项目2 水轮机组的结构
任务2.1 混流式水轮机组结构
1.概述
混流式水轮机亦称辐向轴流式水轮机、法兰西斯式水轮机。水流从四周沿径向进入转轮，近似轴向流出转轮，故称之为混流式水轮机。
混流式水轮机是反击式水轮机的一种，其应用水头范围很广，从20～700m水头均可使用。它结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率和较低的空蚀系数。现以图2.1所示的混流式水轮机为例来介绍这种水轮机结构。水轮机的进水部件是具有钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称固定导叶，在转轮四周布置着导水机构导叶。座环支柱具有坚固的上环a和下环b，蜗壳和上下环焊接在一起。导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底环和固定于顶盖的套筒上。底环固定于座环的下环上面。顶盖用螺钉与座环的上环连接。导水叶传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂，连杆和控制环组成。导叶的开度a0（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的改变是通过导水机构的两个接力器和控制环连接的推拉杆传动控制环来实现的。
由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度b0与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流截面。b0一般随水头增加而减小。
导叶和水轮机顶盖及底环之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。一般采用橡胶的或金属制成的密封件，可使导水机构关闭时的漏水量最小。在高水头的水轮机中，有时采用专门的管状密封装置，在关机时其内腔充以压缩空气，能使端面完全密封。
转轮是水轮机将水流能量转换为机械能的核心部件。水流通过导水机构进入转轮。转轮由上冠，下环和叶片组成。一般混流式水轮机有14～19个叶片。叶片、上冠和下环组成坚固的整体钢性结构。转轮上冠与主轴的下法兰连接。泄水锥与上冠连接，用于消除水流旋蜗。
转轮密封19a，19b是安置在转轮上冠和下环上的多槽环中。水轮机工作时，转轮前后的水流个别为高压与低压，转轮后常形成真空。因此，水轮机工作时有部分水流经过转动与不转动部件之间的间隙无益地漏掉，从而使水轮机效率降低。密封环就是为了减少流量漏损。当水经过密封环空间时，受到突然扩大和缩小的局部水力阻挡，产生水力损失，从而减小流速，使通过缝隙的流量减小。
减压孔联通转轮上腔和转轮下面的低压区，从而减小由推力轴承承受的轴向推力，当有减压孔（图2.1）时，转轮上冠必须设置密封装置。
图2.2为混流式水轮机水平剖面图，座环的固定导叶数量通常为导叶数一半。
图2.1 HL200-LJ-550水轮机剖面图（高度单位：m，尺寸单位：mm）
1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉；7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠；10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承；18—泄水锥；19a，19b—上，下迷宫环；20—连接螺栓；a—座环上环；b—座环下环
2.转轮结构
转轮是各种型式水轮机将水能转变成机械能的核心部件。转轮也直接决定水轮机过流能力、水力效率、空蚀性能和工况稳定性等工作性能。因此转轮各部分应满足水力设计的型线要求，有足够的强度和刚度，制造的转轮应具备抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的性能。
对于不同的水头，水轮机的形状是不同的，有轴流式、混流式和冲击式等水轮机。划分这几大类水轮机的根本原因是通过转轮的过流量和转轮的强度及刚度等因素。低水头下工作的水轮机可以具有较大的过流量，尽管水轮机气蚀系数大一些，仍旧可以得到合理的安装高程。轴流式水轮机过流量大，转轮叶片承悬臂梁状。由于工作水头不高，强度、刚度也能满足要求。当水头增加，由于气蚀及强度条件不够，轴流式水轮机不适应了，转轮就应该做成有上冠和下环的形状。
