第八章水轮机自动调节

第八章

反击式水轮机导水机构第一节导水机构工作原理第二节径向式导水机构的结构与传动系统第三节导叶装配第四节径向式导水机构几何参数第五节导水机构中水力损失第六节导水机构受力分析及传动计算第八章反击式水轮机导水机构第一节导水机构的工作原理水轮机是动力原动机，运行中其工况会经常发生改变。例如负荷（出力）变化时，必须改变通过水轮机的流量，以使水轮机的功率与负荷平衡。理想的调节机构是在工况变化时，仅仅只改变流量并且水头损失极小。在水轮机转轮前布置多个导水叶片的导水机构就能满足这种要求。图8-1导叶出口及转轮出口的水流速度三角形

忽略摩擦损失，在导叶进口到转轮进口之间，圆周方向速度变化遵守动量守恒定律。则有：

转轮在水流非法向出口时，由转轮出口速度三角形写出转轮出口速度矩：由水轮机基本方程式中：—水轮机转轮出口过流面积；

—转轮出口半径。第一节导水机构的工作原理整理得：此即水轮机流量调节方程；第一节导水机构的工作原理

由方程可知，在水轮机转速与水头不变时，流量调节可通过改变三个参数实现：改变导叶高度，实际工程中可用一个筒形阀完成。但这是一种节流调节方式，会造成较大的水头损失，因此只用在小型水轮机中；改变导叶液流出口角，为最普遍的调节方式；改变角，此方法只适用于轴流转桨式水轮机。实际上，轴流转桨式水轮机是通过同时转动导叶及转轮叶片的角度来调节流量的；第一节导水机构的工作原理按水流流经导水机构特点，导水机构分为：径向式导水机构：水流流经导水机构的轴面流线是径向的。其结构简单，应用最广泛；轴向式导水机构：轴面流线与水轮机轴平行。其广泛应用于贯流式水轮机；斜向式导水机构：水流沿着与转轮轴同心的圆锥面流过导水机构。其结构比较复杂，一般应用在灯泡贯流式和斜流式水轮机中；第一节导水机构的工作原理第二节径向式导水机构的结构典型的径向式导水机构，见图8-2。导叶3的上、中轴颈和下轴颈安放在水轮机顶盖7和导水机构底环2内的轴承中。上、中轴承由尼龙轴瓦4、6与轴套5组成，下轴承的尼龙轴瓦1直接压入底环的孔内。转臂9套在导叶上轴颈上、二者之间用分半键10固定。转臂与连接板8由剪断销11连成一体。连杆12的两端分别与连接板和控制环14铰接。控制环支承在固定于顶盖上的支座15上。接力器通过推拉杆13推动控制环转动（见图8-3），从而关闭或开启导水机构。在这种机构中，传动机构与水流隔开，便于维护和检修。一、径向式导水机构的结构1、4、6－尼龙轴瓦；2－导水机构底环；3－导叶；5－轴套；7－水轮机顶盖；8－连接板；9－转臂；10－分半键；11－剪断销；12－连杆；13－推拉杆；控制环支座补气阀图8-2径向式导水机构二、径向式导水机构的传动系统1.由接力器到控制环的传动

中大型水轮机中用两个接力器来操作控制的结构，见图8-3。接力器1固定在水轮机机坑的金属壳体7上，接力器活塞杆2及推拉杆通过圆柱销4与控制环3连接，而活塞与活塞杆之间也用圆柱销铰接。支承8将控制环支承在顶盖9上。控制环通过连杆5和转臂6与导叶联系。这样装置用得最为广泛。近年来也有大型水轮机将接力器装设在顶盖上（图8-4）。第二节径向式导水机构的结构第二节径向式导水机构的结构

图8-4（a）为具有两个缸体1的栓塞式直缸接力器，接力器通过支座3固定在水轮机顶盖上，其位置高于控制环2。当压力油沿着管路4进入缸体时，接力器柱塞6就作直线运动。柱塞中部有带圆柱销5的十字头，圆柱销与控制环的大孔耳铰接。当柱塞移动时，圆柱销使控制环作圆弧运动，从而开启或关闭导水机构。在这种结构中，接力器比较简单，但位置高于控制环的接力器在水轮机坑中占据了较大的空间。

