水輪發(fā)電機組結構及工作原理培訓講義

1、水輪發(fā)電機組結構及工作原理培訓講義 目 錄第一章 水輪發(fā)電機組概述3一、水輪機的主要類型及適用水頭3二、水輪發(fā)電機組的形式9第二章 水輪機的型號及標稱直徑12一、型號說明12二、水輪機的型號舉例13三、各種水輪機轉輪標稱直徑D114四、轉輪標稱直徑系列14第三章 水輪機的工作參數(shù)15一、水頭(H)15二、流量(Q)16三、轉速n16四、出力P與效率16第四章 公司電站主機設備參數(shù)表（部分）19一、小水電廠設備參數(shù)19二、大水電廠設備參數(shù)20第五章 水輪機的結構23一、反擊式水輪機的主要組成部件23二、混流式水輪機轉輪24三、軸流式水輪機轉輪30四、水輪機導水機構33五、混流式水輪機的引水部件3

2、7六、 軸流式水輪機的引水部件39七、水輪機的泄水部件40八、水輪機其他部件41九、水輪機的輔助裝置46第六章 水輪發(fā)電機的基本結構50一、水輪發(fā)電機的定子與轉子50二、水輪發(fā)電機的主要附屬部件52第一章 水輪發(fā)電機組概述自然界有多種能源，目前已被開發(fā)利用的能源主要有熱能、水能、風能和核能。水能是一種可再生能源，水能開發(fā)具有成本低、運行管理簡單、啟動快、消耗少、適用于調峰和調頻、污染少等優(yōu)點。水電站是借助水工建筑物和機電設備將水能轉換為電能的企業(yè)。水電站的形式主要取決于集中水頭的方式，根據(jù)集中水頭方式的不同，水電站分為壩后式水電站、引水式水電站和混合式水電站。一、水輪機的主要類型及適用水頭根據(jù)

3、水輪機轉輪所轉換水流能量的特征可分為反擊式水輪機和沖擊式水輪機兩大類，總分類圖如下。1.1反擊式水輪機的類型及適用水頭反擊式水輪機的類型反擊式水輪機利用水流的勢能和動能做功的水輪機，其轉輪區(qū)內的水流在通過轉輪葉片流道時，始終是連續(xù)充滿整個轉輪的有壓流動，并在轉輪空間曲面形葉片的約束下，連續(xù)不斷地改變流速的大小和方向，從而對轉輪葉片產生一個反作用力，驅動轉輪旋轉。當水流通過水輪機后，其動能和勢能大部分被轉換成轉輪的旋轉機械能。反擊式水輪機的適用水頭混流式水輪機混流式水輪機如圖1-1所示，水流從四周沿徑向進入轉輪，然后近似以軸向流出轉輪，其應用水頭范圍較廣，約為20700m，結構簡單、運行穩(wěn)定且效

4、率高，是應用最廣泛的一種水輪機。圖1-1 混流式水輪機1主軸；2葉片；3導葉軸流式水輪機軸流式水輪機如圖1-2所示，水流在導葉與轉輪之間由徑向流動轉變?yōu)檩S向流動，而在轉輪區(qū)內水流保持軸向流動，其應用水頭約為380m。軸流式水輪機在中低水頭、大流量水電站中得到廣泛應用，軸流式水輪機分為軸流定漿及軸流轉漿兩種類型。圖1-2 軸流式水輪機1導葉；2葉片；3輪轂斜流式水輪機斜流式水輪機如圖1-3所示，水流在轉輪區(qū)內沿著與主軸成某一角度的方向流動，其轉輪葉片大多做成可轉的形式。因此，斜流式水輪機具有較寬的高效率區(qū)，適用水頭在軸流式與混流式水輪機之間，約為40200m。由于其結構復雜，加工工藝要求和造價較

5、高，一般只在大中型水電站中使用，目前這種水輪機應用還不普遍。圖1-3 斜流式水輪機1蝸殼；2導葉；3轉輪葉片；4尾水管貫流式水輪機貫流式水輪機是一種流道近似為直筒狀的臥軸式水輪機，它不設蝸殼，葉片有固定和轉動兩種。根據(jù)發(fā)電裝置形式的不同，分為：a.全貫流式（發(fā)電機轉子直接安裝在轉輪葉片的外緣，目前這種機型很少使用）圖1-4 全貫流式水輪機1轉輪葉片；2轉輪輪緣；3發(fā)電機轉子輪輞；4發(fā)電機定子；5、6支柱；7軸頸；8輪轂；9錐形插入物；10拉緊桿；11導葉；12推力軸承；13導軸承b.半貫流式（有軸伸式、豎井式和燈泡式等裝置形式，前兩種形式效率較低，一般只用于小型水電站；燈泡式水輪機結構緊湊、穩(wěn)

6、定性好、效率較高，應用最為廣泛）兩類。貫流式水輪機的適用水頭為125m，適用于低水頭、大流量的水電站。以上三種水輪機示意圖如下。軸伸式貫流機組(Z)：發(fā)電機安裝在外面，水輪機軸伸出到尾水管外面。圖1-5 軸伸貫流式水輪機1轉輪；2水輪機主軸；3尾水管；4齒輪轉動機構；5發(fā)電機豎井式貫流機組(S)：發(fā)電機安裝在豎井內。圖1-6豎井貫流式水輪機1豎井；2增速裝置；3軸承座；4止水套；5固定導葉；6葉片；7尾水管燈泡貫流式(P)：發(fā)電機組安裝在密閉的燈泡體內，使用較廣泛，機組結構緊湊，流道形狀平直，水力效率高。圖1-7 燈泡貫流式水輪機1.2沖擊式水輪機及適用水頭沖擊式水輪機的轉輪始終處于大氣中，來

