采用立轴，金属蜗同。对大型机组，为了缩小厂房面积，一般采用立轴布置形式，水轮机轴与发电机轴直接电建论坛二、冲击式水轮机的装置型式冲击式水轮机的装置型式是根据它们的类型和机组容量的大小，结合当地自然条件与生产制造水平决定的。斜击式和双击式水轮机由于机组容量小，一般都采用卧轴装置型式。切击式水轮机由于机组容量范围较大，因此装置型式有立式也有卧式。大容量机组一般是立式，小容量机组是卧式。卧式切击式水轮机一般为了得到较高的水力效率大多对每个转轮采用单喷嘴，对较大容量的卧式机组多采用双转轮，对每个转轮使用双喷嘴的装置型式。如图图所示。明槽立轴装置（直锥形尾水管）图水轮机曜；曜式一水轮机转轮；卧轴装置一肘形尾水管；一水轮机主轴；一检察孔图垂直肘管位于明槽外；（斜肘位于明槽外；（）垂直肘管位于明槽内图明槽卧轴布置是卧轴、曜式、肘形尾水管，一般用于中等水头，容量相当小的混流式水轮机。槽、直锥形尾水管，对于水头很低的小容量轴流式水轮机可以采用这种装置型式。图水管，一般低水头、小容量的轴流式水轮机可以采用这种装置型式。图是立轴、明蜗壳、肘形尾水管，一般用于中高水头、小容量的机组。图是立轴、明槽、肘形尾直锥形尾水管，一般用于中高水头，相对容量较大的混流式机组。图是卧轴、金属电建论坛个喷嘴。如图图单轮单喷嘴卧式水斗式水轮机图单轮双喷嘴卧式水斗式水轮机图图双轮双喷嘴卧式水斗式水轮机图）四喷嘴；）六喷嘴双轮单喷嘴卧式水斗式水轮机对大容量机组，为了缩小厂房平面尺寸，降低开挖费用，一般都采用立式装置。立式装置还可以降低进水管中的水力损失及转轮的风损，提高水轮机效率。另外立式机组可以多装喷嘴，一般是所示。增加喷嘴数可以提高切击式水轮机的比转速，在运行中能够根据负荷的变化自动率。国外调整投入运行的喷嘴数，保持运行的高效个喷嘴的切击式水轮机所占比例相当大。双轮双喷嘴卧式水斗式水轮机立式机组喷嘴布置（三喷嘴；（图）双喷嘴；水轮机作为一种水力原动机有着悠久的历史。远在公元前几世纪在中国、印度等地人们就已经懂得利用水轮机来带动水磨、水辗等加工机械，公元二世纪在欧洲罗马的运河上电建论坛欧拉首先分析了辛格聂尔水轮的工作过程，已建有浸在水中由水轮带动的水磨。这些水轮都是利用水流的重力作用或者借助水流对叶片的冲击而转动，因此他们的尺寸大、转速低、功率小、效率低。世纪末，水力学的理世纪中叶到论开始有了发展，随着工业的进步，要求有功功率更大，转速更快，效率更高的水力原动机。年英国学者巴克斯,年匈牙利人辛格聂尔分别提出一种依靠水流反作用力工作的水力原动机（图。但是其效率只有左右，原因是转轮进口没有导向部分，存在撞击损失。转轮出口无回收动能的装置，动能未得到充分利用。年间，俄国彼得堡科学院院，已经有导向部分，但出口流速仍很发表了著名的叶片式机械的能量平衡方程式（欧拉方程）。这个方程式直到今天仍被称为水轮机的基本方程。欧拉所建议的原动机（图大，效率仍然不高。图勃尔金水轮机图萨富可夫水轮机的叶道，但由于转轮高度太大，叶道太长，水力损失大，使效率低于透平是拉丁文陀螺之意），如图所示。它有导向部分，转轮改进成由弯板制成年法国学者勃尔金建议一种水力原动机，并第一次成为水轮机（即水力透平，图巴克和辛格聂尔提出的水力原动机图欧拉水力原动机电建论坛年美国的法兰西斯提出了向心式水轮机年勃尔金的学生富聂隆和俄国人萨富可夫分别提出导叶不动的离心式水轮机（图，效率可达直到法兰西斯水轮机世纪它一直得到广泛利用。但其缺点是导向机构在转年法国的荣华里提出采用轮内，故转轮直径大，转速低，出口动能损失大。年的德国的韩施里，吸出管（尾水管）的轴向式水轮机，吸出管是圆柱形，可以使转轮安装在下游水位以上，但还是不能利用转轮出口动能。直到（图图，它的转轮装置于导向机构以内，因而尺寸小，转速高。它的吸出管是圆锥形，能利用转轮出口动能。同时转轮叶道是逐渐收缩的，故转轮内水力损失较小。缺点是转轮叶片位于径向，故尺寸仍很大，转速还不够高，导向部分通过插板来调节流量，损失大，效率低。年法国人菲康，采用转动导向叶片的方法调节流量。以后在实践中对向心式水轮机不断改进和完善，才发展成现代最广泛使用的混流式水轮机。随着工业技术的发展，人们利用坝和压力钢管能集中越来越高的水头，但是强度和气蚀问题限制了混流式水轮机应用水头的提高。冲击式水轮机，年施万克格鲁提出了辐向单喷嘴年希拉尔提出的辐向多喷嘴冲击式水轮机，是最早出现的冲击式水轮机，但它们的斗叶形状不够好，尺寸较大，效率较低。水轮机（图年美国人培尔顿提出了采用双曲面水斗的冲击式。在最初的结构中，不是采用针阀调节流量而是用装在喷嘴前的闸门开关，因而水力损失大。经过不断改进和完善才形成今天的切击式水轮机。这种水轮机结构强度优于混流式，在大气中工作，应用水头不受气蚀条件限制，所以适用于高水头电站。缺点是流量小，功率小。年匈牙利的班克提出双击式水轮机，培尔顿所建议年英国人仇戈提出斜击式水轮机，它们的结构简单，但效率低于切击式，适用于小型水电站。年捷克人卡普兰提出一种转轮带有外轮环，叶片，这种水轮机把转轮移到轴向位置，大大减少了叶片数，因而过流量加大，转速也提高了。年卡普兰又提出取消外轮环，并采用使叶片转动的机构，进一步提高过流量和平均效率。经过不断完善形成现代的轴流转桨式水轮机。世纪年代为了开发低水头的水力资源，出现了贯流式水轮机。它在轴流式的基础上，取消蜗壳，引水室变成了一条管子，导水机构放到轴向位置，机组改为卧式，使得过流量进一步提高，损失减少，尺寸缩小。年原苏联克维亚特科夫斯基教授，年瑞士人德列阿兹在英国分别提出斜流式水轮机。由于它具有双重调节，使得适用水头高于轴流式，效率高于混流式等优图的冲击式水轮机固定的螺桨式水轮机（图电建论坛机规模大于中国水电装机的地点有步查明总蕴藏量达图年在加拿点，逐步得到推广和应用。第一台斜流式水轮机由德列阿兹研制成功，大亚当别克蓄能电站投入运行。近年日本在斜流式水轮机生产上发展很快。