第二章 水輪機結(jié)構(gòu)

第二章反擊式水輪機結(jié)構(gòu)第一節(jié)概述第二節(jié)混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)第三節(jié)軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪的的結(jié)構(gòu)第四節(jié)主軸、軸承及主軸密封第五節(jié)反擊式水輪機引水部件第六節(jié)反擊式水輪機的導(dǎo)水機構(gòu)第七節(jié)水輪機的附屬設(shè)備第八節(jié)反擊式水輪機尾水管第九節(jié)典型結(jié)構(gòu)能源動力工程學(xué)院何寶海第一節(jié)概述目前,在水力發(fā)電行業(yè)應(yīng)用最為普遍的是反擊式水輪機，特別是混流式和軸流式兩種?；炝魇剿啓C結(jié)構(gòu)簡單，制造較容易，造價低，安裝檢修方便，運行可靠。軸流式水輪機以轉(zhuǎn)槳式應(yīng)用最多，它的主要特點是平均效率比混流式高，在負荷和水頭變化時效率變化不大，因此它適用于水頭和負荷變化都比較大的電站。能源動力工程學(xué)院何寶海第一節(jié)概述混流式和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的結(jié)構(gòu)，按照裝配系統(tǒng)分為六大部分：1.埋入部分：包括蝸殼、座環(huán)、尾水管、機坑里襯、基礎(chǔ)環(huán)、轉(zhuǎn)輪室等。2.導(dǎo)水機構(gòu)：包括底環(huán)、頂蓋、導(dǎo)葉及其傳動機構(gòu)、控制環(huán)、支持蓋等。3.轉(zhuǎn)動部分：包括轉(zhuǎn)輪、主軸、軸承、密封、受油器等。4.輔助部分：包括接力器、真空破壞閥、補氣閥、漏油箱、排水裝置等。5.布置部分：包括調(diào)速器油管路和回復(fù)機構(gòu)、機坑內(nèi)的水、氣管路。6.工具部分：包括工具、備件等。能源動力工程學(xué)院何寶海第二節(jié)混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)一、混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的組成二、混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)形式能源動力工程學(xué)院何寶海一、混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的組成右圖為不同比轉(zhuǎn)速的混流式水輪機軸面投影。比轉(zhuǎn)速（ns）不同，轉(zhuǎn)輪形狀不同。一般來說，水輪機適應(yīng)水頭愈高，它的比速愈低。轉(zhuǎn)輪的軸向尺寸越小。能源動力工程學(xué)院何寶海中高比速混流式水輪機能源動力工程學(xué)院何寶海低比速混流式水輪機能源動力工程學(xué)院何寶海混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的組成1.上冠2.下環(huán)3.葉片4.泄水錐5.止漏裝置6.減壓裝置比速不同的混流式水輪機，雖然形狀不盡相同，但其組成（見下圖）基本相同，主要由以下六部分組成。能源動力工程學(xué)院何寶海1.上冠轉(zhuǎn)輪上冠：用來實現(xiàn)與主軸的錐度配合和連接。轉(zhuǎn)輪上冠除了具有支承葉片的作用外，還與下環(huán)一起構(gòu)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；上冠下面固定泄水錐；在上冠的錐面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(cè)面裝有減壓裝置；上冠外緣裝有上轉(zhuǎn)動止漏環(huán)。上冠型線的形狀對轉(zhuǎn)輪的性能影響較大（直線形和曲線形）。

2.下環(huán)下環(huán)：固定葉片下端，上冠、葉片、下環(huán)一起構(gòu)成具有一定強度和剛度的轉(zhuǎn)輪整體。對轉(zhuǎn)輪性能影響較大的是其形狀（擴散角）。3.葉片葉片：將水能轉(zhuǎn)換成機械能。葉片呈空間扭曲型，一般斷面形狀為翼形，葉片數(shù)目為14-19片。葉片斷面形狀和葉片數(shù)目對轉(zhuǎn)輪的水力性能和強度有顯著的影響。4.泄水錐泄水錐：引導(dǎo)經(jīng)葉片流道流出的水流迅速而順暢的向下渲泄，防止水流相互撞擊，以減少水力損失，提高水輪機效率。其外形呈倒錐體。它的結(jié)構(gòu)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(dǎo)軸承的潤滑水（有的轉(zhuǎn)輪將泄水控開在泄水錐的外側(cè)），還作為主軸的中心補氣和有的轉(zhuǎn)輪的頂蓋補氣通道之用。泄水錐的形狀和尺寸直接影響水輪機的效率和運行的穩(wěn)定性。