混流式水轮机适用水头范围极广。由于水头和流量的不同，其转轮形状也各不相同。一般说来，水头越高转轮叶片高度减小，长度增加，水流在转轮中越趋于幅向流动。随着工作水头降低，转轮叶片变短，高度增加，水流越趋于轴流方向。图2.3表示不同比转速的混流式水轮机轴面投影，一般来说水轮机适应水头越高，它的比转数越小，不同比转速的转轮其形状是不同的。
图2.2 混流式水轮机水平剖面图
图2.3 不同比转速的混流式水轮机轴面投影
不管什么形状的混流式水轮机，其转轮基本上由上冠、下环、叶片、上下止漏装置，泄水锥和减压装置组成，图2.4是混流式转轮结构示意图。
图2.4 混流式转轮示意图
1—减压装置；2、6—止漏环；3—上冠；4—叶片；5—泄水锥；7—下环
（1）转轮上冠。转轮上冠的作用除了支承叶片外，还与下环构成过流通道。上冠形似圆锥体，其上部中间为上冠法兰，此法兰的上面与主轴相连，其下面固定泄水锥，在上冠上固定有均匀分布的叶片。在上冠法兰的外围开有几个减压孔，在其外侧面装有减压装置。上冠流线可以做成直线形和曲线形两种。无论采用哪一种上冠曲线，都应当使泄水锥部分与轴心线的交角不过大，以免引起水流剧烈的撞击。
（2）转轮叶片。叶片的作用是直接将水能转换为机械能。叶片断面形状为翼形，叶片数Z1在10～24的范围内，常用10～18片。叶片上端与上冠相连，下端与下环连成一个整体。在其他尺寸（如叶片厚度，叶型长度）不变的条件下，增加叶片数目会增加转轮的强度和刚度。因此当水轮机应用水头提高时转轮叶片数亦相应增加，但叶片的厚度在流道中又起排挤空间的作用，叶片数增加减小过水断面面积，致使转轮的单位流量减小。试验表明，叶片数的改变不仅改变最优工况时的单位流量Q11，同时也改变出力限制线的位置。
（3）转轮下环。转轮下环的作用是增加转轮的强度和刚度并与上冠形成过流通道。下环形状及转轮出口直径D2对转轮出口附近的过水断面面积影响很大，因而它影响转轮的过水能力及汽蚀性能。
（4）泄水锥。泄水锥的作用是引导经叶片流道流出的水流迅速而顺畅的向下宣泄，防止水流相互撞击，以减少水力损失，提高水轮机效率。其外形呈倒锥体。它的结构型式有铸造和钢板焊接两种。里面空心，下面开口，以便排除通过止漏环的漏水及橡胶导轴承的润滑水，还作为主轴的中心补气和有的转轮的顶盖补气通道之用。
（5）止漏装置。混流式水轮机在运转时，转轮上冠与顶盖之间、下环与基础环之间的缝隙中常有高压水流流到尾水管中去，造成水轮机的容积损失。为了减少这种损失，相应地提高机组的效率，必须在转轮上冠和下环处装置止漏设备，以限制旋转部分与固定部分之间的渗漏。常见的止漏装置有缝隙式和梳齿式两种型式。
1）缝隙式止漏装置。使用水头H＜200m型谱内所列各种混流式转轮一般都采用缝隙式止漏装置。对于水较清的河流，采用带有沟槽的缝隙式止漏装置，通常称为迷宫式。图2.5（a）所示为缝隙式止漏装置，转轮上冠和下环上有带沟槽的迷宫式止漏环2和4，与其对比的顶盖和底环上分别装有迷宫静环3和5。图2.5（b）是迷宫式止漏装置的结构简图，当水从缝隙间流过时，由于局部阻力加大，使压力降低，当水流到达沟槽部位时又突然扩大，进入下一个缝隙时又突然收缩，这种反复扩大、收缩的结果减低了水流压力，使漏水量大大减小。图示尺寸适用于迷宫环直径为5m的混流式水轮机。图2.5 （c）为不带沟槽的缝隙式止漏环结构，适用于含泥沙较多的水电站。这种结构简单，加工方便，但止漏效果不及迷宫式。止漏环间隙b一般取转轮直径的0.5/1000。材料一般采用碳素钢或1Cr18Ni9Ti不锈钢板或其他抗磨钢板。安装时应仔细测量单面间隙，如果单面间隙相差过大会引起机组振动。
图2.5 缝隙式止漏装置
（a）缝隙式止漏装置；（b）迷宫式止漏装置；（c）不带沟槽的缝隙式止漏环结构
1—减压孔；2—上迷宫止漏环；3—上迷宫静环；4—下迷宫止漏环；5—下迷宫静环
2）梳齿式止漏装置。对于高水头（H＞200m）混流式水轮机，需要采用梳齿式止漏装置。这种止漏装置的转动环和固定环的截面为梳齿状，两个环的截面形成交错配合。图2.6所示为梳齿式止漏装置的一种结构型式，在转轮的上冠和下环处装设了两组梳齿式迷宫止漏环，转动环与固定环都做成犬牙交错的配合装置，水流经过梳齿时转了许多直角弯，增加水流阻力，减少漏水量。图中所示的结构适用于H=300m的机组上。转动环做成两个梳齿，环径与高度之比为10：1，转轮梳齿与固定梳齿的间隙为0.5mm。这种结构的固定环梳齿的侧面是经过研磨的光滑面，而转动环的梳齿与固定环的接触面则做成螺纹沟。
