| 軸流式水輪機(jī) | |||
| Axial Flow Turbine | |||
軸流式水輪機(jī)屬于反擊式水輪機(jī)，主要由轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼組成。 |
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| 1. 轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)與工作原理 | |||
軸流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片像電風(fēng)扇的葉片，圖1是一個四葉片轉(zhuǎn)輪。 |
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| 圖1--四葉片軸流式轉(zhuǎn)輪 | |||
轉(zhuǎn)輪安裝在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)，水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪和離開轉(zhuǎn)輪均是軸向的，如圖2所示。 |
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| 圖2--軸流式轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室 | |||
軸流式水輪機(jī)葉片截面為翼形，根部厚邊緣薄，水流軸向通過轉(zhuǎn)輪葉片，工作原理與風(fēng)力機(jī)相似。圖3是葉片受力圖，圖中以一個葉片的截面來簡單分析葉片的受力，轉(zhuǎn)輪軸線垂直于地面，圖中箭頭線是矢量線，同時表示大小與方向。 |
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| 圖3--葉片受水流作用力圖 | |||
先看左面圖，m是靠近葉片的一個水質(zhì)點(diǎn)，為看的清楚，把他挪到左上方，水質(zhì)點(diǎn)的速度是V，由于水進(jìn)入轉(zhuǎn)輪區(qū)有環(huán)量，在圖中的方向不是垂直向下，而是向左方傾斜；葉片繞軸旋轉(zhuǎn)，截面的切線速度是U，相對于葉片水質(zhì)點(diǎn)m則是以-U的速度向右運(yùn)動；所以水質(zhì)點(diǎn)m相對于葉片的運(yùn)動速度是W，也就是說葉片受到水流的方向是W。 再看右圖，葉片受到方向是W的水流作用，由于W與翼形弦線c有攻角α，會產(chǎn)生一個垂直于W的升力L，同時也受到阻力D（與W同向），兩力的合力R是葉片受到的力，R在水平方向的分力是F，F(xiàn)就是推動葉片旋轉(zhuǎn)的力。 軸流式水輪機(jī)葉片數(shù)目一般為3至8片，低水頭少葉片，高水頭多葉片。軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道的過流斷面面積較大，可提高了水輪機(jī)的單位流量和單位轉(zhuǎn)速，可以采用較小的轉(zhuǎn)輪直徑和較高的轉(zhuǎn)速，從而縮小了機(jī)組尺寸，降低了投資。軸流式水輪機(jī)適用于較低水頭、較大流量的水利資源。 |
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| 2. 軸流定槳式轉(zhuǎn)輪和軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪 | |||
軸流式水輪機(jī)分為軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式兩種，圖4是這兩種水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的圖片。 |
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| 圖4--軸流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪（照片來自網(wǎng)絡(luò)） | |||
軸流定槳式水輪機(jī) 軸流定槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是固定在輪轂上，結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，但只能通過調(diào)節(jié)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)控制出力，在水頭與負(fù)荷變化較大時，水輪機(jī)效率會有較大下降。軸流定槳式水輪機(jī)通常使用在水頭25m以下，功率不超過5萬千瓦。 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī) 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是可按水頭和負(fù)荷變化作相應(yīng)轉(zhuǎn)動，改變?nèi)~片的攻角α，可在水頭和負(fù)荷有較大變化時仍有良好的運(yùn)行性能，控制葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)在輪轂內(nèi)，主要有推動葉片轉(zhuǎn)動的液壓缸，缸內(nèi)活塞通過活塞桿、連桿、葉片臂等驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動。 圖5是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)動的示意圖，左圖是葉片在關(guān)閉狀態(tài)；中間是計(jì)算位置，是正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的設(shè)計(jì)位置；右圖是全開位置。 |
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| 圖5--轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)動角度示意圖 | |||
軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)效率較高，目前最高效率有的已超過94％，下面是轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的葉片轉(zhuǎn)槳動畫。 |
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葛洲壩的軸流式水輪機(jī)單機(jī)容量是176MW，轉(zhuǎn)輪直徑11.3m，當(dāng)時是世界上直徑最大的軸流式水輪機(jī)，見圖6，圖片來自網(wǎng)絡(luò)。 |