7、自壓力鋼管的高壓水流在進入水輪機之前已轉變成高速自由射流，該射流沖擊轉輪的部分輪葉，并在輪葉的約束下發(fā)生流速大小和方向的急劇改變，從而將其動能大部分傳遞給輪葉。在射流沖擊輪葉的整個過程中，射流內的壓力基本不變，近似為大氣壓，水流具有與空氣接觸的自由表面。根據(jù)水流射向轉輪方向不同，可分為以下三種形式。沖擊式(根據(jù)水流射向轉輪方向劃分)水斗式水輪機水斗式水輪機又稱切擊式水輪機。如圖1-8所示，從噴嘴出來的高速自由射流沿轉輪周圍切線方向垂直沖擊輪葉。 圖1-8 水斗式水輪機這種水輪機適用于高水頭、小流量的水電站，特別是當水頭超過400m時，混流式水輪機已不太適用，常采用水斗式水輪機。大型水斗式水輪機

8、的應用水頭約為3001700m，小型水斗式水輪機的應用水頭約為40250m。目前水斗式水輪機的最高水頭已應用到1767m（奧地利萊塞克電站），我國天湖水電站的水斗式水輪機設計水頭為1022.4m。斜擊式水輪機斜擊式水輪機如圖1-9所示，由噴嘴出來的射流沿圓周斜向沖擊轉輪上的水斗。圖1-9 斜擊式水輪機轉輪水流從轉輪的一側進入輪葉再從另一側流出輪葉。與水斗式相比，其過流量較大，但效率較低，這種水輪機一般多用于中小型水電站，適用水頭一般為20300m。雙擊式水輪機雙擊式水輪機如圖1-10所示，從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊在轉輪葉片上。這種水輪機結構簡單、制造方便，但效率低、轉輪葉片強度差，僅適用于

9、單機出力不超過1000KW的小型水電站，其適用水頭一般為5100m。圖1-10 帶有閘板閥門的雙擊式水輪機1工作輪；2噴嘴；3調節(jié)閘板；4舵輪；5引水管；6尾水槽各類水輪機及其應用水頭范圍表表1-1 水輪機類型及其應用水頭范圍類型形式適應水頭范圍（m）反擊式混流式混流式20700混流可逆式80600軸流式軸流轉漿式380軸流定漿式350斜流式斜流式40200斜流可逆式40120貫流式貫流轉漿式125貫流定漿式沖擊式水斗式401700斜擊式20300雙擊式5100二、水輪發(fā)電機組的形式1、按照布置方式的不同分類水輪發(fā)電機可分為臥式和立式兩種。臥式水輪發(fā)電機適合中小型、貫流式及沖擊式水輪機。一般低

10、、中速的大中型機組多采用立式發(fā)電機。2、按照推力軸承位置的不同分類立式發(fā)電機又分為懸式和傘式兩種。懸式發(fā)電機：推力軸承位于轉子上方的發(fā)電機，它適用于轉速在100r/min以上。其優(yōu)點是推力軸承損耗小，裝配方便，運轉較穩(wěn)定；缺點是機組高度較大，耗費鋼材多。懸吊式發(fā)電機如下圖所示（SF15-20/3920懸式發(fā)電機）。圖1-11 懸吊式水輪發(fā)電機1集電環(huán)；2刷架；5上機架；6上擋風板；7空冷器；8定子；9下?lián)躏L板；10加熱器；11下機架；12接地碳刷；13制動器；14轉子；15定子基礎板；16機械過速保護裝置；17滅火水管傘式發(fā)電機：推力軸承位于轉子下方的發(fā)電機。上下有兩個導軸承分別位于上下機架內

11、的叫做普通傘式。有一個導軸承位于上機架中心的叫做半傘式；只有一個導軸承位于下機架中的叫做全傘式。它適用于轉速在150r/min以下。其優(yōu)點是機組高度低，可降低廠房高度，節(jié)省鋼材；缺點是推力軸承損耗大，安裝、檢修、維護都要不方便。圖1-12 SF140-64/13500全傘發(fā)電機第二章 水輪機的型號及標稱直徑一、型號說明水輪機的型號由三部分組成，每一部分用短橫線“”隔開。第一部分由漢語拼音字母與阿拉伯數(shù)字組成，其中拼音字母表示水輪機型式，阿拉伯數(shù)字表示轉輪型號，入型譜的轉輪的型號為比轉速數(shù)值(比轉速：保持水輪機形狀與運行工況相似，改變其尺寸大小，在單位水頭下發(fā)出單位出力所具有的水輪機轉速)，未入

12、型譜的轉輪的型號為各單位自己的編號，舊型號為模型轉輪的編號；可逆式水輪機在水輪機型式后加“N”表示。第二部分由兩個漢語拼音字母組成，分別表示水輪機主軸布置形式和引水室的特征；第三部分為水輪機轉輪的標稱直徑以及其它必要的數(shù)據(jù)。水輪機型號中常見的代表符號如表所示。對于沖擊式水輪機，上述第三部分應表示為：轉輪標稱直徑(cm)/每個轉輪上的噴嘴數(shù)×射流直徑(cm)。比轉速：保持水輪機形狀與運行工況相似，改變其尺寸大小，在單位水頭下發(fā)出單位出力所具有的水輪機轉動的速度 (即：幾何相似的水輪機，當工作水頭為1m，輸出功率為1kW且機械效率為100%時水輪機自身的轉速。) 。比轉數(shù)可以作為機器分類

