任务2.2 轴流式水轮机组结构
2.2.1 轴流转桨式水轮机转轮结构剖析
1.概述
轴流式水轮机也是反击式水轮机的一种，由于水流进入转轮和离开转轮均是轴向的，故称为轴流式水轮机。轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流式水轮机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2.12），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。但在相对较高水头条件下，轴流式水轮机除了空化系数较大、厂房开挖量大之外，机组飞逸转速和轴向水推力也较混流式水轮机高。
轴流转桨式水轮机，由于转轮叶片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，更是值得广泛使用的一种机型。
图2.13所示是轴流转桨式水轮机的结构图。它的工作过程和混流式水轮机基本相同。水流经压力水管、蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管到下游。与混流式水轮机所不同的是负荷变化时，它不但调节导叶转动，同时还调节转轮叶片，使其与导叶转动保持一定的协联关系，以保持水轮机在高效区运行。
轴流式水轮机转轮位于转轮室内，轴流式水轮机转轮主要由转轮体、叶片、泄水锥等部件组成。轴流转桨式水轮机转轮还有一套叶片操作机构和密封装置。
图2.12 轴流式水轮机
1—转轮接力器活塞；2—转轮体；3—转臂；4—叶片；5—叶片枢轴；6—转轮室
转轮体上部与主轴连接，下部连接泄水锥，在转轮体的四周放置悬臂式叶片。在转桨式水轮机的转轮体内部装有叶片转动机构，在叶片与转轮体之间安装着转轮密封装置，用来止油和止水。
2.转轮体
轴流式水轮机的转轮体上装有全部叶片和操作机构，在安放叶片处转轮体的外形有圆柱形和球形两种。大中型转桨式水轮机的转轮体多数采用球形，它能使转轮体与叶片内缘之间的间隙在各种转角下都保持不大于2～5mm，达到减少漏水损失的目标。另外球形转轮体增大了放置叶片处的轮毂直径，有利于操作机构的布置。但是相同的轮毂直径下，球形转轮体减小了叶片区转轮的过水面积，水流的流速增加，使球形转轮体的空蚀性能比圆柱形差。
圆柱形转轮体其形状简单，同时水力条件和空蚀性能均比球形转轮体好。但转轮体与叶片内缘之间的间隙是根据叶片在最大转角时的位置来确定的，而当转角减小时，转轮体与叶片之间的间隙显著增大，叶片在中间位置时，一般间隙达几十毫米，增加了通过间隙的漏水量，效率下降，所以圆柱形转轮体的效率低于球形转轮体。
转轮体的具体结构要根据接力器布置与操作机构的形式而定。小型水轮机转轮，定桨式水轮机转轮一般都采用圆柱形转轮体。转轮体一般用ZG30或ZG20MnSi整体铸造，为了支承叶片，转轮体开有与叶片数相等的孔，并在孔中安置叶片轴。随着工艺、材料和结构的改进，转轮体球面直径与转轮直径之比（轮毂比）
逐步减小。转轮体和叶片的安放角位置，可以按叶片法兰面上φ=0°标记线对照。当0°线标记与转轮体轴孔的水平线重合时，叶片安放角φ=0°，与轴孔外圆的弦长S1相对应处为+φmax，与S2相对应处为-φmax，如图2.14所示，其中
图2.13 ZZ-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—操作油管
3.叶片
轴流式水轮机的比转速ns=450～1000，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，又要保持叶片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，叶片数目相应减少，一般为3～8片，叶片轴线位置变为水平，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。
图2.14 叶片安放角位置
