轴流式水轮机结构与特性共24页

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0.04
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Ao=8
σ =0.03
86 87 88
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0.05
91
91
92 92.8%
90
.5
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Ao=8
σ =0.03
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600
700
800
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1000
1100
δ =
60
55
600
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800
900
1000
1100
模型转轮综合特性曲线
90
80
70
η = 60
δ
50
40
100
120
140
160
180
200
A244-35 转轮综合特性曲线
110
7 80 8
100
7 74 2 76
A244-35 转轮综合特性曲线
转轮综合特性曲线
δ =
δ =
δ =
δ =
η =
400
450
500
550
600
650
700
18.0
21.0
24.0
27.0
30.0
33.0
18.0
500
600

转轮他的具体结构要根据接力器布置与操作机构 的形式而定。
2.叶片
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量和 空化性能，又要保持叶片表面的平滑不产 生扭曲，轴流式转轮取消了混流式转轮的 上冠和下环，叶片数目相应减少，一般为 3~8片，叶片轴线位置变为水平，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。
六、支承盖和顶盖
大型的轴流式水轮发电机组，顶盖合支持盖室分 开的。
支持盖通过法兰与顶盖连接，并支撑在顶盖上。 顶盖为箱型结构固定在座环上。机构的推力轴承
由固定在支持盖上的轴承支架来支撑。 水轮机导轴承支持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讨流通道表面的 一部分，应做成流线性，该过流表面有承 受转轮前水流压力的作用。
二、转轮
1.转轮体 轴流式水轮机的转轮体上装有全部叶片和操作机
构，在安放叶片处转轮体的外形有圆柱形和球形 两种。
大中型转桨式水轮机的转轮体多数采用球形，它 能使转轮体与叶片内缘之间的间隙在各种转角下 都保持不大于2~5mm，达到减少漏水损失的目标。
圆柱形转轮体其形状简单，同时水力条件和空蚀 性能均比球形转轮体好。
转轮室的上端与底环相连，下端与尾水管里村相 连。
转轮室的形状要求与转轮叶片的外缘相吻合，以 保证在任何叶片角度时叶片合转轮室之间都有最 小的间隙。
在水电站运行中，发现转轮室臂收到强烈的振动， 可能造成可卸段的破坏，有时整个可卸段被拉托。 因此转加强轮室的刚度合改善转轮室与混凝土的 结合，室应该重视的一个问题。
时，角度值分别是多少？
• 20.支持盖有何作用？顶盖有何作用？ • 21.水导轴承其什么作用？根据几种结构类型？熟悉每种类

本图中隐藏了导水机构
支 持 盖 组 件
剖面图
控制环
外形图
接力器安 装处
支持盖 锥体上环 空气围带 锥体下环
支 持 盖
顶盖连接处
真空破坏阀 安装处
支持盖是水轮机的重要支撑部件，它支撑着推力轴承支架，同时将水轮机的部分重量传递给 顶盖，由顶盖将负荷传递到基础上。同时支持盖也是水电机组的重要结构部件，它连接着导叶执 行机构、推力轴承支架和水轮机转轮体等。
本图中隐藏了导水机构
主
轴
转子连 接法兰
推力轴承 配合面
水导轴承 配合面 缸体连 接法兰
作用：
1. 2. 水轮机与发电机的重要连接部件，连接发电机转子和水轮机转轮体； 将水轮机的输出转矩传递给发电机转子。
主 轴 吊 装
装配步骤：
首先在主轴与转子连 接法兰上安装主轴吊具； 用桥机吊起主轴，将主轴 吊入机坑；调整主轴位置， 使得主轴轴心和转轮体轴 心一致；同时保证联轴螺 栓安装孔与转轮体上联轴 螺栓配合正确；安装联轴 螺母，使得二者紧固可靠。 主轴下连接法兰和缸 体的配合面上安装橡皮密 封圈（图中没有表示）。
活塞
轮叶 轮毂 枢轴
转臂 连杆
注：
1.图中没有安装轮叶 操作架；
下盖
连接体
放油阀
泄水锥
2.图中没有标出所有 的连接螺钉和轴套。
轮 叶 接 力 器 装 配（一）
导轴
固定 螺栓
活塞环
装配步骤：
1.安装活塞环； 2.安装导轴；
活塞 3.安装紧固螺栓，连接活塞和导轴；
轮 叶 接 力 器 装 配（二）
谢谢光临小店
完毕
操作油管
外形图
上操作油管
连接轮叶接 力器上腔

