轴流式水轮机与混流式水轮一

样属于反击式水轮机，二者结构上

最明显的差别是转轮，其次是导叶

高度。根据转轮叶片在运行中能否

调节，轴流式水轮机又分为轴流定

桨式和轴流转桨式两种型式。轴流

式水轮机用于开发较低水头

（3m~55m），较大流量的水能资源。

它的比转速大于混流式水轮机，属

于高比转速水轮机。在低水头条件

下，轴流式水轮机与混流式水轮机

相比较具有较明显的优点，当它们

使用水头和出力相同时，轴流式水

轮机由于过流能力大（图5-13），

可以采用较小的转轮直径和较高的

转速，从而缩小了机组尺寸，降低了

投资。当两者具有相同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多的功率。但在相对高水头条件下，轴流式水轮机除了空化系数较大，厂房要有较大开挖量外，飞逸转速和轴向水推力较混流式水轮机高。

轴流转桨式水轮机，由于桨叶和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，是一种值得广泛使用的优良机型。

轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。由于轴流式水轮机的过流能力大。单位流量和单位转速都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径

的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数。在相同水头下，轴流式水轮机由于桨叶数少，桨叶单位面积上所承受的压差较混流式叶片的大，桨叶正背面的平均压差较混流式的大，所以它的空化性能较混流式叶片的差。因此，在同样水头条件下，轴流式水轮机比混

流式水轮机具有更小的吸出高度和更深的开挖量。随着应用水头的增加，将会使电站的投资大量增加，从而了轴流式水轮机的最大应用水头。另一方面是由于轴流式水轮机桨叶数较少（3~8片），桨叶呈悬臂形式，所以强度条件较差。当使用水头增高时，为了保证足够的强度，就必须增加桨叶数和桨叶的厚度，为了能够方便地布置下桨叶和转动机构，转

轮的轮毂比，亦要随之增大，这些措施将减少转轮流道的过流断面面积，使得单

位流量下降。当达到某一水头时，轴流式水轮机的单位流量甚至比混流式水轮机的还要小。这种情况也了轴流式水轮机应用水头的提高。

但是,随着科学技术的发展,通过改进转轮的设计方法,选择更加合理的流道几何参数和桨叶的型线,使得桨叶背面的压力分布更加均匀,降低桨叶正面和背面的平均压差,从而达到改善水轮机空化性能的目的。还可以通过采用新型的高强度的材料,改进结构使桨叶受力情况得到改善。相信通过以上措施会使轴流式水轮机的应用水头进一步提高。

图5-14是一台轴流转桨式水轮机,下面将以它为例介绍轴流式水轮机的结构。

1.转轮

轴流式水轮机的比转速，随着比转数的增高，转速流道的几何形状相应发生变化。为了适应水轮机过流量的增大，同时既要保证水轮机具有良好的能量转换能力和空化性能，又要保持桨叶表面的平滑不产生扭曲，轴流式转轮取消了混流式转轮的上冠和下环，桨叶数目相应减少，一般为3~8片，桨叶轴线位置变为水平，使得转轮流道的过流断面面积增大，提高了轴流式水轮机的单位流量和单位转速。轴流式转轮的形状如图5-14中18、19等所示。

图5-14 ZZ560-LH-1130水轮机

1—转轮室；2—底环；3—固定导叶；4—活动导叶；5—顶盖；6—支持盖；7—连杆；8—控制环；9—轴承支架；10—接力器；11—安全销；12—真空破坏阀；13—扶梯；14—排水泵；15—水轮机导轴承；16—冷却器；17—轴承密封；18—转轮体；19—桨叶；20—桨叶连杆；21—接力器活塞；22—泄水锥；23—主

轴；24、25—操作

轴流定桨式转轮由转轮体和桨叶组成,桨叶刚性地连接在轮毂上不能转动。有的定桨式转轮采用螺栓与轮毂连接,在停机时,可以人工改变叶片的安放角。定桨式的转轮室和轮毂一般都做成圆柱形。由于桨叶不能转动,当运行工况离开最优工况后,效率下降很快,能量指标不高,一般只用于中小型电站。

