锥形导水机构的水力设计优化

水轮机导水机构分立式机组的径向导水机构和卧式锥形导水机构，对灯泡贯流机组主要是锥形导水机构的设计。其导叶轴线与水轮机轴线一般呈α=60°～65°（见图3-18）。

锥形导水机构的设计要考虑两个方面：一方面由于贯流机组无蜗壳，为满足转轮进口环量要求，导叶型线为空间曲线，但在关机时要达到密合封水；另一方面由于导叶前水流环量为0，但流经导叶后的水流环量应具有水轮机基本方程所确定的转轮进口环量值。为使导水机构无附加旋涡损失，导叶出口水流也应是有势的，即在各层流面上的出口速度矩为V 0ur 0=cons t。

假定导叶出口轴面流速在过水断面F 0上是均匀分布的，并使V 0ur 0=V 1ur 1，转轮出口速度矩V 2ur 2=0，则求出各层流面上的导水机构出口角

式中：α0为导叶出口角，（°）；H r为水轮机额定水头，m；ηh为水力效率，%；g为重力加速度，9.8m/s；F 0为导叶出口处面积，m2；ri为导叶出口处不同半径，m。

式（3-2）中括号内因子对于给定设计参数和流道是常数，故导叶出水角α0依半径不同而异。半径大的流面上α0角也大，整个导叶呈扭曲状。但对于具有正、反向运行工况的水轮机来说，按上述设计方法所得到的空间扭曲导叶，会影响到反向水轮机的性能。在反向水轮机工况时，导叶与桨叶协联被破坏了，导叶只能固定在某一角度运行。试验表明，反向水轮机的效率随着导叶开度增大而提高；在单位转速高的区域，效率差值愈大。如导叶转角α0由95°增至100°时，效率差值为2%；当α0=107°时，效率增加更多。因此，导叶对水轮机效率的影响是不容忽视的。

一般机组进口流道与尾水管形状都是按贯流式水轮机来设计的。但对于具有正反向运行工况的水轮机来说，需要进行改型。如将进水口断面改为圆形断面收缩形，且尺寸宜大些，在反向水轮机工况中可起到尾水管恢复功能。对于断面为圆变方形的尾水管，可改为直锥形，使出口流速较均匀，以提高其恢复系数。这些都要通过模型试验后才能确定。

要达到导叶从最大转角至关闭而截断水流，各层导叶应首尾相接，这就要求各层导叶从设计位置到关闭位置应相差同一角度，但扭曲的导叶无法做到这一点。

为满足封水和加工工艺要求，必须简化导水机构流面。真实的导水机构流面为以锥角θ为母线的圆锥面，但当导水机构转到不同位置上时，流面上的导叶叶型各点已不再落在该圆锥面上。翼型的首、尾将高出圆锥面ΔR的径向尺寸，见图3-18。考虑到这种翼型的密合差异，将导叶所在的圆锥流面简化为内接于此流面的角锥面。将导叶流面翼型绘制在内接于圆锥面的16边（一般16个导叶）正多边角锥面上。实践证明这样的简化带来的水力影响是微小的。

图3-18　锥形导水机构流面

接近外缘过流区的导叶翼型要严格满足形成转轮进口环量的要求。导叶翼型绘制需从外缘开始。在外缘M′切面上（实际是正16边锥体的一个三角形表面），翼型进水角度与来流方向相一致，但进口处来流方向并不平行于机组轴线，而是通过导叶头部点指向锥体中心点Q。如图3-19所示。

图3-19　导叶进出口角的表示

设计中要取一定的冲角，即翼型进口角α0小于来流方向角α0-δ（冲角），其大小视绘形骨线光滑合理而定，还应兼顾以后绘制出其他流面翼型能连结成一个光滑的导叶。冲角δ可在10°以内选取。导叶出口角α0按式（3-2）计算，但该式是假定Γ2=0的条件下，但实际中要求转轮出口应有一定环量Γ2，所以计算α0应计及Γ2的影响。

按进、出口角度作翼型骨线时，骨线长度等于锥面上导叶节矩的1.1倍，即图3-18在切面M上有(www.xing528.com)

式中：R为导叶切面位置的半径，m；Z 0为导叶数。

根据水头条件确定翼型厚度，并选定流体动力翼型沿骨线套加翼型厚度，如图3-19所示。

经过机械加工后的密合线，实际上是在导叶尾端和靠近头部背面与之搭接的两个狭长的密合平面，在绘制其他流面翼型之前必须先确定它的位置。

取外缘翼型尾端B点至导叶轴线与机组轴线交点O的连线作为尾部密合线的基准，这样有利于简化机械加工的工装，见图3-20。显然，各内层导叶尾端必落在BO线上，如图中B′。在图3-21（a）W向视图中各内层导叶尾端必落在BO线上，图3-20中A点已于O点重合。

图3-20　导叶密合线位置

图3-21　导叶密合线的确定

（a）W向视图；（b）头部密合线

延长BO交外缘翼型于E[图3-21（b）]，自E向头部翼型轮廓作切线ED，则ED为外缘翼型头部的密合线段，连接OD，则三角形OED与图3-20中密合切面S相对应（其中包括三角形OED），显然，各层翼型头部轮廓线都在三角形OED范围内与S面相切，方能保证与相邻导叶尾端密合。因此，各内层导叶翼型头部密合线段必落在图3-21（b）中的三角形OED中，图3-21（a）中E′D′即为最内层导叶头部密合线段，梯形EDD′E′与图3-20中梯形EDD′E′相对应，成为整个叶片的头部密合面。

总之，各层翼型尾端必须落在图3-21（a）中的OB线上，头部翼型轮廓必须有一密合段与三角形OED中某一段（如E′D′）重合，故图3-21（a）中BOED连线称为锥型导叶的密合基线。

图3-22　各层叶型绘型图

先按式（3-3）确定各层导叶翼型长度，在图3-21（a）中确定尾部位置与头部密合线位置。当绘制最内层翼型时，自B′点作出最内层出口角射线B′O′，O′点已离开导叶轴线位置O点。最内层翼型尾部骨线必然过B′点与B′O′线段相切。按此尾部骨线和头部轮廓包络E′D′段绘出的最内层翼型势必难以保证导叶轴线AO通过其翼型中心，实际设计时往往使翼型尾部落在B′上，头部翼型包络E′D′段，轴线AO保持不变。用加大尾部翼型曲度和削薄内层叶型厚度近似满足出口角度。得到一组翼型如图3-22所示。