轴流式水轮机的安装特点
泄水锥 安装孔 安装孔 叶片 叶片
轴流式转轮安装孔
轴流式水轮机的安装特点
悬挂螺栓 转轮叶片 悬挂螺栓 导叶 蜗壳 座环
轴流式转轮悬挂
轴流式水轮机的安装特点
2．质量要求和测量方法 ．
①、高程——比工作位置略低15mm～20mm。 高程——比工作位置略低 ～ 。 ——比工作位置略低 中心位置—测量轮叶边缘与转轮室间隙均匀， ②、中心位置—测量轮叶边缘与转轮室间隙均匀，允许最大 偏差为设计间隙的± 偏差为设计间隙的±10%。 。 轴线垂直度—上法兰面水平，用方形水平仪测量， ③、轴线垂直度—上法兰面水平，用方形水平仪测量，达到 0.02mm/m。 。
衬板

座环
轴流式水轮机的安装特点
三、导水机构安装的特点
1．预装时不吊入支持盖 程序不同：主要保证底环与转轮室同心、 2．程序不同：主要保证底环与转轮室同心、同轴 定位顺序： 定位顺序： 底环 检查导叶活动性 端面间隙检查 调整顶 盖位置
轴流式水轮机的安装特点
四、转动部分组合检查特点
1．ZD与HL有相同的程序、方法。 ZD与HL有相同的程序、方法。 有相同的程序 ZZ转轮组合检查非常复杂 转轮组合检查非常复杂。 2．ZZ转轮组合检查非常复杂。 轮毂内部组合。 ①、轮毂内部组合。 轮叶组合。 ②、轮叶组合。 联轴。 ③、联轴。 受油器组合安装。 ④、受油器组合安装。
2、导水机不同 轴流式顶盖：分为外顶盖、 （1）轴流式顶盖：分为外顶盖、内顶盖
内顶盖 外顶盖 内顶盖 外顶盖
轴流式水轮机的安装特点
（2）止漏环位置不同
上部止漏环 止漏环
下部止漏环
混流式水轮机止漏环
轴流式水轮机止漏环

叶片 泄水锥
轮毂
转轮
叶片：
• 叶片的表面为曲面，圆 柱断面为翼形，根部较 厚边缘较薄 • 叶片的数目主要依水头 大小来确定，一般为 4～8片。 • 叶片的转角一般在15°～+20°之间。
叶片
转轮
转动机构：
• 叶片的转动机构装在轮毂 内，其动作是同调速器自 动控制的。 • 机理：当压力油进入活塞7 的上方，就推动活塞上移， 活塞杆6随之上移，同时带 动操作架5上移，与操作架 相连的连杆4上移，这样就 拉着转臂3的右端围绕枢轴 2转动。
• 座环位于导叶的外围，它是 由上、下碟形环和中间若干 立柱组成的整体铸钢件。 • 座环顶部承受着发电机混凝 土机墩及其传来的荷载，外 缘与蜗壳焊接，内缘与顶盖 和底环相固定。 • 座环有整个水轮机中起着骨 架作用，并把所承受的荷载 传递到下部基础上去。
座环
转轮
• 转轮主要是由 叶片和轮毂组 成 • 上部与主轴的 下法兰以螺栓 联接 • 下部与泄水锥 相联接
进水设备
金属蜗壳：
• 当水轮机的最大工作水头在40以上时， 蜗壳通常是由钢板焊接或由钢铸造而成 （如下图），统称为金属蜗壳。 • 为了改善蜗壳的受力状态，金属蜗壳的 断面形状均采用圆形断面。 • 适用于高水头的混流式水轮机
进水设备
金属蜗壳形式：
导水机构
• 作用：导水机构的主要作 用是根据机组负荷变化来 调节水轮机的流量，以达 到改变水轮机输出功率的 目的，并引导水流按必须 的方向进入转轮，形成一 定的速度矩。 • 组成：通常导水机构是由 导叶及其转动机构（包括 转臂、连杆和控制环等） 所组成。
转动机构.swf
出水设备
尾水管：
• 尾水管是反击式水轮机过流通道的最后部 分，其型式和尺寸对转轮出口动能的恢复 有很大的影响，而且在很大程度上还影响 着厂房基础开挖和下部块体混凝土的尺寸。 增大尾水管的尺寸可以提高水轮机的效率， 但却使水电站的工程量和投资增大，因此 合理的选择尾水管的型式和尺寸在电站设 计中是有很大意义的。

