导水结构的作用、基本工作原理和类型

1.导水结构的作用及基本工作原理

反击式水轮机导水机构的作用主要有两个：其一，根据电力系统负荷的变化，调节水轮机流量，以适应系统对机组出力的要求；其二，形成和改变进入转轮的水流环量，以满足不同比转速水轮机对进入转轮前水流环量的要求。

水轮发电机组在工作中随着参数的改变，例如水头或负荷（出力）变化，其转速是固定不变的，就必须调节通过水轮机的流量。调节流量的方法较多，例如筒形阀、闸阀等，但大多数是以失去水头为代价。理想的调节机构是在运行工况变化时，仅仅只改变流量，水头损失很小。在水轮机转轮前布置多个导水叶片的导水机构就能满足这种要求。它们在调节时作同步的绕自身轴线转动，有如百叶窗一样，只改变水流流经导水机构后的液流出口角，水头损失极小。

现在讨论导水机构的水力作用原理。图5-53中绘出了径向式导水机构水平断面中的一个导叶和一个转轮叶片。

如果忽略摩擦损失的影响，在导叶出口到转轮进口之间的空间内，水流可以视为势流运动，周向速度变化遵守动量守恒定理，对于某一微小流速可近似认为导水机构出口速度矩等于转轮进口的速度矩。因此由图5-53可得

图5-53　导叶出口及转轮出口速度三角形

式中 b0——导叶高度；

α0——导叶出水角。

在非法向出口的情况下，由转轮出口速度三角形可写出转轮的出口速度力矩为

式中 A2——水轮机转轮出口过流面积；

r2——转轮出口半径。(www.xing528.com)

将式（5-31）和式（5-32）代入水轮机基本方程式，则有

解出流量

式（5-33）称为水轮机流量调节方程。从该式可看出，在水轮机转速和水头不变的情况下，流量的调节可以通过改变三个量来实现：导叶的高度b0，这种方法可以用一个筒形阀来完成，但是这是一种节流调节方式，会造成水头损失。因此只用于小型水轮机中。用改变导叶出水角α0 调节流量的方法是水轮机中普遍采用的调节方式。用改变β2 调节流量的方法仅仅适用于导叶固定而桨叶能改变叶片角度的轴流式水轮机，实际上轴流转桨式水轮机是通过同时转动导叶及转轮叶片的角度来调节流量的。当转轮叶片转动时转轮出口处的水流方向即行改变，即角度β2 改变。因此在这种型式的水轮机中，流量的变化是由于α0 和β0 两个值同时改变的结果。在混流式水轮机中，由于叶片是固定在上冠和下环之间，不能改变位置。故而只能用改变出口角α0 的方法（即转动叶片）来实现流量调节。

2.导水机构的类型

按水流流经导叶时与水轮机轴线的相对位置，导水机构一般可分为：径向式导水机构，如图5-54所示，该导水机构中水流方向与主轴垂直；轴向式导水机构，如图5-55所示，水流与主轴平行；斜向式导水机构如图5-56所示，水流与主轴斜交。

图5-54　径向式导水机构

图5-55　轴向式导水机构

图5-56　斜向式导水机构

以上三种导水机构，被分别应用于混流式水轮机，轴流式水轮机，贯流式水轮机，灯泡贯流式和斜流式水轮机。其中径向式导水机构是目前应用最广泛的一种。本书以径向式导水机构的基本结构为讲解范例。