5.止漏裝置止漏環(huán)：減小轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動部分，為防止水流向上和向下漏出，水輪機上一般裝有上、下兩道止漏環(huán)。上止漏環(huán)固定部分裝在頂蓋上，其轉(zhuǎn)動部分裝在上冠上，下止漏環(huán)的固定部分一般裝在底環(huán)上，轉(zhuǎn)動部分裝在轉(zhuǎn)輪的下環(huán)上。工作原理是使水流在該處受到很大的局部阻力而不易通過。目前，廣泛采用的止漏環(huán)結(jié)構(gòu)型式有間隙式、迷宮式、梳齒式和階梯式四種。止漏裝置的形式迷宮式：在迷宮環(huán)的面上車制了迷宮槽,間隙等于0.0005D1

。止漏效果好，但抗磨性能差。一般應(yīng)用于H<200m、水質(zhì)清潔的電站。梳齒式：轉(zhuǎn)動部分與固定部分呈犬牙交錯配合。止漏效果好，但抗磨性能差。常與縫隙式配合使用，要求水平安放間隙不要小于1mm（穩(wěn)定性）。同心度不易保證，間隙不易測量，安裝不方便一般應(yīng)用于H>200m、水質(zhì)清潔的電站。階梯式：具有迷宮和梳齒式的優(yōu)點，止漏效果好，止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪的同心度好，安裝測量比較方便。間隙式：它的轉(zhuǎn)動和固定止漏環(huán)的環(huán)形面均為平面，間隙大于等于0.001D1抗磨性能好，但止漏效果差，一般應(yīng)用于H<200m、水中泥沙含量較大的電站。6.減壓裝置減壓裝置：用來減小作用在轉(zhuǎn)輪上的軸向水推力，常用的減壓裝置有以下兩種型式。1.均壓管與泄水孔式：2.減壓板與泄水孔式：

注意此處間隙的標示！減壓板與泄水孔式：均壓管與泄水孔式二、混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)形式由于混流式水輪機的應(yīng)用水頭和尺寸大小不同，轉(zhuǎn)輪的構(gòu)造型式，制作材料及加工方法均不同?；炝魇睫D(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)型式主要是指上冠，葉片和下環(huán)三部分的構(gòu)造型式，基本上分為整鑄轉(zhuǎn)輪，鑄焊轉(zhuǎn)輪，組合轉(zhuǎn)輪三種。(1)整鑄轉(zhuǎn)輪整鑄轉(zhuǎn)輪是指上冠，葉片和下環(huán)整體鑄造而成的轉(zhuǎn)輪，這種結(jié)構(gòu)在中小型機組中廣泛采用。對高水頭的水輪機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)側(cè)，堆焊抗空蝕耐磨損的材料。當尺寸轉(zhuǎn)輪不大時，采用整鑄可縮短生產(chǎn)周期，降低成本，且有足夠的強度。缺點是容易產(chǎn)生鑄造缺陷，鑄造質(zhì)量不易保證，尤其當轉(zhuǎn)輪尺寸大時，對鑄造設(shè)備要求高。

