第二章 水轮机结构

能源动力工程学院何宝海第二章反击式水轮机结构第一节概述第二节混流式水轮机转轮的结构第三节轴流式水轮机转轮的的结构第四节主轴、轴承及主轴密封第五节反击式水轮机引水部件第六节反击式水轮机的导水机构第七节水轮机的附属设备第八节反击式水轮机尾水管第九节典型结构能源动力工程学院何宝海第一节概述目前,在水力发电行业应用最为普遍的是反击式水轮机，特别是混流式和轴流式两种。混流式水轮机结构简单，制造较容易，造价低，安装检修方便，运行可靠。轴流式水轮机以转桨式应用最多，它的主要特点是平均效率比混流式高，在负荷和水头变化时效率变化不大，因此它适用于水头和负荷变化都比较大的电站。能源动力工程学院何宝海第一节概述混流式和轴流转桨式水轮机的结构，按照装配系统分为六大部分：1.埋入部分：包括蜗壳、座环、尾水管、机坑里衬、基础环、转轮室等。2.导水机构：包括底环、顶盖、导叶及其传动机构、控制环、支持盖等。3.转动部分：包括转轮、主轴、轴承、密封、受油器等。4.辅助部分：包括接力器、真空破坏阀、补气阀、漏油箱、排水装置等。5.布置部分：包括调速器油管路和回复机构、机坑内的水、气管路。6.工具部分：包括工具、备件等。能源动力工程学院何宝海第二节混流式水轮机转轮的结构一、混流式水轮机转轮的组成二、混流式水轮机转轮的结构形式能源动力工程学院何宝海一、混流式水轮机转轮的组成右图为不同比转速的混流式水轮机轴面投影。比转速（ns）不同，转轮形状不同。一般来说，水轮机适应水头愈高，它的比速愈低。转轮的轴向尺寸越小。能源动力工程学院何宝海中高比速混流式水轮机能源动力工程学院何宝海低比速混流式水轮机能源动力工程学院何宝海混流式水轮机转轮的组成1.上冠2.下环3.叶片4.泄水锥5.止漏装置6.减压装置比速不同的混流式水轮机，虽然形状不尽相同，但其组成（见下图）基本相同，主要由以下六部分组成。能源动力工程学院何宝海1.上冠转轮上冠：用来实现与主轴的锥度配合和连接。转轮上冠除了具有支承叶片的作用外，还与下环一起构成过流通道。上冠形似圆锥体，其上部中间为上冠法兰，此法兰的上面与主轴相连；上冠下面固定泄水锥；在上冠的锥面上固定有均匀分布的叶片；在上冠法兰的外围开有几个减压孔，在其外侧面装有减压装置；上冠外缘装有上转动止漏环。上冠型线的形状对转轮的性能影响较大（直线形和曲线形）。2.下环下环：固定叶片下端，上冠、叶片、下环一起构成具有一定强度和刚度的转轮整体。对转轮性能影响较大的是其形状（扩散角）。能源动力工程学院何宝海3.叶片叶片：将水能转换成机械能。叶片呈空间扭曲型，一般断面形状为翼形，叶片数目为14-19片。叶片断面形状和叶片数目对转轮的水力性能和强度有显著的影响。4.泄水锥泄水锥：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。其外形呈倒锥体。它的结构型式有铸造和钢板焊接两种。里面空心，下面开口，以便排除通过止漏环的漏水及橡胶导轴承的润滑水（有的转轮将泄水控开在泄水锥的外侧），还作为主轴的中心补气和有的转轮的顶盖补气通道之用。泄水锥的形状和尺寸直接影响水轮机的效率和运行的稳定性。能源动力工程学院何宝海5.止漏装置止漏环：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。工作原理是使水流在该处受到很大的局部阻力而不易通过。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。能源动力工程学院何宝海止漏装置的形式迷宫式：在迷宫环的面上车制了迷宫槽,间隙等于0.0005D1。止漏效果好，但抗磨性能差。一般应用于H200m、水质清洁的电站。梳齿式：转动部分与固定部分呈犬牙交错配合。止漏效果好，但抗磨性能差。常与缝隙式配合使用，要求水平安放间隙不要小于1mm（稳定性）。同心度不易保证，间隙不易测量，安装不方便一般应用于H200m、水质清洁的电站。