第八章水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)

第八章

反擊式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)第一節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)工作原理第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)系統(tǒng)第三節(jié)導(dǎo)葉裝配第四節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)第五節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中水力損失第六節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)受力分析及傳動(dòng)計(jì)算第八章反擊式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)第一節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的工作原理水輪機(jī)是動(dòng)力原動(dòng)機(jī)，運(yùn)行中其工況會(huì)經(jīng)常發(fā)生改變。例如負(fù)荷（出力）變化時(shí)，必須改變通過(guò)水輪機(jī)的流量，以使水輪機(jī)的功率與負(fù)荷平衡。理想的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是在工況變化時(shí)，僅僅只改變流量并且水頭損失極小。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪前布置多個(gè)導(dǎo)水葉片的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)就能滿足這種要求。圖8-1導(dǎo)葉出口及轉(zhuǎn)輪出口的水流速度三角形

忽略摩擦損失，在導(dǎo)葉進(jìn)口到轉(zhuǎn)輪進(jìn)口之間，圓周方向速度變化遵守動(dòng)量守恒定律。則有：

轉(zhuǎn)輪在水流非法向出口時(shí)，由轉(zhuǎn)輪出口速度三角形寫出轉(zhuǎn)輪出口速度矩：由水輪機(jī)基本方程式中：—水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口過(guò)流面積；

—轉(zhuǎn)輪出口半徑。第一節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的工作原理整理得：此即水輪機(jī)流量調(diào)節(jié)方程；第一節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的工作原理

由方程可知，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)速與水頭不變時(shí)，流量調(diào)節(jié)可通過(guò)改變?nèi)齻€(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)：改變導(dǎo)葉高度，實(shí)際工程中可用一個(gè)筒形閥完成。但這是一種節(jié)流調(diào)節(jié)方式，會(huì)造成較大的水頭損失，因此只用在小型水輪機(jī)中；改變導(dǎo)葉液流出口角，為最普遍的調(diào)節(jié)方式；改變角，此方法只適用于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。實(shí)際上，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是通過(guò)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪葉片的角度來(lái)調(diào)節(jié)流量的；第一節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的工作原理按水流流經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)分為：徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)：水流流經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的軸面流線是徑向的。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛；軸向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)：軸面流線與水輪機(jī)軸平行。其廣泛應(yīng)用于貫流式水輪機(jī)；斜向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)：水流沿著與轉(zhuǎn)輪軸同心的圓錐面流過(guò)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般應(yīng)用在燈泡貫流式和斜流式水輪機(jī)中；第一節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的工作原理第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)典型的徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，見圖8-2。導(dǎo)葉3的上、中軸頸和下軸頸安放在水輪機(jī)頂蓋7和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)底環(huán)2內(nèi)的軸承中。上、中軸承由尼龍軸瓦4、6與軸套5組成，下軸承的尼龍軸瓦1直接壓入底環(huán)的孔內(nèi)。轉(zhuǎn)臂9套在導(dǎo)葉上軸頸上、二者之間用分半鍵10固定。轉(zhuǎn)臂與連接板8由剪斷銷11連成一體。連桿12的兩端分別與連接板和控制環(huán)14鉸接?？刂骗h(huán)支承在固定于頂蓋上的支座15上。接力器通過(guò)推拉桿13推動(dòng)控制環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)（見圖8-3），從而關(guān)閉或開啟導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。在這種機(jī)構(gòu)中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與水流隔開，便于維護(hù)和檢修。一、徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1、4、6－尼龍軸瓦；2－導(dǎo)水機(jī)構(gòu)底環(huán)；3－導(dǎo)葉；5－軸套；7－水輪機(jī)頂蓋；8－連接板；9－轉(zhuǎn)臂；10－分半鍵；11－剪斷銷；12－連桿；13－推拉桿；控制環(huán)支座補(bǔ)氣閥圖8-2徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)二、徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)1.由接力器到控制環(huán)的傳動(dòng)