轴流式转轮叶片由叶片本体和枢轴两部分组成。对于尺寸较小的水轮机，一般采用整体轴，这样可以减少零件数目，铸造、加工、安装的困难也不大。当水轮机尺寸大时，采用分开成叶片本体和枢轴两部分就比较有利。这是因为：
（1）分成叶片本体和枢轴两部分，每一部分的重量和尺寸都减少了，对于铸造，加工和安装都带来方便。
（2）因为叶片易受空蚀损坏，分开的结构可单独地拆卸某个叶片进行检修。
（3）分开的结构有可能对两个部件采用不同的材料，例如叶片本体采用不锈钢，而枢轴采用优质铸钢。
但是分开结构对转轮的强度是有所削弱的，因为为了布置叶片，枢轴和转臂的连接螺钉，分件式叶片法兰和枢轴法兰的外径都要比整体时大（图2.15）。
图2.15 叶片枢轴结构
（a）叶片与枢轴整体；（b）叶片与枢轴用螺栓连接
1—叶片；2—枢轴
轴流式转轮的叶片一方面承受其正背面水压差所形成的弯曲力矩，另一方面承受水流作用的扭转力矩，同时还要承受离心力作用。受力最大位置在叶片根部，叶片的断面是外缘薄，逐渐增厚，根部断面最厚。叶片根部有一法兰，是为了叶片与转轮体的配合。叶片本体末端是枢轴，枢轴上套有转臂。这样把枢轴插在转轮体内，通过转臂，连上叶片操作机构就可以转动叶片了。
叶片的材质要求与混流式相同，目前多采用ZG30或ZG20MnSi铸钢，并根据电站运行条件，在叶片正面铺焊耐磨材料，背面铺焊抗空蚀材料。许多电站运行实践表明，铺焊不如堆焊效果好。有的机组采用不锈钢整铸叶片效果更理想。
4.叶片密封装置
由于转桨式水轮机在运行中需要转动叶片以适应不同的工况，当叶片操作机构工作时，一些转动部件与其支持面间需要进行润滑，因此在转轮体内是充满油的。转轮体内的油是具有一定压力的压力油，这是因为一部分主轴中心孔的油，最后排入受油器，而受油器布置在发电机的顶上，所以转轮体内的油有相当于发电机的顶部至转轮体这段油柱高度的压力，另外由于转轮旋转，油的离心力使油产生一定的压力。在另一方面，转轮体外是高压水流，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，在叶片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2.16所示是目前国内水轮机厂采用较普遍的“λ”形转轮叶片密封结构。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V形橡胶环双向密封，结构简单，安装方便，更换密封不需要拆卸叶片，优点较多。
5.泄水锥
泄水锥的外形尺寸由模型试验确定。中小型机组的泄水锥大多采用ZG30铸造，图2.17是泄水锥与转轮体的连接结构。图2.17所示的结构中，泄水锥上部周围开有带筋的槽口，用螺钉把合，除加保险垫圈外，装配后螺帽还应和锥体点焊，防止机组在运行中泄水锥脱落。
图2.16 “λ”形转轮叶片密封
1—螺钉；2—压盖；3—“λ”密封圈；4—顶起环；5—弹簧；6—叶片枢轴；7—限位螺钉；8—转轮体
图2.17 泄水锥连接结构
1—转轮体；2—螺钉；3—保险垫圈；4—护盖；5—泄水锥
图2.18 转轮室结构
6.转轮室
图2.18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，发现转轮室壁受到强烈的振动，可能造成可卸段的破坏，有时整个可卸段被拉脱，因此需加强转轮室的刚度和改善转轮室与混凝土的结合。
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。
7.支承盖和顶盖
大型的轴流式水轮发电机组，顶盖和支持盖是分开的。支持盖通过法兰与顶盖连接，并支承在顶盖上。顶盖为箱形结构固定在座环上。机构的推力轴承由固定在支持盖上的轴承支架来支承。水轮机导轴承支持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重量。
中小型轴流式水轮机通常将顶盖和支持盖合为一件，总称顶盖。
2.2.2 轴流转桨式水轮机桨叶操作系统结构
1.叶片操作机构和接力器