图8-4（b）为栓塞式环形接力器。由两个环形缸体8和柱塞9组成接力器，直接安放在水轮机顶盖上，并靠近控制环内壁。圆柱销10与控制环连第二节径向式导水机构的结构

接，并通过球形铰接11与接力器柱塞联系。由接力器配压阀控制压力油沿管路7进入接力器缸，即可以实现开启或关闭导水机构。在这种结构中，环形接力器的结构比直缸接力器复杂，制造也比较困难。但它能有效利用控制环内部的空间，使水轮机结构紧凑。

图8-4（c）为每个导叶具有单独接力器的简图。摇摆式接力器14铰接在支承盖13上，接力器柱塞15与转臂16铰接。压力油在调速器配压阀的控制下，沿油管进入接力器时，柱塞即驱动导叶转动，同时接力器缸则必然围绕其与顶盖的铰接点转过一个角度。1－接力器；2－接力器活塞杆；3－控制环；4－圆柱销；5－连杆；6－转臂；7－金属壳体；8－支承；9－顶盖

图8-3具有两个接力器的导水机构传动系统图8-4导水机构接力器装设在顶盖上的结构示意图栓塞式直缸接力器柱塞式环形接力器摇摆式接力器2.由控制环至导叶的传动

在由控制环至导叶的连杆传动机构中，在某一构件上应设有易损连接件，用以保证在关闭导水机构的过程中，当异物（如圆木，树根等）卡在相邻导叶之间时，仅是预定的易损连接件破坏，使被卡住的导叶保持在开启位置，而其他导叶可以照常关闭而不至于损坏传动部件。现在广泛采用的是将剪断销作为易损连接的传动装置。第二节径向式导水机构的结构第二节径向式导水机构的结构如图8-5所示

，键3将转臂1固定在导叶轴颈10上，连接板2套在转臂上，用具有薄弱断面的剪断销4将连接板与转臂连接在一起。连接板通过铰销9与连杆连接。连杆由两个带叉头的螺母5及具有左右螺纹的连接螺栓8组成。旋转连接螺栓即可改变连杆的长度。连接螺栓带有防松螺母。连杆通过铰销7与控制环6相联系。这样，当两导叶之间卡住异物并且接力器试图关闭导叶时，剪断销将被剪断，从而达到上述保护导水机构的目的。图8-5剪断销作为易损连接件图1－转臂；2－连接板；3－键；4－剪断销；5－螺母；6－控制环；7、9－铰销；8－连接螺栓；l0－导叶轴颈第二节径向式导水机构的结构

传动机构在执行活动导叶开启和关闭动作的时候，水压力脉动、水流冲击、水流杂物等因素对各部件影响很大，一旦导叶开度失调或导叶连续失控，就会造成运行中的机组事故停机，严重时水轮机将失去控制。为此需要保护装置对传动机构进行保护和报警，从而避免事故的发生和扩大，因此可靠的传动机构保护装置对整个水轮发电机组的稳定运行至关重要。新型的导叶传动机构保护装置有导叶摩擦装置和弹簧联杆（图8-6）等。图8-6弹簧联杆保护装置第二节径向式导水机构的结构

导叶摩擦装置的工作原理是：活动导叶为二支点结构布置，置于二个具有自润滑性能的轴套中，导叶摩擦装置是种安装在导叶轴颈上的夹紧式装置。当来自接力器的操作力，通过推拉杆一控制环一连杆一连板一导叶臂一导叶摩擦装置（导叶销）使活动导叶转动，从而控制活动导叶的开度增大或减小。当活动导叶中间卡有异物或关闭时与顶盖或底环接触阻力大时，导叶摩擦装置的摩擦片在连板、压板和导叶臂之间打滑，连板与导叶臂之间产生滑动位移，致使活动导叶错位，但此时导叶臂不动，连板却随控制环、连杆一起继续沿关闭方向运动，由于摩擦片摩擦力作用，第二节径向式导水机构的结构