中大型水輪機(jī)中用兩個(gè)接力器來(lái)操作控制的結(jié)構(gòu)，見圖8-3。接力器1固定在水輪機(jī)機(jī)坑的金屬殼體7上，接力器活塞桿2及推拉桿通過(guò)圓柱銷4與控制環(huán)3連接，而活塞與活塞桿之間也用圓柱銷鉸接。支承8將控制環(huán)支承在頂蓋9上?？刂骗h(huán)通過(guò)連桿5和轉(zhuǎn)臂6與導(dǎo)葉聯(lián)系。這樣裝置用得最為廣泛。近年來(lái)也有大型水輪機(jī)將接力器裝設(shè)在頂蓋上（圖8-4）。第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

圖8-4（a）為具有兩個(gè)缸體1的栓塞式直缸接力器，接力器通過(guò)支座3固定在水輪機(jī)頂蓋上，其位置高于控制環(huán)2。當(dāng)壓力油沿著管路4進(jìn)入缸體時(shí)，接力器柱塞6就作直線運(yùn)動(dòng)。柱塞中部有帶圓柱銷5的十字頭，圓柱銷與控制環(huán)的大孔耳鉸接。當(dāng)柱塞移動(dòng)時(shí)，圓柱銷使控制環(huán)作圓弧運(yùn)動(dòng)，從而開啟或關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，接力器比較簡(jiǎn)單，但位置高于控制環(huán)的接力器在水輪機(jī)坑中占據(jù)了較大的空間。

圖8-4（b）為栓塞式環(huán)形接力器。由兩個(gè)環(huán)形缸體8和柱塞9組成接力器，直接安放在水輪機(jī)頂蓋上，并靠近控制環(huán)內(nèi)壁。圓柱銷10與控制環(huán)連第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

接，并通過(guò)球形鉸接11與接力器柱塞聯(lián)系。由接力器配壓閥控制壓力油沿管路7進(jìn)入接力器缸，即可以實(shí)現(xiàn)開啟或關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，環(huán)形接力器的結(jié)構(gòu)比直缸接力器復(fù)雜，制造也比較困難。但它能有效利用控制環(huán)內(nèi)部的空間，使水輪機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊。

圖8-4（c）為每個(gè)導(dǎo)葉具有單獨(dú)接力器的簡(jiǎn)圖。搖擺式接力器14鉸接在支承蓋13上，接力器柱塞15與轉(zhuǎn)臂16鉸接。壓力油在調(diào)速器配壓閥的控制下，沿油管進(jìn)入接力器時(shí)，柱塞即驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)接力器缸則必然圍繞其與頂蓋的鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度。1－接力器；2－接力器活塞桿；3－控制環(huán)；4－圓柱銷；5－連桿；6－轉(zhuǎn)臂；7－金屬殼體；8－支承；9－頂蓋

圖8-3具有兩個(gè)接力器的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)圖8-4導(dǎo)水機(jī)構(gòu)接力器裝設(shè)在頂蓋上的結(jié)構(gòu)示意圖栓塞式直缸接力器柱塞式環(huán)形接力器搖擺式接力器2.由控制環(huán)至導(dǎo)葉的傳動(dòng)

在由控制環(huán)至導(dǎo)葉的連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，在某一構(gòu)件上應(yīng)設(shè)有易損連接件，用以保證在關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的過(guò)程中，當(dāng)異物（如圓木，樹根等）卡在相鄰導(dǎo)葉之間時(shí)，僅是預(yù)定的易損連接件破壞，使被卡住的導(dǎo)葉保持在開啟位置，而其他導(dǎo)葉可以照常關(guān)閉而不至于損壞傳動(dòng)部件。現(xiàn)在廣泛采用的是將剪斷銷作為易損連接的傳動(dòng)裝置。第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖8-5所示

