混流式水轮机的主要组成部件及作用

混流式水轮机的主要组成部分为：蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管，如图4.1所示。

图4.1 混流式水轮机

4.2.1 蜗壳

蜗壳是构成水轮机外周的环状螺旋形机壳。蜗壳的一端与压力水管相连，接收压力水，并把水均匀地分配到整个转轮的圆周上。蜗壳的横截面面积是递减的，这样可以保证更多的水导向转轮时，流速保持恒定。蜗壳的内表面是圆柱形的，固定导叶环就安装在内表面上。

4.2.2 固定导叶环

固定导叶环（座环）具有环状结构，上下两个圆环之间焊有很多鳍形的固定导叶，如图4.2所示。固定导叶的进口尺寸与蜗壳内表面开口的尺寸相同。固定导叶又称为固定的导流叶片。

图4.2 带有固定导叶环的蜗壳

固定导叶的作用如下：

① 把从蜗壳引来的水以适当的角度导向活动导叶，因此必须精心设计固定导叶的形状。

② 对蜗壳进行加固以应对流过固定导叶的高压水流。因此，固定导叶环是牢固地焊接在蜗壳上面的。安装完成后，蜗壳和固定导叶周围都灌满混凝土。

③ 把发电机主推力轴承的负载传递给基础。

④ 为顶盖提供连接装置。

4.2.3 导水机构

导水机构（见图4.3）有3个功能。

图4.3 导水机构

1、4、6—尼龙轴瓦；2—底环；3—导叶；5—轴套；7—顶盖；8—连接板；9—转臂；10—分半键； 11—剪断销；12—连杆；13—推拉杆；14—控制环；15—支座；16—补气阀

① 接收来自固定导叶的水，并以适当的角度导向转轮叶片，把转轮进口的冲力降为最小。

② 通过改变进水量来调节水轮机，适应瞬时负荷的变化。使活动导叶绕各自的轴旋转，改变两个叶片之间通道的横截面面积。

③ 作为一个阀门在关闭时截断水流。

活动导叶位于固定导叶和转轮之间。叶片是翼形的，这样水流流过叶片后不会分流。在关闭的位置，任何活动导叶的首端必须与下一个导叶的尾端紧密地连在一起，以免漏水。每个活动导叶都有自己的轴，可以绕轴旋转。活动导叶轴的下轴颈安装在轴套内，轴套与套筒配合安装于底环内。活动导叶轴的上轴颈通过导轴承穿出顶盖。连杆和转臂把所有这些突出的轴连接到一个叫控制环的圆环上。顺时针或逆时针稍微转动控制环就可以同时旋转所有活动导叶，从而打开或关闭导叶。控制环由两个活塞接力器带动，这两个活塞接力器与控制环相切，间距180度。调节机构以同样的幅度把一个活塞向前移动，另一个活塞向后移动（类似于双手驾驶汽车方向盘的动作）。

活动导叶的数量比转轮叶片数要多很多。通常有18至26个活动导叶，但是某些情况下可以达到32个。

4.2.4 转轮

转轮是水轮机的核心部件。转轮位于活动导叶和尾水管之间。水流从转轮整个圆周进入转轮，流过转轮叶片时把大部分能量传递给叶片，然后流入尾水管。

水流径向向内进入转轮，然后逐渐改变方向，流到转轮出口时变为轴向。转轮主要由三部分组成：上冠、叶片、下环，如图4.4所示。为了最大限度地进行能量转换，必须精心设计转轮叶片的形状。必须把水力摩擦和涡流损失降到最小。叶片上边缘与上冠相接处呈严格的流线型。上冠的外表面上面开孔用来与转轮轴相连。如果转轮进口直径比出口直径大，则下环表面也要呈流线型。否则，下环呈圆环状。

图4.4 低水头（左）和高水头（右）混流式水轮机的转轮

转轮的形状取决于水头、出力和水轮机的比转速。

转轮的叶片数取决于水头、出力和转轮的转速，在10至20之间。叶片数可能会小于活动导叶的数量。

为了防止压力水绕过转轮，直接从活动导叶流到尾水管，在转轮出口处下环的外表面安装被称为迷宫环的密封圈，如图4.5所示。

图4.5 迷宫环(www.xing528.com)

