灯泡混流式水轮机的全流场解析
灯泡贯流式机组基本知识PPT演示课件
这种机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中， 发电机主轴与水轮机转轮水平连接。水流基本上轴向通过流道，轴对称流过 转轮叶片，然后流出直锥形尾水管，参见图1-11所示。机组的轴系支承结构 、导轴承、推力轴承都布置在灯泡体内。由于贯流式机组水流畅直，水力效 率比较高，有较大的单位流量和较高的单位转速，在同一水头，同一出力下 ，发电机与水轮机尺寸都较小，从而缩小了厂房尺寸，减少土建工程量。但 是发电机装在水下密闭的灯泡体内，给电机的通风冷却、密封、轴承的布置 和运行检修带来困难，对电机的设计制造提出了特殊要求，增加了造价。即 使如此它与立式轴流式机组相比仍具有明显的优点。灯泡式机组虽然是一种 新型机组，但近20年来也积累了许多成功的经验，并逐渐向较高水头和较大 容量发展，在国内外得到了广泛应用。
典型灯泡贯流式机组剖面图
典型灯泡贯流式机组厂房
典型灯泡贯流式机组厂房
2.3．竖井贯流式 这种机组主要特点是将发电机布置在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中， 发电机与水轮机的连接通过齿轮或皮带等增速装置连在一起如图所示。
2.4 轴伸贯流式
这种贯流式水轮发电机组基本上采用卧式布置，水流基本上沿轴向流经 叶片的进出口，出叶片后，经弯形（或称S形）尾水管流出，水轮机卧式轴 穿出尾水管与发电机大轴连接，发电机水平布置在厂房内。
贯流式与轴流转桨式水轮机比较 1.贯流式流道顺直，流场分布均匀，水力效率高，高效区平坦宽阔。 2.贯流式转轮的单位转速高、单位流量大。 3.贯流式水轮机限制工况的出力一般不取决于5%出力限制线，而取决于 电站允许的空化装置系数σ y。 4.贯流式额定工况的参数Q11、n11值的可选择范围宽，应由技术经济成 本与竞争力比较选定。 5.贯流式水轮机安装高程一般考虑空化因素外，还有考虑尾水管出口淹 没深度要求。 6.贯流式与同容量的轴流式水轮机比较，机组尺寸要小得多，机组重量 轻。 7.与轴流式电站比较，开挖较浅，土建工程节省约30%～40%。
灯泡贯流式水轮机基本结构及基本工作原理1
灯泡贯流式水轮机基本结构及基本工作原理1 灯泡贯流式水轮机基本结构及基本工作原理第一节概述一、水轮机定义水轮机是一种将水能转换为旋转机械能的动力机械。
是一种水力原动。
水轮机与发电机组成水电站的水轮发电机组，又称水电站主机组。
二、水流的能量,E=Z+ ，式中,E——单位机械能，简称总比能,m,,Z——单位位能，简称比位能,m,,——单位压能，简称比压能,m,,——单位动能，简称比动能,m,,α——流速分布不均匀系数。
三、贯流式水轮发电机组的基本特征,1、水辙基本上沿轴线作贯穿机身的流动?全贯流,发电机转子装在转轮外缘上，其突出优点,水流畅通，水力损失小,转动贯量大,因发电机转子直径大,。
缺点是转子密封结构复杂。
?半贯流,发电机布置在竖井里,不是泡在水里,，水轮机轴穿到水里与发电机相连，运行时水流绕过竖井，从两侧流向转轮。
?轴伸式,前伸、后伸?灯泡式,导水机构斜向布置，导叶呈圆锥形分布，发电机安装在灯泡形的引水壳体内，直接由水冷却，并以空心的固定支柱,即固定导叶,作为进出机组的内部通道。
灯泡体外尺寸越小，由水流性能越好。
贯流式与轴流式水轮机相比具有以下特点,1、过流部件简单。
由于其过流部件简单，因而其水力损失较小，过流能力较大，它消除了立式机组蜗壳及肘管所形成的弯曲流道，从而减小了由此产生的附加水力损失。
2、结构紧凑。