原来定义
ns
为1m水头下发出1马力（750W）时的转速，现在也可定义
ns
为1m水头下发出1kW功率时的转速，并称之为水轮机的比转速。
四、水轮机面临的技术问题 1、大范围调节带来的 • 非设计工况下效率降低
• 水力稳定性
2、从流动和材料两方面研究减轻和避免泥砂磨损
3、气蚀及其造成的振动和噪声，以及水轮机效率的急剧下降
1、坝式水电站 2、河床式水电站 3、引水式水电站
1、坝式水电站 种类： （1）坝后式水电站：图11-28
水电站厂房紧靠着坝体布置在下游，如三峡
（2）厂房顶溢式水电站：图11-29
适用于河谷狭窄而水电站机组较多，水利溢洪建筑物 与厂房布置有矛盾时
（3）坝内式水电站：图11-30
适用于大坝体足够大时
T、g --- 水轮机和发电机的效率 其中，
k – 考虑了各种质、能损耗的利用系数
3、河流的梯级开发（图11-27）
• 对于很长的河段或河流坡度比较大的情况，水头很高 • 筑坝太高，一方面技术上有相当困难，另一方面会造成过大的淹没损失 • 可利用几个水坝分别集中整个河段上的落差
二、水电站的基本类型
三、比转速
为了适应各种水头和流量并要求具有高效率，水轮机的形式必须是多 种多样的。并且在同一水头段内，几何形状相似的水轮机（即同一系列 的水轮机）的尺寸大小也是不同的。为了找出同系列水轮机的一个共同 性，水轮机工作者用水轮机的几个基本工作参数组成了一个重要指标， 即
n P n gqv H n gqv ns 5/ 4 5/ 4 H H H 3/ 4
特点：
（1）属中、高水头，最高300m左右，三峡最高113m （２）多采用中高水头、中低比转速的混流式水轮机或斜流式水轮机 （３）压力引水管道较长，其水头损失不可忽略

第二节 轴流式水轮机的结构一、概述轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，由于水流进入转轮和离开转轮均是轴向的，故称为轴流式水轮机。

轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。

轴流式水轮机用于开发较低水头，较大流量的水利资源。

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2-15），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效率。

特别是轴流转桨式水轮机，由于转轮叶片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，更是值得广泛使用的一种机型。

图2-15 轴流式水轮机1— 1— 1— 转轮接力器活塞；2—转轮体；3—转臂；4—叶片；5—叶片枢轴；6—转轮室图2-16所示是轴流转桨式水轮机的结构图。

它的工作过程和混流式水轮机基本相同。

水流经压力水管、蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管到下游。

与混流式水轮机所不同的是负荷变化时，它不但调节导叶转动，同时还调节转轮叶片，使其与导叶转动保持某种协联关系，以保持水轮机在高效区运行。

轴流式水轮机转轮位于转轮室内，轴流式水轮机转轮主要由转轮体、叶片、泄水锥等部件组成。

轴流转桨式水轮机转轮还有一套叶片操作机构和密封装置。

转轮体上部与主轴连接，下部连接泄水锥，在转轮体的四周放置悬臂式叶片。

在转桨式水轮机的转轮体内部装有叶片转动机构，在叶片与转轮体之间安装着转轮密封装置，用来止油和止水。

轴流式水轮机广泛应用于平原河流上的低水头电站，应用水头范围为3～55m ，目前最大应用水头不超过70m 。

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11Q 和单位转速11n 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 。