，鍵3將轉(zhuǎn)臂1固定在導(dǎo)葉軸頸10上，連接板2套在轉(zhuǎn)臂上，用具有薄弱斷面的剪斷銷4將連接板與轉(zhuǎn)臂連接在一起。連接板通過(guò)鉸銷9與連桿連接。連桿由兩個(gè)帶叉頭的螺母5及具有左右螺紋的連接螺栓8組成。旋轉(zhuǎn)連接螺栓即可改變連桿的長(zhǎng)度。連接螺栓帶有防松螺母。連桿通過(guò)鉸銷7與控制環(huán)6相聯(lián)系。這樣，當(dāng)兩導(dǎo)葉之間卡住異物并且接力器試圖關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)，剪斷銷將被剪斷，從而達(dá)到上述保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的目的。圖8-5剪斷銷作為易損連接件圖1－轉(zhuǎn)臂；2－連接板；3－鍵；4－剪斷銷；5－螺母；6－控制環(huán)；7、9－鉸銷；8－連接螺栓；l0－導(dǎo)葉軸頸第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在執(zhí)行活動(dòng)導(dǎo)葉開啟和關(guān)閉動(dòng)作的時(shí)候，水壓力脈動(dòng)、水流沖擊、水流雜物等因素對(duì)各部件影響很大，一旦導(dǎo)葉開度失調(diào)或?qū)~連續(xù)失控，就會(huì)造成運(yùn)行中的機(jī)組事故停機(jī)，嚴(yán)重時(shí)水輪機(jī)將失去控制。為此需要保護(hù)裝置對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警，從而避免事故的發(fā)生和擴(kuò)大，因此可靠的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)保護(hù)裝置對(duì)整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。新型的導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)保護(hù)裝置有導(dǎo)葉摩擦裝置和彈簧聯(lián)桿（圖8-6）等。圖8-6彈簧聯(lián)桿保護(hù)裝置第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

導(dǎo)葉摩擦裝置的工作原理是：活動(dòng)導(dǎo)葉為二支點(diǎn)結(jié)構(gòu)布置，置于二個(gè)具有自潤(rùn)滑性能的軸套中，導(dǎo)葉摩擦裝置是種安裝在導(dǎo)葉軸頸上的夾緊式裝置。當(dāng)來(lái)自接力器的操作力，通過(guò)推拉桿一控制環(huán)一連桿一連板一導(dǎo)葉臂一導(dǎo)葉摩擦裝置（導(dǎo)葉銷）使活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制活動(dòng)導(dǎo)葉的開度增大或減小。當(dāng)活動(dòng)導(dǎo)葉中間卡有異物或關(guān)閉時(shí)與頂蓋或底環(huán)接觸阻力大時(shí)，導(dǎo)葉摩擦裝置的摩擦片在連板、壓板和導(dǎo)葉臂之間打滑，連板與導(dǎo)葉臂之間產(chǎn)生滑動(dòng)位移，致使活動(dòng)導(dǎo)葉錯(cuò)位，但此時(shí)導(dǎo)葉臂不動(dòng)，連板卻隨控制環(huán)、連桿一起繼續(xù)沿關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)，由于摩擦片摩擦力作用，第二節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

發(fā)生錯(cuò)位的活動(dòng)導(dǎo)葉不會(huì)隨意擺動(dòng)而撞擊相鄰導(dǎo)葉，其余的活動(dòng)導(dǎo)葉跟隨控制環(huán)繼續(xù)關(guān)閉，從而保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)零件不因過(guò)度受力被破壞。

彈簧聯(lián)桿的工作原理是：在活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中若有異物進(jìn)入導(dǎo)葉中間，或其他原因使其有的導(dǎo)葉不能正常關(guān)閉，在導(dǎo)水機(jī)傳動(dòng)件發(fā)生過(guò)負(fù)荷的情況下，在彈簧吸收此負(fù)載的時(shí)，連桿發(fā)生彎曲，由限位開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)，此信將驅(qū)動(dòng)活動(dòng)導(dǎo)葉打開，把卡入的異物排除到下游去?？ㄈ氲漠愇镌谂诺较掠我院?，彈簧將活動(dòng)導(dǎo)葉復(fù)位。第三節(jié)導(dǎo)葉裝配一、導(dǎo)葉軸承及潤(rùn)滑

