第二章水轮机结构(new) - 图文

第二章 水轮机结构

本章教学要求：

1．掌握混流式和轴流式水轮机的基本结构；

2．掌握反击式水轮机引水室的作用、类型及其适用范围； 3．了解座环的结构与作用；

4．了解径向式导水机构的基本结构和作用；

5．掌握尾水管的作用、类型、基本设计原则及尾水管的减振措施。

第一节 混流式水轮机结构

一、概述

混流式水轮机是反击式水轮机的一种，其应用水头范围很广，从20~700m水头均可使用。它结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率和较低的空蚀系数。现以图2-1所示的混流式水轮机为例来介绍这种水轮机结构。水轮机的进水部件是具有钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称固定导叶1，在转轮四周布置着导水机构导叶2。座环支柱具有坚固的上环a和下环b，蜗壳和上下环焊接在一起。导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底环3和固定于顶盖4的套筒5上。底环固定于座环的下环上面。顶盖用螺钉6与座环的上环连接。导水的传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂12，连杆13和控制环14组成。导叶的开度a0（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的改变是通过导水机构的两个接力器16和控制环连接的推拉杆15传动控制环来实现的。

图2-1 HL200-LJ-550水轮机剖面图（高度单位：m，尺寸单位：mm）

1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉；7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠；10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承；18—泄水锥；19a,19b—上，下迷宫环；a—坐环上环；b—坐环下环；20—连接螺栓

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由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度b0与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流载面。b0一般随水头增加而减小。

导叶和水轮机顶盖4及底环3之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。一般采用橡胶的或金属制成的密封件，可使导水机构关闭时的漏水量最小。在高水头的水轮机中，有时采用专门的管状密封装置，在关机时其内腔充以压缩空气，能使端面完全密封。

转轮是水轮机将水流能量转换为机械能的核心部件。水流通过导水机构进入转轮。转轮由上冠9，下环10和叶片11组成。一般混流式水轮机有14~19个叶片。叶片、上冠和下环组成坚固的整体钢性结构。转轮上冠与主轴8的下法兰连接。泄水锥18与上冠连接，用于消除水流旋蜗。

转轮密封19a，19b是安置在转轮上冠和下环上的多槽环。水轮机工作时，转轮前后的水流个别为高压与低压，转轮后常形成真空。因此，水轮机工作时有部分水流经过转动与不转动部件之间的间隙无益地漏掉，从而使水轮机效率降低。密封环就是为了减少流量漏损。当水经过密封环空间时，受到突然扩大和缩小的局部水力阻挡，产生水力损失，从而减小流速，使通过缝隙的流量减小。

减压孔联通转轮上腔和转轮下面的低压区，从而减小由推力轴承承受的轴向推力，当有减压孔（图2-1上的20）时，转轮上冠必须设置密封装置。

图2-2为混流式水轮机水平剖面图，座环的固定导叶数量通常为导叶数一半。

图2-2 混流式水轮机水平剖面图

二、转轮

转轮是各种型式水轮机将水能转变成机械能的核心部件。转轮也直接决定水轮机过流能力、水力效率、空蚀性能和工况稳定性等工作性能。因此转轮各部分应满足水力设计的型线要求，有足够的强度和刚度，制造的转轮应具备有抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的性能。

对于不同的水头，水轮机的形状是不同的，有轴流式，混流式和冲击式等几大类水轮机。划分这几大类水轮机的根本原因是通过转轮的过流量和转轮的强度及刚度等因素。低水头下

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工作的水轮机可以具有较大的过流量，尽管水轮机气蚀系数大一些，仍旧可以得到合理的安装高程。轴流式水轮机过流量大，转轮叶片承悬臂梁状。由于工作水头不高，强度，刚度也能满足要求。当水头增加，由于气蚀及强度条件不够，轴流式水轮机不适应了，转轮就应该做成有上冠和下环的形状。

混流式水轮机适用水头范围极广。由于水头和流量的不同，其转轮形状也各不相同。一般说来，水头愈高转轮叶片高度减小，长度增加，水流在转轮中愈趋于幅向流动。随着工作水头降低，转轮叶片变短，高度增加，水流愈趋于轴流方向。图2-3表示不同比转速的混流式水轮机轴面投影，一般来说水轮机适应水头愈高，它的比数愈小，不同比转速的转轮其形状是不同的。

图2-3 不同比转速的混流式水轮机轴面投影

不管什么形状的混流式水轮机，其转轮基本上由上冠、下环、叶片、上下止漏装置，泄水锥和减压装置组成，图2-4是混流式转轮结构示意图。

图2-4 混流式转轮示意图

1— 压装置；2、6—止漏环；3—上冠；4—叶片；5—泄水锥；7—下环

1．转轮上冠

转轮上冠的作用除了支承叶片外，还与下环构成过流通道。上冠形似圆锥体，其上部中间为上冠法兰，此法兰的上面与主轴相连，其下面固定泄水锥，在上冠上固定有均匀分布的叶片。在上冠法兰的外围开有几个减压孔，在其外侧面装有减压装置。上冠流线可以做成直线形和曲线形两种，如图2-5所示。直线型上冠具有较好的工艺性，但其效率特别是在负 荷超过最优工况时低于曲线型上冠。此外采用曲线型上冠可增加转轮流道在出口附近的过水断面积，因而使水轮机的单位流量增加。试验证明，转轮上冠曲线的倾斜角?越小单位流量越大。当然不能过小，否则会破坏整个流道的光滑性。不同上冠曲线转轮的工作特性

??f(Q11)如图2-5所示。由此可见，倾斜度小的上冠曲线应得到更广泛的应用。当然，

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无论采用哪一种上冠曲线，都应当使泄水锥部分与轴心线的交角不过大，以免引起水流剧烈的撞击。

