水轮机构造

水轮机及辅助设备情景21情景2水轮机构造2.1水轮机转轮反击式水轮机在我国应用较为普遍，并以混流式和轴流式水轮机为主。混流式水轮机不仅结构简单，制造、安装方便，而且有较好的抗空蚀性能，运行可靠，适用水头范围较广，是反击式水轮机中应用最广泛的一种机型。轴流式水轮机以转桨式应用最多，因其叶片可随水头和导叶开度变化而协联转动的特点，其平均效率比混流式水轮机高，但结构复杂、制造成本高，仅适用于负荷变化大、水头相对较低的电站。全国已投入运行的水轮发电机组中，混流式水轮机单机最大容量为700MW(三峡水电站)，轴流式水轮机单机最大容量为200MW(水口水电站)。2.1.1混流式水轮机转轮结构1．混流式水轮机转轮的组成转轮是水轮机将水流能量转变为旋转机械能的核心部件，要求转轮具有良好的水力性能，足够的强度和刚度。混流式水轮机转轮一般由上冠3、叶片4、下环7、止漏装置2和6、泄水锥5和减压装置1组成，如图2-1所示。上冠的外形与圆锥体相似，其作用是支承叶片并与下环形成过流通道。上冠的上部中央为均布有数个螺孔的上冠法兰，用以连接主轴；对于小尺寸转轮的上冠不设法兰面，只设带有锥度的中心孔，并与主轴通过锥面定心、轴头螺母定位、键传力矩来获得固定连接。在上冠中心开有中心孔用以减轻重量并作为轴心补气通道，消除转轮内真空。在上冠法兰外围四周开有若干个泄水孔，并装有减压装置，以减小作用在转轮上的轴向水压力。上冠的下锥面上均匀布置着若干个转轮叶片。上冠的外轮缘处装有止漏装置（也称止漏环），减小转动部分与固定部分的漏水损失。叶片呈复杂空间扭曲状，其断面形状为翼型，叶片数目通常为13～18片；叶片上端与上冠相接、下端与下环固连。下环的作用是将全部叶片连成整体，以增加转轮的强度与刚度。泄水锥外形为一空腔圆锥体，用螺栓或焊接将它连接在上冠下方，它的作用是引导由叶片出来的水流顺利地变成轴向，避免水流旋转和互相撞击而造成水力损失。泄水锥的形状和尺寸，直接影响水轮机的效率和振动。2．混流式水轮机转轮的结构型式5762143图2-1混流式转轮1-减压装置；2、6-止漏环；3-上冠；4-叶片；5-泄水锥；7-下环水轮机及辅助设备情景22混流式水轮机适用水头范围广，因应用水头和流量不同，其转轮的形状也各不相同。图2-2(a)用于低水头、大流量的转轮，这类转轮出口直径D2大于进口直径D1；图2-2(c)用于高水头、小流量的转轮，这类转轮出口直径D2小于进口直径D1；图2-2(b)用于中等水头和流量的转轮，这类转轮出口直径D2和进口直径D1大致相等。由于转轮的应用水头和尺寸大小不同，其结构型式、材料和工艺都有所不同。通常有整铸转轮、铸焊转轮和组合转轮三种。（1）整铸转轮。是指把叶片、上冠和下环整体铸造而成的转轮。这种结构适用于中小型转轮，特别是小型转轮用得最多。它具有生产周期短，成本低，且有足够的强度。对低水头中小型混流式转轮，可用优质球墨铸铁铸造。对高水头中小型转轮和低水头大型转轮，可采用ZG270-500整铸。对高水头的转轮，为提高其强度和抗磨蚀能力，采用高强度低合金钢ZG20SiMn，在叶片表面易空蚀、磨损部位堆焊耐磨蚀材料。(2)铸焊转轮。如图2-3所示，铸焊转轮是指将转轮的上冠、叶片和下环分别铸造，然后焊接成整体，铸焊转轮的不同部位，可以采用不同钢种，使得这种转轮结构更为经济合理，即上冠和下环可采用低合金钢或低碳钢，叶片采用镍铬不锈钢。特别是近年来一些高效防护材料的应用，如SPHG1合金粉末喷焊材料、GB1焊条和金属陶瓷等。这样做既提高了转轮的抗磨蚀能力，又节省了镍铬不锈钢等稀有材料。但铸焊转轮焊接工作量大，对焊接工艺要求高，要严格控制焊接变形和消除焊接应力等。(3)组合转轮。当转轮直径大于5.5m时，因受运输条件或铸造能力的限制，有必要把转轮分半制作，运到现场再组合成整体。转轮各部分的组合连接方式不相同，其组合方法也不相同，我国主要采用上冠螺栓连接、下环焊接结构，在上冠连接处有定位销。2.1.2轴流式水轮机转轮结构1．