(2)鑄焊轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪的上冠、葉片和下環(huán)三部分單獨鑄造后，再組焊成整體。這種焊接結(jié)構(gòu)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟效果，使用不同的鋼種，既提供了轉(zhuǎn)輪的抗空蝕能力，又節(jié)省了鎳鉻等貴金屬。鑄焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪，由于鑄件小，形狀較簡單，容易保證鑄造質(zhì)量，同時降低了對鑄造能力的要求。但鑄焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪在組焊時焊接工作量大，對焊接工藝要求高，要確保每條焊縫的質(zhì)量，避免和消除焊接溫度應(yīng)力等。大型混流式轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)輪。(3）組合轉(zhuǎn)輪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)分瓣面當轉(zhuǎn)輪直徑大于5.5m或高于2.3m時，因受鐵路運輸?shù)南拗?，或因鑄造能力不足，必須把轉(zhuǎn)輪分半制作，運到現(xiàn)場再組合成整體。根據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，在上冠連接處有軸向和徑向的定位銷。第三節(jié)軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪的的結(jié)構(gòu)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)輪體、葉片、葉片操作機構(gòu)、葉片密封裝置、泄水錐等組成。高水頭軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪低水頭軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪尼爾基電廠水輪機轉(zhuǎn)輪體一、轉(zhuǎn)輪體轉(zhuǎn)輪體的外形有圓柱形和球形兩種。圓柱形轉(zhuǎn)輪體其形狀簡單，同時水力條件和空蝕性能均比球形轉(zhuǎn)輪體好，但效率低。小型水輪機轉(zhuǎn)輪，定槳式水輪機轉(zhuǎn)輪一般都采用圓柱形轉(zhuǎn)輪體。大中型轉(zhuǎn)槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪體多數(shù)采用球形，它能使轉(zhuǎn)輪體與葉片內(nèi)緣之間的間隙在各種轉(zhuǎn)角下都比較小，以使漏水損失最小。另外環(huán)形轉(zhuǎn)輪體增大了放置葉片處的輪轂直徑，有利于操作機構(gòu)的布置。

思考：兩種形狀轉(zhuǎn)輪體的比較。提示：從水力性能、空蝕性能、葉片操作機構(gòu)的布置方面。轉(zhuǎn)輪體與葉片內(nèi)緣之間的間隙是根據(jù)葉片在最大轉(zhuǎn)角時的位置來確定的。

二、葉片軸流式轉(zhuǎn)輪葉片由葉片本體和樞軸兩部分組成。對于尺寸較小的水輪機，一般采用整體軸，因為這樣可以減少零件數(shù)目，鑄造、加工、安裝的困難也不大。但當水輪機尺寸大時，采用分體結(jié)構(gòu)比較有利。這是因為：(1)分成葉片本體和樞軸兩部分，每一部分的重量和尺寸都減少了，對于鑄造，加工和安裝都帶來方便。(2)因為葉片易受空蝕損壞，分開的結(jié)構(gòu)可單獨地拆卸某個葉片進行檢修。(3)分開的結(jié)構(gòu)有可能對兩個部件采用不同的材料，但轉(zhuǎn)輪的強度有所削弱，這一缺點對于高水頭的轉(zhuǎn)輪尤為重要。分件式葉片，法蘭和樞軸的外徑都要比整體時大。水頭高，葉片數(shù)目多，為了布置葉片，樞軸和轉(zhuǎn)臂的連接螺釘轉(zhuǎn)輪體尺寸要求。葉片與樞軸整體

葉片與樞軸用螺栓連接

三、葉片操作機構(gòu)

葉片操作機構(gòu)由接力器、活塞桿、曲柄連桿機構(gòu)等零件構(gòu)成，安裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)，用來變更葉片的轉(zhuǎn)角，使其與導(dǎo)葉開度相適應(yīng)，從而保證水輪機運行在效率較高的區(qū)域，葉片操作機構(gòu)是由調(diào)速器進行自動控制的。根據(jù)接力器布置方式不同，葉片操作機構(gòu)的形式很多1.帶操作架傳動的直連桿機構(gòu)。2.帶操作架的斜連桿機構(gòu)。3.不帶操作架的直連桿機構(gòu)。帶操作架傳動的直連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)輪接力器結(jié)構(gòu)

型橡膠環(huán)雙向密封，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，更換密封不需要拆卸葉片，優(yōu)點較多。在貫流機組上應(yīng)用較多。3.聯(lián)合密封結(jié)構(gòu)。運行實踐表明，密封性能良好，無漏油和返水現(xiàn)象。

四、葉片密封裝置

轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油具有一定的壓力：（回油要求；離心力）轉(zhuǎn)輪體外是高壓水流。作用：1.防止轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部的油向外滲漏。2.防止水流進入轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部。型式：“”型轉(zhuǎn)輪葉片密封結(jié)構(gòu)。通過試驗和運行表明，它具有良好的密封性能、結(jié)構(gòu)緊湊、制造和裝拆方便。密封結(jié)構(gòu)五、泄水錐