由于无蜗壳、座环及顶盖等大件，使机组间距缩小，厂房建筑面积相应减少,且因其是卧轴布置，厂房起吊高度比立式机组低得多。
3、能在极低水头下运行。
4、机组尺寸相对庞大，特别是全贯流及灯泡贯流式水轮机，其结构较复杂，发电机在水下的密封和防潮问题，均有特殊的要求。
四、水轮机牌号及其标称直径第一部分第二部分第三部分， , 3 4 5转轮标称直径D,cm, 1水室特征,用汉语拼音字母表示轴布置型式,用汉语拼音字母表示水轮机形式,用汉语拼音字母表示转轮型号,比转速代号,,用阿拉伯数字表示例如,红花水电站水轮机型号,GZ,840,WP,590表示,水轮机转轮型号为840，水轮机形式为贯流式，大轴布置形式为卧轴布置。
灯泡贯流式水轮机
第一章灯泡贯流式水轮机的结构灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一。
1919年初，美国工程师哈尔扎(Harza)首先提出其设计理念。
经过瑞士爱舍维斯公司(Escher Wyss)公司近20年的研究，于1936年研制成功，并开始生产。
该水轮机应用水头一般在25m以下，主要应用于潮汐电站，近年来逐渐应用到江河上的低水头电站。
贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式。
它与中、高水头水电站和低水头立轴的轴流式水电站相比，具有如下显著的特点。
1．效率高、结构简单、施工方便贯流式水轮发电机组从进水到出水方向基本上轴向贯通，不拐弯，流道尺寸大而短，过流通道的水力损失少，效率高，结构简单，施工方便。
2．尺寸小贯流式水轮机有较大的比转速，所以在水头和功率相同的条件下，贯流式水轮机的直径要比转桨式水轮机的小10％左右。
3．土建投资少贯流式水电站的机组结构紧凑，与同一容量的轴流转桨式机组相比，其尺寸较小，可布置在坝体内，取消了复杂的引水系统，可以减少厂房的建筑面积，减少电站的开挖量和混凝土用量。
根据有关资料分析，土建费用可以节省20％～30％。
4．运行方式多贯流式水轮机适合作可逆式水轮机运行。
由于进出水流道没有急转弯，使水轮机发电和抽水均能获得较好的水力性能。
它可应用于潮汐电站，具有双向发电、双向抽水和双向泄排水等6种功能。
因此，很适合综合开发利用低水头水力资源。
5．见效快贯流式水电站一般比轴流式水电站建设周期短、投资小、收效快、淹没移民少；电站靠近城镇，有利于发挥地方兴建电站的积极性。
第一节贯流式水轮机的分类及简介贯流式水轮机组按总体布置方式的不同可分为以下几种：(1)全贯流式。
(2)灯泡贯流式。
(3)竖井贯流式。
(4)轴伸贯流式。
第1页(5)虹吸贯流式。
按运行工况不同可分为以下3种：(1)单向贯流式。
(2)双向贯流式。
(3)可逆贯流式。
一般习惯按总体布置方式的不同来分类，而很少按运行工况分类，所以本节按总体布置方式的不同分类，介绍贯流式机组的类型。
灯泡贯流式水轮机
双向推力轴承之一
1、9-轴承支承 架；2-内受油 回复管；3-轴 承辅助支架； 4-主轴；5-外 受油管；6-轴 承端盖； 7-甩油环；8轴瓦；10-测温 计；11-像皮圆
五、组合轴承
1-顶轴千斤顶；2发电机导轴瓦； 3-轴承支持环；4配合垫片； 5-发电机导轴承壳 体；6-反推力瓦； 7-护板；8-推力环； 9-正推力瓦； 10-推立轴承壳体； 11-抗重螺钉；12主轴
二、以固定导叶（座环）为主要支撑的 布置方式
1-机壳可拆前盖； 2-机壳体；3-下支柱； 4-发电机转子；5-座环； 6-水轮机主轴；7-圆锥式 导水机构；8-接力器； 9-转轮；10-锥管；11-尾水管； 12-基础环；13-转轮室； 14-水轮机主轴；15-受油器； 16-发电机定子；17-拉杆； 18-中环；19-上支柱； 20-双向推立轴承； 21-发电机轴承；22-发电机轴