轴流式水轮机转轮的组成轴流式水轮机分为轴流定桨式水轮机和轴流转桨式水轮机。轴流定桨式水轮机的叶片固定，结构相对简单，但不能适应水头和负荷变化大的水电站。对于一些季节性变化大的河流，可采用叶片可调转轮，以提高效率，增加发电量。轴流转桨式水轮机转轮在运行过程中可控制叶片绕自身轴线转动，叶片转动的角度称为叶片转角或装置角，通常以φ表示，如图2-４所示。我国工程上规定设计工况时的叶片转角为φ=0°，向关闭方2243131123441112224321(a)(b)(c)图2-3铸焊转轮图2-2混流式转轮形状1-上冠；2-叶片；(a)D1D2；(b)D1≈D2；(c)D1D23-下环；4-焊缝1—上冠；2—叶片进水边；3—下环；4—叶片出水边水轮机及辅助设备情景23向转动时称为“负”角，φ＜0°；向开启方向转动时称为“正角”，φ＞0°；叶片由“负”到“正”的范围一般在-20°~+35°之间。因轴流定桨式的结构比较简单，故以下主要介绍轴流转桨式水轮机转轮。轴流转桨式水轮机转轮主要由转轮体、叶片、叶片操作机构、叶片密封装置及叶片的操作系统等组成，如图2-4所示。（1）转轮体。主要作用是装置转轮叶片和布置转桨操作机构，转轮体又称轮毂，根据外形，可分为圆柱形和球形两种。圆柱形转轮体制造简单，因转轮体与叶片之间间隙随转角不同而改变，在中间位置时最大间隙可达几十毫米，故漏水量大，影响水轮机效率，已逐渐淘汰。球形转轮体制造复杂，但因外形为球形，使其间隙在不同转角下都保持不大于2～5mm，故漏水量小、水轮机效率高，有利于转桨操作机构的布置，应用广泛。（2）叶片。是水流能量转换的主要部件，呈空间扭曲状，断面为翼型，悬臂固定在转轮体上，根据工作水头大小，轴流式水轮机的叶片数目一般为3～8片。转轮叶片由叶片本体和枢轴两部分组成。对于尺寸大的转轮，通常把叶片本体和枢轴分开成两部分，这样有利于铸造、加工和安装检修，也便于生产过程两部分采用不同的材料和加工方法。图2-4轴流转桨式水轮机转轮1-外油管；2-内油管；3-溢油管；4-主轴法兰连接螺栓；5-活塞；6-活塞环；7-轮毂；8-泄水锥连接螺栓；9-放油阀；10-密封；11-叶片枢轴；12-卡环；13-圆柱销；14-转臂；15-销轴；16-连杆；17-键；18-操作架；19-分半卡环；20-端盖；21-泄水锥；22-螺栓；23-导向键；24-圆销水轮机及辅助设备情景24（3）叶片操作机构。叶片操作机构安装在转轮体内，它是由调速器来控制的，其作用是用来改变叶片的转角，使之与导叶开度相适应，即协联关系，从而保证水轮机效率在任一工况下变化不大。叶片操作机构的型式很多，常见的有带操作架和不带操作架两种操作机构，带操作架的又有直连杆和斜连杆两种形式。利用一个操作架同时转动所有叶片的，称为带操作架操作机构。如图2-5所示，带操作架操作机构由转轮接力器、操作轴、操作架、连杆、转臂等组成，其工作过程是，当压力油进入接力器活塞8的上腔时，便推动活塞下移，操作轴9随活塞一起下移，同时带动操作架7向下运动，与操作架相连的各连杆6也向下移动，连杆拉着转臂5顺时针转动，由于转臂和叶片转轴2固定在一起，所以转轴2连带叶片1就顺时针转动，使叶片转角加大。反之，当压力油进入接力器活塞8的下腔时，活塞向上移动，叶片逆时针转动，叶片转角减小。（4）泄水锥。泄水锥的外形尺寸由模型试验给定，中小型机组大多采用ZG270-500铸造；大型机组则多采用钢板焊接，根据结构和制造的需要，还可把泄水锥分成二节。图2-6所示为泄水锥与转轮体的连接结构，在泄水锥体上部周圈开有槽口，用螺钉将泄水锥5与转轮体1联接，螺钉头应和锥体点焊防松，装配后槽口外壁用护板4封焊。2．轴流式水轮机转轮的结构型式轴流式转轮分定桨式和转桨式两种。轴流转桨式转轮由于需要保证转轮叶片转角随负荷的变化与导水机构保持协联动作，因而结构比较复杂。轴流定桨式转轮结构相对简单且容易制造。结构型式常见的有整体铸造、铸焊和组合结构三种。