水轮机的基本组成结构

水轮机

一、水轮机的基本参数

1)工作水头（H）:水轮机的工作水头就是指水轮机的进、出口单位

能量差，也就是上游水位与下游水位之差，用H表示，其单位为m。其大小表示水轮机利用水流单位能量的多少。

2)流量（Q）：在单位时间内流经水轮机的水量，称为流量，用Q表

示，其单位为m3/s。其大小表示水轮机利用水流能量的多少

3)出力（P）：具有一定水头和流量的水流通过水轮机便做功，而在

单位时间内所做的功率称为水轮机的出力，用P表示，其单位KW。

水轮机的出力为：P=9.81QH

4）效率（η）目前混流式水轮机的最高效率95%

P=9.81QHη

5）比转速指工作水头H为1m、发出的功率P为1kw时水轮机所具有的转速，故称为比转速。

二、水轮机的类型与代号

我们根据水流能量的转换的特征不同，把水轮机分为两大类，及反击型和冲击型水轮机。

反击型水轮机，具有一定位能的水流主要以压能的形态，由水轮机转变为机械能。按其水流经过转轮的方向不同，反击型水轮机可分为以下几种类型：

反击型：轴流（定桨、转桨）水轮机、混流式水轮机、贯流式水轮机、斜流式水轮机

冲击型：水流不充满过流流道，而是在大气压力下工作，水流全部以动能形态由转轮变为机械能。按射流冲击水斗的方式不同，可分为如下几种类型：

冲击型：水斗式水轮机、斜击式水轮机、双击式水轮机

我国水轮机式的代号，有三部分组成，第一部分由水轮机型式及转轮型号组成,并由汉语拼音表示。

水轮机型式的代号

水轮机型式代号水轮机型式代号

混流式HL 轴流转桨式ZZ

斜流式XL 轴流定桨式ZD

双击式SJ 贯流转桨式GZ

斜击式XJ 贯流定桨式GD

冲击式CJ

以本电站为例：水轮机型号：HL(247)—LJ—235，表示混流式水轮机，转轮型号为247，立轴，金属蜗壳，转轮直径为235㎝。三、混流式水轮机

1定义：水流从径向流入转轮，在转轮中改变方向后从轴向流出的水轮机。其叶片固定，不能转动调节。

2 混流式水轮机 - 结构特点

混流式水轮机主要应用于20—450米的中水头电厂，

其结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前

世界各国广泛采用的水轮机型式之一。

当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向进入、轴向流出，所以也称为辐向轴流式水轮机。

水流流经转轮是径向式的，导出机构为径向式的，导叶开度可随负荷的改变而进行调节，转轮是由上冠、下环及固定在其中间的一定数量流线型叶片所组成。混流式水轮机，水流从四周径向流入转轮，然后近似轴向流出转轮，转轮由上冠，下环和叶片组成。

3、混流式水轮机的组成：引水部件、导水部件、泄水部件、工作部件

1）引水部件：蜗壳式、明槽式、虹吸式

引水部件作用

①以最小的水力损失把水引向导水部件，从而提高水轮机的效率，尽可能保证沿导水部件周围进水流量均匀，水流对称于轴，以使转轮受力均衡，提高工作的稳定性。

②在水进入导水部件一起使水流形成一定的环量。

③保证转轮在水中工作，不与大气接触。

2）导水部件：导叶、顶盖、底环、导叶、导叶臂、连杆、控制环、接力器等部件组成。

①调节流量

②形成环量

③截断水流

导叶：由导叶体和导叶轴两部分组成。为减轻导叶重量，常做成中空导叶。导叶的断面形状为翼型。导叶轴颈通常比连接处的导叶体厚度大，在连接处采用均匀圆滑过渡形状，以避免应力集中。

导叶轴承：上、中、下轴套，高水头机组为防止导叶上浮力超过导叶自重，保证导叶上端面间隙，在导叶套筒的法兰上一般设有止推装置（止推压板或止推块）。

导叶传动机构：导叶传动机构由控制环、连杆、导叶臂三部分组成，用于传递接力器操作力矩，使导叶转动，调节水轮机流量。该机构形式有叉头式受力情况较好和耳柄式受力情况相对较差。