導(dǎo)葉軸承多數(shù)采用錫青銅鑄造，加注黃油潤(rùn)滑。這種軸承抗磨性能良好，單位面積的承載力也較大，但需要昂貴的有色金屬且軸承的潤(rùn)滑和密封設(shè)備也較復(fù)雜。近年來(lái)正在推廣用具有自潤(rùn)滑性能的工業(yè)塑料代替，這樣不但簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)而且節(jié)省大量有色金屬，降低了制造成本。二、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)止漏和間隙調(diào)整

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的止漏裝置，包括導(dǎo)葉軸承的止漏和導(dǎo)葉在全關(guān)閉時(shí)為防止蝸殼中的壓力水流入下游而裝置的導(dǎo)葉與導(dǎo)葉之間和導(dǎo)葉與上、下環(huán)之間的止漏設(shè)備。

導(dǎo)葉軸承如采用黃油潤(rùn)滑，則需防止水流進(jìn)入軸承引起軸頸銹蝕和破壞油膜。導(dǎo)葉軸頸的密封多數(shù)裝在導(dǎo)葉套筒下端。

機(jī)組停機(jī)時(shí)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)必須封水嚴(yán)密，否則不但會(huì)增加漏水量而且會(huì)加劇間隙空蝕破壞，導(dǎo)第三節(jié)導(dǎo)葉裝配葉關(guān)閉后如漏水嚴(yán)重時(shí)有可能造成機(jī)組無(wú)法停機(jī)。

對(duì)于中、低水頭的大、中型水輪機(jī)，一般采用橡皮條止水密封裝置。圖8-7是這種裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。當(dāng)導(dǎo)葉處于全關(guān)位置時(shí)，導(dǎo)葉尾部靠接力器的作用力壓緊在相鄰導(dǎo)葉頭部的橡皮條上，但這種結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生橡皮條脫落現(xiàn)象。圖8-7（a）中右邊的另一種立面密封裝置是把橡皮條用壓條2和螺釘3固定在導(dǎo)葉1上，這種結(jié)構(gòu)在使用中不易脫落且止水效果好，廣泛地應(yīng)用于中水頭水輪機(jī)中。高水頭水電站導(dǎo)葉立面密封靠研磨接觸面來(lái)達(dá)到要求。

第三節(jié)導(dǎo)葉裝配第三節(jié)導(dǎo)葉裝配為了使導(dǎo)葉上、下端面和頂蓋，底環(huán)之間的間隙均勻，在結(jié)構(gòu)上必須考慮有調(diào)整間隙的措施。在高水頭電站中，導(dǎo)葉下軸頸的端面受到高壓水的頂托，有可能使導(dǎo)葉上浮。將漏入下端面的水從下軸頸下面的底環(huán)上的排水孔排走。

導(dǎo)葉的止漏裝置和間隙調(diào)整不僅在導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮，同時(shí)還應(yīng)保證在運(yùn)行、檢修中進(jìn)行調(diào)整時(shí)操作簡(jiǎn)單易行。圖8-7導(dǎo)葉端面和立面密封1－導(dǎo)葉；2－壓條；3－螺釘立面密封端面密封三、真空破壞閥

真空破壞閥裝置在水輪機(jī)頂蓋上，是一個(gè)將空氣引入轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的補(bǔ)氣閥。一般水輪機(jī)有兩個(gè)真空破壞閥。當(dāng)水輪機(jī)緊急停機(jī)時(shí)，導(dǎo)葉迅速關(guān)閉截?cái)噙M(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流，而轉(zhuǎn)輪后的水流因慣性作用繼續(xù)經(jīng)尾水管排出，這時(shí)頂蓋下部出現(xiàn)真空。這部分真空使尾水管的水迅速倒流回來(lái)，這股強(qiáng)大的高速水流有很大的沖擊力，有時(shí)會(huì)將轉(zhuǎn)輪抬起并造成機(jī)件損壞。為此，在水輪機(jī)頂蓋上裝設(shè)有真空破壞閥。第三節(jié)導(dǎo)葉裝配第四節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)一、導(dǎo)葉開度