图2-5 转轮上冠曲线形状

2．转轮叶片

叶片的作用是直接将水能转换为机械能。叶片断面形状为翼形，转轮叶片数Z1的多少对水力性能和强度有显著的影响，随比转速的不同叶片数Z1在9~21的范围内。表2-1绘出了叶片数与比转速的关系，这是实践统计资料，可供设计时参考。叶片上端与上冠相连，下端与下环连成一个整体。在其它尺寸（如叶片厚度，叶型长度）不变的条件下，增加叶片数目会增加转轮的强度和钢度。因此当水轮机应用水头提高时转轮叶片数亦相应增加，但叶片的厚度在流道中又起排挤空间的作用，叶片数增加减小过水断面面积，致使转轮的单位流量减小。试验表明，叶片数的改变不仅改变最优工况时的单位流量Q11，同时也改变出力限制线的位置。图2-6说明了上述分析。

表2-1 混流式转轮的叶片数与比转速的关系

图2-6 叶片数不同时的n?f(Q11)曲线

叶片数对汽蚀性能的影响没有一定规律。在叶片长度L不变的情况下，增加Z1意味增加转轮叶栅稠密度

L?，即增加叶片的总面积，从而降低单位面积叶片负荷，降低叶片正背

面压差，这将改善汽蚀性能。但因混流式转轮叶栅的

L?本来就较大，所以因Z1增加使汽蚀

得到的改善并不显著，同时Z1增加，必然引起叶片对流道的排挤增加，流道中流速增加，又使得空化性能变坏，因此叶片数增加对汽蚀性能的影响要看哪个因素起主要作用而定。 3．转轮下环

转轮下环的作用是增加转轮的强度和刚度并与上冠形成过流通道。下环形状及转轮出口直径D2（见图2-3）对转轮出口附近的过水断面面积影响很大，因而它影响转轮的过水能力及汽蚀性能。低比转速水轮机的转轮下环呈曲线形，D2D1值小于1，进口边的高度和

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导叶的高度一样。这样的转轮单位过流量必然很小，强度和刚度有充分保证。由于叶片比较长，叶片单位面积上的负荷就比较小，空化系数减少。实践表明，对nS?60~120的低比转速转轮，D2D1=0.6~0.7时具有良好的汽蚀性能和效率。

比转速较高的混流式转轮，下环通常采用具有锥角（图2-5a）的直线形。锥角?越大出水截面积越大，可提高过流能力和改善汽蚀性能，但?越大会引起脱流，使水力损失增大效率下降。图2-7和图2-8绘出了具有不同下环锥角?的转轮的汽蚀和能量特性的曲线。

图2-7 不同下环锥角转轮的Q11??和N11??曲线

1—α=3°；2—α=6°；3—α=13°

图2-8 不同下环锥角转轮的

??Q11曲线

1—α=3°；2—α=6°

（1）下环锥角?加大则曲线??f(Q11)和??f(N11)均右移，?角越大，曲线右移越多。此时最高效率移向较大流量区域，而在小于最优工况的低负荷区效率下降。因而转轮需长期在部分负荷下工作，则锥角?不宜太长，以免平均的运行效率下降。

（2）下环锥角?由3°增加到6°时，在实际上不改变水轮机最高效率情况下可使转轮的过流能力Q11增加2.5%，而其出力可增加2%左右，当?角由6°增至13°时，虽然Q11和

N11增加更多，但效率开始下降。因而锥角?不宜过大，一般不应大于13°。

（3）从图2-8中可看出，?角的增加能使汽蚀系数下降，改善汽蚀性能。这是因为?角加大后增加了转轮出口附近的过水截面积，降低了流速而造成的。

根据实践在表2-2和表2-3中给出了D2D1，锥角?角与比转速的关系。采用这些数

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据是有利的，但随着生厂技术的发展，这些关系是可以变化的。

表2-2 转轮进出口直径的关系

表2-3 转轮下环锥角

4．泄水锥

泄水锥的作用是引导经叶片流道流出的水流迅速而顺畅的向下渲泄，防止水流相互撞击，以减少水力损失，提高水轮机效率。其外形呈倒锥体。它的结构型式有铸造和钢板焊接两种。里面空心，下面开口，以便排除通过止漏环的漏水及橡胶导轴承的润滑水（有的转轮将泄水控开在泄水锥的外侧），还作为主轴的中心补气和有的转轮的顶盖补气通道之用。 5．止漏装置

止漏装置的作用是用来减小转动部分与固定部分之间的漏水损失。止漏装置分为固定部分和转动部分，为防止水流向上和向下漏出，水轮机上一般装有上、下两道止漏环。上止漏环固定部分装在顶盖上，其转动部分装在上冠上，下止漏环的固定部分一般装在底环上，转动部分装在转轮的下环上。目前广泛采用的止漏环结构型式有间隙式，迷宫式，梳齿式和阶梯式四种，如图2-9所示。

图2-9 止漏装置型式

(a)间隙式；(b)迷宫式；(c)梳齿式；(d)阶梯式迷宫

（1）止漏环的材料和固定方式

止漏环的材料一般采用ZG30或A3钢板，泥沙较多的电站采用不锈钢。 止漏环的固定方式有直接车制和红套固定两种。对一些水质干净，转轮尺寸较小的转轮，可以直接在上冠和下环上车制迷宫环。一般在整铸转轮上为考虑折卸方便，采用红套固定。

（2）止漏环型式的选择

使用水头H?200m，型谱内所列各型号混流式转轮一般都采用间隙式或迷宫式止漏环，它止漏效果差，但其与转轮的同心度高，制造、安装方便，抗磨损性能较好。在含泥沙较多的电站采用间隙式止漏环。迷宫式止漏环，与转轮的同心度高，制造、安装较方便。在清水电站采用迷宫式止漏环较多。如图2-9(b)所示迷宫式止漏环，当水从间隙中流过时，由于局部阻力加大，使压力降低，当水流到达沟槽部位时又突然扩大，进入下一个间隙时又突然收缩，这种反复扩大、收缩的结果减低了水流压力，使漏水量大大减少。

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使用水头H?200m的混流式水轮机，常采用梳齿式止漏环，它的转动环和固定环的截面为梳齿状，两个环的截面形成交错配合，图2-9(c)是这种型式的止漏装置。当水流经过梳齿时，转了许多直角弯，增加了水流阻力，使漏水量减少。梳齿式止漏环的间隙为