13、、系列化和相似設計的依據(jù)。比轉數(shù)小反映機器的流量小，全壓(或揚程、水頭)高；反之,比轉數(shù)大則機器的流量大,全壓（或揚程、水頭）低。前者適合離心式,后者適合軸流式,混流式（斜流式）介于兩者之間，所以可用比轉數(shù)大小劃分機器類型。在設計機器時先按給定的參數(shù)計算比轉數(shù)，再根據(jù)比轉數(shù)大小決定機器類型。比轉數(shù)大小也反映葉輪的形狀。比轉數(shù)與葉輪形狀的關系為不同類型泵的比轉數(shù)與葉輪形狀的關系。比轉數(shù)越大葉輪外徑就越小，而寬度越大。反之，比轉數(shù)越小，則葉輪外徑越大，寬度越小。在一定流量和全壓（或揚程、水頭）下，比轉數(shù)與機器轉速成正比。提高轉速可減小葉輪外徑，增加寬度；而降低轉速，則須增加葉輪外徑，減小寬度。型號

14、第三部分的說明對反擊式水輪機：表示轉輪的標稱直徑水斗式或斜擊式水輪機，其表示方法為：對雙擊式水輪機，其表示方法為：二、水輪機的型號舉例 (1) HL240 LJ 410混流式水輪機，型號240（比轉速)，立軸，金屬蝸殼，轉輪直徑為410cm(2) ZZ440 LH 430軸流轉漿式水輪機，型號440，立軸，混凝土蝸殼，轉輪直徑430cm (3) 2CJ20W 120/2×10 轉輪型號為20，水斗式水輪機，臥軸，一根軸上裝設兩個轉輪，轉輪直徑為120cm, 每個轉輪兩個噴嘴，設計射流直徑為10cm。(4) GZ440WP750表示貫流轉漿式水輪機，轉輪型號440，臥軸，燈泡式機組，轉

15、輪標稱直徑750cm。(5) SJ40W50/40：表示雙擊式水輪機，轉輪型號40，臥軸布置，轉輪標稱直徑50cm，轉輪軸向長度40cm。(6) XLNLJ300：表示斜流可逆式水泵水輪機，轉輪型號200，立軸布置，金屬蝸殼，轉輪標稱直徑300cm。三、各種水輪機轉輪標稱直徑D1HL：轉輪葉片進口邊上最大直徑ZL、XL：轉輪葉片軸心線相交處的轉輪室直徑CJ：轉輪與射流中心線相切處節(jié)圓直徑四、轉輪標稱直徑系列反擊式水輪機轉輪標稱直徑系列(cm)253035(40)42506071(80)8410012014016018020022525027530033038041045050055060065

16、07007508008509009501000     注：表中括號內的數(shù)字僅適用于軸流式水輪機。第三章 水輪機的工作參數(shù)反映水輪機工作狀況特性值的一些參數(shù)，稱水輪機的基本參數(shù)。水輪機的基本參數(shù)主要有工作水頭H(m)、流量Q(m3/s)、出力N(kw)、效率，機組轉速n。一、水頭(H)水輪機的水頭（亦稱工作水頭）是指水輪機進口和出口截面處單位重量的水流能量差，如圖2-1所示，對反擊式水輪機，進口斷面取在蝸殼進口處AA斷面，出口斷面取在尾水管出口BB斷面。圖2-1 水電站和水輪機的水頭示意圖 毛水頭(Hg) 上、下游水位差稱為水電站的毛水頭Hg，

17、其單位為m。Hg=ZU - ZD 反擊式水輪機的工作水頭（H）水輪機工作水頭又稱凈水頭，是水輪機做功的有效水頭。毛水頭 - 水頭損失=凈水頭H=EA- EB=Hg - hI-A 沖擊式水輪機的水頭H=ZU- ZZ - hI-A其中ZU和ZZ分別為上游和水輪機噴嘴處的水位。 特征水頭表示水輪機的運行范圍和運行工況的幾個典型水頭。最大工作水頭Hmax：是允許水輪機運行的最大凈水頭。它對水輪機結構的強度設計有決定性的影響。 Hmax=Z正-Z下min-hI-A最小工作水頭Hmin：是保證水輪機安全、穩(wěn)定運行的最小水頭。 Hmin=Z死-Z下max-hI-A設計水頭(計算水頭) Hr：是水輪機發(fā)額定出

18、力時的最小凈水頭。加權平均水頭Ha：是在一定時期內（視水庫調節(jié)性能而定），所有可能出現(xiàn)的水輪機水頭的加權平均值，是水輪機發(fā)出額定出力時間最長的凈水頭。 Ha =Z上a-Z下a二、流量(Q)單位時間內通過水輪機某一特定過流面的水流體積，常用單位為：m3/s。在設計水頭下，水輪機以額定轉速、額定出力運行時所對應的水流量稱為設計流量Qr。Q隨H、N的變化：H、P一定時， Q也一定；當H=Hr、P=P額時，Q為最大。三、轉速n水輪機的轉速是水輪機轉輪在單位時間內的旋轉次數(shù)，常用符號n表示，常用單位為r/min。四、出力P與效率指水輪機軸端輸出的功率，常用符號P表示，常用單位為KW。水輪機的輸入功率 是

