轴流式水轮机基本结构

轴流式水轮机基本结构轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，二者结构上最明显的差别是转轮，其次是导叶高度。

根据转轮叶片在运行中能否调节，轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种型式。

轴流式水轮机用于开发较低水头（3m~55m），较大流量的水能资源。

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5-13），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功率。

但在相对高水头条件下，轴流式水轮机除了空化系数较大，厂房要有较大开挖量外，飞逸转速和轴向水推力较混流式水轮机高。

轴流转桨式水轮机，由于桨叶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，是一种值得广泛使用的优良机型。

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，轴流式水轮机由于桨叶数少，桨叶单位面积上所承受的压差较混流式叶片的大，桨叶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叶片的差。

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桨叶数较少（3~8片），桨叶呈悬臂形式，所以强度条件较差。

当使用水头增高时，为了保证足够的强度，就必须增加桨叶数和桨叶的厚度，为了能够方便地布置下桨叶和转动机构，转轮的轮毂比，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。

这种情况也限制了轴流式水轮机应用水头的提高。

但是,随着科学技术的发展,通过改进转轮的设计方法,选择更加合理的流道几何参数和桨叶的型线,使得桨叶背面的压力分布更加均匀,降低桨叶正面和背面的平均压差,从而达到改善水轮机空化性能的目的。

还可以通过采用新型的高强度的材料,改进结构使桨叶受力情况得到改善。

相信通过以上措施会使轴流式水轮机的应用水头进一步提高。

图5-14是一台轴流转桨式水轮机,下面将以它为例介绍轴流式水轮机的结构。

1.转轮轴流式水轮机的比转速，随着比转数的增高，转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，又要保持桨叶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，桨叶数目相应减少，一般为3~8片，桨叶轴线位置变为水平，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。

轴流式转轮的形状如图5-14中18、19等所示。

图5-14 ZZ560-LH-1130水轮机1—转轮室；2—底环；3—固定导叶；4—活动导叶；5—顶盖；6—支持盖；7—连杆；8—控制环；9—轴承支架；10—接力器；11—安全销；12—真空破坏阀；13—扶梯；14—排水泵；15—水轮机导轴承；16—冷却器；17—轴承密封；18—转轮体；19—桨叶；20—桨叶连杆；21—接力器活塞；22—泄水锥；23—主轴；24、25—操作油管轴流定桨式转轮由转轮体和桨叶组成,桨叶刚性地连接在轮毂上不能转动。

有的定桨式转轮采用螺栓与轮毂连接,在停机时,可以人工改变叶片的安放角。

定桨式的转轮室和轮毂一般都做成圆柱形。

由于桨叶不能转动,当运行工况离开最优工况后,效率下降很快,能量指标不高,一般只用于中小型电站。

轴流转桨式转轮主要由桨叶、轮毂和转轮接力器组成(如图5-14)。

转轮上部通过法兰盘与主轴刚性连接,下部与泄水锥22相连。

泄水锥的作用是引导转轮出口的水流顺利地进入尾水管,避免水流发生撞击和旋涡。

转轮周围是转轮室1,室的内壁锒有钢板里衬,并用拉筋固定在外围混凝土内。

在桨叶轴线以上,转轮室做成圆柱形,便于安装和拆卸。

在桨叶轴线以下,转轮室的内表面往往做成球面,以保证转动时,在转轮轮缘与转轮室之间保持较小的间隙,一般要求间隙≤0.001,以利减小容积损失。

球形部分向下延伸到大致以桨叶的最大转角时所具有的长度为限,这样就形成了转轮室中最狭窄的颈部,其直径以表示。

在颈部之后与尾水管的直锥段相连。

桨叶通过球面法兰与轮毂相连,桨叶转动的角度用表示,设计工况时；>0时,桨叶向开启方向转动,功率增大; <0时,桨叶向关闭方向转动,功率减小。

如图5-15及图5-16所示。

桨叶转角一般在-150～+200之间。

操纵桨叶转动的接力器,安放在轮毂内。

转动桨叶的操作机构可分为有操作架和无操作架两种(图5-17和图5-18)。

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。

如图5-14中25和24所示。

操作油管上部与受油器相连接。

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。

2、支持盖和顶盖大型的轴流式水轮发电机组(如图5-14)，顶盖5和支持盖6是分开的。

支持盖通过法兰和顶盖连接，并支承在顶盖上。

顶盖为箱形结构固定在座环上。

机组的推力轴承由固定在支持盖上的轴承支持架9来支承。

水轮机导轴承15支承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。

支持盖的下翼板为水轮机过流通道表面的一部分，应做成流线型，该过流表面有承受转轮前水流压力的作用。

当推力轴承安置在支持盖上时，支持盖还承受着作用在转轮上的轴向水推力和转动部分的重量。

中小型轴流式水轮机常将顶盖和支持盖合为一体，总称顶盖。

3、桨叶密封装置转桨式水轮机在运行中需要随时转动桨叶以适应不同的水头和流量，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，在桨叶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5-19所示是目前国内水轮机厂采用较普遍的“”型转轮叶片密封结构。