??1~2mm，平面间隙?1???h,h为允许抬机的高度，一般取10~15mm。其缺点是止

漏环与转轮的同心度不易保证，间隙测量困难，安装不便，它一般与间隙式止漏环配合使用。

阶梯式止漏环也多用于水头H?200m的水电站[见图2-9(d)]，其止漏效果好，因它具有迷宫式及梳齿式止漏环的作用。另外，这种止漏环与转轮的同心度好，安装测量比较方便。

（3）止漏环的安装

止漏环的间隙值不但影响止漏效果，影响机组效率，还会对机组运行稳定性产生较大影响。止漏环单边间隙?（见图2-9）一般可取转轮直径的0.51000，具体数值参见表2-4。 在安装时，应仔细测量止漏环的单边间隙，当转轮位于安装的最终高程，各止漏环间隙的允许值应符合表2-5的要求。

表2-4 止漏环单边间隙表

表2-5 混流式转轮止漏环间隙允许偏差

当水头超过200m，采用梳齿密封的混流式水轮机（图2-10），由于运行中机组摆度的影响，圆周方向的间隙a1,a2不均匀，可能导致A,B腔内水流压力波动，严重时会引起机组振动，因此间隙值a1,a2一般采用适当加大。也可采用加联通管，进口外圆车制环槽等措施来均衡A,B腔压力值。

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图2-10 梳齿密封

1—上梳齿；2—下梳齿；3—A腔排水管；4—B腔联管；5—环行槽

6．减压装置

减压装置的作用是减小转轮上的轴向水推力。其形状为环形减压板，分别装在顶盖下面和上冠的上方。

水流经过混流式转轮时会产生轴向力。设计水轮机时，除了要知道水轮机转轮和主轴的重量外，还要知道轴向水推力。

根据混流式特点，总的轴向水推力为：

FE?F1?F2?F3?F4(N) （2-1）

式中 F1——转轮流道内水流作用产生的推力；

F2——作用于转轮上冠因水压力产生的水推力； F3——作用于下环因水压力产生的推力； F4——浮力。

在实际设计中，往往用经验公式来计算作用于转轮的轴向推力。对混流式水轮机有：

Ft?9.81?103K?4D1Hmax（N） （2-2）

2式中系数K与水轮机型号有关，其值可参考表2-6。

表2-6 水轮机轴向力系数K与水轮机型号的关系

混流式水轮机转轮重量可按下式近似计算。

3WR?[0.5?0.025(10?D1)]D1分瓣结构的转轮重量按（2-3）结果增加10%。

（t） （2-3）

主轴重量WS的近似计算，高水头混流式水轮机可取WS?WR，中水头混流式水轮机可取WS?(0.4?0.5)WR，（较低水头或大机组取小值）；对发电机与水轮机同一轴的机组，混流式可取WS?(0.7?0.8)WR。

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水轮机总的轴向推力：

F??Ft?9.81?103(WR?WS) (N) (2-4)

在高水头混流式水轮机中，为了降低机组推力轴承的负荷，在结构上主要采用减小作用在上冠外面轴向水推力的措施。

常用的减压装置结构形式有两种，如图2-11所示，图(a)为引水板和泄水孔的减压方式；图(b)为顶盖排水管的转轮泄水孔的减压方式。

图2-11(a)型式中，上下环形引水板分别装在顶盖下方和上冠的上面，当漏水进入顶盖引水板与上冠引水板之间的间隙c时，由于转轮旋转受离心力的作用，漏水被逸至顶盖引水板上，经泄水孔排至尾水管。此型式的减压效果与引水板面积、间隙E和的大小及泄水孔的直径d有关。一般认为引水板和泄水孔面积越大，间隙E和c越小，减压效果越显著。泄水孔最好开成顺水流方向倾斜??20?~30?。

在图2-11(b)型式中，顶盖和尾水管内有数条排水管相连，使上冠上面的漏水一部分经排水管泄至尾水管，另一部分经转轮上的泄水孔排入尾水管。自转轮泄水孔排入尾水管的漏水有的直接排至尾水管，见图2-11(b)所示；有的经泄水锥内腔排入尾水管，见图2-11(c)所示。经转轮上的泄水孔排入尾水管，使转轮上面的压力降低，从而减轻作用在转轮上的轴向力推力。但如图2-11(b)所示的方式可能在泄水锥的过流表面上产生空蚀损坏和磨损。而图2-11(c)所示的方式又有可能影响补气的效果。

图2-11 减压装置

7.转轮的结构型式

由于混流式水轮机的转轮应用水头和尺寸大小不同，它们的构造型式，制作材料及加工方法均不同。

混流式转轮的结构型式主要是指上冠，叶片和下环三部分的构造型式，基本上分为整铸转轮，铸焊转轮，组合转轮三种。

(1)整铸转轮

整铸转轮是指上冠，叶片和下环整体铸造而成的转轮，如图2-12所示就是整体转轮，这种结构在中小型机组中广泛采用。低水头的中小型混流式转轮材料采用优质铸铁HT20～40

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或球墨铸铁整铸；高水头的中小型转轮和低水头的大型转轮，则采用ZG30整铸。对高水头的水轮机转轮，为提高其强度和抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的性能，采用了不锈钢材料。有些采用普通碳钢的转轮，在其容易空蚀和磨损的过流部位，例如在叶片表面和下环内侧，堆焊抗空蚀耐磨损的材料。

图2-12 整铸转轮

整铸转轮当尺寸不大时，它的生产周期短，成本较低，且有足够的强度，所以广泛采用。缺点是容易产生铸造缺陷，铸造质量不易保证，尤其当转轮尺寸大时，需要铸造设备的能力也大。

(2)铸焊转轮

在混流式转轮制造中，目前广泛采用焊接结构。如图2-13所示就是其中的一种结构形式。转轮的上冠、叶片和下环三部分单独铸造后，经过一定的生产工艺流程，焊接而成。这

图2-13 铸焊转轮

1—上冠；2—叶片；3—下环；4—焊缝

种焊接结构具有良好的技术经济效果，可对不同部位采用不同的钢种，例如对上冠和下环采用普通铸钢而叶片采用不锈钢，这样做既提供了转轮的抗空蚀能力，又节省了镍铬等金属。

铸焊结构转轮，由于铸件小，形状较简单，容易保证铸造质量，同时降低了对铸造能力的要求。但铸焊结构转轮焊接工作量大，对焊接工艺要求高，要确保每条焊缝的质量，避免和消除焊接温度应力等。