从年一百多年间，水轮机从低级发展成比较完善的现代水轮机，这是社会生产发展和人类共同努力的结果，这个时期主要解决了加大水轮机的过流量和提高水轮机效率两方面的问题。现代水轮机发展的趋势是提高单机容量，比转速和应用水头。提高单机容量可以降低水轮机单位容量卡普兰提出的转桨式水轮机的造价。提高水轮机比转速可以增大机组的过流能力，使水轮发电机体积小，重量轻，节省金属材料和制造工时，从而降低了成本，尤其对大容量的机组更有很大好处。各型反击式水轮机由于过流能力不同，受到空化和强度条件限制，适用的水头范围也不同。高比转速水轮机在同样水头的转轮直径的条件下能发出更多的出力，但是，由于过流能力大，空化和强度条件较差，所以适用水头较低，如果能改善它的空化性能和强度条件就能提高它的应用水头，扩大使用范围，并将带来巨大的经济效益。水轮机应具有良好的能量特性和空化特性，并具有高的比转速，然而这三者之间是相互矛盾的。因为水轮机比转速的提高通常会带来效率下降和空化性能变坏，这是由于过流能力的加大会使水轮机流道中水流相对速度大大提高。因此我们应从设计方法、制造工艺、材料性能等多方面进行深入的研究，寻求合理解决矛盾的途径。我国水力资源非常丰富，新中国成立后，先后进行过亿次大规模的水能资源普查，初亿，可开发的水能为，居世界第一位，其中，装处。建国后我国水电事业取得很大成就，到年底，约占可开发资源的的巨型机。近年来，更是兴起水利水电建设的高潮。我国已建造及正在建造一批大型水电站，这些水电站选用了组，其主要参数见表低水头的机组。近年来灯泡贯流式机组发展迅速，在国内除大源渡贵港为了开发我国平原河流及海洋潮汐等水力资源，也急需发展轴流式、贯流式等适宜于表我国已建及正在建的大型水电站的机组数据电建论坛、、百龙滩飞来峡等大型灯泡贯流式机组投产外，又有四，通过，发电机效率，若忽略，青海尼那凌津滩川桐子与湖南洪江等大型灯泡机组电站陆续开工建设。灯泡贯流式水轮发电机组正向高水头、大型化发展。综上所述，当前我国要加强对高水头大容量混流式机组的研制，发展抽水蓄能机组和贯流式机组，进一步提高轴流式机组的性能和质量，以适应我国水电事业的飞速发展。水轮机的基本工作参数通常有哪几个？它们的代表符号和单位是什么？什么叫水轮机的额定水头、最大水头、最小水头和净水头？某河床式电站在额定水头下：上游水位，下游水位下=某台水轮机的流量=，水轮机效率=引水建筑物中的水力损失，试求水流出力、水轮机出力和机组出力。现代水轮机的基本类型有哪些？它们的适应水头怎样？了解我国已建及正在建的大型水电站的机组的单机容量。反击式和冲击式水轮机在能量转换上有何区别？解释水轮机型号：电建论坛和下环现以图钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称固定导叶支柱具有坚固的上环龙材料）支承在底环用螺钉和控制环改变是通过导水机构的两个接力器导叶和水轮机顶盖及底环和固定于顶盖本章教学要求：，掌握混流式和轴流式水轮机的基本结构；掌握反击式水轮机引水室的作用、类型及其适用范围；了解座环的结构与作用；了解径向式导水机构的基本结构和作用；掌握尾水管的作用、类型、基本设计原则及尾水管的减振措施。一、概述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。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，在转轮四周布置着导水机构导叶。座环的套筒蜗壳和上下环焊接在一起。导叶轴颈用衬套（钢或尼上。底环固定于座环的下环上面。顶盖与座环的上环连接。导水的传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂，连杆组成。导叶的开度传动控制环来实现的。（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的和控制环连接的推拉杆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与一般随水头增加而减小。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。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。转组成。一般混流式水轮机有的下法兰连接。泄水锥是安置在转轮上冠和下环上的多槽环。水轮机工作时，转轮前后轮由上冠，下环和叶片个叶片。叶片、上冠和下环组成坚固的整体钢性结构。转轮上冠与主轴与上冠连接，用于消除水流旋蜗。转轮密封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——电建论坛电建论坛工作水头降低，转轮叶片变短，高度增加，水流愈趋于轴流方向。图混流式水轮机水平剖面图一叶片；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。上的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（图时，转轮上冠必须设置密封装置。图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。图二、转轮转轮是各种型式水轮机将水能转变成机械能的核心部件。转轮也直接决定水轮机过流能力、水力效率、空蚀性能和工况稳定性等工作性能。因此转轮各部分应满足水力设计的型线要求，有足够的强度和刚度，制造的转轮应具备有抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的性能。对于不同的水头，水轮机的形状是不同的，有轴流式，混流式和冲击式等几大类水轮机。划分这几大类水轮机的根本原因是通过转轮的过流量和转轮的强度及空化特性等因素。低水头下工作的水轮机可以具有较大的过流量，尽管水轮机空化系数大一些，仍I日可以得到合理的安装高程。