導(dǎo)葉開度是表征水輪機(jī)在流量調(diào)節(jié)過(guò)程中導(dǎo)葉安放位置的一個(gè)參數(shù)。它的大小等于導(dǎo)葉出口邊與相鄰導(dǎo)葉體之間的最短距離。當(dāng)導(dǎo)葉處于徑向位置時(shí)（圖8-8）為最大徑向開度值。最大徑向開度近似公式為：圖8-8導(dǎo)葉的開度

最大徑向開度是指導(dǎo)葉可能達(dá)到的最大開度，即導(dǎo)葉處于徑向位置。在此開度下，導(dǎo)葉進(jìn)口有很大沖角并形成脫流，水力損失很大。而且，流經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的水流在轉(zhuǎn)輪前不能形成環(huán)量。實(shí)際上不允許在這種導(dǎo)葉位置下運(yùn)行。

允許的最大開度,混流式水輪機(jī)一般為額定水頭下額定出力時(shí)的開度值。此開度值如小于最低水頭下5％（或3％）出力限制線上的開度值時(shí)，則取后者為最大開度。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的最大開度通常根據(jù)允許的吸出高度確定。第四節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)二、導(dǎo)葉出水角

導(dǎo)葉出口處骨線與圓周方向的夾角稱為導(dǎo)葉出口角。由于導(dǎo)葉的葉片數(shù)較多，其葉柵可視為稠密葉柵，水流的出流角也就是導(dǎo)葉出口角，稱為導(dǎo)葉出水角。

分別具有圖8-9所示的三種不同形狀的導(dǎo)葉進(jìn)行試驗(yàn)：在開度相同的情況下，大者也大，見圖8-10

；第四節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)出口角都相同的情況下，盡管它們的開度各不相同，但過(guò)流量卻很接近，見圖8-11

由此可見，決定流量變化及轉(zhuǎn)輪前水流運(yùn)動(dòng)狀況的主要因素不是開度，而是導(dǎo)葉出口角度。只是由于習(xí)慣和測(cè)量方便的原因，實(shí)際上仍以開度作為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)，而且在水輪機(jī)的綜合特性曲線上也均作出等開度線。對(duì)某一固定形狀的導(dǎo)葉，開度和出口角應(yīng)是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。第四節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)圖8-9具有不同葉型的導(dǎo)葉(a)負(fù)曲度葉型；(b)對(duì)稱葉型；(c)正曲度葉型8-10具有不同葉型導(dǎo)葉與的關(guān)系圖8-11具有不同葉型導(dǎo)葉與的關(guān)系三、導(dǎo)葉高度

導(dǎo)葉高度決定了水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，其值根據(jù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中水力損失最小的原則確定。導(dǎo)葉相對(duì)高度由于,若令，則即第四節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)

對(duì)一定直徑的水輪機(jī)，比轉(zhuǎn)速越高流量就越大，導(dǎo)葉應(yīng)該做得高一些，否則就要增加開度。當(dāng)開度過(guò)大時(shí)導(dǎo)葉將會(huì)接近于徑向開度，這樣將增加導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)損失。

反之，對(duì)低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)，流量相對(duì)比較小。如果導(dǎo)葉高度過(guò)大，則對(duì)應(yīng)的開度將很小，水流從兩片導(dǎo)葉之間的窄縫中流出，亦會(huì)引起較大的水力損失。

混流式水輪機(jī)在額定工況下運(yùn)行時(shí)，工作在特性曲線的5%（或3%）出力限制線上，及最大開度為額定水頭下，發(fā)出額定出力的開度的開度，見圖8-12.

第四節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)圖8-12不同比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的

和四、導(dǎo)葉數(shù)，導(dǎo)葉軸線分布圓直徑及導(dǎo)葉弦長(zhǎng)L導(dǎo)葉數(shù)不但影響進(jìn)入轉(zhuǎn)輪水流的均勻度，還涉及本身的加工量，并直接影響到的尺寸。故導(dǎo)葉數(shù)應(yīng)選用恰當(dāng)。表8-1介紹了大中型水輪機(jī)的導(dǎo)葉數(shù)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取相對(duì)值當(dāng)和確定后，以導(dǎo)水機(jī)構(gòu)能緊密關(guān)閉為原則，按下式確定葉柵密度和翼弦長(zhǎng)度L，即：第四節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)表8-1導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉數(shù)目轉(zhuǎn)輪直徑（m）導(dǎo)葉數(shù)321.0～2.259.0以上