三轴承布置的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ泡机组
灯泡贯流式机组的主要部件可大致 分为以下几个部分：
一、埋设部件：包括尾水管里衬、管形壳 （内壳体，外壳体）发电机进人框架、盖 板、墩子盖板，接力器基础以及下部支承， 侧向支承基础板等。
二、导水机构
1-座环；2-内导环； 3-锥行导叶；4-导叶 短轴； 5-内轴套；6-密封座； 7-中抽套；8-套简； 9-外轴套；10-压圈； 11-像皮圈；12-压板； 13-调整螺钉；14-端 盖； 15-拐臂；16-剪断梢； 17-连接板；18-球铰； 19-控制环；20-环形 接力器； 21-导流环；22-轮机 室；23-外导环
锥形导水机构
三、转轮与转轮室
灯泡式水轮机转轮，按叶片操作方式，可 采用活塞套筒式，操作架式和缸动方式等 结构。缸动方式的结构，也就是活塞不动， 活塞缸带动连杆、转臂，操作叶片转角度。 这种结构简单，安装方便。
灯泡混流式水轮机流道系列的设计
０ 引言
灯泡混流式水轮机是一种采用类似于混流式水
轮机转轮和灯泡贯流式水轮机导水机构及流道形式 的一种新型水轮机 ， 取消了常规 的蜗壳式引水 ， 采用 球形导流室 ， 其固定导叶设计成扭 曲型， 承担转轮所 需要 的环量 ， 活动导叶设计成平板型 ， 分布在球形体 内， 起着调节流量 的作用 。该 型水轮机 避免了混流 式水轮机的一些水力方面 的缺点 ， 并具 备混 流式水 轮机空蚀性能好 ， 转轮强 度高， 适用于高水头（ 流 混
收稿 日期 ： ０ —６０ ２ ６０ —７ ０
基 金 项 目 ： 省 重点 科 技 计 划 项 目（ 号 ：１ Ｏ ４ ０ ） 四川 编 ０ ＧＧ ３ — ９
图 １ 灯泡混流式水轮机与常规混流式 水轮机的流道形式对 比
作者简介 ： 喻华全 （９ ２ ） 男 ， １ ７一 。 四川营 山人 ， 工程师 ， 主要从事水力机 械的设 计与制造ｌ 作方面的研究 。 丁
内部流动状况以及整个流道 的绕流情况 ， 通过其可
视化对流道结构几何参数进行 了优化 ， 灯泡混流式 水轮机适用于各种不同水头段 的流道几何参数见表
１ 表 以致于产生脱流 ， 诱发
严重的空蚀 ， 造成水力振动从而影响到活 动导 叶的 寿命 ， 同时过分扭曲的活动导叶在锥形 导流室布置 时， 又给导叶的密合封水及加工带来不便。灯泡混 流式水轮机也与一般混流式水 轮机一样 ， 只让活动 导叶形成很少部分环量或不形成环量 ， 仅起调节流 量的作用， 全部环量或绝 大部分 的水流环量 由导流 室中的固定导叶来形成 ， 这样 固定导叶设计成空 间 扭曲的， 在水力上相当于混流式水轮机庞大的蜗壳。
灯泡贯流式机组—水机部分分析
灯泡贯流式机组—水机部分
2、灯泡贯流式机组的导水机 构特点 灯泡贯流式机组的导水机构， 水流流进导叶时其方向与导叶 轴线倾斜一定角度，导叶全关 时象一个圆台，其轴线成一个 圆锥，故称斜向式导水机构， 又称圆锥式导水机构。灯泡贯 流式机组的导水机构的组成除 了有与立式机组相同的导叶、 导叶套筒、导叶传动机构（包 括导叶臂、连接板、连杆）、 控制环外，还有与立式机组不 同的地方，如内、外配水环等。 导叶接力器在竖直面上平行布 置，调速环是竖直布置。
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灯泡贯流式机组—水机部分