轴流式水轮机过流量大，转轮叶片承悬臂梁状。由于工作水头不高，强度，刚度也能满足要求。当水头增加，由于空蚀及强度条件不够，轴流式水轮机不适应了，转轮就应该做成有上冠和下环的形状。混流式水轮机适用水头范围极广。由于水头和流量的不同，其转轮形状也各不相同。一般说来，水头愈高转轮叶片高度减小，长度增加，水流在转轮中愈趋于幅向流动。随着表示不同比转速的混流式水轮机轴面投影，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。图混流式转轮示意图图不同比转速的混流一压装置；一止漏环；泄水锥；一上冠；式水轮机轴面投影下环电建论坛面与主轴相，其下面固定泄水锥，在上冠上固定有均匀分所示。此可见，倾斜度小的上冠曲线应得到更广泛的是混流式转轮结构示意图。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（一）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，此匕法兰的所示。直线型上冠具有较好的工艺性，但其效率特别布的叶片。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，如图是在负荷超过最优工况时低于曲线型冠。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，如图越小单位流量越大。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。图转轮上冠曲线形状（二）转轮叶片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，转轮叶片数的多少对水力性能和强度有显著的影响，随比转速的不同叶片数在的范围内。表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。因此图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叶片数不同时的了）曲线同时也改变出力限制线的位置。图说明了上述分析。叶片数对汽蚀性能的影响没有一定规律。在叶片长度不变的情况下，增加；意味表混流式转轮的叶片数与比转速的关系电建论坛值小于，进口边的高度增加转轮叶栅稠密度本来就较大，所以因，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。但因混流式转轮叶栅的增加使空化得到的改善并不显著，同时增加，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，因此叶片数增加对空化性能的影响要看哪个因素起主要作用而定。（三）转轮下环（见图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力及空化性能。低比转速水轮机的转轮下环呈曲线形，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，对的低比转速转轮，时具有良好的汽蚀性能和效率。比转速较高的混流式转轮，下环通常采用具有锥角（图和图大出水截面积越大，可提高过流能力和改善空化性能，但失增大效率下降。图绘出了具有不同下环锥角曲线。和增加更多，但效率开始下降。因而锥角加大则曲线）和中给出了，锥图不同下环锥角转轮的）下环锥角=角越大，曲线右移越多。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，则锥角降。下环锥角由增加到的过流能力增加，而其出力可增加左右，当。时，虽然不宜过大，从图中可看出，角的增加能使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。根据实践在表和表图不同下环锥角转轮的曲线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。角由。增至和曲线）均右移，不宜太长，以免平均的运行效率下。时，在实际上不改变水轮机最高效率情况下可使转轮一般不应大于空化系数下降，改善空化性能。这是因为的直线形。锥角越越大会引起脱流，使水力损的转轮的空化和能量特性的—电建论坛使用水头表图止漏装置型式转轮进出口直径的关系表转轮下环锥角（四） 泄水锥，以便排除通过止漏环的漏水及橡胶导轴承的润滑水（有的泄水锥的作用是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。其外形呈倒锥体。它的结构型式有铸造和钢板焊接两种。里面空心，下面开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。（五） 止漏装置所示。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，如图间隙式；（止漏环的材料和固定方式迷宫式；（）梳齿式；）阶梯式迷宫止漏环的材料一般采用或钢板，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。止漏环型式的选择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。当水头超过，采用梳齿密封的混流式水轮机（图，由于运行中机组摆度的影响，圆周方向的间隙不均匀，可能导致腔内水流压力波动，严重时会引一般采用适当加大。也可采用加联通管，进口外圆车制腔压力值。起机组振动，因此间隙值环槽等措施来均衡（六）减压装置减压装置的作用是减小转轮上的轴向水推力。其形状为环形减压板，分别装在顶盖下面和上冠的上方。水流经过混流式转轮时会产生轴向力。设计水轮机时，除了要知道水C机转｝+P王糊隙的允许值应符合表响。止漏环单边间隙见图一般可取转轮直径的的要求。