整体铸造是指将叶片直接铸造在转轮体上。如图2-7左侧所示，这种转轮结构简单，适用于D1＜60cm的小型机组。铸焊结构是指转轮体和叶片分别铸造、加工，132图2-7轴流定桨式转轮结构1-整体铸造转轮；2-铸焊转轮叶片；3-泄水锥41235图2-6泄水锥连接结构1-转轮体；2-螺钉；3-保险垫；4-护盖；5-泄水锥图2-5叶片操作机构示意图1-叶片；2-叶片转轴；3、4-轴承；5-转臂；6-连杆；7-操作架；8-接力器活塞；9-操作轴水轮机及辅助设备情景25然后再将叶片焊接在转轮体上，如图2-7右侧所示。这种结构能够保证叶片型线准确并合理利用材料，因而应用广泛。组合结构是指转轮和叶片分别铸造，加工后用卡环或螺纹等机械连接方法固定在转轮体上。在转轮体与叶片连接法兰面上，设计若干定位销孔，随运行工况的季节性变化，可以停机后人工调整定位销位置，保证叶片有若干个与运行工况大致相适应的装置角度。这种结构适用于大中型的轴流定桨式转轮。2.2.水轮机导水机构2.2.1导水机构的型式反击式水轮机导水机构的作用是形成和改变进入转轮水流的环量，保证水轮机具有良好的水力特性，调节水轮机流量，改变机组出力，机组停机时，用于截断水流。水轮机导水机构按其导叶轴线布置可分为三种型式。（1）圆柱式导水机构。如图2-8所示为导叶轴线布置在圆柱面的结构示意图。这种结构的导水机构制造方便，能保证水轮机有足够高的效率，因而获得了广泛采用。（2）径向式导水机构。如图2-9所示为导叶轴线与机组轴线垂直的径向式导水机构示意图，这种导水机构一般用于贯流式水轮机中。(a)(b)图2-8圆柱式导水机构1-顶盖；2-套筒；3-止推压板；4-连接板；5-导叶臂；6-端盖；7-调节螺钉；8-分半键；9-剪断销；10-连杆；11-推拉杆；12-控制环；13-支座；14-底环；15-导叶水轮机及辅助设备情景26（3）圆锥式导水机构。如图2-10所示为导叶轴线与水轮机轴线成一锥角布置的圆锥式导水机构示意图。由于导叶布置在圆锥面上，所以结构和制造都比较复杂，一般应用于灯泡式或斜流式水轮机上。2.2.2导水机构的组成目前在混流式和轴流式水轮机中，普遍采用圆柱式导水机构，如图2-8所示。它位于蜗壳座环内圈，主要组成部分有顶盖、底环、控制环、导叶、导叶套筒、导叶传动机构（包括导叶臂、连杆、连接板）和接力器等部件组成。导水机构的工作原理，如图2-11所示。图中示出两个直缸式接力器的工作情况，图示所在位置是导叶正处于中间开度，当接力器腔体内接受调速器系统送来的压力油后，便可控制接力器的推拉杆，改变导叶的开度，达到调节流量的目的。1．导叶结构（1）导叶。导叶是导水机构的主要组成部件，均匀分布于转轮的外围、底环和顶盖之间。导叶的断面形状为翼型，首端较厚，尾端较薄，这样即可以保证强度又可以减少水力损失。导叶一般由导叶体和导叶轴组成，有三种结构型式：第一种是整体铸造，如图2-12(a)所示，为了减轻导叶重量，通常做成中空导叶，壁厚由强度计算或铸造工艺可行性确定。第二种是铸焊导叶，如图2-12(b)所示，导叶体和轴分别铸，然后再焊接在一起。第三种是焊接导叶，如图2-12(c)所示，导叶体都用钢板压制后，再焊接成型，最后与导叶轴焊成整体。铸造导叶材料一般采用ZG270-500或ZG20SiMn；焊接导叶一般用钢板制造，对中、高水头的电站，导图2-9径向式导水机构图2-10圆锥式导水机构图2-11导水机构工作原理图1-导叶；2-导叶臂；3-连杆；4-控制环；5-接力器水轮机及辅助设备情景27叶可采用尾部铺焊不锈钢材料，提高抗空蚀能力。对于含泥沙量较大的电站，还可在导叶头部堆焊抗磨材料。（2）导叶密封结构。机组停机时导水机构必须封水严密，否则会因泄漏造成间隙空蚀，严重时会造成无法停机或调相机组压水失败。泄漏主要在导叶立面间隙和导叶端面间隙两处。导叶的立面间隙是导叶关闭后，导叶头部与相邻导叶尾部接触面间形成的间隙；导叶端面间隙是指导叶上端面与顶盖之间及导叶下端面与底环之间的间隙。