19、單位時間內通過水輪機的水流的總能量，即水流的出力，常用符號Pn 表示，則Pn=QH =9.81QH由于水流通過水輪機時存在一定的能量損耗，所以水輪機出力P總是小于水流出力Pn。水輪機出力P與水流出力Pn之比稱為水輪機的效率，用符號t表示。t=P/Pn由于水輪機水能在工作過程中存在能量損耗，故水輪機的效率t1。水輪機的出力可寫成P= Pnt=9.81QHt水輪機將水能轉化為水輪機軸端的出力，產生旋轉力矩M用來克服發(fā)電機的阻抗力矩，并以角速度旋轉。水輪機出力P、旋轉力矩M和角速度之間有以下關系式P=M=M2n/60式中 水輪機旋轉角速度，rad/s； M水輪機主軸輸出的旋轉力矩，N·m；

20、 n水輪機轉速，r/min。水輪機的損失：1、容積損失：進入水輪機的流量Q，有部分會從水輪機固定部分與轉動部分的縫隙及其他縫隙中漏失而造成損失；2、水力損失：作用于水輪機的工作水頭H中，在水流進出水輪機的過流部件時為克服沿程摩擦局部阻力而消耗一部分能量；3、機械損失：在能量轉換過程中，水輪機還必須克服主軸軸承的摩擦，及其他部分與固定部分之間的摩擦，造成出力損失。第四章 公司電站主機設備參數(shù)表（部分）一、小水電廠設備參數(shù)序號特性參數(shù)備 注水輪機臺套數(shù)2222225設備型號HLA351-WJ-94HLA551-WJ-62HLB12-LJ-115CJA237-L-170/2×16HL551

21、WJ100HLD358C-LJ-156ZDT03-LH-300制造廠家杭州大路杭州大路東風東風廠宜賓富源德陽東方浙江金輪水輪機型式臥式混流式臥式混流式混流式沖擊式臥式混流式混流式軸流定槳式額定出力（MW）6.51.58.583.218.752.5額定轉速（r/min）10001000600428.6600600150飛逸速度（r/min）1737178112067711200r/min1090314額定流量（m3/s）3.53.58.343.28.4m3/s9.3749.1額定水頭（m）2106011931345.9m2196.4轉輪直徑（mm）940620115017001005156030

22、0發(fā)電機設備型號SFW-J6300-6/1730SFW-J1500-6/1480SF8500-10/2600SF800014/2860 SFW3200-10/1730SF18-10/3250SF-J2500-40/4250額定出力（MW）6.31.58.583.2182.5額定轉速（rpm）10001000600428.6600600150冷卻方式空冷管道通風空冷空冷空冷空冷器風冷風冷二、大水電廠設備參數(shù)1、 公司各電廠主要機電設備臺帳匯總表-水輪機序號特性參數(shù)1.臺套數(shù)5保安機組4396334434341.設備型號HL295-LJ-830HLA-551-LJ-210HLA855LJ505HL

23、(PO50)-LJ-525HK-IRP(1#-5#)GZA684-WP-690（6#-9#）HK-1RTGZ-WP-630K89/4aGZ(113)-WP-640GZ-WP-630HL(PO50)-LJ-630HLF196AO-LJ-660ZZ-LH-580HLNTP-LJ-5041.制造廠家VOITH/哈電哈電哈電富春江富士日立公司日立/哈電ELIN公司澳地利東芝水電浙富水電浙富股份阿爾斯通富春江水電ALSTOM/東電2.水輪機型式混流式混流式混流式混流式燈泡貫流式燈泡貫流式燈泡貫流式燈泡貫流式燈泡貫流式燈泡貫流式混流式混流式軸流轉漿式混流可逆式3.額定出力（MW）24815.5MW2565

24、82.530.9546.421.0618.0520.51519.07142.9204.151.5G:3064.最大出力（MW）290256592.531.8548.1921.0619.122.7820.97142.9226.851.5P:3065.額定轉速（rpm）68.18272166.710078.9136.4757583.393.7593.7588.2115.43006.飛逸速度（rpm）140560315200185.4314（協(xié)聯(lián)）370（非協(xié)聯(lián)）225207190(協(xié)聯(lián))273188176,43154657.額定流量（m3/s）62839.4225243.77403252.2436

25、1312330.86351.5352.57422.32270.4G:118.3P:1068.額定水頭（m）44.545128398.5206.86.556.86.1445420.72959.最高水頭（m）60.160.1156544.6813.227.3108.59.79.553.259.7525.2933510.最低水頭（m）36.236.29734.672.28.433.03.03.53943.8512.9272.811.額定油壓（MPa）6.02.5636.36.06.46.06.06.36.36.36.36.36.312.設計效率（）90.85-9593.793.59894.0894.

26、593.2790.5593.991.5894.12%G：98.4%P:98.5%13.轉輪直徑8300mm21005050mm5250mm6900mm5460mm6300mm6300mm6400mm6300mm6300mm6600mm5800mm5040mm備注2、 公司各電廠主要機電設備臺帳匯總表-發(fā)電機1.臺套數(shù)5保安機組4396334434341.設備型號SF240-88/17290SF1522/4250SF250-36/10200SF80-60/10400TFFZBLW-RDSFG45-44/5850SV628/80-155SV588/80195SFWG19.972/6850SFWG1

27、8.564/6400SF140-64/13500SF200-68/15250SF50-52/9610SFD300-20/7002.制造廠家哈電哈電哈電富士富春江日本日立哈電ALSTOMELIN澳地利東芝水電浙江富春江浙富股份哈電浙江富春江ALSTOM/東電3.額定出力（MW）24017.6525080304521.0618.519.918.514020050G:300P:3204.最大出力（MW）28020.302509031.5847.3721.0619.522.120.5614021050G:300P:3255.額定轉速（rpm）68.18272166.710078.9136.475758

