轴流式水轮机

Axial Flow Turbine

轴流式水轮机属于反击式水轮机，主要由转轮、转轮室、导水机构、蜗壳组成。

转轮的结构与工作原理

轴流式水轮机的转轮的叶片像电风扇的叶片，图1是一个四叶片转轮。

图1 四叶片轴流式转轮

转轮安装在转轮室内，水流进入转轮和离开转轮均是轴向的，如图2所示。

图2 轴流式转轮与转轮室

轴流式水轮机叶片截面为翼形，根部厚边缘薄，水流轴向通过转轮叶片，工作原理与风力机相似。图3是叶片受力图，图中以一个叶片的截面来简单分析叶片的受力，转轮轴线垂直于地面，图中箭头线是矢量线，同时表示大小与方向。

图3 叶片受水流作用力图

先看左面图，m是靠近叶片的一个水质点，为看的清楚，把他挪到左上方，水质点的速度是V，由于水进入转轮区有环量，在图中的方向不是垂直向下，而是向左方倾斜；叶片绕轴旋转，截面的切线速度是U，相对于叶片水质点m则是以-U的速度向右运动；所以水质点m相对于叶片的运动速度是W，也就是说叶片受到水流的方向是W。

再看右图，叶片受到方向是W的水流作用，由于W与翼形弦线c有攻角α，会产生一个垂直于W的升力L，同时也受到阻力D（与W同向），两力的合力R是叶片受到的力，R在水平方向的分力是F，F就是推动叶片旋转的力。

轴流式水轮机叶片数目一般为3至8片，低水头少叶片，高水头多叶片。轴流式水轮机转轮流道的过流断面面积较大，可提高了水轮机的单位流量和单位转速，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。轴流式水轮机适用于较低水头、较大流量的水利资源。

轴流定桨式转轮和轴流转桨式转轮

轴流式水轮机分为轴流定桨式和轴流转桨式两种，图4是这两种水轮机转轮的图片。

图4 轴流式水轮机的转轮（照片来自网络）

轴流定桨式水轮机转轮叶片是固定在轮毂上，结构简单，造价便宜，但只能通过调节导水机构控制出力，在水头与负荷变化较大时，水轮机效率会有较大下降。轴流定桨式水轮机通常使用在水头25m以下，功率不超过5万千瓦。

轴流转桨式水轮机转轮叶片是可按水头和负荷变化作相应转动，改变叶片的攻角α，可在水头和负荷有较大变化时仍有良好的运行性能。图5是轴流转桨式水轮机转轮叶片转动的示意图，左图是叶片在关闭状态；中间是计算位置，是正常运转时的设计位置；右图是全开位置。

图5 转轮叶片转动角度示意图

轴流转桨式水轮机效率较高，目前最高效率有的已超过94％，下面是转桨式转轮的叶片转桨动画。

转桨式转轮的叶片转桨动画

葛洲坝的轴流式水轮机单机容量是17万千瓦，转轮直径11.3m，是目前世界上直径最大的轴流式水轮机；福建水口水电站单机容量是20万千瓦，是目前世界上单机容量最大的轴流式水轮机。图6是葛洲坝水轮机转轮在吊装过程中。

图6 吊装中的葛洲坝水轮机转轮

轴流式水轮机的结构与运行动画

轴流式水轮机转轮安装在转轮室中，转轮室上端是导水机构的底环，在底环上端有顶盖，在底环与顶盖上安装有导叶的轴承，导叶安装在底环与顶盖之间，在转轮室下方连接有尾水管，水流经过导叶进入转轮室推动转轮旋转做功，然后再从尾水管排出，浅蓝色箭头线表示水流走向，见图7。

图7 轴流式水轮机的转轮与导水机构

在水电站水头和负荷变化时，轴流转桨式水轮机可同时调节引水导叶角度与转轮叶片的攻角来稳定转速，通过导叶转角和叶片转角间的最优配合，在水头和负荷有较大变化时仍有良好的运行性能。

下面是轴流式水轮机的转轮叶片与导叶同步调节示意动画。

转轮叶片与导叶同步调节动画

在顶盖上方安装控制环与接力器等导水机构有关部件；在底环与顶盖外沿安装蜗壳，水流进入蜗壳，经蜗壳均匀分配后再经过导叶进入转轮室，图8是轴流式水轮机的动画截图，也是结构示意图(为使图片清晰简单，图中略去了座环)。

图8 轴流式水轮机结构示意图

下面是轴流式水轮机的运转动画，演示了从导叶开启到转轮旋转的运行示意，动画中运动的蓝色小球表示水流。

轴流式水轮机的运转动画

轴流式水轮机转轮流道的过流断面面积较大，提高了水轮机的单位流量和单位转速，可以采用较小的转轮直径和较高的转速，缩小了机组尺寸。轴流式水轮机适用于较低水头、较大流量的水利资源。 轴流转桨式水轮机效率较高，目前最高效率有的已超过94％，使用水头范围3m至88m，功率达到20万千瓦。