1—轉(zhuǎn)輪體；2—螺釘；3—保險墊圈；4—護蓋；5—泄水錐圖示為轉(zhuǎn)輪體和泄水錐的一種連接結(jié)構(gòu)。泄水錐上部周圍開有帶筋的槽口，用螺釘把合，除加保險墊圈外，裝配后螺幅還應(yīng)和錐體點焊，防止機組在運行中泄水錐脫落。

第四節(jié)主軸、軸承及主軸密封一、主軸1.主軸的型式：單法蘭主軸、雙法蘭。2.主軸的連接：無法蘭主軸和單法蘭主軸與轉(zhuǎn)輪的連接，采用錐度配合、用鍵傳遞轉(zhuǎn)矩的方式，另一端通常采用連軸器連接的方式。主軸與上冠法蘭連接方式有兩種：精致螺栓連接和健傳遞轉(zhuǎn)矩的連接。主軸：將轉(zhuǎn)輪所獲得的轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機軸，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時還要承受軸向水壓力及轉(zhuǎn)動部分的重量。主軸的型式（1）單法蘭主軸單法蘭主軸與轉(zhuǎn)輪的連接主軸的型式（2）雙法蘭主軸主軸與轉(zhuǎn)輪的連接雙法蘭主軸與轉(zhuǎn)輪的連接二、軸承作用：承受主軸傳來的徑向力。引起徑向力的因素：1.轉(zhuǎn)動部分不平衡；2.轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水力不平衡；3.尾水管內(nèi)的壓力脈動；4.電磁不平衡。要求：為保證水輪機運行的穩(wěn)定性，其安裝位置盡可能地靠近轉(zhuǎn)輪。常見故障：軸瓦磨損、瓦溫過高。（一）、軸承的形式按軸瓦材料分：橡膠瓦導(dǎo)軸承金屬瓦導(dǎo)軸承按潤滑方式分：水潤滑導(dǎo)軸承油潤滑導(dǎo)軸承（干油、稀油）按軸承形狀分：筒式瓦導(dǎo)軸承分塊瓦導(dǎo)軸承水潤滑橡膠筒式瓦導(dǎo)軸承稀油潤滑筒式瓦導(dǎo)軸承稀油潤滑分塊瓦導(dǎo)軸承（二）、水潤滑橡膠瓦導(dǎo)軸承優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝方便，成本低，安裝位置低。缺點：對水質(zhì)要求高（泥沙、油），導(dǎo)熱性差，易老化。（三）、稀油潤滑筒式瓦導(dǎo)軸承優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，布置緊湊，壽命長。缺點：安裝檢修時刮瓦和調(diào)間隙困難，運行時易發(fā)生甩油等。（四）、稀油潤滑分塊式瓦導(dǎo)軸承優(yōu)點：瓦面間隙調(diào)整方便，軸瓦塊有自調(diào)節(jié)能力，受力均勻，潤滑條件好。部件尺寸小，制造安裝方便。缺點：軸領(lǐng)加工成本高，價格稍貴。三、主軸密封工作密封：正常運行時使用。檢修密封：下游水位較高的電站設(shè)置，檢修時使用。（一）、工作密封1.橡膠平板密封2.機械斷面密封3.液壓斷面密封橡膠平板密封單層橡膠平板密封雙層層橡膠平板密封優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，密封性能好，能自動封閉磨損產(chǎn)生的間隙。缺點：軸向振動大的機組，密封效果差，抬機時漏水量增大。機械端面密封機械端面密封缺點：彈簧制造質(zhì)量要求高，要有防銹措施；滑動架容易發(fā)卡。端面水壓密封滑動架改為由水壓驅(qū)動的“門”或U“型橡膠圈。水有驅(qū)動橡膠圈和冷卻、潤滑密封面雙重作用。優(yōu)點：密封面磨損后，能自行補償。（二）、檢修密封圍帶式密封抬機式密封第五節(jié)反擊式水輪機引水部件一、引水室的類型引水室和座環(huán)。開敞式引水室：水輪機導(dǎo)水機構(gòu)外圍作為一個開敞的水槽，為了保證水流軸對稱及在引水室內(nèi)水力損失小，其平面尺寸常很大。由于這種引水室一般是用磚石及混凝土做成，所以只能用于較低水頭及小型水輪機。