发生错位的活动导叶不会随意摆动而撞击相邻导叶，其余的活动导叶跟随控制环继续关闭，从而保护导水机构零件不因过度受力被破坏。

弹簧联杆的工作原理是：在活动导叶关闭过程中若有异物进入导叶中间，或其他原因使其有的导叶不能正常关闭，在导水机传动件发生过负荷的情况下，在弹簧吸收此负载的时，连杆发生弯曲，由限位开关检测到信号，此信将驱动活动导叶打开，把卡入的异物排除到下游去。卡入的异物在排到下游以后，弹簧将活动导叶复位。第三节导叶装配一、导叶轴承及润滑

导叶轴承多数采用锡青铜铸造，加注黄油润滑。这种轴承抗磨性能良好，单位面积的承载力也较大，但需要昂贵的有色金属且轴承的润滑和密封设备也较复杂。近年来正在推广用具有自润滑性能的工业塑料代替，这样不但简化结构而且节省大量有色金属，降低了制造成本。二、导水机构止漏和间隙调整

导水机构的止漏装置，包括导叶轴承的止漏和导叶在全关闭时为防止蜗壳中的压力水流入下游而装置的导叶与导叶之间和导叶与上、下环之间的止漏设备。

导叶轴承如采用黄油润滑，则需防止水流进入轴承引起轴颈锈蚀和破坏油膜。导叶轴颈的密封多数装在导叶套筒下端。

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空蚀破坏，导第三节导叶装配叶关闭后如漏水严重时有可能造成机组无法停机。

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8-7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导叶头部的橡皮条上，但这种结构在运行中时有发生橡皮条脱落现象。图8-7（a）中右边的另一种立面密封装置是把橡皮条用压条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水效果好，广泛地应用于中水头水轮机中。高水头水电站导叶立面密封靠研磨接触面来达到要求。

第三节导叶装配第三节导叶装配为了使导叶上、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。在高水头电站中，导叶下轴颈的端面受到高压水的顶托，有可能使导叶上浮。将漏入下端面的水从下轴颈下面的底环上的排水孔排走。

导叶的止漏装置和间隙调整不仅在导叶结构设计时予以考虑，同时还应保证在运行、检修中进行调整时操作简单易行。图8-7导叶端面和立面密封1－导叶；2－压条；3－螺钉立面密封端面密封三、真空破坏阀

真空破坏阀装置在水轮机顶盖上，是一个将空气引入转轮室内的补气阀。一般水轮机有两个真空破坏阀。当水轮机紧急停机时，导叶迅速关闭截断进入转轮的水流，而转轮后的水流因惯性作用继续经尾水管排出，这时顶盖下部出现真空。这部分真空使尾水管的水迅速倒流回来，这股强大的高速水流有很大的冲击力，有时会将转轮抬起并造成机件损坏。为此，在水轮机顶盖上装设有真空破坏阀。第三节导叶装配第四节径向式导水机构的几何参数一、导叶开度

导叶开度是表征水轮机在流量调节过程中导叶安放位置的一个参数。它的大小等于导叶出口边与相邻导叶体之间的最短距离。当导叶处于径向位置时（图8-8）为最大径向开度值。最大径向开度近似公式为：图8-8导叶的开度

最大径向开度是指导叶可能达到的最大开度，即导叶处于径向位置。在此开度下，导叶进口有很大冲角并形成脱流，水力损失很大。而且，流经导水机构的水流在转轮前不能形成环量。实际上不允许在这种导叶位置下运行。

允许的最大开度,混流式水轮机一般为额定水头下额定出力时的开度值。此开度值如小于最低水头下5％（或3％）出力限制线上的开度值时，则取后者为最大开度。转桨式水轮机的最大开度通常根据允许的吸出高度确定。第四节径向式导水机构的几何参数二、导叶出水角