12241.0以內(nèi)2.5～8.516第四節(jié)徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)第五節(jié)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)中的水力損失

導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)是水輪機(jī)的一個(gè)重要部件。水流能量在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的損失將影響水輪機(jī)的效率。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的相對(duì)水力損失為:式中：

—導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的相對(duì)損失；

—平板葉柵的阻力系數(shù)，它是特征流速

與平板間的夾角即沖角

的函數(shù)，沖角越大阻力系數(shù)越大；

—特征流速

與圓周方向的夾角。

第五節(jié)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)中的水力損失

根據(jù)（8-11）式分析影響導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中損失的各種因素。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的損失與單位流量的平方成正比；與導(dǎo)葉相對(duì)高度

的平方成反比；與相對(duì)直徑

的平方成反比；與葉柵稠密度

成正比。此外，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的水力損失還與開度

存在一定的關(guān)系。

當(dāng)開度增加時(shí)，一方面出口水流角

增加，因而

增加，水力損失是減少的，且在

一定范圍內(nèi)增加時(shí)葉柵沖角減小，阻力系數(shù)

下降，也導(dǎo)致水力損失減少；另一方面當(dāng)開度增加到超過(guò)某一數(shù)值后，沖角又逐漸增加，阻力系數(shù)

增加，這會(huì)使損失增加。以上兩個(gè)因素共同影響的第五節(jié)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)中的水力損失

結(jié)果使得開度增加時(shí)，開始時(shí)水力損失減小，一直減小到某一值后，水力損失又逐漸增加。

根據(jù)式（8-11），對(duì)實(shí)際的水輪機(jī)可以求出不同開度時(shí)相對(duì)損失的數(shù)值（由于平板葉柵與導(dǎo)葉環(huán)列葉柵的差別，所求出的數(shù)值只能用來(lái)進(jìn)行定性分析）。圖8-13繪出了高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)及低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的導(dǎo)葉的相對(duì)水力損失和開度變化的關(guān)系曲線。圖中

為實(shí)際水輪機(jī)中允許的最大相對(duì)開度。圖8-13導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的水力損失1－高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)；2－低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)

由圖可見，各種比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)開度很小或很大時(shí)，其水力損失都較大。在相對(duì)開度為30%～70%時(shí)，水力損失最小，且損失不到總水頭的1％。開度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)引起損失的顯著增加。尤其對(duì)低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)，在小開度下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)損失更為嚴(yán)重，可達(dá)總水頭的8％～10％。這是因?yàn)榈捅绒D(zhuǎn)速的工作水頭高，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的水流速度相當(dāng)高的緣故。運(yùn)行時(shí)要盡量使導(dǎo)葉在最佳開度，以保證水輪機(jī)高效率工作。第五節(jié)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)中的水力損失第五節(jié)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)中的水力損失

不同的導(dǎo)葉形狀對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水力損失有不同的影響。高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)經(jīng)常工作在大開度位置，從水輪機(jī)基本方程可以看出，高比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量小。在較優(yōu)的開度下，正曲度的導(dǎo)葉有使環(huán)量減小的效果，故高比速水輪機(jī)中可采用正曲度的導(dǎo)葉。反之，對(duì)低比轉(zhuǎn)速的混流式水輪機(jī)，為了使轉(zhuǎn)輪前環(huán)量增加往往采用有負(fù)曲度的導(dǎo)葉。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，中高比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)常采金屬全蝸殼，一般采用正曲度葉型。這種葉型也采用在低比轉(zhuǎn)速的軸流式水輪機(jī)。由于這類水輪機(jī)雖在不同水頭下運(yùn)行，但經(jīng)計(jì)算適應(yīng)其最優(yōu)的第五節(jié)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)中的水力損失