图2.6 梳齿式止漏装置
（a）装置剖面；（b）部件A；（c）详图B
1、12—抗磨板；2—上部静环；3、6、8、11—螺钉；4—上部动环；5—引水管；7—减压孔9—下部动环；10—下部静环；13—辐向沟槽；14—环形沟槽
在压力作用下，内止漏环之间的空隙渗漏出来的水是使梳齿式止漏装置连接部件增大拉应力的原因。为了防止梳齿式迷宫止漏环破裂，在其支持面上做成环形沟槽和辐向沟槽。位于高压侧的环状结构用来聚集从缝隙渗入的水流，再从低压侧的辐向沟槽排出，排出的水流可由引水管流入上冠的减压孔再排到尾水管。
（6）减压装置。在高水头混流式水轮机中，为了减小作用在上冠外面轴向水推力，降低机组推力轴承的负荷，设置减压装置。其形状为环形减压板，分别装在顶盖下面和上冠的上方。
水流经过混流式转轮时会产生轴向力。设计水轮机时，除了要知道水轮机转轮和主轴的重量外，还要知道轴向水推力。
根据混流式特点，总的轴向水推力为
式中 F1——转轮流道内水流作用产生的推力；
F 2——作用于转轮上冠因水压力产生的水推力；
F 3——作用于下环因水压力产生的推力；
F 4——浮力。相对于其他力其值甚小。
在实际设计中，往往用经验公式来计算作用于转轮的轴向推力。对混流式水轮机有
式中系数K与水轮机型号有关，其值可参考表2.1。
表2.1水轮机轴向力系数K与水轮机型号的关系
混流式水轮机转轮重量可按下式近似计算。
分瓣结构的转轮重量按式（2.3）结果增加10%。
主轴重量WS的近似计算，高水头混流式水轮机可取WS=WR，中水头混流式水轮机可取WS=（0.4～0.5）WR（较低水头或大机组取小值）；对发电机与水轮机同一轴的机组，混流式可取WS=（0.7～0.8）WR。
水轮机总的轴向推力
在高水头混流式水轮机中，为了降低机组推力轴承的负荷，在结构上主要采用减小作用在上冠外面轴向水推力的措施。
常用的减压装置结构形式有两种，如图2.7所示，图2.7（a）为引水板和泄水孔的减压方式；图2.7（b）为顶盖排水管的转轮泄水孔的减压方式。
图2.7（a）型式中，上下环形引水板分别装在顶盖下方和上冠的上面，当漏水进入顶盖引水板与上冠引水板之间的间隙C时，由于转轮旋转受离心力的作用，漏水被逸至顶盖引水板上，经泄水孔排至尾水管。此型式的减压效果与引水板面积、间隙E和C的大小及泄水孔的直径d有关。一般认为引水板和泄水孔面积越大，间隙E和C越小，减压效果越显著。泄水孔最好开成顺水流方向倾斜β=20°～30°。
在图2.7（b）型式中，顶盖和尾水管内有数条排水管相连，使上冠上面的漏水一部分经排水管泄至尾水管，另一部分经转轮上的泄水孔排入尾水管。自转轮泄水孔排入尾水管的漏水有的直接排至尾水管，如图2.7（b）所示；有的经泄水锥内腔排入尾水管，如图2.7（c）所示。经转轮上的泄水孔排入尾水管，使转轮上面的压力降低，从而减轻作用在转轮上的轴向力推力。但如图2.7（b）所示的方式可能在泄水锥的过流表面上产生空蚀损坏和磨损。而图2.7（c）所示的方式又有可能影响补气的效果。
（7）转轮的结构型式。由于混流式水轮机的转轮应用水头和尺寸大小不同，它们的构造型式，制作材料及加工方法均不同。
混流式转轮的结构型式主要是指上冠、叶片和下环三部分的构造型式，基本上分为整铸转轮、铸焊转轮和组合转轮三种。
图2.7 减压装置
（a）引水板和泄水孔的减压方式；（b）顶盖排水管的转轮泄水孔的减压方式；（c）漏水经泄水锥内室排入尾水管
1）整铸转轮。整铸转轮是指上冠、叶片和下环整体铸造而成的转轮，如图2.8所示就是整体转轮，这种结构在中小型机组中广泛采用。低水头的中小型混流式转轮材料采用优质铸铁HT20～HT40或球墨铸铁整铸；高水头的中小型转轮和低水头的大型转轮，则采用ZG30整铸。对高水头的水轮机转轮，为提高其强度和抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的性能，采用了不锈钢材料。有些采用普通碳钢的转轮，在其容易空蚀和磨损的过流部位，例如在叶片表面和下环内侧，堆焊抗空蚀耐磨损的材料。
整铸转轮当尺寸不大时，它的生产周期短，成本较低，且有足够的强度，所以广泛采用。缺点是容易产生铸造缺陷，铸造质量不易保证，尤其当转轮尺寸大时，需要铸造设备的能力也大。
