混流式水轮机

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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0a（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；a

19,b

19—上，下迷宫环；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0b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。0b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a

19，b

19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θ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)(11Q f =η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。

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1Z 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1Z 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11Q ，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)(11Q f n =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1Z 意味增加转轮叶栅稠密度τL

，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τL

本来就较大，所以因1Z 增加使汽蚀得到的改善并不显著，同时Z 1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2D （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，12D D 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120~60=S n 的低比转速转轮，12D D =0.6~0.7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2-5a ）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汽蚀性能，但α越大会引起脱流，使水力损失增大效率下降。图2-7和图2-8绘出了具有不同下环锥角α的转轮的汽蚀和能量特性的曲线。

图2-7 不同下环锥角转轮的η-11Q 和η-11N 曲线

1—α=3°；2—α=6°；3—α=13°

图2-8 不同下环锥角转轮的11Q -α曲线

1—α=3°；2—α=6°

（1）下环锥角α加大则曲线)()(1111N f Q f ==ηη和均右移，α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α不宜太长，以免平均的运行效率下降。

（2）下环锥角α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轮的过流能力11Q 增加2.5%，而其出力可增加2%左右，当α角由6°增至13°时，虽然11Q 和11N 增加更多，但效率开始下降。因而锥角α不宜过大，一般不应大于13°。

（3）从图2-8中可看出，α角的增加能使汽蚀系数下降，改善汽

蚀性能。这是因为α角加大后增加了转轮出口附近的过水截面积，降低了流速而造成的。

根据实践在表2-2和表2-3中给出了12D D ，锥角α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

表2-3 转轮下环锥角

4．泄水锥

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。

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200

使用水头200>H 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)(c 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2~1=δmm ，平面间隙h h ,1+=δδ为允许抬机的高度，一般取10~15mm 。其缺点是止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200>H 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δ（见图2-9）一般可取转轮直径的10005.0，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

表2-5 混流式转轮止漏环间隙允许偏差

当水头超过200m ，采用梳齿密封的混流式水轮机（图2-10），由于运行中机组摆度的影响，圆周方向的间隙21,a a 不均匀，可能导致B A ,腔内水流压力波动，严重时会引起机组振动，因此间隙值21,a a 一般采用适当加大。也可采用加联通管，进口外圆车制环槽等措施来均衡B A ,腔压力值。

图2-10 梳齿密封

1—上梳齿；2—下梳齿；3—A 腔排水管；4—B 腔联管；5—环

行槽

6．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，除了要知道水轮机转轮和主轴的重量外，还要知道轴向水推力。

根据混流式特点，总的轴向水推力为：

)(4321N F F F F F E +++= （2-1） 式中 1F ——转轮流道内水流作用产生的推力；

2F ——作用于转轮上冠因水压力产生的水推力；

3F ——作用于下环因水压力产生的推力；

4F ——浮力。

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：

max 21341081.9H D K F t π

?=（N ） （2-2）

式中系数K 与水轮机型号有关，其值可参考表2-6。

表2-6 水轮机轴向力系数K 与水轮机型号的关系

混流式水轮机转轮重量可按下式近似计算。

311)]10(025.05.0[D D W R -+=（t ） （2-3） 分瓣结构的转轮重量按（2-3）结果增加10%。

主轴重量S W 的近似计算，高水头混流式水轮机可取R S W W =，中水头混流式水轮机可取R S W W )5.04.0(+=，（较低水头或大机组取小值）；对发电机与水轮机同一轴的机组，混流式可取R S W W )8.07.0(+=。

水轮机总的轴向推力：

)(1081.93S R t W W F F +?+=α (N) (2-4)

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2-11所示，图)(a 为引水板和泄水孔的减压方式；图)(b 为顶盖排水管的转轮泄水孔的减压方式。

图2-11)(a 型式中，上下环形引水板分别装在顶盖下方和上冠的上面，当漏水进入顶盖引水板与上冠引水板之间的间隙c 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E 和的大小及泄水孔的直径d 有关。一般认为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??=30~20β。

在图2-11)(b 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漏水有的直接排至尾水管，见图2-11)(b 所示；有的经泄水锥内腔排入尾水管，见图2-11)(c 所示。经转轮上的泄水孔排入尾水管，使转轮上面的压力降低，从而减轻作用在转轮上的轴向力推力。但如图2-11)(b 所示的方式可能在泄水锥的过流表面上产生空蚀损坏和磨损。而图2-11)(c 所示的方式又有可能影响补气的效果。

图2-11 减压装置

7.转轮的结构型式

由于混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。

(1)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，如图2-12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HT20～40或球墨铸铁整铸；高水头的中小型转轮和低水头的大型转轮，则采用ZG30整铸。对高水头的水轮机转轮，为提高其强度和抗空蚀损坏，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。

图2-12 整铸转轮

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。

(2)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2-13所示就是其中的一种结构形式。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

图2-13 铸焊转轮

1—上冠；2—叶片；3—下环；4—焊缝

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。

（3）组合转轮

当转轮直径大于5.5m时，因受铁路运输的限制，或因铸造能力不足，必须把转轮分半制作，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、下环焊接结构，在上冠连接处有轴向和径向的定位销，如图2-14所示。

图2-14 组合转轮

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