第二章 水轮机类型与构造

本篇重要内容：水轮机(The hydraulic turbine)水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。

研究的目的是充分利用水能资源，为厂房布置设计作准备。

第二章 水轮机类型与构造第一节水轮机基本类型、特点、适用条件一、水轮机的基本类型（一）按主轴装置方式划分1. 立式水轮机：水轮机主轴竖直安装；大中型水轮机均采用该装置方式。

2. 卧式水轮机：水轮机主轴水平安装；小型或微型水轮机采用。

（二）按能量转换特征水轮机是水电站的主要动力设备之一。

根据能量转换的特征，可将水轮机分为反击式、冲击式两大类。

各种类型水轮机按照其水流方向和工作特点不同又有如下不同的形式。

⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧双击式斜击式水斗式（切击式）冲击式斜流式贯流转桨式）贯流式（贯流定桨式，轴流转桨式）轴流式（轴流定桨式，混流式反击式水轮机 二、水轮机的特点及适用条件（一）反击式水轮机的特点及适用条件特点:（1）水流流经转轮时，水流充满整个转轮叶片流道，利用水流对叶片的反作用力，即叶片正反面的压力差使转轮旋转；（2）主要利用水流的势能和动能，主要是利用水流的势能；（3）水轮机在工作工程中，转轮完全浸没在水中。

反击式水轮机根据水流流经转轮的方式不同分为混流式、轴流式、斜流式、贯流式四种。

1、混流式（法郎西斯式）：水流径向流入转轮，轴向流出。

适用范围：H=30~700 m , 单机容量：几万kW~几十万kW优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。

2、轴流式（卡普兰式）：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

(a)、轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。

改变叶片转角时需要停机进行。

结构简单，效率低。

适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定），H：3~50m。

(b)、轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度）。

适用水头流量的变化，高效率区广，大中型电站多采用。

H：3~80m。

（葛洲坝：17万kW、12.5万kW，Hr=27m）。

混流式转轮轴流定桨式转轮3、斜流式（法国德里亚齐式）：水流斜向流进、流出转轮。

转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。

兼有轴流转浆式运行效率高，混流式水轮机汽蚀性能好、强度高的优点。

适用水头范围H=40~200m。

是具有可逆性的水泵―水轮机，广泛地用于抽水蓄能电站，因其结构复杂很少用于小型水电站。

斜流式4、贯流式水轮机（卧轴流式）水流由管道进口到尾水管出口均为轴向流动，不设置蜗壳，水流沿轴向直贯流入流出水轮机，故称为贯流式水轮机，根据发电机装置方式不同，此种水轮机又分为全贯流式和半贯流式；根据转轮轮叶能否改变又可分为贯流转浆式和贯流定浆式。

全贯流式水轮机，发电机转子安在转轮外缘。

优点为水力损失小，过流量大，结构紧凑，密封不易，应用较少。

半贯流式水轮机又可分为轴伸式、竖井式、灯泡式。

贯流式水轮机过流能力较好，多用于河床式与潮汐式水电站，适用水头范围2~30m，单机容量：几千瓦~几万千瓦。

贯流式（二）冲击式水轮机特点及适用条件特点:（1）转轮工作过程中，喷嘴射流冲击部分导叶，转轮部分接触水流；（2）在大气压下工作；（3）水轮机依靠喷嘴的射流冲击力使转轮转动，利用的是水的动能。