2）铸焊转轮。在混流式转轮制造中，目前广泛采用焊接结构。如图2.9所示就是其中的一种结构形式。转轮的上冠、叶片和下环三部分单独铸造后，经过一定的生产工艺流程，焊接而成。这种焊接结构具有良好的技术经济效果，可对不同部位采用不同的钢种，例如对上冠和下环采用普通铸钢而叶片采用不锈钢，这样做既提供了转轮的抗空蚀能力，又节省了镍铬等金属。
图2.8 整铸转轮
图2.9 铸焊转轮
1—上冠；2—叶片；3—下环；4—焊缝
铸焊结构转轮，由于铸件小，形状较简单，容易保证铸造质量，同时降低了对铸造能力的要求。但铸焊结构转轮焊接工作量大，对焊接工艺要求高，要确保每条焊缝的质量，避免和消除焊接温度应力等。大型混流式转轮除采用手工焊外，还采用叶片与上冠电渣焊、下环与叶片手工焊的结构型式。目前已成功地制成了叶片与上冠、下环全部采用管极熔嘴全电渣焊的大型转轮。
3）组合转轮。当转轮直径大于5.5m时，因受铁路运输的限制，或因铸造能力不足，必须把转轮分半制作，运到现场再组合成整体。
根据转轮各部分的组合连接方式不同，也分几种型式。我国主要采用上冠螺栓连接、下环焊接结构，在上冠连接处有轴向和径向的定位销，如图2.10所示。
图2.10 组合转轮
1—组合螺栓；2—组合定位螺栓；3—定位销；4—下部分剖面；5—上部分剖面；6—临时组合法兰；7—下环分瓣面
3.混流式转轮的几何参数
转轮是各种型式水轮机将水能转变成机械能的核心部件，转轮也直接决定水轮机的过流能力、水力效率、容积效率、空蚀性能及工况稳定性等工作性能，因此转轮过流部分既要满足水力损失最小的断面体型要求，又要有足够的强度和刚度，制造的转轮应具备抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的材料性能。
表2.2 比转速与混流式转轮几何参数
注 ns—比转速；b0—导叶高度；D1—转轮标称直径；βb1—叶片进口安放角；D2—转轮出口直径；α—下环锥角；βb2—叶片出口安放角。
（1）比转速与转轮几何参数。水轮机比转速主要取决于过流部分的几何形状，比转速与转轮几何参数的关系见表2.2和图2.11。可以看出由低比速到高比速其过流流道在减短，但过流能力在增加，单机出力在增加。
（2）导叶相对高度。导叶相对高度b0／D1直接决定了转轮流道进门过水断面面积的大小。b0／D1越大则转轮流道的过水断面面积也越大。因此，加大b0／D1是提高转轮过流量的有效办法之一。根据试验，某转轮b0／D1由0.20增加到0.25其单位流量可提高20%。但在高水头下工作的混流式水轮机，增大b0／D1受到转轮叶片和导叶强度条件的限制，还应考虑导水机构的灵活性。
图2.11 混流式转轮的轴面投影及流道尺寸（单位：m）
（3）转轮上冠流线形状。上冠流线可以做成直线型和曲线型两种。直线型上冠具有较好的工艺性，但其效率特别是在负荷超过最优工况时低于曲线型上冠。此外采用曲线形上冠可增加转轮流道在出口附近的过水断面面积，因而使水轮机的单位流量增加。
（4）下环形状和转轮的出口直径D2。下环形状及转轮出口直径D2（表2.2、图2.11）对转轮出口附近的过水断面面积影响很大，因而它影响转轮的过水能力及空化性能。低比转速转轮进口边的高度和导叶的高度一样，下环呈曲线形，这样的转轮单位流量必然很小，强度和刚度均有充分的保证。由于叶片比较长，叶片单位面上的负荷也就比较低，空化系数较小。实践表明，对ns=60～120的低比转速转轮，D1／D2=1.018～0.994时将具有良好的气蚀性能和效率。
（5）转轮的叶片数Z1。转轮叶片数Z1的多少对水力性能和强度有显著的影响，随比转速不同Z1在9～21的范围内。表2.3给出了叶片数与比转速的关系。在叶片厚度、长度不变条件下，增加叶片数会增加转轮的强度和刚度。因此当水轮机应用水头提高时转轮叶片数亦应相应增加。但叶片的厚度在流道中又起排挤空间的作用，叶片数增加会减小过水断面积、致使转轮的单位流量减少。
表2.3 混流式转轮的叶片数与转速的关系
（6）转轮叶片进口安放角βb1。转轮进口边的形状与转轮比转速有关。低比速转轮适用高水头、小流量，与中比速转轮相比较，进口边相对速度减小，转轮叶片进口安放角βb1会略小于90°。相反高比速转轮适用低水头、大流量，转轮叶片进口安放角βb1会大于90°。为了改善尾水管的流态，转轮叶片出口安放角βb2一般取15°～20°。