全贯流式水轮机基本结构

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25m 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，应用范围比较广泛。

（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S 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有蜗壳、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

这种机组主要特点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

(a ) 、前伸轴；(b ) 、后伸轴；(c ) 、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，所以广泛应

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

对电机的设计制造提出了特殊要求，增加了造价。即使如此它与立式轴流式机组相比仍具有

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。

该机型主要特点为：取消了水轮机与发电机的传动轴，缩短了轴线尺寸，结构紧凑，厂

房尺寸减小，使整个工程造价降低，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。现参考国外有关资料列出各类贯流式水轮

机的适用范围于表7-1，供使用中参考。表7-1仅是根据一般情况分类，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范围。国内一般认为灯泡贯流机组的应用尚受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，

到灯泡直径的限制，即认为当水轮机转轮直径D ≤2.5m 时灯泡空间进人比较困难，应考虑

选用其他形式的贯流式机组或改用整装灯泡贯流式机组。

表7-1 贯流式水轮机适用范围

灯泡贯流式水轮机适用水头范围广，效率高，较其它类型贯流式机组有突出的优点，因

而在国内外得到广泛应用，当前国内已有大型机组出现。

灯泡贯流式机组的结构比较复杂，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了防止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

1mm 。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

机组检修时，上游流道内的水可通过打开排水阀经排水管排至集水廊道。下游尾水管内的积

水也可通过排水管排至集水廊道。

2、以固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式

由图7-4所示，灯泡机组主要通过固定导叶（座环）将转动部分、定子等的受力传至厂

房基础。发电机灯泡头（机壳体）的受力由发电机进入孔（上支柱）和下支柱来承受。其组

合轴承双向推力轴承和发电机导轴承所承受的力，可由拉杆直接传至厂房基础。其受油器位

于发电机转子与转轮之间，因而需设发电机轴和水轮机轴。

图7-4 以固定导叶（座环）为主要支撑的灯泡贯流机组

1-机壳可拆前盖；2-机壳体；3-下支柱；4-发电机转子；5-座环；6-水轮机主轴；7-圆锥式导水机构；

8-接力器；9-转轮；10-锥管；11-尾水管；12-基础环；13-转轮室；14-水轮机主轴；15-受油器；16-发电机

定子；17-拉杆；18-中环；19-上支柱；20-双向推立轴承；21-发电机轴承；22-发电机轴

由于灯泡头与发电机进人孔都是预埋的，故安装时的发电机定子和转子均从其上方的发

电机盖板吊入。水轮机转轮可从转轮室打开后吊入。

对于大型灯泡贯流机组，应选用三轴承结构。如图7-5所示。

图7-5 三轴承布置的灯泡机组

1-受油器；2-定子冷却水进口；3-发电机轴；4-灯泡头；5、19-发电机轴承；6-发电机定子；7-发电机转子；8-推力轴承；9-水轮机内座环；10-水轮机座环；11-锥形导水机构；

12-水轮机轴；13-水导轴承；14-操作油管；15-转轮室；16-转轮；17-转轮接力器；18-集油槽

发电机转子两端设导轴承。推力轴承位于下游。水轮机导轴承仍位于水轮机端。其主要支撑由水轮机座环来承受。发电机进人孔为斜向布置。在发电机上方设发电机盖板，以利吊入发电机定、转子等。水轮机上方设有可卸的转轮室，以利安装。

以固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式，其受力方式较为复杂，而且结构比较笨重。目前的灯泡式机组的布置，均推荐采用管形壳为主要支撑方式。