4.2.5 尾水管

尾水管位于转轮的外侧。尾水管的一端与转轮出口相连，另外一端与尾水渠相连。尾水管的功能如下：

① 把从转轮流出的水排到尾水渠中。

② 在转轮出口形成负压，提高转轮的有效水头。安装尾水管后，作用在转轮叶片上的总水头为静压头（等于上游水位与转轮出口截面的高程之差）与转轮下的负压头（真空）之和。这样就可以把转轮安装在尾水渠以上，并减少昂贵的基础工程的施工。

③ 把速度能转化为压能，从而回收速度能，增加水轮机的效率。转轮出口处的速度头可以达到有效水头的10%～30%。必须精心设计尾水管的形状以达到最优的状态。

最常见的尾水管是肘形的，锥管段后面是弯管，然后是具有椭圆形或矩形断面的扩散段，如图4.6所示。

出口面积与进口面积的比值随着回收率的增加而增大。如果出口面积太大，可以在水流方向把扩散段用隔墙分为几个部分。

低水头的水轮机，水轮机的出口直径比进口直径大。可以从下面取出转轮进行检查和维修，这时需要在尾水管上安装一个可以拆卸的管段。

尾水管里衬安装好后，在其周围要灌满混凝土，还需要配备必要的紧固件、肋板等。通常，尾水管的出口段本身就可以用混凝土进行浇筑。另外还需要设置一个检查口，以随时进入尾水管进行检查。

图4.6 肘形的尾水管

4.2.6 顶盖

顶盖是位于转轮上表面的一个圆柱形箱式结构，如图4.7所示。

图4.7 混流式水轮机的顶盖

顶盖的功能有：① 防止水通过活动导叶与转轮之间的间隙流到水轮机外面；② 在周围安装螺栓与水轮机主体相连；③ 提供圆形开孔安装导轴承，方便导叶耳轴伸出顶盖；④ 在中心开孔安装水轮机主轴和填料盒的主导轴承，开孔的尺寸必须大于主轴法兰的直径；⑤提供与控制环和其他附属机构的连接。

4.2.7 底环

底环位于固定导叶环和尾水管之间、水轮机活动导叶的底部，如图4.8所示。底环包括上孔环和下孔环两部分，上孔环的外径与固定导叶的内径相同，下孔环的直径约等于尾水管的直径。下孔环上开了一些孔，使活动导叶耳轴的下轴颈可以穿入轴承中。

图4.8 混流式水轮机的底环

4.2.8 主轴

大部分现代的混流式水轮机采用的都是立轴，这样发电机可以放在最高尾水位高程以上，避免淹没发电机，根据设计参数，水轮机可以安装在另一高度。厂房内发电机和水轮机放在不同的楼层，安装工作可以单独进行。

可以直接用螺栓把水轮机主轴与发电机主轴相连。如果主轴太长，可以设置一个中间轴，这样需要取出水轮机转轮时，只需拆掉中间轴而不会影响到发电机轴。

水轮机和发电机组成的整个立式液压装置仅有一个推导组合轴承。该轴承一般位于发电机转子的下面，有时位于水轮机机壳的上面。机组中有两个导轴承，一个在发电机轴的上面，另一个在水轮机轴的上面。

目前，抽水蓄能发电站中的水电机组采用的是卧轴混流式水轮机，每个机组包括一台水轮机、一台发电电动机和一台水泵。这种布置方式很少纯粹用来发电。转轮是悬挂安装在主轴上的。如果需要为转轮配备轴承，主轴需要穿过尾水管。这样设计是有利的，特别是在部分负荷运行时，因为可以避免在弯管处产生真空。

4.2.9 机坑里衬

机坑里衬是一个圆柱形的里衬，里衬直径很大，可以把水轮机顶盖作为整体一起取出，里衬高度从固定导叶环的顶部开始一直延伸到水轮机层，如图4.9所示。在里衬的外侧浇筑混凝土，里衬作为骨架。在里衬的外表面安装必要的肋板、螺栓及其他紧固件。

图4.9 蜗壳上已经安装好的基坑里衬

4.2.10 水轮机排水

对于小型水轮机，为了方便排水检修，在上游面设置一个阀门，在尾水管末端设置一个尾水管闸门。把阀门和闸门关闭后，就可以把水轮机的空间放空了。对于大型水轮机，不能设置阀门，所以在压力水管进口处设置一个闸门以控制水流。