28、3.393.7593.7588.2115.43006.定子額定電流（A）9775970.4101833718.8173626051286.710721218.81130.38553.58146.043234.5107137.轉子額定電流（A）19064841540918791830.610947185605601297.91610871G:1661P:14768.出口電壓（kV）15.7510.515.7513.810.510.510.510.5010.510.510.515.7510.5189.功率因數(shù)（cos）0.90.850.90.90.950.950.90.950.90(滯后)0.90

29、(滯后)0.90(滯后)0.9（滯后）0.85(滯后)G:0.9P:0.97510.冷卻方式空冷空冷空冷空冷空冷空冷空冷軸向空冷空冷空冷空冷空冷空冷空冷11.接線方式4YY4Y4Y單Y雙星形YY1YY4Y4Y2Y4Y12.設計效率（）98.5398.6998.119898.5395.6896.6997.3897.0698.5998.598.02G:98.72%P:98.84%13.備注第五章 水輪機的結構水能主要以壓能的形態(tài)由轉輪轉換成機械能,這是反擊式水輪機水力作用的基本特征,反擊式水輪機的工作過程是:有壓水流由壓力鋼管經蝸殼引入導水機構,進入轉輪并將其能量傳遞給轉輪,促使轉輪轉動,再由主軸

30、以旋轉力矩的形式將機械能傳遞給發(fā)電機,最后水流經尾水管排向下游。一、反擊式水輪機的主要組成部件反擊式水輪機主要由引水部件、導水部件、工作部件和排水部件四部分組成。1、引水部件蝸殼：將水流均勻、旋轉，以最小水頭損失送入轉輪。引水室蝸殼式：以沿水流方向過水斷面的面積逐漸減小的蝸形流道，緊緊圍住導水機構，使水流進入導水機構具有一定的旋轉環(huán)量，并基本保證水流的對稱、均勻性，從而提高效率。貫流式：燈泡貫流引水室為貫流式引水室，是水流從進口引進后，直 接貫流過水輪機，水流方向不轉彎，引水室中的水流呈均勻軸對稱狀，水力損失很小，水流利用率高。蝸殼座環(huán)：水輪機過流部件，也是水輪機承重部件，是水輪機的支柱，支撐

31、水輪機的固定導水葉(導葉)，其作用是合理分配流量，及導流，使水流有方向、均勻地進入轉輪。1.金屬蝸殼：適用于水頭在35m以上水流相對較?。ň潞侠?，能承受較大壓力，結構緊密，安裝方便）。2. 混凝土蝸殼：適用于水頭低于40m2、導水部件導水機構：控制工況，改變進入轉輪的水流環(huán)量，根據(jù)機組所帶負荷的變化情況隨時調節(jié)水輪機的引用流量，以改變機組出力的大小，并進行開、停機操作。導葉：直接調節(jié)流量的過流部件，其水力性直接影響水輪機的工作效率；底環(huán)：安放導葉下軸套的底部圓環(huán)；頂蓋：安裝導葉上部軸套的場所，防止水流外溢。軸流式機組還可起引導水流平穩(wěn)轉彎的作用，臥式機組中又叫后環(huán)。導葉轉動機構：作用是用以轉

32、動導葉，調節(jié)導葉開度達到調節(jié)流量的目的，主要由接力器、推拉桿、控制環(huán)、連桿和拐臂組成。3、工作部件轉輪（水輪機將水能轉換為剛性機械能的核心部件)：能量轉換，決定水輪機的尺寸、性能、結構。反擊式水輪機轉輪分為：混流式：通過導水機構的水流徑向流入轉輪，從轉輪扭曲形葉片之間的流道進口向出口流動，水流到達流道出口時，由于扭曲形流道改變了水流的前進方向，水流給轉輪一個反作用力，使轉輪轉動的旋轉力矩，將水能轉換為機械能；軸流式：通過導水機構的水流進入轉輪葉片之間的流道進口時，水流軸向流進，又從出口軸向流出轉輪，進入尾水管。軸流式與混流式轉輪概念上的區(qū)別：軸流式水輪機，水流沿軸向流入，軸向流出，而混流式機組

33、水流沿徑向流入，軸向流出轉輪。4、 排水部件泄水錐及尾水管：回收能量、排水至下游。泄水錐：螺旋焊接在輪轂下方，用于引導由輪葉間流道出來的水流順利變成軸向，減少渦流，避免水流互相碰撞及向上旋轉造成的水力損失，從而提高轉換效率。尾水管：其性能好壞對水輪機能量轉換和氣蝕特性有明顯影響；尾水管的作用有：將轉輪出口的水流引向下游，為檢修水輪機提供條件；充分利用上游水位至轉輪高程處的水頭；充分利用出口的水流能量增加機組出力。尾水管的類型：直錐型：結構簡單，應用早；彎肘型：開挖工程最少，節(jié)能投資；一般用于小電站。曲膝型：水流損失較大，能量回收率低。一般用于臥式機組和小電站。反擊式水輪機除了上述的四大主要部件

34、外，屬于水輪機本身的主要部件還有：主軸、軸承、密封裝置及附屬部分。本次主要針對混流式和軸流式水輪機的結構進行討論。二、混流式水輪機轉輪轉輪是將水能轉換為機械能的核心部件。轉輪各過流部分應滿足水力設計的型線要求，有足夠的強度和剛度。另外，制造轉輪的材料應具備抗空蝕損壞、耐泥沙磨損的性能?；炝魇剿啓C適用的水頭范圍廣。由于應用水頭和流量的不同，其轉輪的形狀也各不相同，如圖5-1所示，圖（a）應用于水頭較低、流量較大的轉輪；圖（b）應用于高水頭、小流量的轉輪。 (a) 低水頭 (b) 高水頭圖5-1 混流式水輪機轉輪不管什么形狀的混流式水輪機，其轉輪基本上由上冠、下環(huán)、葉片、上下止漏裝置、泄水錐和減

