水轮机及辅助设备 情景2
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
1叶片并与下环形成过流通道。上冠的上部中央23为均布有数个螺孔的上冠法兰，用以连接主轴；
4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65螺母定位、键传力矩来获得固定连接。在上冠7 中心开有中心孔用以减轻重量并作为轴心补气
图2-1 混流式转轮 通道，消除转轮内真空。在上冠法兰外围四周
1-减压装置；2、6-止漏环；3-上冠； 开有若干个泄水孔，并装有减压装置，以减小
4-叶片；5-泄水锥；7-下环 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
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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。 123112431124213432124 2 (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) D1
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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。 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 （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。 3
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（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。 12345 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 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 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2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。1结构型式常见的有整体铸造、铸焊和组合结构三种。 3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，适用于图2-7 轴流定桨式转轮结构 D1＜60cm的小型机组。 1-整体铸造转轮； 铸焊结构是指转轮体和叶片分别铸造、加工，2-铸焊转轮叶片；3-泄水锥 4