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灯泡贯流式机组—水机部分
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灯泡贯流式机组—水机部分上犹江电厂 陈卫民来自灯泡贯流式机组—水机部分
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灯泡贯流式机组—水机部分
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灯泡贯流式机组—水机部分
二、灯泡贯流式机组特点及优缺点
1、发电机安装在水轮机上游侧一个灯泡型的 金属壳体中，发电机与水轮机共一根主轴， 水平连接。
2、水流基本上轴向通过流道，轴对称流过转 轮叶片，然后流出直锥形尾水管。
3、机组的轴系支承结构、导轴承、推力轴承 都布置在灯泡体内。
4、这种机组所有的电缆、通风冷却管道及油 管等都是通过灯泡头竖井和灯泡体支承的空 心部分与外界相连。
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灯泡贯流式机组—水机部分
5、由于贯流式机组水流畅直，水力效 率比较高，有较大的单位流量和较高的 单位转速，在同一水头，同一出力下， 发电机与水轮机尺寸都较小，从而缩小 了厂房尺寸，减少了土建工程量。
灯泡贯流式机组—水机部分
主要内容 1、概述 2、主要特点 3、主要部件结构及作用 4、工作部件简介
混流式水轮机全流道模型CFD分析与研究
2018年2月机电技术混流式水轮机全流道模型CFD分析与研究*张慧珍（四川水利职业技术学院电力工程系，四川成都611231）摘要：为了在设计水轮机时，能够判断机组的内部流场分布规律，校核设计方案的合理性，以某小型混流式水轮机为设计案例，采用相似性原则完成了机组的结构设计和全流道流场模型的建立，并通过CFD分析得到了机组额定工况下的速度压力分布规律。
良好的水力特性结果表明，该机组的设计方案比较合理，性能达到了预期的目的；也说明采用CFD 技术对于水轮机的设计而言，是一种行之有效的方法。
关键词：混流式水轮机；全流道模型；CFD分析；相似性原则中图分类号：TV734.1；TP391.9文献标识码：A文章编号：1672-4801（2018）01-014-02DOI:10.19508/ki.1672-4801.2018.01.005小型混流式水轮机在设计中，其内部流场的水力特性，直接影响机组的效率、汽蚀以及发电稳定性[1]。
因此，如何确保混流式水轮机的内部水流顺畅，是设计中必须考虑的关键问题。
从目前的研究现状来看，验证机组流态特性最有效的方式是在机组投入生产前，先制作一个小型的模型机组，并在试验台开展模型试验[2]。
然而，该方法却存在着一个问题，即试验的费用较为昂贵，尤其是涉及到PIV试验，成本会进一步增加。
对于小型混流式水轮机而言，从经济性方面来考虑，模型试验并不适用。
对混流式水轮机全流道进行CFD分析，是一种行之有效的方法：通过计算机仿真，可以提前判断机组的流态特性，并根据结果作进一步的优化和改进，以达到确保机组性能的目标。
由于该方法成本较低，所以在小型混流式水轮机的设计中，适用性较为广泛。
鉴于此，本文在对于某小型混流式水轮机的设计中，对其全流道进行CFD分析，判断其水力特性等参数，从而达到验证设计合理性的目的。
1水轮机的设计及流道模型的构建本文对某电站的小型混流式水轮机进行设计和流态性能预测。
在设计中，先选择与该电站条件相似的电站机组作为参考。
灯泡贯流式水轮机转轮内流场的研究
