水輪機結構及其設計方法淺析

姜為民

（哈爾濱電機廠有限責任公司產品設計部，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 水輪機的應用

水輪機在我國主要應用在水電站，用來驅動發電機發電。我國最早使用的水電站是由抽水蓄能機組組成的，其主要由發電電動機、水輪機和水泵串聯組成的整體結構，其中水輪機和水泵的設計是分開的，從而使這兩個部分能各自擁有較高的工作效率，它的缺點是造價高、電站投資大。50年代以來，抽水蓄能機組在世界各國受到普遍重視并獲得迅速發展，水輪機主要被應用于抽水蓄能電站。在電力系統負荷不能達到基本負荷時，水輪機被用作水泵，從下游水域抽水到上游水庫以儲存位能能量。現在我國的水電機組主要向高參數和大容量方向發展。隨著電力系統中火電容量的增加和核電的發展，為解決合理調峰問題，世界各國除在主要水系大力開發或擴建大型電站外，正在積極興建抽水蓄能電站，水輪機因而得到迅速發展。

2 水輪機的主要結構類型

在設計水輪機的結構時應根據具體的應用場所進行選型，水輪機的類型主要分為反擊式水輪機和沖擊式水輪機兩種，在反擊式水輪機中，轉輪被水流充滿，葉片在水流的作用下，產生較高的效率，但當水輪機的負荷變化時，水輪機的效率會受到一定程度的影響。

反擊式水輪機分為以下四種類型：混流式水輪機的工作原理是水流徑向流入轉輪葉片，最后從轉輪的軸向流出，這種結構的優點是其結構較簡單，運行時機器相對處于穩定的狀態，它的最高效率也比較高，但其也有一定的缺點，當水流的水頭產生的負荷變大時，其平均效率會有所降低；軸流式水輪機是指水流沿轉輪軸向流入和流出，水流的方向不發生改變，它的優點是在相同水頭下，其比轉數較混流式水輪機為高，適用于較低水頭的電站；斜流式的水流經過轉輪時是傾斜的，轉輪葉片隨著水流的變化而轉動，由于斜流式水輪機結構復雜，導致造價成本較高，一般都只在混流式或軸流式水輪機不適合的情況下才進行使用；貫流式水輪機的主軸裝置成水平或傾斜，不設蝸殼，水流直接流入轉輪，水流由管道進口到尾水管出口都是軸向的，所以其工作效率較高，水流通過的能力大，基于以上特點適用于低水頭小型河床電站。

同反式水輪機相比，沖擊式水輪機在負荷發生變化時，轉輪的進水速度不變，因而效率受負荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩。沖擊式水輪機主要為水斗式水輪機、斜擊水輪機和雙擊水輪機。水斗式水輪機的噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉輪上的水斗作功，現在的水斗式水輪機是沖擊式水輪機中應用最廣泛的一種機型；斜擊式水輪機的噴嘴出來的射流沿圓周斜向沖擊轉輪上的水斗；雙擊式水輪機是指水流兩次沖擊轉輪，其具有簡單的構造，但是其做功效率低，主要應用于小型水電站。

3 水輪機結構的設計步驟

3.1 水輪機的機組臺數與單機容量的選擇，機組臺數不同時導致水電站平均效率的不同，機組臺數較少相應的平均效率也會越低，機組臺數多時可以根據機組運行方式的改變，對機組的負荷進行調整，以保持電站的平均效率，但臺數多，機組開和停機操作頻繁，發生事故的幾率也隨操作運行次數的增多而加大，對全廠檢修造成很大的麻煩。另外，機組臺數多，廠房所占的平面尺寸也會增大。一般情況下，臺數多對成本和投資不利。因此，較少的機組臺數有利于降低工程建設費用。在水電站的裝機容量確定時，機組臺數增多，單機容量減小，相反當單機容量大，可能會在制造、安裝以及運輸方面的難度。綜上所述，機組臺數與單機容量的選擇對水輪機的結構設計有較大的影響，一般確定的確定原則：對大中型水電站，盡量選用單機容量較大的水輪機，以降低設備造價在保證水頭低于額定水頭情況下，使機組得受阻容量盡可能的小。

3.2 水輪機主要參數的確定，參數確定在產品級設計上包括混流式、軸流式、斜流式等設計類別，而在模塊級設計上則可相應地分為轉動裝置設計、導水機構設計、埋入裝置設計與布置裝置設計等四個部分，其中，每個部分又包括相應的多級子部套。在水輪機的設計過程中需要確定的主要參數有水輪機轉輪直徑、原型水輪機最高效率與效率修正值、水輪機轉速計算與選擇、檢驗水輪機實際工作范圍、水輪機最大允許吸出高度計算、實際的水輪機額定水頭(重算)、水輪機額定流量(重算)、水輪機安裝高程、水輪機最大飛逸轉速、水輪機軸向水推力和總軸向力。其中，實際的水輪機額定水頭是水輪機的一個重要參數，它的大小直接影響著水輪機出力的大小和水輪機型式的選擇。

3.3 水輪機運轉特性曲線的繪制既是水輪機選型設計時方案分析和比較的依據，也是水電站運行管理、擬定機組運行方式以及考察機組動力特性的主要依據，更重要的是在水輪機組在日后的運行過程中作為檢查和維修的重要依據。

3.4 水輪機的導水結構的設計可分為頂蓋和底環的設計，為減小軸承的空間，使整體結構變為緊湊，將軸承外油箱體、隔油環、水導瓦托架設置于頂蓋內圓相應位置處。為了減小導葉在關閉時導葉與頂蓋間的漏水量，在頂蓋相應部件設置導葉端面密封，由青鋼密封條和其背部的成型橡膠條組成，依靠成型橡膠條的彈性和滲入橡膠條空間的水壓達到密封的目的。密封條和成型橡膠條靠不銹鋼密封壓板安裝在頂蓋上；在設計底環的過程中，為了減小導葉在關閉時導葉與底環間的漏水量，在底環相應部件設置導葉端面密封，其結構與頂蓋上的端面密封相同。為保證機組在某些特殊工況下的穩定運行，在轉輪與導葉之間對應的底環部位，設置24個補氣孔，用于強制補氣在底環過流面上導葉活動范圍內設置不銹鋼抗磨板。

3.5 水輪機的主軸密封和蝸殼的設計，由工作密封和充氣圍帶式檢修密封組成，工作密封為具有良好密封性能的端面水壓自補償式，密封圈為中硬橡膠，轉動環鑲有不銹鋼抗磨板，為確保密封可靠，解決密封圈受壓后變形問題，轉動環有一段伸入密封箱中，一旦密封潤滑水中斷也能保證密封效果，密封采用水潤滑和水冷卻，潤滑冷卻水經自動濾水器過濾，正常運行時，需有少量漏水經頂蓋、座環自流排出，主軸密封的設計遵從結構簡單、壽命長和維護方便的理念；水輪機蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉輪周圍，起到引水的作用。一般情況下，當實際的水輪機額定水頭較低時蝸殼采用鋼筋混凝土在現場澆注而成，水頭價高是采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。

結語

綜上所述，水輪機的結構設計要根據實際應用場所選擇適合的類型，在確定好水輪機類型后，再進一步對水輪機的基本參數進行計算和校正，才能夠很好地提高水輪機結構的設計質量和效率，降低水輪機的制造成本。

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