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学习情境2解剖水轮机学习情境2解剖水轮机•工作任务1.HL式水轮机的解剖2.ZL式水轮机的解剖3.GL式水轮机的解剖4.CJ式水轮机的解剖•职业能力水轮机的几大构件1.掌握HL式水轮机的构造，并熟知各部件功能2.掌握ZL式水轮机的构造，并熟知各部件功能3.掌握GL式水轮机的构造，并熟知各部件功能4.了解CJ式水轮机的构造，并了解各部件功能学习情境2解剖水轮机•知识要求1.水轮机的组成结构及各组成部件功能2.导水机构及叶片传动机构的动作原理技能与态度要求•技能要求：1.熟悉水轮机装配工艺2.熟练导水机构的拆装调整3.熟悉HL式水轮机转轮装配4.熟悉GL式水轮机装配工序5.清楚ZZ式水轮机装配工序•态度要求：能独立学习和工作，能够进行交流，具有团队合作精神和职业道德学习情境2解剖水轮机•项目一：混流式水轮机的基本结构一、概述•混流式水轮机亦称幅轴流式水轮机、法兰西斯(Francis)式水轮机。•对转轮而言水流径向流入轴向流出，故称之为混流式水轮机。•其应用水头范围很广，从20~700m水头均可使用。•它结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率和较低的空蚀系数。反击式水轮机通常由四（五）大部分组成蜗壳（座环）导水机构转轮尾水管这四（五）大部分对于不同类型的水轮机各不完全相同，有着自身的特点。见图5-1的混流式水轮机为例介绍其结构（剖到局部的金属蜗壳）混流式水轮机的基本构造HL200-LJ-550水轮机剖面图图5-1HL200-LJ-550水轮机剖面图（高程单位：m，尺寸单位：mm）1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉；7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠；10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承；18—泄水锥；19a,19b—上，下迷宫环；a—坐环上环；b—坐环下环；20—连接螺栓蜗壳的作用主要是：使水流以较小的水力损失均匀对称地流入转轮,座环加强蜗壳的刚度并传力1、蜗壳蜗壳座环支柱•座环支柱也称固定导叶1，•径向式导水机构的导叶2。•座环支柱具有坚固的上环和下环，蜗壳和上下环焊接在一起。•导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底环3和固定于顶盖4的套筒5上。底环固定于座环的下环上面。顶盖用螺钉6与座环的上环连接。导叶的主要作用：是根据机组负荷变化来调节水轮机的流量，以改变水轮机的出力，并引导水流按一定的方向进入转轮形成一定的速度矩包括的部件有：推拉杆、控制环拐臂连杆、导叶等开度：从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离（导叶与导叶间的距离）称为开度，开度的控制：由调速器控制导叶开度。2、导水及调节流量部件导水机构的传动机构组成：是由安置在导水叶上轴颈的转臂12，连杆13和控制环14组成。导叶的开度的改变：（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）是通过导水机构的两个接力器16和控制环连接的推拉杆15传动控制环来实现的。•由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度b0与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流载面。b0一般随水头增加而减小。•密封装置：导叶和水轮机顶盖4及底环3之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。一般采用橡胶的或金属制成的密封件，可使导水机构关闭时的漏水量最小。在高水头的水轮机中，有时采用专门的管状密封装置（空气围带），在关机时其内腔充以压缩空气，能使端面完全密封。