作用：
1. 固定导水机构； 2. 承受机组轴向负载，并将负载传递到座环和水泥基础上，起到支撑机组
的作用。
顶盖安装
1.将顶盖整体吊入机坑，注意保证顶盖不与基础碰撞； 2.调整顶盖位置，其保持水平，同时保证导叶套筒安装孔与 导叶轴心基本一致。
导叶套筒装配
1.将导叶套筒分别吊入机坑； 2.调整顶盖位置，保证每个导叶轴心铅直，且保证导叶、套 筒和底环导叶安装孔的轴心保持在同一直线上。
定
子
定子安装
上环板 下压板
密封环 下密封橡皮板
水封主要起主轴密封作用，防止水从转轮室渗漏到水车室中。
水封安装
装配步骤：
主轴和支持盖吊装完 成以后进行水封吊装；水 封组件基本上都是由分瓣 部件组成，所以首先应该 将各个组件分别吊入支持 盖中，然后在支持盖内部 依据设计要求进行组装成 一个整体。
本图中只表示了水封 的安装位置，没有依据实 际过程进行。
7. 安装M160×4螺母，采用螺 栓拉伸器紧固螺母，保证缸体 与轮毂连接可靠。
缸体与轮毂之间应该装有 橡皮密封圈（图中没有表 示其安装过程），保证油 缸那中压力油不外漏。
轮叶操作机构
铜瓦
枢轴
转臂
铸铁瓦
操作架连接处
连杆 注：图中尚缺乏轮叶操作架
轮叶操作机构装配
装配步骤：
1. 安装转臂和连杆； 2.安 装枢轴；
密封圈 油槽盖 推力瓦 托瓦 支筒 支铁 弹性油箱
推力轴承结构
推力头
卡环
底盘 推力轴承座 挡油管
镜板 油冷器
推力油箱
与油槽盖 配合面
推力油箱
与推力轴承柱 段配合面
油冷却器 安装孔
推力油箱由二瓣组成，两者组装后吊入机坑与推力轴承支 架柱段通过螺栓紧固在一起。

风洞
蜗壳
座环
转轮室
尾水管
水轮机底环
活动导叶 固定孔
与基础结 合部位
作用：水轮机过流部件之一，固定活动导叶。
水轮机底环安装
1. 将底环吊入机坑，调 整底环位置符合设计要 求；
2. 将底环固定在水泥基 础上，保证其过流面与 座环和转轮室上环过流 面光滑过渡。
导水机构
控制环 导叶连杆 活动导叶 导叶套筒 顶盖
推力轴承结构
推力头 卡环 镜板 油冷器
密封圈
油槽盖
推力瓦 托瓦
支筒 支铁 推力轴承座 挡油管 推力油箱
弹性油箱
底盘
推力油箱
与油槽盖 配合面
油冷却器 安装孔 与推力轴承柱 段配合面
推力油箱由二瓣组成，两者组装后吊入机坑与推力轴承支 架柱段通过螺栓紧固在一起。
弹性油箱底盘组件
连接油管
支筒
支铁
弹性油箱
缸体与轮毂之间应该装有 橡皮密封圈（图中没有表 示其安装过程），保证油 缸那中压力油不外漏。
轮叶操作机构
枢轴 转臂 铜瓦
铸铁瓦
连杆
操作架连接处
注：图中尚缺乏轮叶操作架
轮叶操作机构装配
装配步骤：
1. 安装转臂和连杆； 2.安 装枢轴；
轮叶密封装置
垫环 V型密封 顶起环
密封压板
λ型密封
轮叶密封装配
泄水锥结构
外形图 剖面图
作用：
1. 2. 是水轮机导水机构的重要组成部分，主要是为尾水导流； 使转轮体内部形成一个封闭油腔，起密封作用。
泄水，基本保证其轴心 与地面垂直；用桥机调起 转轮体与泄水锥进行对接； 调整位置使得二者的轴心 在同一条直线上，然后用 固定螺栓将二者把合在一 起；连接体外部安装封围 板（图中没有表示）。 在二者的配合面上注 意按照设计要求安装橡皮 密封圈（图中没有表示）。

水管等部件组成 。蜗壳是水轮机的基础部件 ， 它使
水轮机进 水形成 一定环 量并沿 整个 圆周 均匀地输 送
收 稿 Ｅ期 ：０ ９ １ ９ 修 回 日期 ：０ ９ ２—２ ｔ ２０ —１ —０ ； ２ ０ —１ ４
导水机构主要由底环 、 顶盖、 导叶、 控制环、 接力
器、 导叶传 动 件 、 持盖 等部件 组成 ， 轮机转 轮 所 支 水
保护 ， 防止水流对混 凝土 的冲刷 ， 为 保护 钢板一直 延
续到水 流速 度 ６ｍ／ 左 右 的地方 。有时为 了免去 立 ｓ
机组 的 运 行 性 能 已 达 到 或 优 于 国 外 同类 机 型 的
水平 。
模、 拆模工作 ， 保证外形尺寸正确， 整个肘管甚至出
口扩散 管都用 钢 板里 衬 。大 型里衬 在 工 厂成 型 ， 分
重 量 、 轮机 的水 推力及蜗 壳 的内水 压力 ， 水 因此 要求 有足 够 的强度 和刚 度。座 环 一般 由上 环 、 环和 固 下
定 在转轮 体上 ， 叶片安放 角不能在运 行 中改变 ， 效率
曲线较 陡 ， 适用 于 负荷 变化 小 或 可 以用 调整 机组 运 行 台数来适应 负荷 变化 的电站 。轴 流转桨式水 轮机
流式水轮机设计具有参考意义。
关 键 词 ： 流 式 水轮 机 ； 环 ； 承 ； 水 机 构 ； 轴 密封 ； 轴 座 轴 导 主 转轮
中图分类号 ： ７ ３３ ３ ＴＫ ３ ．０
文献标识码 ： Ｂ
文章编号 ：０ １ ０ Ｘ ２ １ ）２ ０６ ３ １ ０ —４ ８ （０ ０ ０ —０ ６ —０
提高其 抗空蚀 能力 ， 面 采用 不锈 钢制 造 。尾 水 管 球