阶梯式：具有迷宫和梳齿式的优点，止漏效果好，止漏环与转轮的同心度好，安装测量比较方便。间隙式：它的转动和固定止漏环的环形面均为平面，间隙大于等于0.001D1抗磨性能好，但止漏效果差，一般应用于H200m、水中泥沙含量较大的电站。能源动力工程学院何宝海6.减压装置减压装置：用来减小作用在转轮上的轴向水推力，常用的减压装置有以下两种型式。1.均压管与泄水孔式：2.减压板与泄水孔式：注意此处间隙的标示！减压板与泄水孔式：均压管与泄水孔式能源动力工程学院何宝海二、混流式水轮机转轮的结构形式由于混流式水轮机的应用水头和尺寸大小不同，转轮的构造型式，制作材料及加工方法均不同。混流式转轮的结构型式主要是指上冠，叶片和下环三部分的构造型式，基本上分为整铸转轮，铸焊转轮，组合转轮三种。(1)整铸转轮整铸转轮是指上冠，叶片和下环整体铸造而成的转轮，这种结构在中小型机组中广泛采用。对高水头的水轮机转轮，为提高其强度和抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的性能，采用了不锈钢材料。有些采用普通碳钢的转轮，在其容易空蚀和磨损的过流部位，例如在叶片表面和下环内侧，堆焊抗空蚀耐磨损的材料。当尺寸转轮不大时，采用整铸可缩短生产周期，降低成本，且有足够的强度。缺点是容易产生铸造缺陷，铸造质量不易保证，尤其当转轮尺寸大时，对铸造设备要求高。能源动力工程学院何宝海(2)铸焊转轮转轮的上冠、叶片和下环三部分单独铸造后，再组焊成整体。这种焊接结构具有良好的技术经济效果，使用不同的钢种，既提供了转轮的抗空蚀能力，又节省了镍铬等贵金属。铸焊结构转轮，由于铸件小，形状较简单，容易保证铸造质量，同时降低了对铸造能力的要求。但铸焊结构转轮在组焊时焊接工作量大，对焊接工艺要求高，要确保每条焊缝的质量，避免和消除焊接温度应力等。大型混流式转轮除采用手工焊外，还采用叶片与上冠电渣焊、下环与叶片手工焊的结构型式。目前已成功地制成了叶片与上冠、下环全部采用管极熔嘴全电渣焊的大型转轮。能源动力工程学院何宝海(3）组合转轮1—组合螺栓；2—组合定位螺栓；3定位销；4—下部分剖面；5—上部分剖面；6—临时组合发兰；7—下环分瓣面当转轮直径大于5.5m或高于2.3m时，因受铁路运输的限制，或因铸造能力不足，必须把转轮分半制作，运到现场再组合成整体。根据转轮各部分的组合连接方式不同，也分几种型式。我国主要采用上冠螺栓连接、下环焊接结构，在上冠连接处有轴向和径向的定位销。能源动力工程学院何宝海第三节轴流式水轮机转轮的的结构轴流转桨式水轮机的转轮由转轮体、叶片、叶片操作机构、叶片密封装置、泄水锥等组成。高水头轴流式水轮机转轮低水头轴流式水轮机转轮能源动力工程学院何宝海尼尔基电厂水轮机转轮体能源动力工程学院何宝海一、转轮体转轮体的外形有圆柱形和球形两种。圆柱形转轮体其形状简单，同时水力条件和空蚀性能均比球形转轮体好，但效率低。小型水轮机转轮，定桨式水轮机转轮一般都采用圆柱形转轮体。大中型转桨式水轮机的转轮体多数采用球形，它能使转轮体与叶片内缘之间的间隙在各种转角下都比较小，以使漏水损失最小。另外环形转轮体增大了放置叶片处的轮毂直径，有利于操作机构的布置。思考：两种形状转轮体的比较。提示：从水力性能、空蚀性能、叶片操作机构的布置方面。转轮体与叶片内缘之间的间隙是根据叶片在最大转角时的位置来确定的。能源动力工程学院何宝海二、叶片轴流式转轮叶片由叶片本体和枢轴两部分组成。对于尺寸较小的水轮机，一般采用整体轴，因为这样可以减少零件数目，铸造、加工、安装的困难也不大。但当水轮机尺寸大时，采用分体结构比较有利。这是因为：(1)分成叶片本体和枢轴两部分，每一部分的重量和尺寸都减少了，对于铸造，加工和安装都带来方便。(2)因为叶片易受空蚀损坏，分开的结构可单独地拆卸某个叶片进行检修。(3)分开的结构有可能对两个部件采用不同的材料，但转轮的强度有所削弱，这一缺点对于高水头的转轮尤为重要。