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。