3、灯泡贯流式机组的结构

灯泡贯流式机组的主要部件可大致分为以下几个部分：

（1）埋设部件

包括尾水管里衬、管形壳（内壳体，外壳体）发电机进人框架、盖板、墩子盖板，接力器基础以及下部支承，侧向支承基础板等。

1）．尾水管里衬

大型灯泡机组的尾水管里衬，一般分成3~7节，运到现场后再拼焊成整体。如管形壳与尾水管里衬一起安装，则对尾水管的基础环法兰面要求可低一些。因为机组的高程、中心，水平均以管形壳的法兰面为基准。如管形壳晚安装，先装尾水管里衬，以便厂房先盖起留下机坑，则对尾水管基础环的要求高些。大型灯泡机组尾水管基础环是分节运至工地后再拼焊成整体。故在现场拼焊时应用仪器监视变形，以免波浪度超差。

2）．管形壳

管形壳分为外壳体及内壳体。外壳体由上、下部分，四块侧向块和前锥体组成。内壳体由上、下两半组成。外壳体上游面与发电机进人孔的框架，墩子盖板连接。下游面与外导水环连接。内壳体的上游面与定子机座连接，下游面与内导水环连接。

管形壳的结构应满足受力要求。先根据机组的外部荷载，确定管形壳的受力情况，然后参考已有相近机组的结构尺寸定出机组管形壳的结构，再按受力分析对各部位进行校核，使其刚、强度均能满足规范要求。

3）．发电机进人孔的框架、盖板

发电机进人孔的框架、盖板，是为了安装检修时吊入发电机定、转子，主轴和灯泡头等部件，并可固定发电机进人孔竖井。大型灯泡机组的发电机盖板还分为盖板和下盖板。下盖板为多孔板，目的是减少甩负荷升压时对盖板的升压值。对于能正、反向运行的灯泡机组，框架基础应考虑在反向运行紧急停机时的反水锤压力。框架基础板宜与管形壳的内壳体焊为整体。

4）．球面支承与侧向支承

灯泡头下的球面支承是承受灯泡头、定子等部件的重量，在充水后承受浮力。并允许灯泡体有微小的位移（小于1mm ），这可减轻灯泡体的结构。设立侧向支承的目的是可以承受灯泡体的侧向力，并可防止灯泡体在运行时产生振动。

5）．围板

在发电机下部支墩与定子外壳之间设立围板，其目的是为了导向水流，并可减少运行中水的阻力。围板下部用螺栓与支墩相连。上部随定子外壳切割而成。

（2）导水机构

灯泡机组的导水机构与立式机组不同，为锥形导水机构。其部件由控制环、连杆、拐臂锥形导叶和内、外导水环等组成，各部分结构请参考图7-6。

为防止机组飞逸，在控制环的右侧设有关闭重锤。当调速器失去油压时，可依靠重锤所形成的关闭力矩，加上导叶水力矩有自关趋势，能可靠的关闭导叶。

但在有油压而调速器的主配压阀卡住时，难以实现快速关闭。因此应设置事故配压阀。当主配压阀卡住时，高压油可直接通过事故配压阀进入接力器，从而关闭导叶。

内外导水环均为球面结构，导叶两端面亦为球面，这样能保证导叶在转动时能有效的封水。

图7-6 锥形导水机构

1-内导水环；2-轴销；；3-控制环；4-剪断销；5-连杆；

6-拐臂；7-活动导叶；8-外导水环；9-轴套；10-转轮室

由于导叶担负着在转轮前，导叶后的水流形成转轮所需要的环量，故导叶形状为空间扭曲面。为保证导叶间在关闭时能有效的封水，除要求两端面的间隙较小外（一般为0. 6~1. 2mm ），还要求导叶的立面间隙较小，一般为0. 2mm 。需要将空间扭曲的导叶按锥形要求加设立面密封。

（3）转轮与转轮室

灯泡式水轮机转轮，按叶片操作方式，可采用活塞套筒式，操作架式和缸动方式等结构。图7-7为缸动方式的结构，也就是活塞不动，活塞缸带动连杆、转臂，操作叶片转角度。这种结构简单，安装方便。