大型混流式转轮除采用手工焊外，还采用叶片与上冠电渣焊、下环与叶片手工焊的结构型式。目前已成功地制成了叶片与上冠、下环全部采用管极熔嘴全电渣焊的大型转轮。

（3）组合转轮

当转轮直径大于5.5m时，因受铁路运输的限制，或因铸造能力不足，必须把转轮分半制作，运到现场再组合成整体。

根据转轮各部分的组合连接方式不同，也分几种型式。我国主要采用上冠螺栓连接、下环焊接结构，在上冠连接处有轴向和径向的定位销，如图2-14所示。

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图2-14 组合转轮

1—组合螺栓；2—组合定位螺栓；3定位销；4—下部分剖面；

5—上部分剖面；6—临时组合发兰；7—下环分瓣面

第二节 轴流式水轮机的结构

一、概述

轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，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。轴流式水轮机用于开发较低水头，较大流量的水利资源。它的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2-15），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效率。

特别是轴流转桨式水轮机，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2-15 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 图2-16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某种协联关系，

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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。

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。

轴流式水轮机广泛应用于平原河流上的低水头电站，应用水头范围为3～55m，目前最大应用水头不超过70m。限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。由于轴流式水轮机的过流能力大。单位流量Q11和单位转速n11都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数?。在相同水头下，轴流式水轮机转轮由于叶片数少，叶片单位面积上所承受的压差较混流式的大，叶片正背面的平均压差较混流式的大，所以它的空化性能较混流式的差。因此，在同样水头条件下，轴流式水轮机比混流式水轮机具有更小的吸出高度和更深的开挖量。随着应用水头的增加，将会使电站的投资大量增加，从而限制了轴流式水轮机的最大应用水头。另一方面是由于轴流式水轮机叶片数较少，叶片呈悬臂形式，所以强度条件较差。当使用水头增高时，为了保证足够的强度，就必须增加叶片数和叶片的厚度，为了能够方便地布置下叶片和转动机构，转轮的轮毂比dh?dh，亦要随之增大，这些措施将减少转轮流道的过流断面面积，使得D1单位流量Q11下降。当达到某一水头时，轴流式水轮机的单位流量甚至比混流式水轮机的还要小。这种情况也限制了混流式水轮机应用水头的提高。但随着科学技术的发展，相信轴流式水轮机的应用水头会进一步提高。

二、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。另外环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，即轮毂比dB?dB/D1逐步减少。转轮体和叶片的安放角位置，可以按叶片法兰面上??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??0?，与轴孔外圆的弦长S1相对应处为??max，与S2相对应处为

??max，见图2-17所示，其中：

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S1?Dsin

S2?Dsin??max2 (2-5)

??max2

图2-16 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

图2-17 叶片安放角位置

三、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

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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。

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，因为这样可以减少零件数目，铸造、加工、安装的困难也不大。但当水轮机尺寸大时，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（见图2-18），这一缺点对于高水头的转轮可能就是致命的，因为水头高，叶片数目就多，转轮上相邻叶片轴孔之间的宽度本来就很小，如果采用分开式结构，转轮体就无法满足要求。

图2-18 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，这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。

四、叶片操作机构和接力器

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见图2-19。

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

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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，带操作架的斜连杆机构和不带操作架的直连杆机构。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。

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2-20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2-20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2-20 转轮接力器结构

五、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2-21所示是目前国内水轮机厂采用较普遍的“?”型转轮叶片密封结构。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型橡胶环双向密封，结构简单，安装方便，更换密封不需要拆卸叶片，优点较多。

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图2-21 “?”型转轮叶片密封

1— 螺钉；2—压盖；3—“?”密封圈；4—顶起环；5—弹簧；6—叶片枢轴

7—限位螺钉；8—转轮体

六、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2-22是泄水锥与转轮体的连结结构。图2-22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，装配后螺幅还应和锥体点焊，防止机组在运行中泄水锥脱落。

图2-22 泄水锥连接结构

1—转轮体；2—螺钉；3—保险垫圈；4—护盖；5—泻水锥

七、转轮室

图2-23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，发现转轮室臂受到强烈的振动，可能造成可卸段的破坏，有时整个可卸段被拉脱。因此转加强转轮室的刚度和改善转轮室与混凝土的结合，是应该重视的一个问题。

图2-23 转轮室结构

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。

八、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。顶盖为箱型结构固定在座环上。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

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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常将顶盖和支持盖合为一件，总称顶盖。

第三节 反击式水轮机引水部件

一、引水室

引水室和导水机构是水轮机的两大部件。引水室是水流进入水轮机的第一个部件。通过它将水引向导水机构并进入转轮区。在转轮区工作中对引水室提出下列基本要求。

1．尽可能减少引水室中的水力损失以提高水轮机效率。

2．保证导水机构周围的进水量均匀，水流呈轴对称，使转轮四周受水流的作用力均匀，以便提高运行的稳定性。

3．水流进入导水机构前应具有一定的旋转（环量），以保证在水轮机的主要工况下导叶处在不大的冲角下被绕流。

4．有合理的断面尺寸及形状，以降低电站厂房投资及便于电站辅助设备的布置（如导水机构的接力器及传动机构的布置）。

5．具有必要的强度及合适的材料，以保证结构上的可靠性及抵抗水流的冲刷。 显然上述各项要求之间是有矛盾的，例如要使水力损失小就须增大引水室尺寸，而增大引水室尺寸又会使厂房投资增加。因此，对上述各项要求应作统一，全面的考虑。

为了适应不同的流量与水头条件，各种型式电水轮具有不同型式和结构的引水室。归纳起来有开敞式引水室，罐式引水室和蜗壳式引水室三大类型（图2-24）。

1．开敞式引水室

开敞式引水室（图2-25）是有水轮机导水机构外围作与一个开敞的水槽，为了保证水流轴对称及在引水室内水力损失小，其平面尺寸常很大。由于这种引水室一般是用砖石及混凝土做成，所以只能用于较低水头及小型水轮机。