止漏环单边间隙表表中间隙为单边间隙混流式转轮止漏环间隙允许偏差，平面间隙十为允许抬机的高度，一般取阶梯式止漏环也多用于水头的水电站，见图止漏环的安装图一上梳齿；一环行槽梳齿密封一下梳齿；腔联管：腔排水管；表注表在安装时，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，具体数值参见表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。，其止漏效果好，因它具有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。。其缺点是止漏环与梳齿时，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面为梳齿状，两个环的截面形成交错配合，图（）是这种型式的止漏装置。当水流经过使用水头的混流式水轮机，常采用梳齿式止漏环，它的转动环和固定环的截漏水有的直接排至尾水管，见图为引水板和泄水孔的减压有小及泄水孔的直径关。一般认为引水板和泄水孔面积越大，间隙在高水头混流式水轮机中，为了降低机组推力轴承的负荷，在结构上主要采用减小作用在上冠外面轴向水推力的措施。常用的减压装置结构形式有两种，如图所示，图（方式；图（为顶盖排水管的转轮泄水孔的减压方式。图顶盖引水板与上冠引水板之间的间隙）型式中，上下环形引水板分别装在顶盖下方和上冠的上面，当漏水进入时，由于转轮旋转受离心力的作用，漏水被逸至顶盖引水板上，经泄水孔排至尾水管。此型式的减压效果与引水板面积、间隙和的大和越小，减压效果越显著。泄水孔最好开成顺水流方向倾斜在图型式中，顶盖和尾水管内有数条排水管相连，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。自转轮泄水孔排入尾水管的）所示；有的经泄水锥内腔排入尾水管，见图（所示。经转轮上的泄水孔排入尾水管，使式中系数表式中，；为转轮流道内水流作用产生的推力；水推力；为作用于下环因水压力产生的推力；水轮机轴向力系数分瓣结构的转轮重量按式（的重量外，还要知道轴向水推力。根据混流式特点，总的轴向水推力为：混流式水轮机转轮重量可按下式近似计算。=+主轴重量机可取=机组，混流式可取+水轮机总的轴向推力：图减压装置+O（较低水头或大机组取小值对发电机与水轮机同一轴的的近似计算，高水头混流式水轮机可取=，中水头混流式水轮结果增加与水轮机型号的关系与水轮机型号有关，其值可参考表）在实际设计中，往往用经验公式来计算作用于转轮的轴向推力。对混流式水轮机有：为浮力。为作用于转轮上冠因水压力产生的）所示就是其中的一种结构如或度和图上面的压所示的方（力降低，从而减轻作用在转轮上的轴向力推力。但如图能在翻水锥的过流表面上产生空蚀损坏和磨损。而图）所示的方式又有可能响补气的效果。七）传轮的结构型式由于笼流式水轮机的转轮应用水头和尺寸大小不同，它们的构造型式，制作材料及加工方法均不同。混流式转轮的结构型式主要是指上冠，叶片和下环三部分的构造型式，基本上分为整铸转轮，铸焊转轮，组合转轮三种。整铸转轮整铸转轮是指上冠，叶片和下环整体铸造而成的转轮，所示就是整体转轮，这种结构在中小型机组中广泛采用。低水头的中小型混流式转轮材料采用优质铸铁球轮，则采用墨铸铁整铸；高水头的中小型转轮和低水头的大型转整铸。对高水头的水轮机转轮，为提高其强抗图整铸转轮空蚀损坏，耐泥沙磨损的性能，采用了不锈钢材料。有些采用普通碳钢的转轮，在其容易空蚀和磨损的过流部位，例如在叶片表面和下环内侧，堆焊抗空蚀耐磨损的材料。整铸转轮当尺寸不大时，它的生产周期短，成本较低，且有足够的强度，所以广泛采用。缺点是容易产生铸造缺陷，铸造质量不易保证，尤其当转轮尺寸大时，需要铸造设备的能力也大。铸焊转轮在混流式转轮制造中，目前广泛采用焊接结构。如图形式。转轮的上冠、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。这种焊接结构具有良好的技术经济效果，可对不同部位采用不同的钢种，例如对上冠和下环采用普通铸钢而叶片采用不锈钢，这样做既提供了转轮的抗空蚀能力，又节省了镍铬等金属。铸焊转轮上冠：叶片；一下环；焊缝铸焊结构转轮，由于铸件小，形状较简单，容易保证铸造质量，同时降低了对铸造能力的要求。但铸焊结构转轮焊接工作量大，对焊接工艺要求高，要确保每条焊缝的质量，避免和消除焊接温度应力等。大型混流式转轮除采用手工焊外，还采用叶片与上冠电渣焊、下环与叶片手工焊的结构型式。目前已成功地制成了叶片与上冠、下环全部采用管极熔嘴全电渣焊的大型转轮。组合转轮时，因受铁路运输的限制，或因铸造能力不足，必须把转轮分可转轮式影当转轮直径大于半制作，运到现场再组合成整体。根据转轮各部分的组合连接方式不同，也分几种型式。我国主要采用上冠螺栓连接、所示是轴流转桨式水轮机的结构轴流式水轮机一转轮体；转臂；一叶片枢轴；一转轮室图组合转轮一组合螺栓；一组合定位螺栓；一定位销；下部分剖面；上部分剖面；临时组合发兰；一下环分瓣面一、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，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。图图转轮接力器活塞；一叶片；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下环焊接结构，在上冠连接处有轴向和径向的定位销，如图所示。承一密接封力；器；转轮安体全；销；桨一叶真；空破坏桨阀叶；连一杆主；轴扶；梯接；力器一排操塞水作；油管锥；’一转轮室；一底环；；水轮机导轴承；一冷却器；轴一固定导叶；图活动导叶顶盖；支持盖；一连杆；控制环；轴承支架；水轮机构的改进，转轮体球面直径与转轮直径之比，即轮毂比水平线重合时，叶片安放角相对荷变化时，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。