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机 电 产 品 开 崖 与 钏 崭
Ｖｏ １ ． ２ ７， Ｎｏ． １ Ｊａ ｎ． ． ２ ０ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ４
２ ． Ｃｏ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｉｎ ｇ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｎｏ ｒ ｔ ｈ Ｃｈ ｉ ｎ ａ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｂａ ｏ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｈｅ ｂ ｅ ｉ ０ ７ １ ０ ０ ０ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
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３ 灯泡混流式水轮机 的全 流道解析
对 上述 应用 于 ７ ０米水 头 段 的灯 泡混 流 式 水 轮
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８ ０
西华大学学报 ・ 自然 科 学 版
２０ ０ ６焦
件。由于转轮结构的复杂性 ， 网格加密、 参数等的选
择需要进 行多种方案 的 比较 ， 以便在 网格检 查时选 择
大气压 力 ：１ １３ ５Ｐ ； 口总压 ：５ ０ ａ ０ ２ ａ进 ２４８ ０Ｐ ；
环量 一般 由固定导 叶 和 活 动 导 叶来 共 同形 成 ， 固定 导 叶 的设 计应 是空 间扭 曲的 。２ 活动 导 叶的设 计遵 ）
循 Ｒ＝ｃｎｔ ｏ ｓ及 ｒ ｏｓ规 律 ， 动 导 叶设 计 ＝ｃｎｔ 活
成平板型的， 即它虽然是弯曲的但不是空间扭曲的。
固定 导 叶 、 动导 叶 的设 计 理 论 与 一 般贯 流式 水 轮 活
根据 水力设 计 ， 固定 导叶 、 把 活动 导 叶 、 轮 、 转 尾 水 管分别用 Ｆｕｎ 软件 的 Ｇ ｍｂ 作 图模 块进行 三 维 ｌ ｔ ｅ ａ ｉ ｔ 造 型建模 ， 网格加密技术分 别选择 合理 的参 数对 采用 各 过流部件进行 非结构化 网格划分 ， 对 网格 好 的文 并 件进行畸变 检查 ， 对满 足 畸变 系数 小 于 ０８ ．５的文件
分别设 置边 界 条件 ， 出为 Ｆｕｎ 能 识别 的 ｍｅ 导 ｌ ｔ ｅ ｓ ｈ文
收 稿 日期 ：０ ６０ —６ ２ ０ —２２ 基 金 项 目： 川 省 重 点科 技 计 划 项 目 （ 号 ： １ Ｇ０ ４ ０ ） 四 编 ０ Ｇ ３ ￣ ９ 作者简介 ： 赵 飞（ ９４ ）男 ， １７ 一， 四川省成都人 ， 讲师 ， 在职研究 生， 从事流体机械设计研究 、 人事管理与职称工作。
进一 步研 究它 的 内部 流 动情 况 ， 理论 分 析 的 结 果 对 作进 一步 的验证 。
１ 灯泡混流式水 轮机过 流部件 的设计
理 论
灯泡 混 流式水 轮 机 各 过 流部 件 的设 计 理 论 为 ： １分 布在 球形 导流 室 中的 固定导 叶在 水力 上承 担起 ） 混 流式水 轮机 蜗壳 的作 用 ， 轮 进 口所 需 要 的水 流 转
情况， 检验导叶设计理论的合理性 。根据流场分析结果 ， 对固定 导叶的设 计提出新的设计方法 。