冲击式水轮机主要由喷嘴、折向器、转轮和机壳组成，喷嘴将水能全部转化为动能形成自由射流，冲击转轮转动，将水能转换为机械能。

冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为水斗式（切击式）、斜击式和双击式三种。

1、水斗式水轮机（切击式水轮机，卧式）（培尔顿式）射流位于转轮的转动平面内，沿转轮圆周切线方向冲击斗叶，故又名切击式水轮机。

1998年瑞士兴建的克留逊(Cleuson)水电站，安装3台各40万kW冲击式机组，最高水头1883m。

中国最高的水斗式水轮机是天湖水电站，水头高达1022.4m。

适用的水头范围：40~2000m，一般常用水头范围40~800m。

2、斜击式水轮机（1912年发明，仇戈式）（立式）喷嘴射流方向与转轮旋转平面斜交，射流自转轮侧冲击转轮，故称斜击式。

斜击式水轮机适应水头范围50~400m，最大单机容量一般不超过400KW，故只适用于小型水电站。

3、双击式水轮机（1917年匈牙利人发明，班克式）（卧式）水流由喷嘴射到转轮一侧的轮叶上，由轮叶外缘流向转轮中心，而后水流穿过转轮内部空间再一次流到轮叶上，沿轮叶流向外缘，最后以很小的流速离开转轮，水流两次冲击转轮，故称双击式。

双击式水轮机适用的水头范围6~150m，最大的单机容量一般不大于300KW，所以只适用于小型水电站。

切击式三、水轮机新机型及新技术近年来水轮机出现了一些新的结构型式，如：辐向转桨混流式水轮机，双转轮混流式水轮机，双叶片转桨式水轮机。

（见下图）提高各类水轮机的使用水头，进一步有效地发挥水轮机的潜力。

如48m水头级的灯泡式，90m水头级的轴流式及600m水头级的混流式水轮的出现，反映了新型水轮机的发展趋势。

但各类水轮机在高水头范围的使用，必然给强度、汽蚀、磨损及振动等方面带来许多新问题，这也是对水轮机的结构设计和制造提出了新的课题。

如今在水轮发电机组制造上广泛采用铸焊工艺，如“电气液压仿型”加工方法，提高了叶片精度，减少了流道损失，提高了效率。

第二节反击式水轮机的主要过流部件反击式水轮机的主要过流部件（沿水流途经从进口到出口）有：引水部件（蜗壳），导水部件（座环与导叶），工作部件（转轮），泄水部件（尾水管）。

为保证其正常运行和功率输出，还有其它部件如：主轴、轴承、顶盖、止漏装置等。

一、混流式水轮机的主要过流部件水流——> 蜗壳——>座环——>导叶——>转轮——>尾水管——>下游（一）工作部件——转轮转轮是水轮机的核心部件，由上冠、下环、叶片组成。

转轮叶片均布在上冠与下环之间，轮叶上端固定于转轮上冠，下端固定于转轮下环。

轮叶呈扭曲形，各轮叶间形成狭窄的流道。

其作用是将水能转变为机械能。

混流式水轮机转轮(二)导水部件——导水机构导水机构作用：根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力；引导水流按切向进入转轮，形成速度矩；组成：导水叶及其轴、调速器、接力器（转臂、连杆、控制环)、活动导叶导水机构的主体，上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。

作用：改变导叶开度以改变流量。

导叶转动是通过调速成器和接力器来实现的。

导叶参数：导叶数目、高度、开度2．座环座环由上环、下环和若干流线型立柱（又称固定导叶）组成。

作用：水轮机的骨架，承受机墩传来的荷载，并传到下部基础，支承活动导叶；断面设计：流线形，保证强度、刚度。

数目为活动导叶的一半。

(三) 引水部件——蜗壳水轮机进水室的功用、类型及适用条件水轮机的引水部件由称为引水室，其功用是是使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地平顺轴对称地引向水轮机的导水机构、轴对称地进入水轮机转轮。

为适应不同条件，水轮机的引水室有开敞式与封闭式两大类。

（1）开敞式（明槽式）水轮机导水机构外围为一开敞式矩形或蜗形的明槽，槽中水流具有自由水面。

断面可为方形、蜗形，结构简单、施工方便，但由于地球自传，产生离心力旋转进入转轮时带有空气，易形成真空，发生汽蚀，适用于低水头，转轮直径小于2m的小型电站，因强度要求不高，材料用混凝土、浆砌石。