分件式叶片，法兰和枢轴的外径都要比整体时大。水头高，叶片数目多，为了布置叶片，枢轴和转臂的连接螺钉转轮体尺寸要求。叶片与枢轴整体叶片与枢轴用螺栓连接能源动力工程学院何宝海三、叶片操作机构叶片操作机构由接力器、活塞杆、曲柄连杆机构等零件构成，安装在转轮体内，用来变更叶片的转角，使其与导叶开度相适应，从而保证水轮机运行在效率较高的区域，叶片操作机构是由调速器进行自动控制的。根据接力器布置方式不同，叶片操作机构的形式很多1.带操作架传动的直连杆机构。2.带操作架的斜连杆机构。3.不带操作架的直连杆机构。带操作架传动的直连杆机构能源动力工程学院何宝海转轮接力器结构能源动力工程学院何宝海2.型橡胶环双向密封，结构简单，安装方便，更换密封不需要拆卸叶片，优点较多。在贯流机组上应用较多。3.联合密封结构。运行实践表明，密封性能良好，无漏油和返水现象。四、叶片密封装置VX和转轮体内的油具有一定的压力：（回油要求；离心力）转轮体外是高压水流。作用：1.防止转轮体内部的油向外渗漏。2.防止水流进入转轮体内部。型式：1.“”型转轮叶片密封结构。通过试验和运行表明，它具有良好的密封性能、结构紧凑、制造和装拆方便。VV能源动力工程学院何宝海密封结构VX和能源动力工程学院何宝海五、泄水锥1—转轮体；2—螺钉；3—保险垫圈；4—护盖；5—泄水锥图示为转轮体和泄水锥的一种连接结构。泄水锥上部周围开有带筋的槽口，用螺钉把合，除加保险垫圈外，装配后螺幅还应和锥体点焊，防止机组在运行中泄水锥脱落。能源动力工程学院何宝海第四节主轴、轴承及主轴密封一、主轴1.主轴的型式：单法兰主轴、双法兰。2.主轴的连接：无法兰主轴和单法兰主轴与转轮的连接，采用锥度配合、用键传递转矩的方式，另一端通常采用连轴器连接的方式。主轴与上冠法兰连接方式有两种：精致螺栓连接和健传递转矩的连接。主轴：将转轮所获得的转矩传递给发电机轴，使发电机转子旋转，同时还要承受轴向水压力及转动部分的重量。能源动力工程学院何宝海主轴的型式（1）单法兰主轴单法兰主轴与转轮的连接能源动力工程学院何宝海主轴的型式（2）双法兰主轴能源动力工程学院何宝海主轴与转轮的连接双法兰主轴与转轮的连接能源动力工程学院何宝海二、轴承作用：承受主轴传来的径向力。引起径向力的因素：1.转动部分不平衡；2.转轮内的水力不平衡；3.尾水管内的压力脉动；4.电磁不平衡。要求：为保证水轮机运行的稳定性，其安装位置尽可能地靠近转轮。常见故障：轴瓦磨损、瓦温过高。能源动力工程学院何宝海（一）、轴承的形式按轴瓦材料分：橡胶瓦导轴承金属瓦导轴承按润滑方式分：水润滑导轴承油润滑导轴承（干油、稀油）按轴承形状分：筒式瓦导轴承分块瓦导轴承水润滑橡胶筒式瓦导轴承稀油润滑筒式瓦导轴承稀油润滑分块瓦导轴承能源动力工程学院何宝海（二）、水润滑橡胶瓦导轴承优点：结构简单，制造安装方便，成本低，安装位置低。缺点：对水质要求高（泥沙、油），导热性差，易老化。能源动力工程学院何宝海（三）、稀油润滑筒式瓦导轴承优点：结构简单，布置紧凑，寿命长。缺点：安装检修时刮瓦和调间隙困难，运行时易发生甩油等。能源动力工程学院何宝海（四）、稀油润滑分块式瓦导轴承优点：瓦面间隙调整方便，轴瓦块有自调节能力，受力均匀，润滑条件好。部件尺寸小，制造安装方便。缺点：轴领加工成本高，价格稍贵。能源动力工程学院何宝海三、主轴密封工作密封：正常运行时使用。检修密封：下游水位较高的电站设置，检修时使用。（一）、工作密封1.橡胶平板密封2.机械断面密封3.液压断面密封能源动力工程学院何宝海橡胶平板密封单层橡胶平板密封双层层橡胶平板密封优点：结构简单，密封性能好，能自动封闭磨损产生的间隙。缺点：轴向振动大的机组，密封效果差，抬机时漏水量增大。能源动力工程学院何宝海机械端面密封机械端面密封缺点：弹簧制造质量要求高，要有防锈措施；滑动架容易发卡。能源动力工程学院何宝海端面水压密封滑动架改为由水压驱动的“门”或U“型橡胶圈。水有驱动橡胶圈和冷却、润滑密封面双重作用。优