2．罐式引水室

罐式引水室属于闭式，常见的有两种：一种如图2-26所示，水流沿轴向进入水轮机，在进入导水机构前流向急剧转弯致使水流不均匀。因此这种引水室只适用于小型水轮机。

图2-24引水室的应用范围

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图2-25 开敞式引水室

图2-26 罐式引水室

3．蜗壳式引水室 如前所述，由于保证沿外围圆周均匀地向水轮机导水机构和转轮径向进水，同时还造成一定的环量（周向流动），这样，进水室就必须做成过水断面逐渐减小的蜗壳形状。良好的蜗壳形进水室应能使水流流动损失最小，同时减小厂房尺寸，降低电站投资。蜗壳是反击式水轮机中应用最普遍的一种引水室，本章将主要介绍这种引水室。

水轮机蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳。混凝土蜗壳一般用于水头在40m以下的机组。由于混凝土结构不能承受过大水压力，故在高水头时采用金属蜗壳。现在研究在高水头时应用高强度预应力混凝土蜗壳。此外钢板和混凝土联合作用的蜗壳也是一个新的研究课题。

(1)金属蜗壳

金属蜗壳按其制造方法有焊接，铸焊和铸造三种类型。金属蜗壳的结构类型与水轮机的水头尺寸关系密切。铸焊和铸造蜗壳一般用于直径D1?3m的高水头混流式水轮机，尺寸较大的中低水头混流式水轮机一般都应用钢板焊接结构。

图2-27是某水电站钢板焊接的结构。它由31节焊成，每节又由几块钢板拼成。蜗壳和座环之间也靠焊接联接。焊接蜗壳的节数不应太少，否则将影响蜗壳的水力性能。但为使蜗壳线型尽量光滑及改善其水力性能而采用过多的节数，则又会给制造和安装带来困难而且也是不经济的。

金属蜗壳的断面采用圆形，为了节约钢材，钢板厚度应根据蜗壳断面受力不同的而异，通常蜗壳进口断面厚度较大，愈接近鼻端则厚度愈小，如图2-27的焊接蜗壳，进口断面的最大厚度为30mm，而在接近鼻端处厚度为15mm，此外，即使在同一断面上钢板的厚度也不应相同，如接近座环上，下端的钢板较断面中间的厚些，具体数值由强度计算确定。

金属蜗壳的受力情况较复杂，除了内水压力所引起的薄壁应力外，还有蜗壳与座环连接处及同一轴截面内不同厚度钢板联接处因刚度不同而引起的局部应力。

关于蜗壳的应力分布，国内一些运行机组和模型机组曾用电测法进行了测试。图2-28和图2-29为实测的应用分布图。从试验资料分析可得到以下初步结果。

1）同一个圆断面上应力最高点发生在接近座环的边缘处，离开此点应力下降。整个的蜗壳应力较高点则发生在进口断面附近座环边缘处（图2-28）。

2）靠近座环侧的蜗壳应力和座环的刚性关系很大，其应力值随着固定导叶的位置沿圆

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周作周期性的变化（蜗壳各节钢板厚度是按等强度设计的），与固定导叶进口端相对应的部位应力较高,而固定导叶间应力较低。

图2-27 焊接蜗壳结构图

图2-28 蜗壳应力分布

图2-29 椭圆形断面应力分析

铸造蜗壳（图2-30）刚度较大能承受一定的外压力。

常作为水轮机的支承点并在它上面直接布置导水机构及其传动装置。铸造蜗壳一般都不全部埋入混凝土。

根据应用水头不同铸造蜗壳可采用不同的材料，水头小于120m的小型机组一般用铸铁，

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当水头大于120m时则多用铸钢。

铸焊蜗壳与铸造蜗壳一样适用尺寸不大的高水头混流式水轮机。铸焊蜗壳的外壳用钢板压制而成，固定导叶的支柱和座环一般是铸造然后用焊接的方法把它们联成整体。焊接后需进行必要的热处理以消除应力。

铸造蜗壳和不埋入混凝土的焊接蜗壳一般需作水压试验。当升压水头H?小于250m时，试验水压取升压水头的1.5倍。当升压水头超过250m时，试验水压由

Pc?0.13H??5?105N/m2确定。试验时间为20h。埋入混凝土的焊接蜗壳一般只作焊缝

质量检查。

大中型机组的蜗壳上设有进人孔和排水孔。

图2-30 铸造蜗壳

（2）混凝土蜗壳

混凝土蜗壳（图2-31）一般用于大、中型低水头电站，它实际是直接在厂房下部分大体积混凝土中做成的蜗形空腔。浇筑厂房下部分时预先装好蜗形的模板，模板拆除后即成蜗壳。为加强蜗壳的强度在混凝土中加了很多钢筋，所以有时也称为钢筋混凝土蜗壳。

混凝土蜗壳与座环或固定导叶的联接要有足够的拉筋。为避免冲刷与渗漏，必要时应加钢板护衬。

为了便于作模板，施工及减少径向尺寸，混凝土蜗壳的断面形状一般均采用“T”形或“Г”形，如图2-32所示。混凝土蜗壳断面形状的选择与水电站的厂房布置，地质条件，尾水管高度及下游水位变化等条件有关。

图2-31 混凝土蜗壳

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图2-45 导叶上下轴颈密封装置

(a)\U\型密封圈；(b)\L\型密封圈；(c)导叶下轴密封圈

1—“U”型密封圈；2—金属环；3—压紧螺钉；4—压环；5—抗磨板；6、7—端面密封橡皮条；8—导叶上轴套；9—“L”型密封圈；10—顶盖；11—导叶；12—“O”型密封圈；13—导叶下轴承

机组停机时导水机构必须封水严密，否则不但会增加漏水量而且会加剧间隙汽蚀破坏，导叶关闭后如漏水严重时有可能造成机组无法停机。对于高水头并在电网中担任尖峰负荷的机组来说，减少停机时的漏水损失尤为重要，因为这些机组有相当多的时间处于停机状态。

为了减少漏水必须提高导叶的加工精度，使导叶上、下端面和顶盖、底环之间，导叶与导叶之间的间隙尽可能小。但即使工艺达到规定的要求，而机组安装投产后由于温度变化和厂房变形等因素亦可能造成导叶装配间隙增大或导叶卡住现象。实用上中型水轮机的总端面间隙不小于0.5~0.6mm，而大型水轮机则不大于1~1.5mm。