转轮叶片一般采用不锈钢制造。常用材质为ZG0Cr 13Ni 4MO ，ZGOCr 13Ni 6MO 和ZGOG r16Ni 15等。

图7-7 转轮结构（缸动结构）

1-转轮体；2-联杆；3-转臂；4-叶片；5-活塞缸；6-活塞；

7-泄水锥；8-泄水锥头；9-操作油管；10-水封

为防止叶片与转轮室间的间隙空蚀，设有抗空蚀边。

为防止水进入转轮体腔内，一般设有重力油箱，其高程使进人转轮体腔内的油压略高于外部水压力。

转轮的叶片与转轮体间设有密封，常用的有 形和 形密封。轮轮叶片的操作油压常用为40MPa 。转轮在正式吊入机坑前，组装好的转轮应做耐压试验，要求每小时转动叶片2~3次，检查叶片密封处有无漏油现象，一般允许有滴状渗油现象。

转轮室分上下两瓣。上部设有观察孔，下部设有进人孔，以利检修。为防止汽蚀，一般在上半部1/4圆周上堆焊不锈钢或用不锈钢整铸。

（4）水导轴承

水轮机导轴承位于水轮机转轮侧。由于水轮机转轮为悬臂形式，故要求水导轴承除承受径向力外，还应适应悬臂引起的挠度（转角）变化。目前适应以上要求的导轴承结构有两种：一是图7-8所示结构，二是如图7-9所示的结构。

图7-8 水轮机侧导轴承

由图7-8可知，水导轴承分两瓣。上部两边各留一段巴氏合金以封住油。径向力通过轴承的凸缘和扇形支承板传至管形壳。安装时，先根据厂家设计计算提供的尺寸和管形壳安装的实际位置来调整轴线。轴线调整好后再加工扇形支承与连接法兰凸缘之间的配合片。为适应轴的倾斜位移，法兰凸缘与扇形支承连接时的套管应比凸缘长0.2mm ，套管外径应比凸缘螺孔直径小2mm 。这样，在运行时主轴产生较小的挠度变形，可由法兰凸缘和轴承套管来承受。较大的变形则应由扇形支承板来承担。

图7-9所示为水导轴承，其为球面轴承。通过球面支承可以直接承受轴挠度引起的大小位移。

图7-9 球面导轴承

1- 1- 1- 球面座；2-球面支撑；3-绝缘层；4-轴瓦；5-轴承盖；6-油封圈；7-温度计

8-O 形密封圈

（5）组合轴承

如图7-5所示，对于双支点结构的灯泡机组，以电机侧的导轴承与正反方向推力轴承组合在一起成为承受径向力又受力轴向力的组合轴承，图7-10为组合轴承结构图。

发电机导轴承是承受发电机转子和偏心磁拉力等所引起的径向力。由于发电机转子为悬臂结构，为适应轴线倾斜，在导轴承与轴承支承环的组合面上设有配合片，根据轴线计算的挠值来选择配合片的楔形厚度。

推力轴承设有正反向推力瓦。正反向推力瓦可以互换，每块瓦通过抗重螺丝支承在分两瓣的轴承壳上。正反向推力瓦面与镜板之间的总间隙为0.3~0.5mm。间隙的调整可以在轴承壳体外通过修刮调整垫片来实现。

图7-10 组合轴承结构

1-顶轴千斤顶；2-发电机导轴瓦；3-轴承支持环；4-配合垫片；5-发电机导轴承壳体；6-反推力瓦；

7-护板；8-推力环；9-正推力瓦；10-推立轴承壳体；11-抗重螺钉；12-主轴

为便于轴线调整，组合轴承内设有千斤顶也可用在安装时支承主轴。

由于主轴挠度计算以及轴承支承环安装精度难以保证，配合片的配置比较困难。因此，组合轴承中的导轴承采用球面支承结构，用球面支承来适应主轴挠度的变化。

另外，为解决正反向推力瓦受力调整和适应主轴挠度引起的推力瓦对中偏移，受力分配不均等问题，可采用支柱螺丝加托盘的结构方式。