第六节 贯流式水轮机基本结构 一、贯流式水轮机的特点 贯流式水轮机是开发低水头水力资源的一种新型机组，适用于m以下的水头。这种机型流道呈直线状，是一种卧轴水轮机，转轮形状与轴流式相似，也有定桨和转桨之分，由于水流在流道内基本上沿轴向运动不拐弯，因此较大的提高了机组的过水能力和水力效率。 此外，与其它机型相比，它还有其它一些显著特点： （1）从进水到出水方向轴向贯通形状简单，过流通道的水力损失减小，施工方便，另外它效率较高，其尾水管恢复功能可占总水头的40%以上。 （2）贯流式机组有较高的过滤能力和比转速，所以在水头与功率相同的条件下，贯流式的要比转桨式的直径小10%左右。 （3）贯流式水轮机适合作了逆式水泵水轮机运行，由于进出水流道没有急转弯，使水泵工况和水轮机工况均能获得较好的水力性能。如应用于潮汐电站上可具有双向发电，双向抽水和双向泄水等六种功能，很适合综合开发利用低水头水力资源，另外在一般平原地区的排灌站上可作为可逆式水泵水轮机运行，应用场景范围较为广泛。 （4）贯流式水电站一般比立轴的轴流式水电站建设周期短、投资小、收效快、淹没移民少，电站靠近城镇，有利于发挥地区兴建电站的积极性。 二、贯流式水轮机的分类 根据贯流式水轮机机组布置形式的不同可将其划分为以下几种形式： 1．轴伸贯流式 这种贯流式水轮发电机组基本上采用卧式布置，水流基本上沿轴向流经叶片的进出口，出叶片后，经弯形（或称形）尾水管流出，水轮机卧式轴穿出尾水管与发电机大轴连接，发电机水平布置在厂房内。 轴伸贯流式机组按主轴布置方式可分成前轴伸、后轴伸和斜轴伸等几种，如图7-1所示。这种贯流式机组与轴流式相比没蜗壳、肘形尾水管，土建工程量小，发电机敞开布置，易于检修、运行和维护。但这种机组由于采用直弯尾水管，尾水能量回收效率较低，机组容量大时不仅效率差，而且轴线较长，轴封困难，厂房噪音大都将给运行检修带来不方便。所以一般只用于小型机组。 2．竖井贯流式 这种机组主要特征是将发电机布置在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中，发电机与水轮机的连接通过齿轮或皮带等增速装置连在一起如图7-2所示。 ? 图7-1 轴伸贯流式水轮机组剖面图 、前伸轴；、后伸轴；、斜伸轴 该机组除具有一般贯流式水轮机的优点外，因发电机和增速装置布置在开敞的竖井内，通风、防潮条件良好，运行和维护方便，机组结构相对比较简单，造价低廉。例如福建省幸福洋潮汐电站建于80年代末，采用竖井式机组，单位千瓦投 资为2107元。如果采用灯泡式机组，单位千瓦投资将达到4760元，是竖井式的2. 26倍。由于竖井式具有以上优点，所以大范围的应用于小型电站机组上。这种机组的缺点为因竖井的存在把进水流道分成两侧进水，增加了引水流道的水力损失，一般竖井式机组的水力效率比灯泡式的要降低3%左右，如果要作为反向发电，其效率下降更多。单机容量较大时,一般不采用此种机组，以采用灯泡贯流式机组为宜。 图7-2 竖井贯流式机组剖面图 3．灯泡贯流式 这种机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中，发电机主轴与水轮机转轮水平连接。水流基本上轴向通过流道，轴对称流过转轮叶片，然后流出直锥形尾水管，参见图1-11所示。机组的轴系支承结构、导轴承、推力轴承都布置在灯泡体内。由于贯流式机组水流畅直，水力效率比较高，有较大的单位流量和较高的单位转速，在同一水头，同一出力下，发电机与水轮机尺寸都较小，从而缩小了厂房尺寸，减少土建工程量。但是发电机装在水下密闭的灯泡体内，给电机的通风冷却、密封、轴承的布置和运行检修带来困难， 对电机的设计制造提出了特别的条件，增加了造价。即使如此它与立式轴流式机组相比仍有着非常明显的优点。灯泡式机组虽然是一种新型机组，但近20年来也积累了许多成功的经验，并逐渐向较高水头和较大容量发展，在国内外得到了广泛应用。 4．全贯流式 这种机组采用卧式布置，发电机的转子磁极与水轮机的转轮叶片合为一体，发电机磁极直接安装在水轮机叶片的边缘上，密封隔离磁极与流道内的水流，防止渗漏，参见图1-8。 该机型主要特征为：取消了水轮机与发电机的传动轴，缩短了轴线尺寸，结构紧密相连，厂房尺寸减小，使整个工程建设价格降低，而且增大了机组的转动惯量，有利于机组的稳定运行。