轴流转桨式转轮主要由桨叶、轮毂和转轮接力器组成(如图5-14)。转轮上部通过法兰盘与主轴刚性连接,下部与泄水锥22相连。泄水锥的作用是引导转轮出口的水流顺利地进入尾水管,避免水流发生撞击和旋涡。转轮周围是转轮室1,室的内壁锒有钢板里衬,并用拉筋固定在外围混凝土内。在桨叶轴线以上,转轮室做成圆柱形,便于安装和拆卸。在桨叶轴线

以下,转轮室的内表面往往做成球面,以保证转动时,

在转轮轮缘与转轮室之间保持较小的间隙,一般要求

间隙≤0.001,以利减小容积损失。球形部分向

下延伸到大致以桨叶的最大转角时所具有的长度为

限,这样就形成了转轮室中最狭窄的颈部,其直径以

表示。在颈部之后与尾水管的直锥段相连。桨叶

通过球面法兰与轮毂相连,桨叶转动的角度用表

示,设计工况时；>0时,桨叶向开启方向转动,功率增大; <0时,桨叶向关闭方向转动,功率减小。如图5-15及图5-16所示。桨叶转角一般在-150～+200之间。操纵桨叶转动的接力器,安放在轮毂内。转动桨叶的操作机构可分为有操作架和无操作架两种(图5-17和图5-18)。

控制转轮接力器活塞作往复运动的压

力油通过操作输入，操作由不同管

径的无缝钢管组成，并安装在主轴内。如图

5-14中25和24所示。操作上部与受油

器相连接。从油压装置输送来的压力油和回

油都通过受油器进入和流出操作。

2、支持盖和顶盖

大型的轴流式水轮发电机组(如图5-

14)，顶盖5和支持盖6是分开的。支持盖通

过法兰和顶盖连接，并支承在顶盖上。顶盖

为箱形结构固定在座环上。机组的推力轴承

由固定在支持盖上的轴承支持架9来支承。

水轮机导轴承15支承在支持盖下部的引水锥内。顶盖上装有控制环、导水机构、传动部件等。

支持盖的下翼板为水轮机过流通道表面的一部分，应做成流线型，该过流表面有承受转轮前水流压力的作用。当推力轴承安置在支持盖上时，支持盖还承受着作用在转轮上的轴向水推力和转动部分的重量。

中小型轴流式水轮机常将顶盖和支持盖合为一体，总称顶盖。

3、桨叶密封装置

转桨式水轮机在运行中需要随时

转动桨叶以适应不同的水头和流量，为

了防止水流进入转轮体内部和防止转

轮体内部的油向外渗漏，在桨叶与转轮

体的接触处必须安装密封装置。从电站

的运行实践看，转桨式水轮机转轮叶片

密封结构性能的好坏对保证机组正常

运行关系很大。

密封的型式很多，如图5-19所示是

目前国内水轮机厂采用较普遍的“”

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。

近年来有的机组采用型橡胶环

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。

4、水轮机导轴承

水轮机导轴承的主要作用是固定机组的轴线位置,承受由水轮机主轴传来的径向力和振动力。从改善轴承受力条件出发轴承位置应尽量接近转轮，使转轮对轴承位置的悬臂最短,这样可使水轮机工作更稳定且轴承本身的工作条件更好。

（1）轴承结构型式

水轮机轴承的型式很多,较常用的有水润滑的橡胶瓦轴承,透平油润滑的金属瓦轴承两种。图5-20是水润滑橡胶轴承的典型结构,轴承利用清洁水润滑,经过过滤处理后的润滑水经管子7引入轴承上部的水箱内,水箱上部设有密封装置,润滑水经轴瓦上的沟槽流出,当主轴旋转时将水带到轴承各部分形成一层水膜而起润滑作用，并把摩擦功转变成的热量带走,在轴承体1上镶有6～12块橡胶轴瓦,用螺钉固定在轴承座上,轴瓦摩损后允许在背面加垫调整，也可单独更换,橡胶轴承下部不需布置密封装置,因此轴承可以尽量靠近水轮机转轮,同时也有一定吸振作用,这样便提高了运行的稳定性。此外,这种轴承的轴瓦能吸收砂粒,当润滑水中含有少量砂粒时砂粒可陷入橡胶并被覆盖,保护轴承不受损伤。橡胶轴承的结构简单,检修、安装也较方便。但润滑水的水质要求较高，并且要有、可靠的备用设备，耗水量也较大。