導(dǎo)葉曲度卻相差無(wú)幾，實(shí)際上可認(rèn)為一樣。故而在水輪機(jī)行業(yè)中多采用標(biāo)準(zhǔn)正曲率葉型,圖8-14。圖8-15所示為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱葉型。這種葉型主要用在低水頭高比轉(zhuǎn)速的軸流式水輪機(jī)中。因?yàn)檫@種水輪機(jī)工作在小于

水頭下，流量較大。為了使蝸殼平面尺寸不致過(guò)大而影響水電站廠房寬度，蝸殼多設(shè)計(jì)成半蝸殼（混凝土蝸殼）。在非蝸殼部分水流速度在導(dǎo)葉前呈近似徑向方向，這一部分的導(dǎo)葉葉型應(yīng)做成對(duì)稱形或負(fù)曲度。而在蝸殼部分應(yīng)做成正曲度葉型。顯然，在同一導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中采用不同葉型的導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)上是不合理的。所以，在高比轉(zhuǎn)速軸流式水輪機(jī)中均折衷采用對(duì)稱葉型的導(dǎo)葉。

圖8-14標(biāo)準(zhǔn)正曲度葉型的幾何尺寸

（

；

）圖8-15標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱葉型的幾何尺寸(;)第六節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的受力分析和傳動(dòng)計(jì)算

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉或開啟的操作力是由導(dǎo)水機(jī)構(gòu)接力器產(chǎn)生的，接力器的操作力取決于接力器直徑和工作油壓。接力器的操作力矩必須大于導(dǎo)葉的水力矩和導(dǎo)葉軸頸的摩擦力矩之和,同時(shí)還要保證導(dǎo)水機(jī)構(gòu)有一定的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí)，還必須有壓緊密封的力矩。一、導(dǎo)葉上的作用力矩

當(dāng)導(dǎo)葉達(dá)到關(guān)閉位置時(shí)，接力器的牽引力矩必須滿足下式（8-12）第六節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的受力分析和傳動(dòng)計(jì)算式中：

―接力器的牽引力矩；

―作用在導(dǎo)葉上的水力力矩，使導(dǎo)葉向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)的為“+”，向開啟方向運(yùn)動(dòng)的為“－”；

―摩擦力矩；

―密封力矩。

當(dāng)導(dǎo)葉處于開啟位置時(shí)，接力器的牽引力矩必須滿足下式

（8-13）

根據(jù)式8-12，8-13的原則，工程實(shí)際中按以下公式計(jì)算導(dǎo)葉在全關(guān)位置和任意開度位置時(shí)的總力矩。第六節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的受力分析和傳動(dòng)計(jì)算1．導(dǎo)葉在全關(guān)位置時(shí)關(guān)閉或開啟的總力矩，圖8-16關(guān)閉時(shí)開啟時(shí)式中、、—導(dǎo)葉上、中、下軸頸的直徑；

、

、—相應(yīng)軸承反力；—摩擦系數(shù)；—導(dǎo)葉相對(duì)偏心矩，,是導(dǎo)葉有效長(zhǎng)度；—計(jì)算水頭，m.圖8-16全關(guān)位置時(shí)導(dǎo)葉受力圖第六節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的受力分析和傳動(dòng)計(jì)算2．導(dǎo)葉在任意開度位置時(shí)關(guān)閉或開啟的總力矩

關(guān)閉時(shí)開啟時(shí)式中—水力矩系數(shù)；—單個(gè)導(dǎo)葉上的水壓力。

二、導(dǎo)葉傳動(dòng)力矩

已知使導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)所必須的牽引力矩后，進(jìn)一步是要將牽引力矩通過(guò)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)過(guò)渡到接力器第六節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的受力分析和傳動(dòng)計(jì)算

上去，并轉(zhuǎn)換成接力器的牽引力。再根據(jù)牽引力的大小決定接力器的尺寸和接力器的油壓。對(duì)于采用兩個(gè)協(xié)同工作的直缸接力器，利用控制環(huán)，連桿、導(dǎo)葉轉(zhuǎn)臂等構(gòu)件組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在各種行程位置上它傳遞給單個(gè)導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩可用以下