切击式水轮机的结构及主要工作部件

切击式水轮机是冲击式水轮机应用水头最高、容量最大的一种机型，切击式水轮机主要由进水管、喷管、转轮、外调节机构、副喷嘴、机壳和排水坑渠组成（图6-4）。

图6-4　卧式双喷嘴水轮机结构示意图

1—进水管；2—喷管；3—转轮；4—外调节机构；5—副喷嘴；6—机壳

1.进水管

图6-5为现代水斗式水轮机进水管的几种主要型式，由图可知，水斗式水轮机的进水管由直线段、肘管、分叉管、环行收缩流道和导流体组成。多喷嘴水斗式水轮机的进水管是一个具有极度弯曲和分叉的变断面输水管，并在装有喷射机构的区域内设有导流体。

图6-5　切击式水轮机进水管方案

（a）、（b）卧式双喷嘴；（c）、（d）立式6喷嘴；（e）立式双轮多喷嘴；（f）立式带配水环管6喷嘴

进水管的作用是引导水流，并将过机流量均匀分配给各喷管。为此，要求进水管主干管部分和叉管处的水流速度相等，并以此来确定进水管的断面尺寸，故进水管的断面尺寸自进口至出口逐渐减小呈收缩状。进水管的断面形状有圆形和椭圆形两种，椭圆形断面的进水管具有较好的水力特性，但加工困难，强度性能不如圆形断面。

2.喷射机构（简称喷管）

喷管（图6-6）主要由喷嘴、喷针（又称针阀）和喷针移动机构组成，其作用：

（1）将水流的压力势能转换为射流动能，则当水从进水管流进喷管时，在其出口便形成一股冲向转轮的圆柱形自由射流。

（2）起着导水机构的作用。当喷针移动时，即可以渐渐改变喷嘴出口与喷针头之间的环形过水断面面积，因而可平稳地改变喷管的过流量及水轮机的功率。

为了较好地完成这些功能，要求喷射机构的喷针轴线与喷射机构轴线重合。喷针沿此轴线移动，且喷嘴头内壁应具有收敛形的圆形断面。在关闭位置，喷针能封闭住喷嘴的出口孔。喷嘴头断面尺寸的确定必须满足：使流量按喷针行程而平稳地改变；使喷针在任何位置时，水流速度均沿着流线方向平稳地增加，并在出口处达到最大值。与此同时，从结构观点出发，希望喷针的最大行程尽可能地小。实际上，喷嘴头的断面尺寸是按喷嘴头入口、出口孔径结构，喷针传动机构的传动方式和已有喷嘴的资料来确定。喷针移动机构好似一个简单的接力器，喷针的移动靠喷针移动机构来实现。

目前，常见的喷管型式主要有外控式喷管（图6-6）和内控式喷管（图6-7）两种。前者结构简单、检修维护方便，但喷针操作杆长，操作杆在喷管内影响水流流动，增加管内的水力损失；后者结构紧凑，喷管内水力条件好，水力损失小，效率高。根据试验，内控式喷管效率比外控式高0.2%～0.3%。

图6-6　外控式喷射机构

1—缸体；2—填料压盖；3—喷嘴座；4—填料盒；5—填料；6—杠杆；7—喷嘴口环；8—折向器；9—销杆；10—喷针；11—喷针座；12—喷嘴；13—喷管；14—杆体；15—喷管弯段

图6-7　内控式喷射机构

3.转轮

转轮是水轮机实现能量转换的最基本部件，其机构如图6-8所示。它由轮辐及由若干呈双碗状的水斗组成。转轮每个斗叶的外缘均有一个缺口（图6-9），缺口的作用则使其后的斗叶不进入先前射流作用的区域，并且不妨碍先前的水流。承受绕流射流作用的凹面称为斗叶的工作面。斗叶凸起的外侧表面称为斗叶的侧面。位于斗叶背部夹在两水斗之间的表面称为斗叶的背面。两水斗间的工作面的结合处称为斗叶的进水边（又称分水刃）。进水边在斗叶的横剖面上为一锐角。缺口处工作面与背面结合处称为斗叶的切水刃。水斗工作面与侧面间的端面称为斗叶的出水边。

图6-8　转轮结构图(www.xing528.com)

图6-9　水斗水轮机的转轮斗叶

1—工作面；2—切水刃；3—侧面；4—尾部；5—出水边；6—进水边；7—横向筋板；8—纵向筋板；9—背面；B—宽度；L—长度；h—深度

从喷嘴引出的射流沿转轮的切线方向冲向水斗，当射流一接触水斗后即被斗叶进水边分成相等的两股，它们对称地流过斗叶工作面，并迫使水流速度和方向发生较大改变，从而产生作用在水斗上的力，形成对主轴的转动力矩，推动转轮旋转作功。工作后的水流以很小的速度离开水斗而流向下游。射流中心线与转轮相切的该圆（通常标此为节圆）直径D1 定义为转轮的标称直径。根据水斗与轮辐的连接形式，转轮通常有整铸结构、铸焊结构和机械组合结构等三种。整体铸造结构转轮的优点是：强度高、运行安全可靠、重量轻、安装方便。缺点是：因水斗排列密、铸造工艺较复杂、铸造技术要求高，水斗表面加工困难。铸焊结构转轮，水斗单个浇铸制造，然后焊接在轮辐上。这种结构工艺简单，易保证水斗加工质量，强度也不比整铸差，重量轻。主要缺点是：对焊接技术要求高，金属加工量大；组合结构转轮是将单个或几个水斗分别制造加工，然后用螺栓或燕尾槽等形式与轮辐固定，这种转轮结构制造简单，易保证水斗加工质量，更换水斗较方便。其缺点是：装配要求高，若更换水斗后，需重新作转轮的静平衡试验，强度也比整铸差。转轮材料则随着水轮机应用水头的提高而提高材料等级。一般当：