，目前。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，应用水头范围为最大应用水头不超过条件。由于轴流式水轮机的过流能力大。单位流量和单位转速都比较大，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。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。当使用水下叶片和转动机构，转轮的轮毂比头增高时，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，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，达到减少漏水损失的目标。另外球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。或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标记线对照。当与轴孔夕卜圆的弦长，与线标记与转轮体轴孔的相对应处为+应处为，见图图叶片枢轴结构）叶片与枢轴体；）叶片与枢轴用螺栓连接叶片；一枢轴铸钢，并根据电站运所示，其中：三、叶片轴流式水轮机的比转速=，随着比转数的增高，转片，叶片轴线位置变为水平，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，一般为图叶片安放角位置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：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，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，如果采用分开式结构，转轮体就无法满足要求。轴流式转轮的叶片一方面承受其正背面水压差所形成的弯曲力矩，另一方面承受水流作用的扭转力矩，同时还要承受离心力作用。受力最大位置在叶片根部，叶片的断面是外缘薄，逐渐增厚，根部断面最厚。叶片根部有一法兰，这是为了叶片与转轮体的配合。叶片本体末端是枢轴，枢轴上套有转臂。这样，把枢轴插在转轮体内，通过转臂，连上叶片操作机构就可以转动叶片了。叶片的材质要求与混流式相同，目前多采用或行条件，在叶片正面铺焊耐磨材料，背面铺焊抗空蚀材料。许多电站运行实践表明，铺焊不如堆焊效果好。有的机组采用不锈钢整铸叶片效果更理想。)的和为不带操作架的结构，四、叶片操作机构和接力器叶片操作机构由接力器、活塞杆、曲柄连杆机构等零件构成，安装在转轮体内，用来变更叶片的转角，使其与导叶开度相适应，从而保证水轮机运行在效率较高的区域，叶片操作机构是由调速器进行自动控制的，其叶片操作机构示意图见图根据接力器布置方式不同，叶片操作机构的形式很多，目前应用比较普遍的型式有带操作架传动的直连杆机构，带操作架的斜连杆机构和不带操作架的直连杆机构。采用一个操作架来实现几个叶片同时转动的机构称为操作架式叶片转动机构。当叶片转角在中间位置时，转臂水平，连杆垂直的称带操作架直连杆机构。转轮接力器的布置方式很多，通常把接力器布置在转轮体叶片中心线上部，也有把接力器布置在叶片下部泄水锥的空腔内。如图所示是目前采用比较普遍的结构，接力器布置在叶片中心线上部，活塞和活塞杆的连接方式有两种。如图为带操作架的结构。控制转轮接力器活塞作往复运动的压力油通过操作油管输入，操作油管由不同管径的无缝钢管组成，并安装在主轴内。操作油管上部与受油器相连，从油压装置输送来的压力油和回油都通过受油器进入和流出操作油管。五、叶片密封装置由于转桨式水轮机在运行中需要转动叶片以适应不同的工况，当叶片操作机构工作时，一些转动部件与其支持面间需要进行润滑，因此在转轮体内是充满油的。转轮体内的图叶片；连杆叶片操作机构示意图桨叶转轴；一操作架；一轴承；一接力器活塞一转臂；活塞杆图转轮接力器结构所示是目前国内水轮机厂采用较普遍的“型转轮叶片油是具有一定压力的压力油，这是因为一部分主轴中心孔的油，最后排入受油器，而受油器布置在发电机的顶上，所以转轮体内的油有相当于发电机的顶部至转轮体这段油柱高度的压力，另外由于转轮旋转，油的离心力使油产生一定的压力。在另一方面，转轮体外是高压水流，为了防止水流进入转轮体内部和防止转轮体内部的油向外渗漏，在叶片与转轮体的接触处必须安装密封装置。从电站的运行实践看，转桨式水轮机转轮叶片密封结构性能的好坏对保证机组正常运行关系很大。密封的型式很多，如图密封结构。通过试验和运行表明，它具有良好的密封性能、结构紧凑、制造和装拆方便。型橡胶环双向密封，结构简单，安装方便，更换密封不需要是近年来有的机组采用拆卸叶片，优点较多。六、 泄水锥泄水锥的外形尺寸由模型试验确定。中小型机组的泄水锥大多采用铸造，图泄水锥与转轮体的连结结构。图所示的结构中，泄水锥上部周围开有带筋的槽口，用螺钉把合，除加保险垫圈外，装配后螺幅还应和锥体点焊，防止机组在运行中泄水锥脱落。七、 转轮室图所示为转轮室结构图，转轮室的上端与底环相连，下端与尾水管里衬相连。转轮室的形状要求与转轮叶片的外缘相吻合，以保证在任何叶片角度时叶片和转轮室之间都有最小的间隙。在水电站运行中，发现转轮室臂受到强烈的振动，可能造成可卸段的破坏，有时整个可卸段被拉脱。因此加强转轮室的刚度和改善转轮室与混凝土的结合，是应该重视的一个问题。在叶片出口处的转轮室内表面上，常出现严重的间隙空蚀和磨损现象，需要采取抗磨抗空蚀的措施。八、支承盖和顶盖大型的轴流式水轮发电机组，顶盖和支持盖是分开的。支持盖通过法兰与顶盖连接，并支承在顶盖上。顶盖为箱型结构固定在座环上。