但叶片与发电机转子连接结构比较特殊，制造工艺技术要求很高，转子轮缘密封复杂且不可靠。虽然在上世纪五十年代就出现了这样的机组，但至今未得推广。当前某些外国公司，在密封结构型式和材料等方面的研制工作已取得进展，并已将这种机型应用在某些大型潮汐水电站上。目前，我国对全贯流式水轮机尚处于试验研究阶段。 5．其它形式 贯流式水轮机除了以上几种型式外，还有明槽式和虹吸式等。其特点类似于轴伸式水轮机：容量不大，应用水头较低，机组结构相对比较简单，发电机布置在水面以上，运行、安装、检修较为方便。同轴伸贯流式机组一样，通常只用于小型水电站上。 我国对贯流式水轮机的研究起步较晚，且进展缓慢。除灯泡贯流式机组已有大型机组外，其他各类贯流式机组的单机规模基本上还限于小型，同时各类贯流式水轮机的转轮品种很少。因此贯流式水轮机的型谱尚未正式编制出来。现参考国外有关联的资料列出各类贯流式水轮机的适合使用的范围于表7-1，供使用中参考。表7-1仅是根据正常的情况分类，实际应用时各类水轮机根据不同的叶片数尚可具体划分水头应用场景范围。国内一般认为灯泡贯流机组的应用尚受到灯泡直径的限制，即认为当水轮机转轮直径≤2.5m时灯泡空间进人很难，应考虑选用别的形式的贯流式机组或改用整装灯泡贯流式机组。 表7-1 贯流式水轮机适合使用的范围 水轮机形式 适用水头（m） 流量（m3/s） 容量（MW） 备注 全贯流式 小于40 8~900 1.5~90 新型结构、轮缘式发电机 灯泡贯流式 小于25 4~900 2.5~90 ? 轴伸贯流式 小于25 4~90 0.25~30 ? 整装齿轮传动灯泡式 小于8 3~21 0.1~1 ? 整装皮带传动全贯流式 小于12 7~100 0.4~6 ? 竖井贯流式 小于9 4~500 0.1~30 ? 三、灯泡贯流式水轮机的基本结构 灯泡贯流式水轮机适用水头范围广，效率高，较别的类型贯流式机组有突出的优点，因而在国内外得到普遍应用，当前国内已有大型机组出现。 灯泡贯流式机组的结构很复杂，其总体布置大致有两种布置方式：一是以管形壳为主要支撑的布置方式；二是以水轮机固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式。两种方式各有特点，现分别予以叙述。 1、以管形壳为主要支撑的布置方式 如图7-3所示，以管形壳为主要支撑方式的布置，整台机组的受力主要是通过管形壳传递至厂房基础。发电机灯泡头下的球面支承主要是用来平衡灯泡头定子部分所引起的浮力。发电机定子两侧的支座是为避免机组在运行中引起振动。整台机组以两支点为主要方式，即水轮机端通过水导轴承，发电机端通过组合轴承将机组转动部分的受力传递至管形壳，再传至厂房基础。发电机灯泡头下的球面支承允许发电机灯泡头和定子有微小的位移，一般为mm。这样，整台机组结构比较轻巧，受力也简单明了，易于计算。 由图7-3可知，灯泡体内的水轮机端，可由管形壳内爬梯进人。灯泡体内的发电机端可由发电机进人孔进入。由于灯泡头允许有微小的移动，故发电机进人孔与发电机盖板之间的结构也是允许进人孔的竖井可以有微小的移动。 发电机下盖板为多孔结构，主要是增加在水流通过时的阻力。也就是当机组关机所形成的水锤，通过多孔结构的减压，使发电电机盖板的结构可以轻巧一些。 机组安装时，灯泡头和发电机定子转子等可以从发电机盖板孔中吊入。 机组主轴（包括组合轴承和导轴承）、转轮等均可从转轮室打开后吊入。 ? 图7-3灯泡式水轮机组总图 1-内管形壳；2-外管形壳；3-前锥体；4-人孔管；5-框架；6-盖板；7-导水板；8-导流板；9-排水阀；10-转轮室；11-吸出管；12-外配水环；13-内配水环；14-导水锥；15-导叶外轴承；16-导叶内轴承；17-拐臂；18、19-连杆；20-控制环；21-关闭重锤；22-转轮体；23-叶片；24-泄水锥；25-轴承支持环；26-组合轴承；27-转轮侧导轴承；28-叶片回复装置；29-受油器；30-发电机定子；31-转子；32-冷却套；33-灯泡头；34-中间台板；35-人孔；36-梯子；37-膨胀水箱；38-基础支撑；39-出人通道；40-导风洞；41-扇形隔板；42-油箱；43-排水管 机组检修
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