（1）叶片操作机构。叶片操作机构由接力器、活塞杆、曲柄连杆机构等零件构成，安装在转轮体内，用来变更叶片的转角，使其与导叶开度相适应，从而保证水轮机运行在效率较高的区域，叶片操作机构是由调速器进行自动控制的，其叶片操作机构示意图如图2.19所示。
图2.19 叶片操作机构示意图
1—叶片；2—桨叶转轴；3、4—轴承；5—转臂；6—连杆；7—操作架；8—接力器活塞；9—活塞杆
根据接力器布置方式不同，叶片操作机构的形式很多，目前应用比较普遍的型式有带操作架传动的直连杆机构（图2.20），带操作架的斜连杆机构（图2.21）和不带操作架的直连杆机构（图2.22）。采用一个操作架来实现几个叶片同时转动的机构称为操作架式叶片转动机构。当叶片转角在中间位置时，转臂水平，连杆垂直的称带操作架直连杆机构。
图2.20 带操作架的直连杆机构
1—叶片；2—圆柱销；3—止推轴套；4—轴套；5—转臂；6—卡环；7、9—销；8—连接板；10—定位螺钉；11—轴套；12—耳柄；13—操作架；14—限位销
图2.21 带操作架斜连杆机构
1—转臂；2—卡环；3—枢轴；4—轴套；5—连接销；6—连杆；7、9—限位块；8—耳柄；10—螺母
图2.22 无操作架直连杆机构
1—螺母；2—套筒；3—销；4—连杆；5—轴套；6—限位板；7—转臂
（2）转轮接力器。转轮接力器的布置方式很多，通常把接力器布置在转轮体叶片中心线上部，也有把接力器布置在叶片下部泄水锥的空腔内。
如图2.23所示是目前采用比较普遍的结构，接力器布置在叶片中心线上部，活塞和活塞杆的连接方式有两种。如图2.23的Ⅰ和Ⅱ。Ⅰ为不带操作架的结构，Ⅱ为带操作架的结构。控制转轮接力器活塞作往复运动的压力油通过操作油管输入，操作油管由不同管径的无缝钢管组成，并安装在主轴内。操作油管上部与受油器相连，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油管。
图2.23 转轮接力器结构
2.转轮叶片操作系统
图2.24为叶片操作系统示意图，在导水机构导叶动作的同时，转轮叶片的协联机构凸轮装置动作，控制配压阀，使高压油经压力油管进入受油器，再经操作油管至转轮接力器的一腔，高压油推动活塞，接力器另一腔的油，则顺着另一条油管道回至配压阀。图中所示为开启叶片油路，叶片关闭则相反。
为了把压力油从油压设备经调速器送入转桨式水轮机转轮体内，以操纵叶片转动，需要装设操作油管和受油器。
图2.24 轴流转桨式水轮机转轮叶片操作系统
1—凸轮装置；2—受油器；3—配压阀；4—压力油管；5—操作油管；6—转轮接力器
操作油管的布置，如图2.25所示，在转桨式水轮机和发电机的主轴中心孔中布置两根同心的操作油管2和3、4和5，它是用来操作叶片转角的压力油管。下端连接接力器的活塞，上端连接于受油器。操作油管与主轴中心孔形成a、b、c三个油腔，把接力器活塞上下的空腔及转轮体内的空腔同受油器的相应空腔连通起来。在图2.25中机组的主轴分水轮机轴、发电机轴及励磁机轴三部分，所以操作油管也分成三部分。当机组只有一根主轴时，操作油管可以做成一整根。
图2.25 操作油管布置
1—受油器；2—上操作油管；3—中操作油管；4—下操作油管；5—内管
a—内压力油腔；b—外压力油腔；c—回油腔
图2.26 受油器
1—底座；2、5—油管；3—受油器体；4—套管；6—衬套；7—甩油盆
通过受油器可以把旋转着的操作油管与外部的固定油管相连通，以便把压力油送入转轮接力器。
受油器结构，如图2.26所示，受油器底座固定于发电机或励磁机顶上，在受油器本体的中心部分有油室b和c，它们分别与外操作油管和内操作油管用法兰连成一体。
受油器里的甩油盆固定于励磁机轴上，与机组主轴一起旋转。来自主轴中心孔的油进入甩油盆a并被甩向底座，然后由底座上的油口A用管子排到油压设备的回油箱。为了防止油进入发电机，在甩油盆上做了梳齿密封。
由于操作油管很长，管壁较薄，为了增加刚度，提高横向振动的临界转速，在水轮机轴和发电机轴上口处中心孔内装有一定数量的引导瓦，以减小操作油管的跨度。