罐式引水室：水流沿軸向進入水輪機，在進入導(dǎo)水機構(gòu)前流向急劇轉(zhuǎn)彎致使水流不均勻。因此這種引水室只適用于小型水輪機。二、蝸殼金屬蝸殼混凝土蝸殼蝸殼式引水室

二、蝸殼金屬蝸殼一般用于水頭大于40m的機組。

金屬蝸殼的斷面采用圓形，接近鼻端處逐漸變?yōu)闄E圓形。為節(jié)約鋼材，根據(jù)蝸殼斷面受力不同，各斷面鋼板厚度不同。通常蝸殼進口斷面厚度較大，愈接近鼻端則厚度愈小。

--蝸殼包角。1.金屬蝸殼金屬蝸殼的結(jié)構(gòu)形式焊接蝸殼鑄造蝸殼金屬蝸殼的彈性層彈性層由瀝青、石棉、油氈等材料制成。進人門、排水閥的設(shè)置?；炷廖仛ひ话阌糜谒^在40m以下的機組?，F(xiàn)正在研究在高水頭時應(yīng)用高強度預(yù)應(yīng)力混凝土蝸殼。此外鋼板和混凝土聯(lián)合作用的蝸殼也是一個新的研究課題。2.混凝土蝸殼二、座環(huán)座環(huán)：承受水輪發(fā)電機組的重量，蝸殼上部部分混凝土重量以及水壓力，并將其傳遞到電站基礎(chǔ)上。在結(jié)構(gòu)上，要求它有足夠的強度和剛度。作為過流部件，要求水力損失要小。座環(huán)是安裝時最重要的一個基準件。

固定導(dǎo)葉活動導(dǎo)葉蝸殼座環(huán)的下環(huán)座環(huán)的下環(huán)1.與混凝土蝸殼連接的座環(huán)整體結(jié)構(gòu)座環(huán)

裝配結(jié)構(gòu)座環(huán)

2.與金屬蝸殼連接的座環(huán)與金屬蝸殼連接的座環(huán)無碟形邊的座環(huán)

帶碟形邊的座環(huán)

第六節(jié)反擊式水輪機的導(dǎo)水機構(gòu)一、導(dǎo)水機構(gòu)的作用及組成作用：主要是形成和改變進入轉(zhuǎn)輪的水流環(huán)量；調(diào)節(jié)水輪機流量，導(dǎo)葉在關(guān)閉位置時能使水輪機停止運行，并在機組甩負荷時防止產(chǎn)生飛逸。組成：導(dǎo)葉、導(dǎo)葉套筒、傳動機構(gòu)、環(huán)形部件（控制環(huán)、底環(huán)、頂蓋及支持蓋等）。工作原理：二、導(dǎo)葉1）形狀：2）分類：正曲率，負曲率，對稱型。3）導(dǎo)葉密封：

a）作用

b）分類

c）結(jié)構(gòu)導(dǎo)葉本體導(dǎo)葉中軸頸導(dǎo)葉上軸頸導(dǎo)葉下軸頸導(dǎo)葉密封導(dǎo)葉立面密封密封膠條活動導(dǎo)葉壓板導(dǎo)葉端面密封底環(huán)活動導(dǎo)葉密封膠條三、導(dǎo)葉套筒、軸套及軸頸密封1）套筒2）導(dǎo)葉軸套3）導(dǎo)葉軸頸密封四、導(dǎo)葉傳動機構(gòu)作用：把接力器傳來的開或關(guān)導(dǎo)葉的動作傳遞給導(dǎo)葉，以達到開、關(guān)導(dǎo)葉，實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。型式：常用的是叉頭式、耳柄式。1.叉頭式傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)臂、剪斷銷保護裝置：剪斷銷轉(zhuǎn)臂分半鍵剪斷銷調(diào)整螺釘叉頭式實例控制環(huán)叉頭螺桿2.耳柄式傳動機構(gòu)思考題：如何調(diào)整導(dǎo)葉的端面間隙和立面間隙？五、導(dǎo)水機構(gòu)的環(huán)形部件包括控制環(huán)、底環(huán)、頂蓋、支持蓋等?？刂骗h(huán)控制環(huán)底環(huán)頂蓋抗磨板頂蓋及支持蓋（圖）第七節(jié)水輪機的附屬設(shè)備接力器、真空破壞閥、補氣裝置