导水机构的推力轴承由固定在支持盖上的轴承支架来支承。水轮机导轴承支持在支持盖下部的引水锥内。顶盖上装有控制环，导水机构传动部件等。图螺钉；一弹簧；一压盖一叶片枢轴型转轮叶片密封一顶起环；转轮体”密封圈；一限位螺钉；图一转轮螺钉；—护盖泄水锥连接结构一保险垫圈；泻水锥图转轮室结构一、引水室引水室和导水机构是水轮机的两大部件。引水室是水流进入水轮机的第一个部件。通过它将水引向导水机构并进入转轮区。在转轮区工作中对引水室提出下列基本要求：尽可能减少引水室中的水力损失以提高水轮机效率。保证导水机构周围的进水量均匀，水流呈轴对称，使转轮四周受水流的作用力均匀，以便提高运行的稳定性。水流进入导水机构前应具有一定的旋转（环量），以保证在水轮机的主要工况下导叶处在不大的冲角下被绕流。有合理的断面尺寸及形状，以降低电站厂房投资及便于电站辅助设备的布置（如导水机构的接力器及传动机构的布置）。具有必要的强度及合适的材料，以保证结构上的可靠性及抵抗水流的冲刷。显然上述各项要求之间是有矛盾的，例如要使水力损失小就须增大引水室尺寸，而增大引水室尺寸又会使厂房投资增加。因此，对上述各项要求应作统一，全面的考虑。为了适应不同的流量与水头条件，各种型式电水轮具有不同型式和结构的引水室。归纳起来有开敞式引水室，曜式引水室和蜗壳式引水室三大类型（图支持盖的下翼板为水轮机过流通道表面的一部分，转轮前水流压力的作用。当推力轴承安置在支持盖上时轴向水推力和转动部分重量。中小型轴流式水轮机常将顶盖和支持盖合为一件，应做成流线型，该过流表面有承受，支持盖还承受着作用在转轮上的图引水室的应用范围总称顶盖。异，通常蜗壳进口断面厚度较大，愈接近鼻端则厚度愈小，如图图图曜式引水室（一）开敞式引水室开敞式引水室（图是在水轮机导水机构外围作一个开敞的水槽，为了保证水流轴对称及在引水室内水力损失小，其平面尺寸常很大。由于这种引水室一般是用砖石及混凝土做成，所以只能用于较低水头及小型水轮机。开敞式引水室（二） 罐式引水室曜式引水室属于闭式，常见的有两种：一种如图所示，水流沿轴向进入水轮机，在进入导水机构前流向急剧转弯致使水流不均匀。因此这种引水室只适用于小型水轮机。（三） 蜗壳式引水室如前所述，由于保证沿外围圆周均匀地向水轮机导水机构和转轮径向进水，同时还造成一定的环量（周向流动），这样，进水室就必须做成过水断面逐渐减小的蜗壳形状。良好的蜗壳形进水室应能使水流流动损失最小，同时减小厂房尺寸，降低电站投资。蜗壳是反击式水轮机中应用最普遍的一种引水室，本章将主要介绍这种引水室。水轮机蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳。混凝土蜗壳一般用于水头在以下的机组。由于混凝土结构不能承受过大水压力，故在高水头时采用金属蜗壳。现在研究在高水头时应用高强度预应力混凝土蜗壳。此外钢板和混凝土联合作用的蜗壳也是一个新的研究课题。金属蜗壳的水头尺寸关系密切。铸焊和铸造蜗壳一般用于直径金属蜗壳按其制造方法有焊接，铸焊和铸造三种类型。金属蜗壳的结构类型与水轮机的高水头混流式水轮机，尺寸较大的中低水头混流式水轮机一般都应用钢板焊接结构。图是某水电站钢板焊接的结构。它由节焊成，每节又由几块钢板拼成。蜗壳和座环之间也靠焊接联接。焊接蜗壳的节数不应太少，否则将影响蜗壳的水力性能。但为使蜗壳线型尽量光滑及改善其水力性能而采用过多的节数，则又会给制造和安装带来困难而且也是不经济的。金属蜗壳的断面采用圆形，为了节约钢材，钢板厚度应根据蜗壳断面受力不同的而的焊接蜗壳，进口断面的最大厚度为，而在接近鼻端处厚度为，此外，即使在同一断面上钢板的厚度也不应相同，如接近座环上，下端的钢板较断面中间的厚些，具体数值由强度计算确定。金属蜗壳的受力情况较复杂，除了内水压力所引起的薄壁应力外，还有蜗壳与座环连铸造蜗壳（图图焊接蜗壳结构图图接处及同一轴截面内不同厚度钢板联接处因刚度不同而引起的局部应力。和图关于蜗壳的应力分布，国内一些运行机组和模型机组曾用电测法进行了测试。图为实测的应力分布图。从试验资料分析可得到以下初步结果：同一个圆断面上应力最高点发生在接近座环的边缘处，离开此点应力下降。整个的蜗壳应力较高点则发生在进口断面附近座环边缘处（图蜗壳应力分布靠近座环侧的蜗壳应力和座环的刚性关系很大，其应力值随着固定导叶的位置沿圆周作周期性的变化（蜗壳各节钢板厚度是按等强度设计的），与固定导叶进口端相对应的部位应力较高，而固定导叶间应力较低。刚度较大能承受一定的外压力。常作为水轮机的支承点并在它上面直接布置导水机构及其传动装置。铸造蜗壳一般都铁，当水头大于不全部埋入混凝土。图椭圆形断面应力分析时，试验水压由=或图铸造蜗壳根据应用水头不同铸造蜗壳可采用不同的材料，水头小于的小型机组一般用铸时则多用铸钢。铸焊蜗壳与铸造蜗壳一样适用尺寸不大的高水头混流式水轮机。铸焊蜗壳的夕卜壳用钢板压制而成，固定导叶的支柱和座环一般是铸造然后用焊接的方法把它们联成整体。焊接后需进行必要的热处理以消除应力。小于倍。当升压水头超过铸造蜗壳和不埋入混凝土的焊接蜗壳一般需作水压试验。当升压水头时，试验水压取升压水头的+确定，试验时间为。埋入混凝土的焊接蜗壳一般只作焊缝质量检查。大中型机组的蜗壳上设有进入孔和排水孔。混凝土蜗壳混凝土蜗壳（图）一般用于大、中型低水头电站，它实际是直接在厂房下部分大体积混凝土中做成的蜗形空腔。浇筑厂房下部分时预先装好蜗形的模板，模板拆除后即成蜗壳。为加强蜗壳的强度在混凝土中加了很多钢筋，所以有时也称为钢筋混凝土蜗壳。混凝土蜗壳与座环或固定导叶的联接要有足够的拉筋。为避免冲刷与渗漏，必要时应加钢板护衬。为了便于作模板，施工及减少径向尺寸，混凝土蜗壳的断面形状一般均采用“形”形，如图所示。混凝土蜗壳断面形状的选择与水电站的厂房布置，地质条件，尾水管高度及下游水位变化等条件有关。二、座环的结构形式水轮机的座环是承受水轮发电机组的重量，蜗壳上部部分混凝土重量以及水压力，并将其传递到电站基础上去的部件。