混流式水轮机
Mixed Flow Turbine

混流式水轮机属于反击式水轮机,混流式水轮机的水流是径向进入转轮,轴向离开转轮。混流式水轮机可应用水头范围很广,从20m至700m水头都有相应的产品供使用。

混流式水轮机转轮结构

下面通过一个混流式水轮机转轮模型来介绍其工作原理与结构,模型有16个叶片,图1是这个转轮模型的立体结构图,多个叶片固定在上冠下面的锥面上,叶片下端固定在下环内侧,为看清叶片形状,剖开部分下环。

混流式转轮立体结构图

图1--混流式转轮立体结构图

图2是把这个模型翻转过来,从下方观看立体结构图。

混流式转轮立体结构图二

图2--混流式转轮立体结构图二

图3是转轮的轴截面立体图,在上冠下方有泄水锥,上冠与泄水锥组成圆滑的曲面,使水能顺畅的流过。

混流式转轮轴截面立体图

图3--混流式转轮轴截面立体图

水流是从四周水平方向进入混流式水轮机的转轮,见图4

水流进入混流式转轮的方向

图4--水流进入混流式转轮的方向

根据水头范围,混流式水轮机的转轮有多种形状,从外观看,主要体现在叶片根部外端直径Ds与出口处直径D2的大小不同与叶片高度b不同,同时也造成水流相对叶片走向不同,图5是几种主要的转轮轴面投影图,蓝色箭头线表示水流的走向。

混流式转轮轴面投影图

图5--混流式转轮轴面投影图

  图5的(a)图适用于高水头、小流量,转轮叶片高度小、叶片在水平方向长,水流在通过叶片时以水平方向为主;图5的(b)图适用于中水头、中流量,水流斜向通过叶片;图5的(c)图适用于中低水头、中大流量,靠转轮下方进入的水流主要以轴向通过叶片,靠转轮上方进入的水流以近似水平方向通过叶片;图5的(d)图适用于低水头、大流量,转轮叶片高度大、叶片在水平方向短,水流主要以轴向通过叶片。

注:以上讲的叶片高度长度与流量大小是针对尺寸相同的转轮进行比较。混流式水轮机转轮叶片数为9至21片。

图6是三峡水电站的混流式水轮机转轮照片,其轴面投影图与图5的(b)图近似。

图6--三峡水电站混流式水轮机转轮(照片来自网络)
 
混流式转轮工作原理

在水轮机中,水流是通过活动导叶进入转轮的,活动导叶分布在转轮周围,见图7,导叶控制水流的大小与走向,参见水轮机的导水机构课件。

水流经过导叶进入混流式水轮机转轮

图7--水流经过导叶进入混流式水轮机转轮

混流式转轮叶片形状要使所有通过叶片的水流都能推动转轮旋转,都符合翼型的升力原理

图8是混流式转轮叶片升力图,能较清楚的说明转轮叶片的受力状态,图中用箭头线表示了叶片在水流作用下产生升力的状态。左图是从转轮上部分进入的水流升力图,水流基本以径向朝中心流动,显示了2个叶片的受力,其它叶片受力情况是相同的;右图是从转轮下部分进入的水流升力图,水流基本以轴向朝下方流动,显示了1个叶片的受力,其它叶片受力情况是相同的。

注意:图中V是从导叶流向叶片的水流速度与大小,W是流向该叶片的水流相对叶片的速度与大小,L是该水流对叶片产生的升力,可看到所有水流产生的升力均是推动转轮同向旋转的力。

混流式转轮叶片受力图

图8--混流式转轮叶片受力图

下面有一段动画演示转轮中水流走向,动画仅演示从转轮下部分进入的一股水流的运动状态,用蓝色小球表示水流质点。

动画1    混流式水轮机转轮水流质点走向动画

 
混流式水轮机的组成与结构 

下面将介绍混流式水轮机的基本组成,图9是水轮机核心部分结构示意图。

水轮机的主要部件都是围绕座环展开的。座环下方有底环尾水管座环上方有顶盖座环外侧安装蜗壳,座环内侧安装多个导叶,在中间安装转轮,转轮的轴承是安装在顶盖上的导轴承在导轴承下方有轴密封装置防止水沿轴漏入顶盖上方。转轮的上冠与顶盖间缝隙很小,在转轮的下环与底环间缝隙也很小,在其间有止漏环,在保证转轮自由旋转的同时还要防止漏水影响水轮机效率。

混流式水轮机的转轮与导叶

图9--混流式水轮机的转轮与导叶

导叶安装在顶盖与底环之间,导叶轴穿过顶盖连接到导水控制机构,在顶盖上方安装控制环接力器一同组成导水控制机构。转轮主轴上方将连接水轮发电机的主轴。

在图中用浅蓝色箭头线表示经过水轮机的水流走向,水从蜗壳内侧进入水轮机,通过导叶形成向中心的环流进入转轮,推动转轮旋转做功后由下方尾水管排出。

混流式水轮机结构图
图9--混流式水轮机结构图
下面展示混流式水轮机旋转动画,蓝色小球运动代表运动水流的走向。

   动画2   混流式水轮机旋转与水流走向动画

 

 

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