（2）封闭式封闭式进水室中水流不具有自由水面，常见的有：压力槽式、罐式、蜗壳式三种。

①压力槽式：适用于水头（8~20m）的小型水轮机。

②罐式：密封的水罐，水力条件差。

只适用于水头10~35m，容量小于1000Kw的机组③蜗壳式：由于这种引水室的平面外形象蜗牛壳，故常简称为蜗壳。

蜗壳结构紧凑被广泛应用。

依所用材料不同，蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳。

i金属蜗壳：由铸铁、铸钢或钢板焊成，适用于较高水头（H>40m）的水电站和小型卧式机组。

ii混凝土蜗壳一般适用于水头在40m以下的水电站，当水头较大时，为满足强度和防渗要求需要混凝土中加设大量钢筋和金属衬板，则造价高，不经济。

金属蜗壳(四)泄水部件——尾水管尾水管是反击式水轮机的重要组成部分，尾水管的性能的好坏直接影响水轮机的效率及其能量利用情况。

1．尾水管的作用水轮机回收转轮出口动能的相对数称为尾水管效率，又称为动能恢复系数或动能利用系数，用d η来表示。

d η反映了尾水管性能的好坏。

g v h g v v d 2)2(22252255222αααη-∆--=尾水管形式不同，其动能利用系数不同，差别比较大，一般在0.4~0.85之间。

故尾水管的作用可归纳为：①将通过水轮机的水流泄向下游；②转轮装置在下游水位之上时，能利用转轮出口与下游水位之间的势能H 2； ③回收利用转轮出口的大部分动能。

2．尾水管的类型和尺寸尾水管的形式有直锥型、弯管直锥形、弯曲型三种。

（１）直锥形尾水管直锥形尾水管为一扩散的圆锥管，是一种结构简单且性能好的形式，但尾水管过长时，会增加厂房下部开挖量，常用于小型水电站。

为避免发生管壁脱流增大水力损失，尾水管扩散角θ不宜过大，一般θ=12º~16º。

（２）弯管直锥型尾水管此种形式有弯管和直锥管两部分组成，结构简单，用于小型卧轴混流式水轮机。

一般与水轮机配套生产。

（３）弯曲型尾水管（弯肘型）此形式尾水管有圆锥段、弯管段（肘管）、水平扩散段三部分组成。

应用最广泛。

①直锥段断面为圆形，其作用是扩散水流，降低弯管入口流速，减小弯管段水头损失。

②弯管段弯管段又名肘管，是尾水管中几何形状最复杂的一段，其作用是：将断面形状由圆形过渡到矩形；改变水流方向为水平方向；使水流在水平方向达到最大扩散，以便与水平扩散段相连。

直锥形尾水管弯管直锥型尾水管弯曲型尾水管③扩散段为一矩形断面段，一般宽度B不变，底板为水平，顶板上翘，为避免水流脱壁增加水头损失，仰角α不能太大。

一般取α为10º~13º。

当出口较宽时，为改善顶板受力条件可加设中墩，但加中墩后应保证尾水管出口净宽不变。

当出口宽度>(10~12)m时，应设中墩。

尾水管高度：水轮机导水机构下环顶面至尾水管底版平面的高度。

注意：不管什么形式尾水管，其出口断面最高点均应在下游最低水位以下0.3~0.5m，以防进气。

我国水轮机型号已标准化、系列化，每种型号的转轮都有配套的尾水管，推荐的标准系列尾水管尺寸可见相关图表。

作业：已知：水轮机为HL220，D3= D1+（0.5~1.0）cm，D1=225cm，D1≈D2，h1=0.24，h2=0.02m。

求试绘制尾水管单线图要求：比例1：100，用厘米格纸，也可以用计算机绘图。

不画转轮部分。

二、轴流式水轮机主要构件轴流式水轮机的一些零部件与混流式水轮机基本相同，主要区别在于转轮，轴流式水轮机：它由轮毂，轮叶，泄水锥组成。