H<200m 时，采用球墨铸铁或普通碳素铸钢；

H=200～500m 时，采用碳素铸钢或低合金铸钢；

H=500～1000m 时，采用低合金铸钢或不锈钢；

H>1000m 时，采用不锈钢。

4.外调节机构（如折向器或分流器）

在水斗式水轮机喷嘴头部的外壳上均装有外调节机构（图6-10），其作用是控制离开喷嘴后的射流大小和方向。当机组负荷骤减或甩负荷时，具有双重调节的水轮机调速器，一方面操作喷针接力器，使喷针慢慢向关闭方向移动，同时又操作外调节机构接力器，使外调节机构（折向器或分流器）快速投入，迅速减小或全部截断因针阀不能立即关闭而继续冲向转轮水斗的射流。这样既解决了因针阀快速关闭而在引水压力钢管中产生的较大水锤压力，又解决了因针阀不能及时关闭而使机组转速上升过高。当然，针阀与折向器或分流器的行程要保持协联关系，使针阀在任何开度下，外调节机构的截流板都位于射流水柱边缘，以达到其快速偏流或截流的作用。

图6-10　外调节机构作用示意图

（a）折向器；（b）分流器

常用的外调节机构有折向器和分流器（图6-10）。在此需指出：折向器和分流器的结构与作用均略有不同。折向器在需要时，可以把整个射流折出转轮外。而分流器一般不是将整个射流而是将其大部分或小部分偏离转轮水斗；与分流器相比，折向器在引开整个射流时仅需较小位移，其承受的振动也较小，在高水头时不会很快损坏。若要求分流器将全部射流从转轮上引开，分流器所需转动的角度较折向器大，故分流器的快速作用能力低于折向器。采用折向器将导致增加自喷嘴口至射流进入转轮斗叶处之间的距离，这会在某种程度上降低水轮机的能量指标，而分流器无此问题。分流器角行程的增加及截流时间的增加，这就允许控制杆件系统及协联关系的精度要求低些。具体选用时，可根据试验中所测定的力特性和能量特性及电站具体情况综合分析比较确定，也有既采用折向器又采用分流器的情况。

5.副喷嘴（反向制动喷嘴）和防飞逸反射器

副喷嘴（图6-4）的作用有两个：

（1）在机组正常停机过程中，一般不允许机组低速度长时间运转。当机组转速度降低到一定程度时（通常为额定转速的30%～40%），为使机组能很快停下来，即打开副喷嘴，从副喷嘴引出的射流直接冲向转轮水斗背面，形成作用于转轮的一个与转轮旋转方向相反的制动力矩。机组在该力矩作用下迅速停止运转。

（2）当机组突然甩负荷调节系统失灵时，副喷嘴即投入工作。从副喷嘴引出一股射流直接冲向水斗背面，形成制动力矩，这样可避免机组转速急剧上升以至机组发生飞逸。制动喷嘴可以自动或手动开启。为防止转轮反转，装设有专门的联锁装置。

此外，有时还采用防飞逸反射器来抑制机组甩负荷时的转速上升。防飞逸反射器一般安装在当水轮机转速提高后，未能进入斗叶的射流将会射入的地方。防飞逸反射器使射流转向与转轮旋转方向相反的方向，并射向斗叶背面，从而阻止机组转速的上升。防飞逸反射器简图见图6-11。

图6-11　防飞逸反射器简图

（a）单喷嘴水轮机；（b）喷嘴按120°布置的水轮机
1—外调节机构；2—喷嘴；3—反射器

6.机壳

机壳（图6-4）的形状和尺寸对水斗式水轮机的水力效率有一定影响。设计时应确保将转轮中排出的不再做功的水排往下游而不溅落在转轮和射流上。机壳必须保证有足够的空间，若机壳宽度过小，从水斗排出的水流撞到机壳壁上，再反射到转轮周围形成雾状水滴，会增加转轮旋转时的阻力损失。若宽度过大，则又增加水轮机的外形尺寸。机壳内的压力要求与大气相当。为此，往往在转轮中心附近的机壳上开设有补气孔，以消除局部真空。机壳的形状应有利于转轮出水流畅，不与射流相干扰。喷管也常固定在机壳上，卧式机组的轴承支座也和机壳连在一起，因而要求机壳具有足够的强度、刚度和耐振性能。机壳上一般开有进人门孔，机壳下部应装有静水栅，以消除排水能量。静水栅要求有一定的强度，可作为机组停机观察和检修时的工作平台。