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| 圖6--葛洲壩水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪 | |||
軸流水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑最大不等于容量最大，大藤峽水電站的軸流水輪機(jī)單機(jī)容量204.1MW，轉(zhuǎn)輪直徑只有10.4 m，因?yàn)榇筇賺{水電站的額定水頭25.0 m，而葛洲壩水電站的額定水頭只有18.6m，是低水頭大流量水輪機(jī)。同樣福建水口水電站軸流水輪機(jī)單機(jī)容量200MW，轉(zhuǎn)輪直徑只有8.0 m，額定水頭45.7m，屬于高水頭軸流水輪機(jī)。 |
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| 3. 軸流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu) | |||
軸流水輪機(jī)主要組成部件有3大部分，轉(zhuǎn)動部分是轉(zhuǎn)輪、主軸，固定部分主要有：蝸殼、座環(huán)、底環(huán)、頂蓋、支持蓋、錐體、轉(zhuǎn)輪室、尾水管，導(dǎo)水部分有活動導(dǎo)葉、導(dǎo)葉臂、導(dǎo)葉連桿、控制環(huán)、接力器。還有導(dǎo)軸承、軸密封等。 圖7是座環(huán)、底環(huán)、頂蓋、支持蓋、錐體、轉(zhuǎn)輪室的剖視圖，顯示了基本結(jié)構(gòu)。座環(huán)是整個水輪機(jī)的基礎(chǔ)，是最重要的部件，有關(guān)座環(huán)參見水輪機(jī)的引水課件。 |
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| 圖7--水輪機(jī)的主要固定部件 | |||
座環(huán)上面安裝頂蓋，座環(huán)下面安裝底環(huán)與轉(zhuǎn)輪室。座環(huán)外周安裝蝸殼（圖中略）。轉(zhuǎn)輪室下方安裝尾水管。在座環(huán)內(nèi)上方安裝頂蓋，在頂蓋內(nèi)安裝支持蓋，在支持蓋內(nèi)下方安裝錐體（導(dǎo)流錐）。圖8是以上部件組裝在一起的示意圖。 |
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| 圖8--水輪機(jī)的主要固定部件組裝 | |||
水輪機(jī)的導(dǎo)水系統(tǒng)見導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，下面就導(dǎo)水系統(tǒng)的安裝簡介軸流水輪機(jī)的實(shí)際安裝過程。 在座環(huán)內(nèi)安裝活動導(dǎo)葉，然后安裝頂蓋與支持蓋。安裝套筒（導(dǎo)葉上軸承），在導(dǎo)葉軸上端安裝導(dǎo)葉拐臂。在支持蓋上安裝控制環(huán)，用連桿把拐臂與控制環(huán)銷釘連接起來。安裝接力器。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安裝可參考軸流式水輪機(jī)安裝課件中相關(guān)介紹。 安裝導(dǎo)軸承與軸密封裝置，安裝好的布置見圖9。 |
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| 圖9—水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu) | |||
圖10是完整的軸流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)剖視圖。 |
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| 圖10--軸流式水輪機(jī)剖視圖 | |||
軸流式水輪機(jī)較詳細(xì)的安裝過程見軸流式水輪機(jī)安裝課件 |
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4. 軸流式水輪機(jī)的工作狀態(tài) |
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圖11是軸流式水輪機(jī)的水流走向示意圖，藍(lán)色箭頭線表示水流走向。 |
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| 圖11--軸流式水輪機(jī)的水流走向 | |||
在水電站水頭和負(fù)荷變化時，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)可同時調(diào)節(jié)引導(dǎo)葉角度與轉(zhuǎn)輪葉片的攻角來穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，通過導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角和葉片轉(zhuǎn)角間的最優(yōu)配合，在水頭和負(fù)荷有較大變化時仍有良好的運(yùn)行性能。 下面是軸流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉同步調(diào)節(jié)示意動畫。 |
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軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉調(diào)節(jié)動畫 |
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下面是軸流式水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)動畫，演示了從導(dǎo)葉開啟到轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的運(yùn)行示意，動畫中運(yùn)動的藍(lán)色小球表示水流。 |
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軸流式水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)動畫 |
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軸流式水輪機(jī)適用于較低水頭、較大流量的水利資源。 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)效率較高，目前最高效率有的已超過94％，使用水頭范圍3m至88m，功率達(dá)到23萬千瓦。例如福建水口水電站增容改造后單機(jī)容量23萬千瓦，是目前世界上單機(jī)容量最大的軸流式水輪機(jī)。 |
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