转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心部分3、转轮混流式水轮机的转轮混流式转轮图•转轮密封，是安置在转轮上冠和下环上的密封环。水轮机工作时，转轮前后的水流分别为高压流与低压流，转轮后常形成真空。因此，水轮机工作时有部分水流经过转动与不转动部件之间的间隙无益地漏掉，从而使水轮机效率降低。密封环就是为了减少流量漏损而设置的。当水经过密封环空间时，受到突然扩大和缩小的局部水力阻挡，产生水力损失，从而减小流速，使通过缝隙的流量减小。•减压孔联通转轮上腔和转轮下面的低压区，从而减小由推力轴承承受的轴向水推力，当有减压孔（图5-1上的20）时，转轮上冠必须设置密封装置。图5-2为混流式水轮机水平剖面图，座环的固定导叶数量通常为导叶数一半。转轮基本上由4部分组成：•1.转轮上冠•2.转轮叶片•3.转轮下环•4.泻水锥1.转轮上冠转轮上冠的作用：第一是支承叶片，第二是与下环构成过流通道。上冠结构：形似圆锥体，其上部中间为上冠法兰，与主轴相连，其下面固定泄水锥，在上冠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。2.转轮叶片•叶片的作用：是直接将水能转换为机械能。•叶片断面形状：叶片断面形状为翼型，•转轮叶片数的多少：对水力性能和强度有显著的影响，随比转速的不同叶片数在9~21的范围内。•叶片上端与上冠相连，下端与下环连成一个整体。在其他尺寸（如叶片厚度，叶形产度）不变的条件下，增加叶片数目会增加转轮的强度和钢度。•试验表明，叶片数的改变不仅改变最优工况时的单位数量，同时也改变出力限制线的位置。叶片数不同时的n=f(）说明了上述分析。3.转轮下环•转轮下环的作用：（1）固定叶片，增加转轮的强度和刚度；（2）与上冠形成过流通道。•下环形成及转轮出口直径对转轮出口附近的过水断面面积影响很大，因而它影响转轮的过水能量及汽蚀性能。•低比转速水轮机的转轮下环呈曲线形•比转速较高的混流式转轮，下环通常采用具有锥角的直线形。4.泻水锥•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宣泄，防止水流相互撞击，以减少水力损失，提高水轮机效率。其外形呈倒椎体。•结构型式有铸造和钢板焊接两种。5、止漏装置•作用：是用来减少转动部分与固定部分之间的漏水损失。•组成：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。•型式止漏装置型式图5-7缝隙式止漏装置1—减压孔；2—上迷宫动环；3—上迷宫静环；4—下迷宫动环；5—下迷宫静环•1.缝隙式止漏装置•使用水头H200m型谱内所列各种混流式转轮一般都采用缝隙式止漏装置。对于水较清的河流,采用带有沟槽的缝隙式止漏装置,通常称为迷宫式。图5-7所示为缝隙式止漏装置,转轮上冠和下环上有带沟槽的迷宫式止漏环2和4,与其对应的顶盖和底环上分别装有迷宫环3和5。图5-7(a)是迷宫式止漏装置的结构简图,当水从缝隙间流过时,由于局部阻力加大，使压力降低,当水流到达沟槽部位时又突然扩大，进入下一个缝隙时又突然收缩,这种反复扩大、收缩的结果减低了水流压力，使漏水量大大减小。图示尺寸适用于迷宫环直径为5m的混流式水轮机。图5-7(b)为不带沟槽的缝隙式止漏环结构,适用于含泥沙较多的水电站。这种结构简单,加工方便，但止漏效果不及迷宫式。止漏环间隙b一般可取转轮直径的0.5/1000。材料一般采用碳素钢或1Crl8Ni9Ti不锈钢板或其它抗磨钢板。安装时应仔细测量单面间隙,•图5-8梳齿式止漏装置•1、12—抗磨板；2—上部静环；3、6、8、11—螺钉；•4—上部动环；5—引水管；7—减压孔；9—下不动环•10—下部静环；13—幅向沟槽；14—环形沟槽••如果单面间隙相差过大会引起机组振动。•图5-7缝隙式止漏装置•1—减压孔；2—上迷宫动环；3—上迷宫静环；4—下迷宫动环；5—下迷宫静环•2.梳齿式止漏装置•对于高水头(H200m)混流式水轮机,需要采用梳齿式止漏装置。这种止漏装置的转动环和固定环的截面为梳齿状,两个环的截面形成交错配合.