透平油润滑轴承常用的有两种结构型式。图5-21是筒式轴承的结构简图,轴承采用透平油润滑，利用油盆旋转产生油压,润滑油经轴承下部油盆的径向孔和轴瓦上的斜油槽流到

图5-20水润滑橡胶轴承

1-轴承钵；2-润滑水箱；3-橡胶瓦；4-排水管；5-压力表；6-轴承密封；7-进水管；8-调整螺栓

上部油盆,在上油盆2

内布置了冷却器3,润

滑油经过冷却后再由

轴承上的回流向

下油盆从而使润滑油

得到循环,这种轴承结

构简单,平面布置紧凑,

运行可靠,刚性好,但

轴承位置距转轮较远,

下部密封机构检修时

不如橡胶轴承方便。

图5-22为透平油

润滑分块瓦轴承结构

简图。轴承下部浸入油

内,主轴轴领旋转后,

油在离心力作用下经

轴领下部径向孔升入

轴瓦间隙,经上部油箱

返回连续循环,轴承由

8～12块巴氏合金轴

瓦组成,用支顶螺丝支承在轴承体上,在运行时轴承受力均匀,通过支顶螺丝的球面顶头使轴瓦具有自调能力,轴瓦安装、维修和刮研都较圆筒式轴承方便,但刚性略次于筒式轴承,这种结构的平面布置尺寸较大,在主轴上需锻(或焊)轴领增加了制造的复杂性,此外密封装置在轴承体下部,使轴承距转轮较远检修安装也不方便,这种轴承结构用在主轴直径超过1m的机组上。

图5-22透平油润滑分块瓦轴承图5-23 橡胶平板密封1—主轴轴领;2—分块轴瓦;3一挡油箱;4—温度信号器

5—轴承体；6—支顶螺钉；7—冷却器；8—轴承盖

（2）轴承密封装置

水轮机主轴密封因轴承结构不同而有多种型式,如橡胶轴承,则在轴承润滑水箱上部装置密封部件,以防止润滑水流失；如透平油润滑的轴承,则在轴承下部主轴上需装置密封部件以防止水流流入轴承油箱。此外尚有当机组停机或检修轴承时,为防止尾水往机坑内泄漏而安装的密封装置，称为检修密封。

密封装置的结构型式很多,图5-23是常用的水润滑轴承水箱橡胶平板密封装置结构简图,这种密封机构避免了主轴的磨损,结构简单,容易更换,而且具有自动封闭密封面因磨损而出现的间隙,摩擦系数小,适应较大的压力变化范围等优点,但当机组摆度过大或密封面调整不良时,漏水量将会增加,这在安装调试时应予以注意.

油轴承的主轴密封装置在轴承下面,区域狭窄,造成检修工作不便,中、小型机组检修时几乎都需拆卸轴承,大型机组检修时工作条件也很差,所以要求密封结构简单、维修量小,而端面密封具有以上优点,因此近几年来得到广泛应用。图5-24是水压式端面密封的两种结构型式。图中(a)的结构适用于水头较低,河流含泥沙较少的机组。密封环2安装在支持环1上,靠水压力和环的重量将2压紧在衬板5上,衬板5和主轴一道运动,当需要停机检修轴承时,可将密封围带4充以高压空气使围带变形压紧在主轴法兰侧面以阻止水流流入。图中(b)的结构来自外界引入压力水使密封端面贴合而起封水作用,这种型式宜用于水中含泥沙较多的机组及漏水量较大的高水头机组。

5、泄水锥

泄水锥的外形尺寸一般由模型试验确定。中小型机组的泄水锥大多采用铸造，大型机组其泄水锥采用钢板焊接。图5-14中22是泄水锥的基本结构。

6、转轮室

图5-25所示为转轮室结构图，转轮室的

上端与底环相连，下端与尾水管里衬相连。

转轮室的形状要求与转轮叶片的外缘相吻合，以保证在任何叶片角度时叶片和转轮室之间都有最小的间隙。

在水电站运行中，发现转轮室臂受到强烈的振动，可能造成可卸段的破坏，有时整个可卸段被拉脱。因此加强转轮室的刚度和改善转轮室与混凝土的结合，是应该重视的一个问题。图 5-26 为转轮室的基本流道尺寸。

在叶片出口处的转轮室内表面上，常出现严重的间隙空蚀和磨损现象，需要采取抗磨、抗空蚀的措施。下载本文