35、壓裝置組成，圖5-2為混流式轉輪結構示意圖。圖5-2 混流式水輪機轉輪示意圖1減壓裝置；2、6止漏環(huán)；3上冠；4葉片；5泄水錐；7下環(huán)1、轉輪上冠轉輪上冠的作用第一是支承葉片，第二是與下環(huán)構成過流通道。上冠形似圓錐體，其上部中間為上冠法蘭，此法蘭的上面與主軸相連，其下面固定有泄水錐，在上冠上固定有均勻分布的葉片。在上冠法蘭的外圍開有幾個減壓孔，在其外側面裝有減壓裝置。2、轉輪葉片葉片的作用是直接將水能轉換為機械能。葉片斷面形狀為翼形，葉片數(shù)目為1024片，葉片的形狀、數(shù)目及制造葉片的材料，均對水輪機的效率及水輪機抗空蝕、耐磨損的性能產生很大影響。葉片上端與上冠相連，下端與下環(huán)連成一整體。3、轉

36、輪下環(huán)轉輪下環(huán)的作用：增加轉輪的強度和剛度；與上冠形成過流通道。4、泄水錐泄水錐的作用是引導由葉片出來的水流順利地變成軸向，避免水流互相撞擊和向上旋轉所造成的水力損失，從而保證水輪機的效率。其外形呈倒錐體。它的結構型式有鑄造和鋼板焊接兩種。里面空心，下面開口，以便排除通過止漏環(huán)的漏水及橡膠導軸承的潤滑水（有的轉輪將泄水控開在泄水錐的外側），還作為主軸的中心補氣和有的轉輪的頂蓋補氣通道之用。5、止漏裝置止漏裝置的作用是用來減小轉動部分與固定部分之間的漏水損失。止漏裝置分為固定部分和轉動部分，為防止水流向上和向下漏出，水輪機一般裝有上、下兩道止漏環(huán)。上止漏環(huán)的固定部分裝在頂蓋上，其轉動部分裝在上冠

37、上，下止漏環(huán)的固定部分一般裝在底環(huán)上，轉動部分裝在轉輪的下環(huán)上。目前廣泛采用的止漏環(huán)結構型式有間隙式，迷宮式，梳齒式和階梯式四種，如圖5-3所示。圖5-3 止漏裝置型式示意圖間隙式；迷宮式；梳齒式；階梯式迷宮（1）止漏環(huán)的材料和固定方式止漏環(huán)的材料一般采用ZG30或A3鋼板，泥沙較多的電站采用不銹鋼。止漏環(huán)的固定方式有直接車制和紅套固定兩種。對一些水質干凈，轉輪尺寸較小的轉輪，可以直接在上冠和下環(huán)上車制迷宮環(huán)。一般在整鑄轉輪上為考慮折卸方便，采用紅套固定。（2）止漏環(huán)型式的選擇使用水頭m，型譜內所列各型號混流式轉輪一般都采用間隙式或迷宮式止漏環(huán)，它止漏效果差，但其與轉輪的同心度高，制造、安裝方

38、便，抗磨損性能較好。在含泥沙較多的電站采用間隙式止漏環(huán)。迷宮式止漏環(huán)，與轉輪的同心度高，制造、安裝較方便。在清水電站采用迷宮式止漏環(huán)較多。如圖（b）所示迷宮式止漏環(huán)，當水從間隙中流過時，由于局部阻力加大，使壓力降低，當水流到達溝槽部位時又突然擴大，進入下一個間隙時又突然收縮，這種反復擴大、收縮的結果減低了水流壓力，使漏水量大大減少。使用水頭m的混流式水輪機，常采用梳齒式止漏環(huán)，它的轉動環(huán)和固定環(huán)的截面為梳齒狀，兩個環(huán)的截面形成交錯配合，圖(c)所示這種型式的止漏裝置。當水流經過梳齒時，轉了許多直角彎，增加了水流阻力，使漏水量減少。梳齒式止漏環(huán)的間隙為mm，平面間隙為允許抬機的高度，一般取101

39、5mm。其缺點是止漏環(huán)與轉輪的同心度不易保證，間隙測量困難，安裝不便，它一般與間隙式止漏環(huán)配合使用。階梯式止漏環(huán)也多用于水頭m的水電站見圖（d），其止漏效果好，因它具有迷宮式及梳齒式止漏環(huán)的作用。另外，這種止漏環(huán)與轉輪的同心度好，安裝測量比較方便。6、減壓裝置減壓裝置的作用是減小轉輪上的軸向水推力，其形狀為環(huán)形減壓板，分別裝在頂蓋下面和上冠的上面。水流經過混流式轉輪時會產生軸向力。設計水輪機時，除了要知道水輪機轉輪和主軸的重量外，還要知道軸向水推力。根據(jù)混流式特點，總的軸向水推力為：式中 轉輪流道內水流作用產生的推力；作用于轉輪上冠因水壓力產生的水推力；作用于下環(huán)因水壓力產生的推力；浮力。在實

40、際設計中，往往用經驗公式來計算作用于轉輪的軸向推力。對混流式水輪機有：（N）式中系數(shù)與水輪機型號有關，其值可參考表2-6。表 水輪機軸向力系數(shù)與水輪機型號的關系混流式水輪機轉輪重量可按下式近似計算。（t）分瓣結構的轉輪重量按（2-3）結果增加10%。主軸重量的近似計算，高水頭混流式水輪機可取，中水頭混流式水輪機可取，（較低水頭或大機組取小值）；對發(fā)電機與水輪機同一軸的機組，混流式可取。水輪機總的軸向推力： (N)在高水頭混流式水輪機中，為了降低機組推力軸承的負荷，在結構上主要采用減小作用在上冠外面軸向水推力的措施。常用的減壓裝置結構形式有兩種，如圖5-4所示，圖為引水板和泄水孔的減壓方式；圖為