关键词 ： 灯泡混流式水轮机 ； Ｆ 数值模拟 Ｃ Ｄ；
中图分类号 ￣ Ｋ ３ ． Ｔ ７３ １ 文献标识 码 ： Ａ
灯泡 混流式 水 轮机 ， 由于结 构 简单 紧凑 ， 构思新 颖 、 积小 、 向尺 寸 小 、 量 轻 、 本低 、 力损 失 体 径 重 成 水 小且 转轮 效率 高 ， 开发 中 、 水头 水力 资源 的又 一 是 低 优 良机 型… 目前 已对 其 各 个 过 流 部 件 的流 动 规 １。
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第２ ５卷第 ５期
Ｖ０ ．５． １２ 科 学 版
２０ ０ ６年 ９月
Ｓ ｐ． ０ ６ ｅ ２０
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＸｉｕ ｉｅｓｔ ・Ｎａ ｕ ａ Ｓ ｉｎ ｅ ｏ ｒａ ｈ ａ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｙ ｔ ｒｌ ｃｅ ｃ
文 章 编 号 ：６ ３１ ９ ２０ ）５０ ７ —４ １７ —５ Ｘ（０ ６ ０ —０ ９０
灯 泡 混 流 式 水 轮 机 的 全 流 场 解 析
赵 飞 ， 刘小兵 ， 宋文武 ， 符 杰
（ 西华大学能源与环境学院 ， 四川 成 都 ６ ０ ３ ） １０ ９
摘
要 ： Ｆｕｎ 软件 对新 型的灯泡混流式水 轮机进行三维造 型设计 和流场解 析 ， 用 Ｉ ｔ ｅ 揭示各 个过流 部件 的流动
图 １ 灯泡混流式水轮机全流道的平面设计（ ＝４０ｍｍ） Ｄｌ ２
机 的设计 理论 是不 相 同 的。３灯 泡混 流式 水轮 机转 ） 轮 区域 的流线 分布 较 一 般 混 流式 的要 均 匀 ， 轮 下 转 环 区域 的轴 面流 速有 所 减 小 ， 冠 区域 的轴 面 流 速 上 有所 提 高 。下 环锥 角 可 以大 于 １。 不 至 于产 生 水 ３也 流脱 流 ， 这有 利于 提 高 其过 流 能 力 以及 在 相 同过 流 能 量 的情 况 下 ， 善 其 汽蚀 性 能 。４ 尾 水 管可 以是 改 ）
出 口总压 ：０ ２ ａ 进 口水力 直径 ： ． 出 口 １ １３ ５Ｐ ； ０ ５ｍ； 水 力直 径 ： ． ０ ６ｍ。
３ ３ 无 固 定 导 叶 、 动 导 叶 、 轮 时 的 全 流 道 解 ． 活 转
析 ［ｓ ３］ －
畸变最 小 的 。对 分 别 生成 的 网格 文件 用 Ｔ ｒ ｇｉ 块 ｄ模 连接成 一体 ， 以便进行 全流场计算 、 分析 。
出， 整个 过流 通道 如 图 １ 示 。 所
律进行了理论分析 ， 探讨 了它们 的设计思想和设计
方法 ， 有些 还进 行 了实验 验证 ， 但是 对 其全流 道 的分 析 和解 析还 未 见研 究 ， 文用 Ｆｕｎ 流 动分 析 软件 本 ｌｅｔ
对灯泡混流式水轮机 的全流动过程进行数值模拟 ，
弯 曲的 （ 伸式 ）也 可 以是直 锥形 的 。 轴 ，
２ 灯泡混流 式水轮机 的全流道设计
在贯 流式 水轮 机 中 ， 由于取 消常规 的蜗壳 引水 ， 采用 球形 导流 室引 水 ， 流 几 乎 是平 直 地 流 过 各过 水 流部 件 。即水 流沿 轴 向直线 流 入 水 轮 机 ， 流 无旋 水 转， 进入扭 曲的 固定导 叶后 （ 固定 导叶 在这 里还起 支 撑作 用 ） 形成转 轮 进 口所 需 要 的全 部 或部分 环量 ， 经 活动导 叶 调 节 后 ， 向进 入 转 轮 ， 后 经 尾水 管 流 斜 最