对于中、低水头的大、中型水轮机，一般采用橡皮条止水密封装置。图2-46(a)是这种装置的结构简图。当导叶处于全关位置时，导叶尾部靠接力器的作用力压紧在相邻叶头部的橡皮条上。这种止漏装置不十分可靠，运行中常发现橡皮条有脱落现象。图2-46(a)的立面密封结构是把橡皮条用压条2和螺钉3固定在导叶1上，这种结构在使用中不易脱落且止漏效果较好，广泛应用于中水头水轮机。高水头电站导叶立面密封靠研磨接触面来达到。

为了使导叶上、下端面和顶盖、底环之间的间隙均匀，在结构上必须考虑有调整间隙的措施。如图2-44所示，端盖20用螺钉19固定在导叶上部转轴上。此时导叶通过螺钉、端盖的作用悬挂在转臂上，转臂将导叶的重量传到导叶上部轴承的端面上，旋转螺钉19即可使导叶上下移动，从而达到调整端面间隙的目的。导叶在全关位置时，靠上、下端面（通常做成斜面）紧压橡压条以阻止水流漏失，见图2-46(b)所示。

图2-46 导叶端面和立面密封

(a)立面密封；(b)端面密封

1—导叶；2—压条；3—螺钉

导叶的立面间隙会因安装不准确而使个别导叶间隙大于技术规定要求，在国内常用的结构中可以用具有左右旋螺纹的螺杆来调整。当螺杆旋转时即改变了连杆的长度，同时也调整

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了导叶的立面间隙。

导叶的止漏装置和间隙调整不仅在导叶结构设计时应予以考虑，同时还应保证在运行、检修中进行调整时操作简单易行，以缩短检修时间。

第五节 反击式水轮机尾水管

一、尾水管的作用

尾水管是反击式水轮机的重要部件，尾水管性能的好坏，直接影响到水轮机的效率和稳定性，一般水轮机中均选用经过试验和实践证明性能良好的尾水管。

反击式水轮机尾水管作用如下： 1．将转轮出口处的水流引向下游；

2．利用下游水面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空； 3．利用转轮出口的水流动能，将其转换成为转轮出口处的动力真空。

图2-47表示三种不同的水轮机装置情况：没有尾水管；具有圆柱形尾水管；具有扩散形尾水管。图2-47在三种情况下，转轮所能利用的水流能量均可用下式表示

PaP2V22?E?E1?E2?(Hd?)?(?) （2-13）

?g?g2g式中?E——转轮前后单位水流的能量差；

Hd——转轮进口处的静水头；

Pa——大气压力； P2——转轮出口处压力； V2——转轮出口处水流速度。

在三种情况下，由于轩轮出口处的压力P2及V2不同，从而引起使转轮前后能量差的变化。

图2-47 尾水管的作用

1．没有尾水管时如图2-47(a)。转轮出口

PP2?a代入式（2-13）得 ?g?gV22 （2-14） ?E??Hd?2g 32

式（2-14）说明，当没有尾水管时，转轮只利用了电站总水头中的Hd部分，转轮后至

V22下游水面高差Hs没有利用，同时损失掉转轮出口水流的全部功能。

2g2．具有圆柱形尾水管时如图2-47(b)。为了求得转轮出口处的压力口断面2及尾水管出口断面5的伯努利方程

P2，列出转轮出?g?V22P2V22?Pa h?Hs?????h???h? (2-15) ???g2g??g?2g式中h?——尾水管内的水头损失。 因此 上式亦可写成

PP2?a?Hs?h? ?g?gPa?P2?Hs?h? （2-16） ?g式中

Pa?P2称为静力真空，是在圆柱型尾水管作用下利用了Hs所形成。 ?g以

P2值代入式（2-13），得到采用圆柱型尾水管时，转轮利用的水流能量?E?? ?g?Pa??PaV22??E??????g?Ha?????g?Hs?h??2g??

????即

?V22???E???(Hd?Hs)???h?? （2-17） ?2g??V22从式（2-17）可见与没有尾水管时相对比较，此时多利用了吸出水头Hs，但动能仍

2g然损失掉了，而且增加了尾水管内的损失h?，即此时多利用了数值为?Hs?h??的能量（静力真空值）。

3．具有扩散型尾水管时如图2-47(c)。此时根据伯努利方程可得出：

PaV22?Vs2P2??Hs??h? ?g?g2g

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断面2处的真空值为：

?V22?Vs2?Pa?P2??Hs???h?? （2-18） ??g?2g?比较式（2-18）与式（2-16）可见，此时在转轮后面除形成静力真空外，又增加数值为

V22?Vs2的真空称为动力真空，它是因尾水管的扩散作用，使转轮出口处的流速由V2减小2g到V5形成的。

将式（2-18）中的为：

P2值代入式（2-13）得扩散型尾水管条件下转轮利用的水流能量?E????gV22?V52?Pa??PaV22???E???????g?Hd??????g?Hs?2g?h??2g??????V????Hd?Hs????h????2g?25 （2-19）

比较式（2-19）与式（2-17）可见，当用扩散形尾水管代替圆柱形尾水管后，出口动能

V52V22?Vs2V22损失由减少到，又多利用了数值为的能量，此值亦称为断面2处的附加

2g2g2g动力真空，当然此时扩散形尾水管中的水头损失也有所增加。故实际上在断面2处所恢复的

V22?Vs2功能为?h?，比式（2-18）中定义的功力真空值少了管中的损失h?。

2g为了估计扩散形尾水管的恢复功能效能，设想扩散形尾水管内没有水力损失?h??0?，

?V22???0且出口断面为无穷大，没有动能损失??2g?，则此时断面2处的理想动力真空就等于转

??V22轮出口的全部功能。

2g实际恢复的动能与理想恢复的功能的比值称为尾水管的恢复系数??