41、頂蓋排水管的轉輪泄水孔的減壓方式。圖5-4型式中，上下環(huán)形引水板分別裝在頂蓋下方和上冠的上面，當漏水進入頂蓋引水板與上冠引水板之間的間隙時，由于轉輪旋轉受離心力的作用，漏水被逸至頂蓋引水板上，經泄水孔排至尾水管。此型式的減壓效果與引水板面積、間隙和的大小及泄水孔的直徑有關。一般認為引水板和泄水孔面積越大，間隙和越小，減壓效果越顯著。泄水孔最好開成順水流方向傾斜。在圖5-4型式中，頂蓋和尾水管內有數(shù)條排水管相連，使上冠上面的漏水一部分經排水管泄至尾水管，另一部分經轉輪上的泄水孔排入尾水管。自轉輪泄水孔排入尾水管的漏水有的直接排至尾水管，見圖5-4所示；有的經泄水錐內腔排入尾水管，見圖5-4所示。

42、經轉輪上的泄水孔排入尾水管，使轉輪上面的壓力降低，從而減輕作用在轉輪上的軸向力推力。但如圖5-4所示的方式可能在泄水錐的過流表面上產生空蝕損壞和磨損。而圖5-4所示的方式又有可能影響補氣的效果。圖5-4 減壓裝置圖7、轉輪的結構型式由于混流式水輪機的轉輪應用水頭和尺寸大小不同，它們的構造型式，制作材料及加工方法均不同。混流式轉輪的結構型式主要是指上冠，葉片和下環(huán)三部分的構造型式，基本上分為整鑄轉輪，鑄焊轉輪，組合轉輪三種。(1)整鑄轉輪整鑄轉輪是指上冠，葉片和下環(huán)整體鑄造而成的轉輪，如圖5-5所示就是整體轉輪，這種結構在中小型機組中廣泛采用。低水頭的中小型混流式轉輪材料采用優(yōu)質鑄鐵HT2040

43、或球墨鑄鐵整鑄；高水頭的中小型轉輪和低水頭的大型轉輪，則采用ZG30整鑄。對高水頭的水輪機轉輪，為提高其強度和抗空蝕損壞，耐泥沙磨損的性能，采用了不銹鋼材料。有些采用普通碳鋼的轉輪，在其容易空蝕和磨損的過流部位，例如在葉片表面和下環(huán)內側，堆焊抗空蝕耐磨損的材料。圖5-5 整鑄轉輪圖整鑄轉輪當尺寸不大時，它的生產周期短，成本較低，且有足夠的強度，所以廣泛采用。缺點是容易產生鑄造缺陷，鑄造質量不易保證，尤其當轉輪尺寸大時，需要鑄造設備的能力也大。(2)鑄焊轉輪在混流式轉輪制造中，目前廣泛采用焊接結構。如圖5-6所示就是其中的一種結構形式。轉輪的上冠、葉片和下環(huán)三部分單獨鑄造后，經過一定的生產工藝流

44、程，焊接而成。這圖5-6 鑄焊轉輪圖1上冠；2葉片；3下環(huán)；4焊縫種焊接結構具有良好的技術經濟效果，可對不同部位采用不同的鋼種，例如對上冠和下環(huán)采用普通鑄鋼而葉片采用不銹鋼，這樣做既提供了轉輪的抗空蝕能力，又節(jié)省了鎳鉻等金屬。鑄焊結構轉輪，由于鑄件小，形狀較簡單，容易保證鑄造質量，同時降低了對鑄造能力的要求。但鑄焊結構轉輪焊接工作量大，對焊接工藝要求高，要確保每條焊縫的質量，避免和消除焊接溫度應力等。大型混流式轉輪除采用手工焊外，還采用葉片與上冠電渣焊、下環(huán)與葉片手工焊的結構型式。目前已成功地制成了葉片與上冠、下環(huán)全部采用管極熔嘴全電渣焊的大型轉輪。（3）組合轉輪當轉輪直徑大于5.5m時，因受

45、鐵路運輸?shù)南拗疲蛞蜩T造能力不足，必須把轉輪分半制作，運到現(xiàn)場再組合成整體。根據(jù)轉輪各部分的組合連接方式不同，也分幾種型式。我國主要采用上冠螺栓連接、下環(huán)焊接結構，在上冠連接處有軸向和徑向的定位銷，如圖5-7所示。圖5-7 組合轉輪圖1組合螺栓；2組合定位螺栓；3定位銷；4下部分剖面；5上部分剖面；6臨時組合發(fā)蘭；7下環(huán)分瓣面三、軸流式水輪機轉輪軸流式水輪機也是反擊式水輪機的一種，由于水流進入轉輪和離開轉輪均是軸向的，故稱為軸流式水輪機。軸流式水輪機的轉輪按照漿葉能否轉動分為定漿式和轉漿式兩種。定漿式轉輪結構簡單，容易制造，適用于工況變化比較小的帶基本負荷的電站。軸流轉漿式轉輪的葉片可以轉動，