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。

近年来有的机组采用型橡胶环双向密封，结构简单，安装方便，更换密封不需要拆卸叶片，优点较多。

4、水轮机导轴承水轮机导轴承的主要作用是固定机组的轴线位置,承受由水轮机主轴传来的径向力和振动力。

从改善轴承受力条件出发轴承位置应尽量接近转轮，使转轮对轴承位置的悬臂最短,这样可使水轮机工作更稳定且轴承本身的工作条件更好。

（1）轴承结构型式水轮机轴承的型式很多,较常用的有水润滑的橡胶瓦轴承,透平油润滑的金属瓦轴承两种。

图5-20是水润滑橡胶轴承的典型结构,轴承利用清洁水润滑,经过过滤处理后的润滑水经管子7引入轴承上部的水箱内,水箱上部设有密封装置,润滑水经轴瓦上的沟槽流出,当主轴旋转时将水带到轴承各部分形成一层水膜而起润滑作用，并把摩擦功转变成的热量带走,在轴承体1上镶有6～12块橡胶轴瓦,用螺钉固定在轴承座上,轴瓦摩损后允许在背面加垫调整，也可单独更换,橡胶轴承下部不需布置密封装置,因此轴承可以尽量靠近水轮机转轮,同时也有一定吸振作用,这样便提高了运行的稳定性。

此外,这种轴承的轴瓦能吸收砂粒,当润滑水中含有少量砂粒时砂粒可陷入橡胶并被覆盖,保护轴承不受损伤。

橡胶轴承的结构简单,检修、安装也较方便。

但润滑水的水质要求较高，并且要有独立、可靠的备用设备，耗水量也较大。

透平油润滑轴承常用的有两种结构型式。

图5-21是筒式轴承的结构简图,轴承采用透平油润滑，利用油盆旋转产生油压,润滑油经轴承下部油盆的径向孔和轴瓦上的斜油槽流到图5-20水润滑橡胶轴承1-轴承钵；2-润滑水箱；3-橡胶瓦；4-排水管；5-压力表；6-轴承密封；7-进水管；8-调整螺栓上部油盆,在上油盆2内布置了冷却器3,润滑油经过冷却后再由轴承上的回油管流向下油盆从而使润滑油得到循环,这种轴承结构简单,平面布置紧凑,运行可靠,刚性好,但轴承位置距转轮较远,下部密封机构检修时不如橡胶轴承方便。

图5-22为透平油润滑分块瓦轴承结构简图。

轴承下部浸入油内,主轴轴领旋转后,油在离心力作用下经轴领下部径向孔升入轴瓦间隙,经上部油箱返回连续循环,轴承由8～12块巴氏合金轴瓦组成,用支顶螺丝支承在轴承体上,在运行时轴承受力均匀,通过支顶螺丝的球面顶头使轴瓦具有自调能力,轴瓦安装、维修和刮研都较圆筒式轴承方便,但刚性略次于筒式轴承,这种结构的平面布置尺寸较大,在主轴上需锻(或焊)轴领增加了制造的复杂性,此外密封装置在轴承体下部,使轴承距转轮较远检修安装也不方便,这种轴承结构用在主轴直径超过1m的机组上。

图5-22透平油润滑分块瓦轴承图5-23 橡胶平板密封1—主轴轴领;2—分块轴瓦;3一挡油箱;4—温度信号器5—轴承体；6—支顶螺钉；7—冷却器；8—轴承盖（2）轴承密封装置水轮机主轴密封因轴承结构不同而有多种型式,如橡胶轴承,则在轴承润滑水箱上部装置密封部件,以防止润滑水流失；如透平油润滑的轴承,则在轴承下部主轴上需装置密封部件以防止水流流入轴承油箱。

此外尚有当机组停机或检修轴承时,为防止尾水往机坑内泄漏而安装的密封装置，称为检修密封。

密封装置的结构型式很多,图5-23是常用的水润滑轴承水箱橡胶平板密封装置结构简图,这种密封机构避免了主轴的磨损,结构简单,容易更换,而且具有自动封闭密封面因磨损而出现的间隙,摩擦系数小,适应较大的压力变化范围等优点,但当机组摆度过大或密封面调整不良时,漏水量将会增加,这在安装调试时应予以注意.油轴承的主轴密封装置在轴承下面,区域狭窄,造成检修工作不便,中、小型机组检修时几乎都需拆卸轴承,大型机组检修时工作条件也很差,所以要求密封结构简单、维修量小,而端面密封具有以上优点,因此近几年来得到广泛应用。

图5-24是水压式端面密封的两种结构型式。

图中(a)的结构适用于水头较低,河流含泥沙较少的机组。

密封环2安装在支持环1上,靠水压力和环的重量将2压紧在衬板5上,衬板5和主轴一道运动,当需要停机检修轴承时,可将密封围带4充以高压空气使围带变形压紧在主轴法兰侧面以阻止水流流入。

图中(b)的结构来自外界引入压力水使密封端面贴合而起封水作用,这种型式宜用于水中含泥沙较多的机组及漏水量较大的高水头机组。

5、泄水锥泄水锥的外形尺寸一般由模型试验确定。

中小型机组的泄水锥大多采用铸造，大型机组其泄水锥采用钢板焊接。

图5-14中22是泄水锥的基本结构。