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第二章 水轮机结构

本章教学要求：

1．掌握混流式和轴流式水轮机的基本结构；

2．掌握反击式水轮机引水室的作用、类型及其适用范围； 3．了解座环的结构与作用；

4．了解径向式导水机构的基本结构和作用；

5．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。

第一节 混流式水轮机结构

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a0（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。

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；a—坐环上环；b—坐环下环；20—连接螺栓

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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。

图2-2 混流式水轮机水平剖面图

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刚度等因素。低水头下

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工作的水轮机可以具有较大的过流量，尽管水轮机气蚀系数大一些，仍旧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，由于气蚀及强度条件不够，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2-3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，

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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2-5 转轮上冠曲线形状

2．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Z1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Z1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Z1意味增加转轮叶栅稠密度

L?，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，这将改善汽蚀性能。但因混流式转轮叶栅的

L?本来就较大，所以因Z1增加使汽蚀

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力及汽蚀性能。低比转速水轮机的转轮下环呈曲线形，D2D1值小于1，进口边的高度和

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