V52?V22????h???2g?2g????? （2-20） 2V22g式（2-20）表明，尾水管内的水头损失及出口动能越小，则尾水管的恢复系数越高。因

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此恢复系数表征了尾水管的质量，反映了其转换功能的能力，故有时也称为尾水管的效率。

根据以上分析，水流经尾水管总的损失?为内部水力损失与出口动能损失之和，即

V52 ??h??2g将式（2-20）代入上式得：

V23?1???? （2-21） ??2g尾水管相对水力损失?，即能量损失与水轮机水头H之比值为：

V23 ????1????H2gH?由上式可见，尾水管的恢复系数??不是尾水管的相对损失，它只反映其转换动能的效果。两个不同比转速的水轮机即使具有相同的尾水管恢复系数，而由于它们的转轮出口动能

V23V23所占总水头的比重不同，其实际相对水力损失也不同。高比转速水轮机的的总水头2g2g的40%左右，而低比转速水轮机却不到1%。以尾水管的恢复系数都等于75%来估算，则高比转速水轮机尾水管的相对水力损失达??10%，而低比转速的仅为??0.25%左右。由此可见，尾水管对高比转速水轮机起着十分重要的作用。从此也可以看到尾水管对轴流式水轮机比对混流式水轮机更重要。

综上所述，水轮机的尾水管有以下作用： 1．将转轮出口水流引向下游。

2．利用转轮高出下游水面的那一段位能（如转轮安装得低于下游水位，则此功能不存在）。

3．回收部分转轮出口功能。

二、尾水管的基本类型

1．直锥形尾水管。如图2-48所示，这是一种简单的扩散形尾水管，广泛使用于中小型水电站中（转轮直径D1?0.5~0.8m）它制造容易，因为在直锥形尾水管内部水流均匀，阻力小，所以其水力损失小，恢复系数??比较高，一般可以达到83%以上。直锥形尾水管母线多是直线，[图2-48(a)]，也有母线为曲线而使管子呈喇叭状[图2-48(b)]。

图2-48 直锥形尾水管

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2．弯曲形尾水管。如图2-49所示，用于大中型水电站的立式水轮机中。它由三部分组成。进口锥管A，肘管B及扩散管C。进口锥管是一个竖直的圆锥扩散管。肘管是一个90°的弯管，它的进口断面为圆形，出口断面为矩形。出口扩散管是一个水平放置的断面为矩形的扩散管。这种尾水管的锥管段里衬由制造厂提供，尾水管在现场用钢筋混凝土完成。在大中型电站的立式水轮机中，如采用直锥形尾水管，由于管子长，需将下游控制得很深，大大增加土建工程量，以致实际上不可能实现，所以必须采用弯肘形尾水管。在这尾水管中，水流经过一段不长的直锥管后进入肘管，使水流变为水平方向，再经过水平的扩散段而流入下游。弯肘形尾水管增加了转弯的附加水力损失及出口水流不均匀性的水力损失，因此这种尾水管的恢复系数较直锥形尾水管低。

图2-49 弯肘形尾水管

如图2-50所示，为小型卧式机组用的弯锥形尾水管，它由两部分组成，第一段为圆段面弯管，转弯角度一般为90°，第二段为竖直的圆锥管段。弯管的形状比肘管简单，易于制造。但由于弯管为等断面，其中水流速度较大，所以其水力损失很大。此外，拐弯后速度分布不均匀，这就使得水流在直锥扩散管中流动状态恶化，故其回能系数较弯肘形尾水管的小，一般在0.4~0.6之间。

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图2-50 弯锥形尾水管

三、尾水管选择

在设计尾水管，首先要根据机组和电站的具体条件来确定和选择尾水管的形式。目前在小型机组上多采用圆形断面的直锥形尾水管，对于大型卧式机组（例如大型贯流式水轮机） ，为了减少水电站的土建投资并保证尾水管有足够的淹没深度，通常将直锥管的出口做成矩形断面，加大水平方向尺寸而减少高度方向尺寸。而对于大型立式机组，由于土建投资占电厂投资比例很大，因此在电站设计中，要尽量降低水下开挖量和混凝土量，应选用弯肘形尾水管，下面分别介绍这两种常用的尾水管的设计的方法。

1．直锥形尾水管的设计

直锥形尾水管由于结构简单，设计时一般可按下列步骤进行。

（1）根据经验公式，决定尾水管的进口速度V5

V5?0.008H?1.2 （2-22）

(2) 确定尾水管出口断面面积 F5?Q （2-23） V5 D5?4QQ （2-24） ??1.13?V5V5(3) 确定锥角?及管长L

根据扩散管中水力损失最小原则，一般选锥角??12?~16?，管长L可由进口断面面积F2(D2)和出口断面面积F5(D5)值及?值算出。

(4) 决定排水渠道尺寸

为保证尾水管出口水流畅通；排水渠道必须有足够的尺寸。对于立式小型机组可参考图2-51确定。设计时先根据当地地质条件按hD5?0.6~1.0确定h值，然后再由曲线[图2-51(b)]查出bD5，算出b，并取c?0.85b。

图2-51 排水渠道断面尺寸选择

(a)排水渠道断面；(b)排水渠道尺寸选择曲线

2. 弯肘形尾水管的选择及计算

与直锥型尾水管不同之处在于弯肘形尾水管的轴心线为曲线，整个尾水管由不同的断面

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形状组织而成。选择弯肘形尾水管就是根据电站机组的具体条件选择各组合断面的几何参数，这些参数的选择原则是设计出的尾水管要求有较高的的综合经济指标，即一方面要尾水管有较高的能量指标，即恢复系数要大，这会对电站带来长期的经济效益，同时又要求土建工程最小，即减少电站一次性投资。而上述两种经济效益往往是矛盾着的。例如为了提高尾水管的恢复系数，应增加尾水管的高度h，但随着h的增加将会带来电站水下开挖量及混凝土量增加。因此在弯肘形尾水管各断面参数选择时应予综合考虑。

弯肘形尾水管的性能受下面三个因素影响，选择时应着重加以考虑。 （1）尾水管的深度

尾水管深度h是指水轮机导水机构底环平面至尾水管底板平面之间的距离。深度h越大直锥段的长度可以取大一些，因而降低其出口即肘管段进口及其后部流道的流速，这对降低肘管中的损失较有利。尾水管的深度变化对水轮机的效率，特别是在大流量情况下影响很显著，这可从图2-52的曲线看出（??代表效率差值）。