在结构上它要求有足够的强度和刚度。座环的基本结构由上环、下环和固定导叶（支柱）组成，目前常用的结构形式有以下几种。与混凝土蜗壳联结的座环所示。与混凝土联结的座环，常用的有两种。一种是整体结构座环，即上环、下环和固定导叶，三者是一个整体结构，如图与金属蜗壳联结的座环大致可分为两种。一种是带碟形边的座环，这是一种常用的形与金属蜗壳联结的座环图图图整体结构座环图装配式座环混凝土蜗壳混凝土蜗壳断面形状第二种是装配式结构，如图所示它由支柱与上环组成。在电站，支柱与上环装配后埋入混凝土。此外，还有使用支柱式座环的，这种结构中没有上下环，单个支柱上下端面呈法兰状用以承受压力，在电站按一定位置埋入混凝土。在过流表面可敷设钢板以提高抗磨能力。式，如图座环，如图所示。它可以是铸造结构，铸焊结构和全焊结构。另一种是不带碟形边的所示。它适合于钢板焊接结构。其特点是上下环为箱形结构，刚度很好，与蜗壳的连结点远离支柱中心，改善了受力情况。在上下环外圆焊有圆形导流板，以改善流动条件。试验表明，不带碟形边的座环其水力性能与带碟形边的没明显差别。座环的尺寸与转轮型号、直径，结构型式等有关。支柱的断面形状取决于水力和强度计算。所以座环尺寸不能完全统一，但是作为初步设计时选择用厂家推荐有混凝土蜗壳座环和金属蜗壳座环两种尺寸系列。在有关手册中可以找到。中绘出了图图带碟形边的座环图无碟形边的座环一、导水机构的作用和类型水轮机导水机构的作用，主要是形成和改变进入转轮的水流环量；按电力系统所需的功率调节水轮机流量，导叶在关闭位置时能使水轮机停止运行，并在机组甩负荷时防止产生飞逸。、调节水轮机流量即调节水轮机的过流能力，可以通过不同的途径实现:对于微小型和较小型的水轮机，可以用一个装在进水管中的阀，或转轮前的筒形阀来调节通过水轮机的流量。但这种用阀调节流量的方法是很不经济的，因这种方法实质是节流调节，它将会造成水头损失，流量并不节省。这是人们所不希望的。理想的调节机构是工况变化时，仅仅只改变流量而水头损失极小。在水轮机转轮前布置多个导水叶片的导水机构就能满足这种要求。它们在调节时乍同步的绕自身轴线转动，有如百叶窗一样，只改变水流过水断面面积，水流流径叶片通道，水头损失极小。现在讨论导水机构的水力作用原理。图导叶出口及转轮出径向式导水机构的水平断面中一个导叶和一个转轮叶片。口水流速度三角形若忽略磨擦损失的影响，在导叶出口到转轮进口之间的空间少，水流可以视作是势流流动，周向速度变化遵守动量守恒定理。对于某一微小流速可近似认为导水机构出口速度矩等于转轮进口的流速度矩。在图中将方程式（和式（代入水轮机基本方程式=）则有：式中，为水轮机转轮出口过流面积；为转轮出口半径。在非法向出的情况下，由转轮出口速度三角形可写出转轮的出口速度矩为：式中，为导叶高度；为导叶出流角。）轴向式导水机构。见图，液流沿着与水轮机同心的各个圆柱面流动，图各种型式导水机构径向式导水机构；轴向式导水机构；（）斜向式导水机构②导叶数目相对偏心距轴面流线与水轮机中平行，它用于贯流式水轮机中。）斜向式导水机构。见图（），液流是沿着与转轮轴同心的圆锥面流过导水机构的，采用这种导水机构可以减少水轮机的径向尺寸。但由于导叶具有空间扭曲的形状使制造工艺复杂。当导水机构全关闭时难于全部切断水流，而且这种导水机构的传动机构也比较复杂，由于这些缺点斜向式导水机构采用得不多，一般在灯泡贯流式及斜流式水轮机中使用。目前大中型水轮机上采用的流量调节方法及机构，应用最广泛的是径向式导水机构。二、径向式导水机构的几何参数径向式导水机构的几何参数有（见图导水叶片高度③导叶分布圆直径；④导叶叶型弦长⑤导叶最大厚度叶型形状；;在圆周上叶型长与栅距之比在导叶部分的轴面流线是径向的，这种导水机构结构简单，应用最广泛。径向式导水机构。见图，液流沿着垂直于转轮轴线的平面流过导叶，按水流流经导叶时的流动特点，导水机构可分为下列三种：中，流量的变化是由和两个值间时改变的。片转动时，转轮出口处的水流方向即行改变，即角度改变。因此在这种型式的水轮机实际上轴流转桨式水轮机是通过同时转动导叶及转轮叶片的角度来调节流量的，当转轮叶流出口角调节流量的方法仅适用于导叶固定而桨叶能改变叶片角度的轴流式水轮机，液流角。用改变高度调节流量的方法用得较少，只用在小型机组上。用改变导叶液调节可通过改变三个量来达到:导水叶的高度，导水叶的出口液流角，以及转轮的式（即水轮机流量调节方程。可见在水轮机转速和水头不变的情况下，流量的解出流量：大致与转轮直径相等，因此：的比值称为相对开度，于是有：述最大开度是指可能达到的最大开度，但导水机构在这种开度时水力损失很大，实际上常常不允许在这种状态下运行。根据水轮机高效率运行或水轮机出力的要求，对于各种水轮机都规定有一个允许的最大开度。混流式水轮机一般为额定水头下额定出力时的开度值，此开度值如小于最低水头下出力限制线上的开度值时，则应取后者为最大开度。转桨式水轮机的最大开度应符合运转特性曲线的要求，通常根据允许的吸出高度确定。导叶在任意位置时的开度与最大径向开度于是在已知模型开度时，可按下式算出原型机开度：为无因次量，通常以百分数表示。对几何相似的水轮机，值相同，即)根据目前所采用的导叶及水轮机结构，导叶位于径向位置时，出口边所在圆的直径径；为导叶数；为导叶轴线至尾部长度。式中，为导叶在径向位置时，尾部所处的圆周直径；为导叶轴线所在的圆周直图导水机构的主要参数图导水机构的最大开度根据图中关系有：度叶出口边与相邻导叶之间的最短距离。当导叶处于径向位置时(图为最大径向开导叶开度是表征水轮机在流量调节过程中导叶安放位置的参数。它的大小等于导导叶开度在三者出口角流量各不相同，不同比转速水轮机及的比值(对于中小型水轮机往往由于结构上的原因而加大了值及减少导叶数，因而原型机的导水机构与模型的已不保持几何相似关系了。此时，只有使原型机的导水机构出水角与模型的相等，来获得导水机构出口水流的相似关系。导叶出水角。