– 磁极铁芯分实心和叠片两种结构。
– 中、小容量高转速水轮发电机的转子，常采用 实心磁极结构，整体锻造或铸造而成。转速大 于或等于750r／min的小型水轮发电机，常采用 磁极铁芯连同转子的磁轭与主轴整体锻造加工 。
– 磁极固定方式通常采用螺钉、T尾和鸽尾结构。
• 磁轭与转子支架
– 磁轭的作用是构成磁路并固定磁极。 – 转子支架的作用是固定磁轭。 – 对于定子铁芯外径小于325cm的中小容量的
• 中小型水轮发电机轴承的油循环冷却方式一般为内 循环。
• 水轮发电机制动方式 机械制动、电气制动、混合制动
• 水轮发电机制动系统的组成 制动装置（俗称 风闸）、控制原件、管路系统。
• 机械制动的作用 为避免机组停机减速过程后期时间较长，引起推力瓦的磨损。 一般当机组转速降低到额定转速25%~35%，自动投入制动器， 加闸停机。
– 按布置方式分：可分为卧式和立式两种。
• 卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击式水轮机。 • 一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。
– 按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和伞 式两种。
• 推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机，它适 用于转速在100r/min以上。
• 推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机，无上 导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适用于转速 在150r/min以下。
起动试运行的内容和程序 ：
1. 机组起动试运行的工作范围很广，要进行从水工建筑物到 机电设备的全面检查。一般说来包括试验检查和试运行两 大部分，而且以试验检查为主。
2. 起动试运行程序： （1）水轮发电机组试运行前的检查
2. 通过检杳发现尚未完善的工作及工程或设备所存在的缺陷， 及时处理以保证电站能顺利地投产。

• 推力瓦一般做成扇形块，中小型水轮发电机推力轴承 的推力瓦数多为6块～8块。
• 常用的推力瓦有巴式合金推力瓦和弹性金属氟塑料瓦两种。
第三十七页，共124页。
– 镜板
• 镜板是将推力负荷传递到推力瓦上的部件，技术要求 高。
• 要求镜板保证其平面度和水平度，一般为0.02mm／m。 • 镜板多采用45号锻钢，应有足够的刚度。
– 推力头
• 推力头是承受并传递机组轴向负荷及扭矩的部件。多数
用平键和卡环固定在主轴上，也有采用热套方法固定于主轴 上的。
• 推力头应有足够的刚度和强度，以承受机组轴向推力产 生的弯矩作用，不致产生有害的变形和损坏。
第三十八页，共124页。
– 托盘
• 托盘的作用是减小轴瓦的变形。另外，托盘的轴向 柔度在运行中有一定的均衡负荷作用。
– 磁轭的外缘加工有T尾、鹇尾槽或螺孔，用以固
定磁极。
第三十三页，共124页。
• 机架是立轴水轮发电机安置推力轴承、导轴承、 制动器及水轮机受油器的支撑部件，是水轮发 电机较为重要的结构件。
• 机架由中心体和支臂组成，一般采用钢板焊 接结构，中心体为圆盘形式，支臂大多为工 字梁形式。
• 机架按其所处的位置分为上、下机架，按承载 性质分为负荷机架和非负荷机架 。
第三十四页，共124页。
• 推力轴承的组成和作用
– 推力轴承是应用液体润滑承载原理的机械结构部件，主要由 轴承座及支承、轴瓦、镜板、推力头、油槽及冷却装置等部 件组成。
– 其主要作用是承受立轴水轮发电机组转动部分全部重量及水
推力等负荷，并将这些负荷传给负荷机架。
• 推力轴承的分类
– 推力轴承支承结构方式主要有弹性垫支承式、刚性抗重螺 栓支承式、弹性油箱支承和平衡块支承式四种。