图5-8是梳齿式止漏装置的一种结构型式,在转轮的上冠和下环处装设了两组梳齿式迷宫止漏环,转动环与固定环都做成犬牙交错的配合装置,水流经过梳齿时转了许多直角弯,增加水流阻力，减少漏水量。图中所示的结构适用于H=300m的机组上。转动环做成两个梳齿,环径与高度之比为10:1,转轮梳齿与固定梳齿的间隙为0.5mm。这种结构的固定环梳齿的侧面是经过研磨的光滑面,而转动环的梳齿与固定环的接触面则做成螺纹沟,沟槽的尺寸如图中A所示。•在压力作用下,由止漏环之间的空隙渗漏出来的水是使梳齿式止漏装置连接部件增大拉应力的原因。为了防止梳齿式迷宫止漏环破裂,在其支持面上做成环状沟槽14和辐向沟槽13。位于高压侧的环状结构用来聚集从缝隙渗入的水流,再从低压侧的辐向沟槽排出,排出的水流可由泄水管5流入上冠的减压孔7再排到尾水管。止漏环的材料和固定方式•止漏环的材料：ZG30或A3钢板：一般采用ZG30或A3钢板不锈钢：泥沙较多的电站采用不锈钢•止漏环的固定方式：直接车制：对一些水质干净，转轮尺寸较小的转轮，可以直接在上冠和下环上车制迷宫环。红套固定：一般在整铸转轮上为考虑折卸方便，采用红套固定止漏型式的选择•使用水头H200M：型谱内所列各型号混流式转轮一般都采用间隙式或迷宫式止漏环，它止漏效果差，但其与转轮的同心度高、制造、安装方便，抗磨损性性能较好。在含泥沙较多的电站采用间隙式止漏环。在清水电站采用迷宫式止漏环较多。•使用水头H200M：的混流式水轮机，常采用梳齿式止漏环•阶梯式止漏环：也多用于水头H200M的水电站，其止漏效果好，因它具有迷宫式及梳齿式止漏环的作用。止漏环的安装•止漏环的间隙值不但影响止漏效果，影响机组效率，还会对机组运行稳定性产生较大影响。•止漏环单边间隙表混流式转轮止漏环间隙允许偏差6、减压装置•混流式水轮机的轴向水推力为：•实际经验公式：•另有：•其中，•主轴重量的近似计算，高水头混流取•中水头混流取；•对发电机与水轮机同一轴的机组，混流式可取。常用的减压装置结构形式有两种：如图5-9所示图a为引水板和泄水孔的减压方式；图b为顶盖排水管的转轮泄水孔的减压方式。图a为引水板和泄水孔的减压方式•上下环形引水板分别装在顶盖下方和上冠的上面，当漏水进入顶盖引水板与上冠引水板之间的间隙时，由于转轮旋转受离心力的作用，漏水被逸至顶盖引水板上，经泄水孔排至尾水管。此型式的减压效果与引水板面积、间隙和C的大小及泄水孔的直径有关。一般认为引水板和泄水孔面积越大，间隙和C越小，减压效果越显著。泄水孔最好开成顺水流方向倾斜。•在图5-9b型式中，顶盖和尾水管内有数条排水管相连，使上冠上面的漏水一部分经排水管泄至尾水管，另一部分经转轮上的泄水孔排入尾水管。自转轮泄水孔排入尾水管的漏水有的直接排至尾水管，见图所示；有的经泄水锥内腔排入尾水管，见图所示。经转轮上的泄水孔排入尾水管，使转轮上面的压力降低，从而减轻作用在转轮上的轴向水推力。但图所示的方式可能在泄水锥的过流表面上产生空蚀损坏和磨损；而图所示的方式又有可能影响补气的效果。六、混流式转轮制造结构•由于混流式水轮机的转轮应用水头和尺寸大小不同，它们的构造型式，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，•如图5-10所示就是整体转轮，这种结构在中小型机组中广泛采用。低水头的中小型混流式转轮材料采用优质铸铁HT20～40或球墨铸铁整铸；高水头的中小型转轮和低水头的大型转轮，则采用ZG30整铸。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。•整铸转轮当尺寸不大时，它的生产周期短，成本较低，且有足够的强度，所以广泛采用。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，需要铸造设备的能力也大。铸焊转轮（示意图）在混流式转轮制造中，目前广泛采用焊接结构。如图5-11所示就是其中的一种结构形式。转轮的上冠、叶片和下环三部分单独铸造后，经过一定的生产工艺流程，焊接而成。这种焊接结构具有良好的技术经济效果，可对不同部位采用不同的钢种，例如