图2-52 弯肘形尾水管相对深度hD1与水轮机效率差值的关系

尾水管的深度对水轮机的运行稳定性影响很大。特别是混流式水轮机因叶片角度不能调整而容易产生偏心涡带及振动，实践及研究表明，采用较大的深度可改善尾水管偏心涡带所引起的振动。因此常常需要限制尾水管深度的最小值。

但是，尾水管的深度又是影响工程量的最直接的一个因素。水下部分的开挖和施工常常很困难而且牵涉面较广，甚至由于地质条件的限制而要求尾水管高度必须小于某一数值，会出现施工和运行二者的矛盾。需要指出，当尾水管的深度要求采用小于正常推荐范围的数值时，必须事前进行充分的论证或试验研究，以确保安全运行。

根据实践经验一般可作如下选择。对转轮进口直径D1小于转轮出口直径D2的混流式水轮机取h?2.6D1；对转桨式水轮机取h?2.3D1，在某些情况下必须要求降低尾水管深度时则前者取hmin?2.3D1；对后者取hmin?2.0D1。对转轮直径D1?D2的高水头混流式水轮机则可取h?2.2D1。

与上述尾水管深度推荐值相对应，直锥段的单边扩散角?分别取下列数值：对混流式水轮机??7?~9?；对转桨式水轮机取??8?~10?（轮毂比大于0.45时，?取较小值）。

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（2）肘管型式

肘管的形状十分复杂，它对整个尾水管的性能影响很大，一般推荐定型的标准肘管。图2-53所示为标准混凝土肘管。此肘管D4?h2，图中各线性尺寸列于表2-7。此外，当水头高于200m时，由于水流流速过大，此时可采用金属肘管，它们的形式与混凝土肘管不同，可参阅《水轮机设计手册》。

表2-7 标准肘管尺寸 z 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 y1 -71.90 41.70 124.56 190.69 245.60 292.12 331.94 366.17 395.57 420.65 441.86 459.48 473.74 484.81 492.81 497.84 499.94 500.0 500.0 500.0 x1 605.20 569.45 542.45 512.72 479.77 444.70 408.13 370.44 331.91 292.72 251.18 209.85 168.80 128.09 87.764 47.859 7.996 0 0 0 y2 x2 y3 x3 R1 R2 F 579.61 579.61 579.61 579.61 579.61 579.61 579.61 571.65 563.63 555.73 547.77 539.80 531.84 523.88 515.92 507.96 504.0 79.61 79.61 79.61 79.61 79.61 79.61 79.61 79.61 71.65 63.69 55.73 47.77 39.80 31.84 23.88 15.92 7.96 0 -732.67 813.12 -496.96 713.07 -360.21 671.28 -276.14 639.26 -205.27 612.27 -142.56 588.39 -85.20 -31.21 21.35 75.71 150.07 566.55 545.98 525.97 505.26 476.94 94.36 99.93 105.50 111.07 116.65 122.22 127.79 133.30 138.93 144.50 150.07 552.89 545.79 537.70 530.10 522.51 514.92 507.32 499.73 492.13 484.54 476.95 1094.52 579.61 854.01 761.82 696.36 645.77 605.41 572.92 546.87 526.40 510.90 500.0 （3）水平长度

水平长度L是机组中心到尾水管出口的距离。肘管型式一定，长度L决定了水平扩散段的长度。增加L可使尾水管出口动能下降，提高效率。但太长了将增加沿程损失和增大厂房水下部分尺寸。增加L的效益不如高度h显著，通常取：L?4.5D1。

水平段的形状如下：两侧平行，顶板向上翘，倾角??10?~13?。底板一般水平，少数情况下，为了减少开挖要求尾水管上抬，此时一般不超过6?~12?（低比转速水轮机取上限）。转桨式水轮机的水平段宽度B??2.3~2.7?D1；混流式为B?(2.7~3.3)D1。当

b?10~12m时，允许在出口段中加单支墩。支墩尺寸（图2-54）为：b??0.1~0.15?B；R??3~6?b;r??0.2~0.3?b;l?1.4D1。出口段最好不要加双支墩，试验表明双支墩会

引起效率显著下降。

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图2-54 扩散段与支墩

有些水电站因水工建筑的要求，尾水管的出口中心线往往需要偏离机组中心线（图2-55）。此时，肘管水平段的俯视图按以下方法绘制：偏心距离d由水工建筑要求决定，肘管的水平长L保证标准值。在以上两条件下，使肘管两侧面夹角的角平分线过机组中心（即图2-55所示两个?角相等）。而肘管段的断面形状则保持不变。

图2-55 偏离机组中心线的尾水管

地下电站为了减小厂房和尾水流道尺寸，常采用高而窄的尾水管。此时厂房的挖深一般不是主要矛盾，这样就可用加大深度来弥补宽度的缩小。实践证明这样做对水轮机效率影响不大。

四、减轻尾水管振动的措施

当运行机组上出现尾水管偏心涡带引起的振动时，通常可采用以下几个措施来减轻其影响。

1．尾水管加导流隔板

因产生偏心涡带的根本原因是转轮出口水流有环量存在。因此用加隔导流板的办法来消除环流，从而消除或减弱偏心涡带常常是有效的。导流板大致有以下几类：一是在尾水管直锥段进口部位加置十字形隔板[图2-56(a)]；二是在直锥段进口管壁加置导流板[图2-56(b)]；三是在弯肘段前后加置导流板[图2-56(c)]。实践证明，加设导流板的办法对改善振动有一定效果，但它有时会对机组的运行产生一些不利的影响：如效率降低，最优工况区改变等。导流板的形状和尺寸的选用针对机组的特性而定，装得不好的导流板容易被冲掉，因此在采用此法时应先做一些试验研究工作。

图2-56 尾水管中装设导流板

2．尾水管补气

为了减少压力脉动和由它引起的尾水管振动，以及为了在混流式水轮机的某些运行工况下，破坏尾水管的真空，常对转轮区进行补气，在大多数情况下，补气对水轮机工作会产生有利的影响，动载荷减小，转轮下面的真空降低。

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