控制环控制环结构形式双耳平行式

导水机构安全装置：安装导水机构安全装置的目的：及时切除被卡导叶，避免因个别导叶被卡而损坏其它传动机构主要零部件。

剪断销：使用最多的导水机构安全装置，在剪断销上加工一个危险断面，在正常操作力作用下，剪断销能正常工作，当超过正常操作力1.5倍时，剪断销连同装在其中的信号装置在危险断面破断并发出信号，被卡导叶从传动机构中解列。在机组顶盖上还设有限位块，其作用是：防止导叶发生正反向旋转而超出全关和最大可能开度的范围。（可能造成剪断销连锁破断事故）

导水机构切断水流：当停机时，导叶首尾相连，切断水流。但导叶上、下断面和顶盖、底环处存在着端面间隙，导叶首尾相接处会有立面间隙。这些间隙会产生停机漏水损失；还会产生间隙汽蚀破坏。间隙较大漏水严重时，甚至可使机组停不下来。为此需要设法减小这些间隙，也是机组检修计划的一个必不可少的项目。

立面间隙的调整方法：通过调整导叶传动装置的补偿环（调整螺杆）。端面间隙的调整方法：通过导叶轴颈端盖上的调节螺钉。

接力器：接力器的基本部件:接力器缸和活塞

活塞把接力器缸分成了开启腔和关闭腔。（单导管直缸接力器）

在导水机构快速关闭时，为避免活塞与缸盖发生撞击，在活塞上装有三角形封油块，封油块与缸体油口相对应，当活塞块逐渐遮住部分出油口，形成排油截流，起缓冲作用。

3）工作部件：转轮

工作部件的作用：

它是水轮机的心脏，是实现能量转换的主要部件。

是实现能量转换

4）泄水部件：尾水管

尾水管的主要作用有三点：

1)把转轮出口的水流引向下游。

2)当转轮高于下游水位时，使转轮出口形成静力真空，从而利用高

于下游水面的吸出高度。

3)尾水管的扩散使转轮出口处的水流动能恢复为动力真空，从而提

高水轮机的效率。

四、混流式水轮机主要部件

蜗壳、顶盖、座环、尾水管、底环、控制环、导叶（活动、固定）、转轮、主轴、止漏环（迷宫环）剪断销、拐臂、真空破坏阀等。

机的转轮上部与主轴相连接，四周布满导叶。导叶的上部通过传动机构与控制环（调速环）相连，下部套在底环内，而底环布置在座环的下环内。顶盖安放在座环的上环上，盖住转轮。固定导叶布置在

导水叶外围，座环的蝶形边与蜗壳相连，并被蜗壳包围。导轴承位于顶盖上，控制环口通过推拉环与接力器相连。在座环下发布置有基础环，通过锥形环与尾水管相连。混流式水轮机附属装置还有布置在顶盖上的真空破坏阀、吸力补气阀和放水阀等。

水轮机的导水机构是有导叶、传动机构（转臂、连杆、控制环）、接力器、和推拉杆等组成。

水轮机的底环是由上环、下环、和固定导叶三部分组成，它既是

水轮机的通水部件，机组安装时的基准部件，又是机组运行的承重部件。要求具有水力损失小，具有一定的强度和刚度。

混流式水轮机的转轮主要由上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥和减压装置等组成。

水轮机的转轮包括转体、叶片、泄水锥等。

立轴混流式水轮机引水室采用金属焊接蜗壳，其进口与压力水管相连接，其余各节与座环相连。为了便与检修，在蜗壳上开有专门进人孔（蜗壳人孔门），其底部并有排水孔和阀门，以便排出蜗壳积水。

座环位于蜗壳里，布置导水机构，它是水轮机的承重部分，又是过流部件在安装时它还是一个主要基准件，因此它要符合水力，强度

和刚强等诸方面的要求。

基础环埋在混凝土内，是转轮室的组成部分，早机组安装和检修拆卸转轮时，用来支撑水轮机转轮。混流式转轮上叶片（24），呈空间扭曲状，断面为流线型，是直接将谁能转换为机械能的最主要部件。止漏装置