46、平均效率較混流式水輪機高，在負荷和水頭變化時，效率變化不大。并且轉漿式水輪機穩(wěn)定性能好，有較高的出力。圖5-8為軸流轉漿式水輪機的結構圖，它的工作過程與混流式水輪機基本相同，水流經壓力鋼管、蝸殼、座環(huán)、導葉、轉輪和尾圖5-8 軸流轉漿式水輪機剖面圖水管到下游。與混流式水輪機不同的是負荷變化時，它不但調節(jié)導葉轉動，同時還調節(jié)轉輪葉片，使其與導葉轉動保持某種協(xié)聯(lián)關系，以保持水輪機在高效率區(qū)運行。軸流轉將式水輪機在我國應用較普遍，發(fā)展很快，我國生產的軸流轉漿式水輪機最大單機容量為17.5萬KW，最大直徑11.3m，應用最高水頭達78m。軸流式水輪機轉輪位于轉輪室內，其轉輪主要由轉輪體、葉片、泄水錐等

47、部件組成。軸流轉漿式水輪機轉輪還有一套葉片操作機構和密封裝置。轉輪體上部與主軸連接，下部連接泄水錐，在轉輪體的四周放置懸臂式葉片。在轉漿式水輪機的轉輪體內部裝有葉片轉動機構，在葉片與轉輪體之間安裝著轉輪密封裝置，用來止油和止水。圖5-9 軸流轉槳式水輪機轉輪1-外油管；2-內油管；3-溢油管；4-主軸法蘭連接螺栓；5-活塞；6-活塞環(huán)；7-輪轂；8-泄水錐連接螺栓；9-放油閥；10-密封；11-葉片樞軸；12-卡環(huán)；13-圓柱銷；14-轉臂；15-銷軸；16-連桿；17-鍵；18-操作架；19-分半卡環(huán)；20-端蓋；21-泄水錐；22-螺栓；23-導向鍵；24-圓銷1、轉輪體軸流式水輪機的轉輪

48、體的主要作用是裝置轉輪葉片和布置轉槳操作機構，轉輪體又稱輪轂，根據(jù)外形，可分為圓柱形和球形兩種。圓柱形轉輪體制造簡單，因轉輪體與葉片之間間隙隨轉角不同而改變，在中間位置時最大間隙可達幾十毫米，故漏水量大，影響水輪機效率，已逐漸淘汰。球形轉輪體制造復雜，但因外形為球形，使其間隙在不同轉角下都保持不大于25mm，故漏水量小、水輪機效率高，有利于轉槳操作機構的布置，應用廣泛。2、葉片是水流能量轉換的主要部件，呈空間扭曲狀，斷面為翼型，懸臂固定在轉輪體上，根據(jù)工作水頭大小，軸流式水輪機的葉片數(shù)目一般為38片。轉輪葉片由葉片本體和樞軸兩部分組成。對于尺寸大的轉輪，通常把葉片本體和樞軸分開成兩部分，這樣有

49、利于鑄造、加工和安裝檢修，也便于生產過程兩部分采用不同的材料和加工方法。3、葉片操作機構葉片操作機構安裝在轉輪體內，它是由調速器來控制的，其作用是用來改變葉片的轉角，使之與導葉開度相適應，即協(xié)聯(lián)關系，從而保證水輪機效率在任一工況下變化不大。圖5-10 葉片操作機構示意圖1-葉片；2-葉片轉軸；3、4-軸承；5-轉臂；6-連桿；7-操作架；8-接力器活塞；9-操作軸葉片操作機構的型式很多，常見的有帶操作架和不帶操作架兩種操作機構，帶操作架的又有直連桿和斜連桿兩種形式。利用一個操作架同時轉動所有葉片的，稱為帶操作架操作機構。如圖5-10所示，帶操作架操作機構由轉輪接力器、操作軸、操作架、連桿、轉臂

50、等組成，其工作過程是，當壓力油進入接力器活塞8的上腔時，便推動活塞下移，操作軸9隨活塞一起下移，同時帶動操作架7向下運動，與操作架相連的各連桿6也向下移動，連桿拉著轉臂5順時針轉動，由于轉臂和葉片轉軸2固定在一起，所以轉軸2連帶葉片1就順時針轉動，使葉片轉角加大。反之，當壓力油進入接力器活塞8的下腔時，活塞向上移動，葉片逆時針轉動，葉片轉角減小。4、泄水錐泄水錐的外形尺寸由模型試驗給定，中小型機組大多采用ZG270-500鑄造；大型機組則多采用鋼板焊接，根據(jù)結構和制造的需要，還可把泄水錐分成二節(jié)。圖5-11所示為泄水錐與轉輪體的連接結構，在泄水錐體上部周圈開有槽口，用螺釘將泄水錐5與轉輪體1聯(lián)

51、接，螺釘頭應和錐體點焊防松，裝配后槽口外壁用護板4封焊。圖5-11 泄水錐連接結構圖1-轉輪體；2-螺釘；3-保險墊；4-護蓋；5-泄水錐四、水輪機導水機構1、 導水機構的型式反擊式水輪機導水機構的作用是形成和改變進入轉輪水流的環(huán)量，保證水輪機具有良好的水力特性，調節(jié)水輪機流量，改變機組出力，機組停機時，用于截斷水流。水輪機導水機構按其導葉軸線布置可分為三種型式。（1）圓柱式導水機構。如5-12圖所示為導葉軸線布置在圓柱面的結構示意圖。這種結構的導水機構制造方便，能保證水輪機有足夠高的效率，因而獲得了廣泛采用。(a) (b)圖5-12 圓柱式導水機構示意圖1-頂蓋；2-套筒；3-止推壓板；4-連接板；5-導葉臂；6-端蓋；7-調節(jié)螺釘；8-分半鍵；9-剪斷銷；10-連桿；1