导叶出口处骨线与圆周方向的夹角称为导叶出口角。由于导叶的叶片数较多，其叶栅可视为稠密叶栅，水流的出流角也就是导叶出口角，称为导叶出水角。

分别具有图8-9所示的三种不同形状的导叶进行试验：在开度相同的情况下，大者也大，见图8-10

；第四节径向式导水机构的几何参数出口角都相同的情况下，尽管它们的开度各不相同，但过流量却很接近，见图8-11

由此可见，决定流量变化及转轮前水流运动状况的主要因素不是开度，而是导叶出口角度。只是由于习惯和测量方便的原因，实际上仍以开度作为导水机构的工作参数，而且在水轮机的综合特性曲线上也均作出等开度线。对某一固定形状的导叶，开度和出口角应是一一对应的关系。第四节径向式导水机构的几何参数图8-9具有不同叶型的导叶(a)负曲度叶型；(b)对称叶型；(c)正曲度叶型8-10具有不同叶型导叶与的关系图8-11具有不同叶型导叶与的关系三、导叶高度

导叶高度决定了水流进入转轮的过水断面面积，其值根据导水机构中水力损失最小的原则确定。导叶相对高度由于,若令，则即第四节径向式导水机构的几何参数

对一定直径的水轮机，比转速越高流量就越大，导叶应该做得高一些，否则就要增加开度。当开度过大时导叶将会接近于径向开度，这样将增加导叶及转轮内的流动损失。

反之，对低比转速水轮机，流量相对比较小。如果导叶高度过大，则对应的开度将很小，水流从两片导叶之间的窄缝中流出，亦会引起较大的水力损失。

混流式水轮机在额定工况下运行时，工作在特性曲线的5%（或3%）出力限制线上，及最大开度为额定水头下，发出额定出力的开度的开度，见图8-12.

第四节径向式导水机构的几何参数图8-12不同比转速水轮机的

和四、导叶数，导叶轴线分布圆直径及导叶弦长L导叶数不但影响进入转轮水流的均匀度，还涉及本身的加工量，并直接影响到的尺寸。故导叶数应选用恰当。表8-1介绍了大中型水轮机的导叶数。根据实践经验，取相对值当和确定后，以导水机构能紧密关闭为原则，按下式确定叶栅密度和翼弦长度L，即：第四节径向式导水机构的几何参数表8-1导水机构导叶数目转轮直径（m）导叶数321.0～2.259.0以上

12241.0以内2.5～8.516第四节径向式导水机构的几何参数第五节导叶机构中的水力损失

导叶机构是水轮机的一个重要部件。水流能量在导水机构中的损失将影响水轮机的效率。导水机构的相对水力损失为:式中：

—导水机构的相对损失；

—平板叶栅的阻力系数，它是特征流速

与平板间的夹角即冲角

的函数，冲角越大阻力系数越大；

—特征流速

与圆周方向的夹角。

第五节导叶机构中的水力损失

根据（8-11）式分析影响导水机构中损失的各种因素。导水机构中的损失与单位流量的平方成正比；与导叶相对高度

的平方成反比；与相对直径

的平方成反比；与叶栅稠密度

成正比。此外，导水机构的水力损失还与开度

存在一定的关系。

当开度增加时，一方面出口水流角

增加，因而

增加，水力损失是减少的，且在

一定范围内增加时叶栅冲角减小，阻力系数

下降，也导致水力损失减少；另一方面当开度增加到超过某一数值后，冲角又逐渐增加，阻力系数

增加，这会使损失增加。以上两个因素共同影响的第五节导叶机构中的水力损失

结果使得开度增加时，开始时水力损失减小，一直减小到某一值后，水力损失又逐渐增加。

根据式（8-11），对实际的水轮机可以求出不同开度时相对损失的数值（由于平板叶栅与导叶环列叶栅的差别，所求出的数值只能用来进行定性分析）。图8-13绘出了高比转速水轮机及低比转速水轮机的导叶的相对水力损失和开度变化的关系曲线。图中