止漏装置的作用是用来减小转动部分与固定部分之间的漏水损失。止漏装置分为固定部分和转动部分，为防止水流向上和向下漏出，水轮机上一般装有上、下两道止漏环。上止漏环固定部分装在顶盖上，其转动部分装在上冠上，下止漏环的固定部分一般装在底环上，转动部分装在转轮的下环上。目前广泛采用的止漏环结构型式有间隙式，迷宫式，梳齿式和阶梯式四种，如图所示。

（止漏装置型式）

(d阶梯式迷宫

)

(a间隙式；)(b迷宫式；)(c梳齿式；)

止漏环又称迷宫环，作用是阻止水流从转轮上、下间隙处漏出，分转动和固定部分。止漏环是个易损件，结构上要求易于装卸、检修，选用抗磨损和抗空蚀的材料。

减压装置的作用是降低轴向水推力，以减轻推力轴承的荷载，其上冠开有泄水孔，起排水减压的作用。

蜗壳的作用：

水轮机导轴承的作用：一是承受机组在各种工况下运行时由主轴传来的径向力（主要由转动部分的重复不平衡，水流经过转轮时的水力不平衡以及由尾水管的振动引起。），二是维持以调好的机组轴线位置，提高机组运行的稳定性。

导轴承是水轮机的重要组成部分，它的工作质量直接影响水轮机的运行。导轴承常见的问题有：轴承过热，严重时会烧瓦；其次是轴承磨损，使轴瓦间隙增大，导致水轮机振动和摆度加大，影响运行质量缩短轴承寿命。

主轴密封装置可以保证导轴承正常工作，在稀油导轴承下部布置主轴密封装置，防止压力水从旋转的主轴渗入导轴承。主轴密封装置分为运行密封和检修密封（空气尾带）两类。

①运行密封根据结构形式分为有盘根密封、橡胶平板密封，断面密封、径向密封、和水泵密封。

②检修密封是在轴承检修或停机时，对主轴进行密封，其结构形式有机械式、空气围带式和抬机式密封。

抬机是指当水轮机导叶突然关闭后，尾水管内瞬间形成真空，造成负水锤，使尾水回流，鼓破水轮机顶盖的严重事故。为了防止抬机现象发生，在水轮机顶盖上装了真空破坏阀，用来破坏真空。

真空破坏阀装置，布置在顶盖上，其作用是在水轮机紧急关闭，顶盖下部产生真空时，补充空气，破坏真空，以免从尾水倒流回的水流，将使水轮机抬起，造成抬机事故。

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

渲泄，防止水流相互撞击，以减少水力损失，提高水轮机效率。五、概述混流式水轮机工作原理：

蜗壳位于最外层，从四周包围着座环，并与座环的上、下环相连接。座环、上下环间均匀分布着能承重的固定导叶个。顶盖放置在座环的上环内法兰上，座环放置在下环法兰上。顶盖和座环上下相对构成环形过流通道。通道内均匀分布着个活动导叶，以调节流量。活动导叶下轴颈放置在底环预留的轴孔中，活动导叶上半段轴穿过顶盖预

留轴孔，与顶盖上面导叶传动机构相连接。座环下端通过基础环（底环）与尾水管上端相连接。顶盖之下，尾水管之上是转轮，转轮周围被活动导叶所包围。

主轴的下端与转轮相连接，上端与发电机转子主轴相连接，它把水轮机转轮和发电机转子连接成水轮发电机组转动部分整体。在顶盖上设置轴承座，其上装有水导轴承，抱在主轴外面，给水轮机转动部分，轴心线定位。在顶盖中心轴孔与主轴之间的间隙处设有密封装置，防止间隙大量漏水淹没导轴承。在顶盖上放置着导叶传动操纵机构，接力器推拉杆操纵控制环、连杆、导叶臂、导叶轴之间依次相连，使导叶动作。

水轮机的能量损失和效能

水轮机是一种将水的动能转换为机械能，这种能量的转换，是由于水流和水轮机相互的结果，但水能不能全部有效地转化为机械能传给发电机，这是因为任何机械运动都有摩擦等损失。它对能量转换无效的，一般称为能量损失，而转换过来的部分是有效的，能量被有效利用的程度通常称为效率。能量有效利用的程度越高，则效率也越高，能量也就越小。