在稠密的导叶叶栅中，导叶的出导叶出口边处骨线与圆周方向的夹角称为导叶出口角口角就是水流的出流角，从流量调节方程式看出，它是决定水轮机过流量的一个重要参数。下述试验将完全证实这一推证。对分别具有图在开度所示的三种不同形状的导叶进行实验表明：相同的情况下，若出口角不同，则过大者也大（图，而。由相同的情况下，尽管它们的开度各不相同，但过流量则很接近（图，而是导叶出口角图此可见，决定流量变化及转轮前流态的不是开度，但现在通常都是用不同叶型的导水机构）负曲度叶型）对称叶型（；）正常曲度叶型线，而不用来表示导水机构的工作参数。在水轮机的综合特性曲线上也都是作出等开度表及最大开度示，只是由于习惯和测量方便的原因。导水机构高度由比转速的概念可知，不同比转速适应不同水头。在相同的出力条件下，水轮机的比转速越高则适用水头越小。实际上从定性地分析来看，对于直径一定的水轮机，比转速愈高流量越大，导叶应该做得高一些，否则就要增加开度。开度过大导叶片将会接近于径向开度。如前面所述这样将增加导叶及转轮内的流动损失，反之，对低比转速水轮机，流量相对比较小。如果导叶过高，则对应的开度将很小，水流将从两片导叶之间的窄缝流出，亦会引起较大损失。因此，对应某一比转速水轮机应有一个最佳的导叶高度和最图不同叶型导叶)曲线一负曲度叶型；图的一对称叶型；正曲度叶型)是水轮机结构很重要的参数，的缩小可以显著减小机组的体佳出流角或开度，混流式水轮机在设计工况时，工作在特性曲线的出力限制线上，即最大开度为额定出力时，额定水头下的开度。图为根据实验研究而推荐的，不及为此若翼弦长度为，导叶转动中心在圆周、连杆控制环同比转速水轮机采用的相对值曲线。导叶数、导叶轴线分布圆直径和叶型弦长导叶数不但影响到水轮机的效率，还涉及到本身的加工量，并直接影响到的大小，故导叶数要有一个恰当的数目。一般大型水轮机，为了使其有较高的效率，则选取较多的导叶数，对小型水轮机则应简化结构，故采用较少的导叶数。尺寸要尽可能缩小，根据设计和实践经验，导叶分布圆直径积和重量，所以，大，为了减少径向尺寸，有时，不过应以导叶在最大可能开度下不致于与转轮叶片相碰为限。的比值用于小型水轮机。对大型水轮机多采用可取近来不少实践表明，某些低比转速混流式水轮机由于水头很高（，蜗壳和导叶内的流速很大，随着导叶进口处径向尺寸的减小，流速增加更大，不仅增加导叶的水力损失，而导叶表面的磨损也很严重。在这种情况下适当加大导叶分布圆直径是有利的。在某些特殊情况下，例如低比转速轴流式水轮机的设计中，也有加大导叶分布圆的趋势。因为导叶过于靠近转轮，每一导叶后面离去的绕流旋蜗往往影响转轮的进水条件，并对转轮室内壁造成损坏。当和的间距为确定后，即可按导水机构能紧密关闭的原则，确定叶栅密度和翼弦长度。，则通常采用的叶栅密度为三、径向式导水机构的结构任何导水机构的结构都应满足下列基本要求：导水机构过流部件的尺寸应与模型水轮机相应部件的尺寸保持几何相似，过流部件的表面应光滑以减少水力损失。导水机构的最大开度要可靠并应留有一定的裕量，以保证水轮机有足够的过水能力。导水机构应有安全保护装置，以防止导叶因硬物卡住而引起主要传动零件破坏和尽快断流防止水轮机飞逸。）应便于安装和检修，特别是调正导叶端面和立面间隙时操作要简便。）在停机时应有良好的封水性能。）导叶传动机构应灵活，各个零部件之间的磨擦应有良好的润滑，结构要简单。下面介绍径向式导水机构的结构性能图的转轴轴线布置在直径为来的水流均为国产大、中型水轮机中应用广泛的径向式导水机构。导叶的圆周上。由蜗壳在下轴套和上轴套上。导叶上部轴用分半圆销与转臂相连，转臂相连。当控制环在接力器推动下在支承环匀地通过布置在此圆周上的导叶之间的通道流入水轮机转轮，导叶有上下两个轴分别支承再通过连接板、安全销上转动时即可组成了导水机构的传动系统。导叶上轴承套固定在水轮机顶盖带动导叶旋转从而改变导叶开度。这样导叶转轴，转臂、连杆、控制环、接力器等部件即上，下轴套固定在底环—机构的支承系统。在水轮机顶盖上，而顶盖和底环又分别固定在水轮机座环上，因此座环，底环和顶盖组成了导水上还装有一些附属装置，主要有：水位信号器：由顶盖各接合面的渗漏水和导叶轴承及水轮机导轴承止漏装置排出的润滑水，一般都是先聚集在顶盖由排水孔通过固定导叶中间排至渗漏集水井。当顶盖内积水过多时水位信号器即动作发出信号；从而启动排水泵把积水排走。真空破坏阀：当水轮机需要紧急停机时，导叶迅速关闭截断进入转轮的水流，此匕时后面的水流因惯性作用继续由尾水管排出而使顶盖下部空腔有部分真空，这部分真空又迅速被尾水管倒流回来的水流填满，当水流倒流回来时流速很快，这股强大的高速水流产生很大的冲击力，有时会将转轮抬起并造成机件损坏。为了解决这个问题需在顶盖上装设真空破坏阀。当导叶紧急关闭时，同时打开真空破坏阀将空气引入顶盖下部使真空破坏，以防止上述事故发生。在由控制环至导叶的连杆传动机构中，在某一构件上应设有易坏连接件，用以保证在关闭导水机构的过程中，当异物如圆木头、杂树根等卡在邻导叶之间的，用预定的易坏连接件破坏，而使卡住的导叶保持开启位置，其它导叶可以照常关闭而不损坏传动部件。若没有专门的易坏连接件，则当关闭导水机构时，传给全部导叶的力，将集中在两个被顶住的导叶上，以致使其传动构件破坏。现在广泛采用的是将剪断销作为易坏连接的传动装置。这样，当两导叶之间卡入异物以及由接力器传到连杆上的力增加而企图关闭导水机构环；蜗壳；—连杆；一密封件；—座环；控制环；一挡板；图一下轴承套；排水孔；连接板；导水机构装配图一转臂；一导叶；一支撑环；上轴承套；顶盖；一分半圆键;一底环；一调节螺钉;一安全一基础土山廿端盖销；套装在底环上，图导叶上下轴颈密封装置型密封圈；（）导叶下轴密封圈压环；一抗磨板；一端面密封橡皮条；密封圈导叶上轴套；型密封圈；一顶盖；一导叶；，型密封圈；时，剪断销被剪断，从而达到保护的目的。所示导水为了转动导叶，在结构上必须考虑导叶转轴的支点位置和所用轴承的型式。近代大、中型