为实际水轮机中允许的最大相对开度。图8-13导水机构中的水力损失1－高比转速水轮机；2－低比转速水轮机

由图可见，各种比转速水轮机在导水机构开度很小或很大时，其水力损失都较大。在相对开度为30%～70%时，水力损失最小，且损失不到总水头的1％。开度过大或过小都会引起损失的显著增加。尤其对低比转速水轮机，在小开度下导水机构损失更为严重，可达总水头的8％～10％。这是因为低比转速的工作水头高，导水机构中的水流速度相当高的缘故。运行时要尽量使导叶在最佳开度，以保证水轮机高效率工作。第五节导叶机构中的水力损失第五节导叶机构中的水力损失

不同的导叶形状对导水机构水力损失有不同的影响。高比转速水轮机导水机构经常工作在大开度位置，从水轮机基本方程可以看出，高比转速的水轮机转轮进口环量小。在较优的开度下，正曲度的导叶有使环量减小的效果，故高比速水轮机中可采用正曲度的导叶。反之，对低比转速的混流式水轮机，为了使转轮前环量增加往往采用有负曲度的导叶。

在生产实践中，中高比转速混流式水轮机常采金属全蜗壳，一般采用正曲度叶型。这种叶型也采用在低比转速的轴流式水轮机。由于这类水轮机虽在不同水头下运行，但经计算适应其最优的第五节导叶机构中的水力损失

导叶曲度却相差无几，实际上可认为一样。故而在水轮机行业中多采用标准正曲率叶型,图8-14。图8-15所示为标准对称叶型。这种叶型主要用在低水头高比转速的轴流式水轮机中。因为这种水轮机工作在小于

水头下，流量较大。为了使蜗壳平面尺寸不致过大而影响水电站厂房宽度，蜗壳多设计成半蜗壳（混凝土蜗壳）。在非蜗壳部分水流速度在导叶前呈近似径向方向，这一部分的导叶叶型应做成对称形或负曲度。而在蜗壳部分应做成正曲度叶型。显然，在同一导水机构中采用不同叶型的导叶结构上是不合理的。所以，在高比转速轴流式水轮机中均折衷采用对称叶型的导叶。

图8-14标准正曲度叶型的几何尺寸

（

；

）图8-15标准对称叶型的几何尺寸(;)第六节导水机构的受力分析和传动计算

导水机构关闭或开启的操作力是由导水机构接力器产生的，接力器的操作力取决于接力器直径和工作油压。接力器的操作力矩必须大于导叶的水力矩和导叶轴颈的摩擦力矩之和,同时还要保证导水机构有一定的运动速度。当关闭导水机构时，还必须有压紧密封的力矩。一、导叶上的作用力矩

当导叶达到关闭位置时，接力器的牵引力矩必须满足下式（8-12）第六节导水机构的受力分析和传动计算式中：

―接力器的牵引力矩；

―作用在导叶上的水力力矩，使导叶向关闭方向运动的为“+”，向开启方向运动的为“－”；

―摩擦力矩；

―密封力矩。

当导叶处于开启位置时，接力器的牵引力矩必须满足下式

（8-13）

根据式8-12，8-13的原则，工程实际中按以下公式计算导叶在全关位置和任意开度位置时的总力矩。第六节导水机构的受力分析和传动计算1．导叶在全关位置时关闭或开启的总力矩，图8-16关闭时开启时式中、、—导叶上、中、下轴颈的直径；

、

、—相应轴承反力；—摩擦系数；—导叶相对偏心矩，,是导叶有效长度；—计算水头，m.图8-16全关位置时导叶受力图第六节导水机构的受力分析和传动计算2．导叶在任意开度位置时关闭或开启的总力矩

关闭时开启时式中—水力矩系数；—单个导叶上的水压力。

二、导叶传动力矩

已知使导叶转动所必须的牵引力矩后，进一步是要将牵引力矩通过导叶转动机构过渡到接力器第六节导水机构的受力分析和传动计算

上去，并转换成接力器的牵引力。再根据牵引力的大小决定接力器的尺寸和接力器的油压。对于采用两个协同工作的直缸接力器，利用控制环，连杆、导叶转臂等构件组成的传动机构，在各种行程位置上它传递给单个导叶的转动力矩可用以下