容积损失

水轮机的损失：水力损失

机械损失

能量损失

容积损失：在反击式水轮机中，进入转轮的流量Q，其中有一部分漏水量未被有效利用而损失掉了，这部分损失称为容积损失。

水力损失：水轮机工作时，水流要流经引水部分、导水部分、转轮和尾水管等过流部件，水流变产生木摩擦、撞击、漩涡、和脱流等损失。这些情况所引起的水头损失，称为水力损失。（水力损失的大小与水流的速度、过流部件的形状和表面的粗糙度及水流的流态等有关。沿程摩擦损失是不可避免的，局部撞击、漩涡和脱流等造成的损失，则与过流部件的形状有关，过流部件越符合流线形状，则局部损失越小。所以要提高水轮机的水力效率，就应尽可能减少过流部件的水力损失，如降低水流速度，使过流部件表面光滑，以减少摩擦面积，过流部件形状制成流线形以避免撞击和脱流等局部措施。）机械损失：转动部件与固定部件或水间的摩擦损失，称为机械摩擦损失或机械损失。

水轮机的飞逸特性

水轮发电机在运行中因机组故障等突然甩去全部负荷，发电机输出功率为零，此时如水轮机转速迅速升高。当输入的水流能量与转速升高时产生的机械摩擦损失能量相平衡时，转速达到一定某一稳定最大值，这个转速称为水轮机的飞逸转速。

飞逸转速对水轮发电机组是很危险的。如不采取措施，强大的离心力可能损害机组转动部件或轴承系统，或引起机组剧烈振动，因此，水力机组的强度应能承受飞逸转速。目前采用的防止飞逸转速的方法主要是用来截断水流的办法降低飞逸转速。

截断水轮机水流：

①装快速闸门：在水轮机前装有快速闸门，他兼做机组飞逸时的保护装置，因为一般的机组经10—40S就能达到飞逸转速，而快速闸门的关闭时间为2—3分钟。由于水轮机一般保证机组飞逸时间不超过5分钟，所以快速闸门可以起到保护作用。

②蝶阀

③采用事故配压阀：在调速器中装事故配压阀和过速限制器，在调速器失灵时，事故配压阀和过速限制器动作，快速关闭导水机构（一般时间不超过12S），这种方法目前在我国应用广泛。

事故配压阀：机组正常运行行时事故配压阀仅作为压力油的通道，使调速器主配压阀与接力器的管道接通；当机组甩负荷又遇调速系统故障时，事故配压阀动作，切断主配压阀与接力器的联系，而直接把压力油从油压装置接入接力器，使接力器迅速关闭，实现机组紧急停机，以缩短机组过速时间，起到对水轮机的保护作用。

水轮机的异常运行

1)轴承油位过高；

2)轴承油位过低；

3)轴承温度升高；

4)空气冷却器温度升高；

5)机组运行中冷却水中断；

6)油压装置备用泵启动；

7)压油槽油面降低或升高；

8)漏油箱油位升高；

9)顶盖水位过高；

10)水轮机运行中摆度增大；

概述混流式水轮机工作原理：

蜗壳位于最外层，从四周包围着座环，并与座环的上、下环相连接。座环、上下环间均匀分布着能承重的固定导叶20个。顶盖放置在座环的上环内法兰上，座环放置在下环法兰上。顶盖和座环上下相对构成环形过流通道。通道内均匀分布着20个活动导叶，以调节流量。活动导叶下轴颈放置在底环预留的轴孔中，活动导叶上半段轴穿过顶盖预留轴孔，与顶盖上面导叶传动机构相连接。座环下端通过基础环（底环）与尾水管上端相连接。顶盖之下，尾水管之上是转轮，转轮周围被活动导叶所包围。

主轴的下端与转轮相连接，上端与发电机转子主轴相连接，它把水轮机转轮和发电机转子连接成水轮发电机组转动部分整体。在顶盖上设置轴承座，其上装有水导轴承，抱在主轴外面，给水轮机转动部分，轴心线定位。在顶盖中心轴孔与主轴之间的间隙处设有密封装置，防止间隙大量漏水淹没导轴承。在顶盖上放置着导叶传动操纵机构，接力器推拉杆操纵控制环、连杆、导叶臂、导叶轴之间依次相连，使导叶动作。