水轮机的导水机构
Guide Vane of Hydroturbine

引水室流向水轮机转轮的水流需经过导水机构再进入转轮,导水机构的主要作用是:根据电力系统负荷的变化,调节水轮机流量,以适应系统对机组出力的要求; 形成和改变进入转轮的水流环量,以满足水轮机对进入转轮前水流环量的要求。在转轮停止工作时必须关闭导叶截断水流。

径向式导水机构

作为主要的混流式水轮机轴流式水轮机的水都是径向进入转轮工作区的,在水轮机的引水课件中已作较详细的介绍,水流在蜗壳经过座环固定导叶进入转轮,固定导叶对水流有一定的导向作用,但固定导叶主要是作为座环的支柱,对水流的大小与方向不可控制。

本课件介绍活动导叶的作用与控制方法。

在座环内侧再加一圈活动导叶,见图1

固定导叶与活动导叶示意图 图1--固定导叶与活动导叶示意图

活动导叶的截面为流线型,类似机翼,两端有轴,绕导叶轴转动可改变角度,控制水流的大小。水流在导叶间的流动状态见图2,绿色的是导叶,蓝色箭头线表示水流走向。左面图是导叶关闭位置,水流被切断,在机组甩负荷时,关闭导叶使水轮机停止运行;中间图与右面图是导叶转到中开度与大开度位置,水流走向见图中蓝色箭头线,通过改变导叶的角度可以改变进入转轮的水流大小与角度。这种控制径向水流的导水机构称之为径向式导水机构

导叶不同开度时水流走向
图2--导叶不同开度时水流走向

径向式导水机构由多个导叶组成,所有导叶可绕自身轴线同步转动,像百叶窗帘样,多个导叶排在蜗壳座环的出水口,图1就是安装活动导叶的蜗壳,此时导叶是开启的状态。

导叶开启的蜗壳
图3--导叶开启的蜗壳

通过调节导叶的角度可改善机组运行状态,对于轴流式水轮机可同时调节转轮叶片的攻角与导叶的角度,实现在多种工况下达到很高的运行效率。

导水机构的传动系统

活动导叶是同步转动的,采用接力器来驱动,一般由两个接力器与控制环组成传动机构,接力器固定在水轮机基础上,控制环可绕水轮机主轴线转动,接力器是液压伺服机构,主要由缸体活塞活塞杆组成。接力器连杆一端连接活塞杆,另一端连接控制环上的大耳环。两个接力器动作方向相反,在液压作用下接力器活塞杆就可以带动控制环正反转动,见图4。

活动导叶控制机构
图4—活动导叶控制机构

导叶轴上固定导叶拐臂导叶连杆一端连接到拐臂,另一端连接到控制环上的销钉上,控制环转动时带动连杆,连杆就带动导叶转动。连杆中部有旋套,旋转旋套可改变连杆长度,通过调节每个连杆的旋套就可以使所有导叶同角度转动。

在图5中上部接力器活塞杆向外推,下部接力器活塞杆向内拉,控制环顺时针转动使导叶关闭。

接力器推动控制环使导叶关闭
图5--接力器推动控制环使导叶关闭

在图6中上部接力器活塞杆向内拉,下部接力器活塞杆向外推,控制环反时针转动使导叶开启。

接力器推动控制环使导叶开启
图6--接力器推动控制环使导叶开启

接力器也可以是其他伺服机构,接力器与控制环也有多种连接方式,这里不再介绍。

下面动画演示接力器活塞杆推拉控制环使导叶开启。

导叶控制机构动画

由两个接力器与控制环组成的传动机构是最常用的。如果每个导叶单独使用一个接力器,可使导叶得到强有力的驱动与灵活的控制,见图7。

每个导叶单独使用一个接力器
图7--每个导叶单独使用一个接力器

在每个导叶转轴上端头固定有转臂,单个导叶接力器同样是液压机构,接力器一端连接导叶的转臂另一端连接到固定环上的销钉,固定环固定在水轮机顶盖上不能转动,接力器由液压控制系统统一控制,接力器推拉转臂使导叶转动,结构见图8。由于每个导叶单独使用一个接力器,减少了中间机械连接环节产生的间隙,使操作更平稳灵活,转动力更强劲。   

每个导叶有单独接力器的导水传动机构
图8--每个导叶有单独接力器的导水传动机构

在抽水蓄能电站使用的水泵水轮机负荷增减速度快、水流振动大、对导叶冲击大,所以水泵水轮机有采用这种每个导叶有单独接力器的导水传动机构。

轴向式导水机构

贯流式水轮机的水流方向是轴向的,其导水机构称之为轴向式导水机构。图9是一个灯泡式贯流式水轮机的结构示意图。多个导叶排在转轮前方,导叶为扇形,导叶转轴与扇形径向平行,导叶控制机构的组成与原理与轴流式水轮机相同,导叶转轴端有导叶臂,通过连杆联接到控制环,控制环转动轴与转轮轴同心,当控制环转动时带动所有导叶同步转动,实现对水轮机水流通道的开启与关闭。

贯流式水轮机的转轮与导叶
图9--贯流式水轮机的转轮与导叶

在图10剖面图展示的是导叶关闭状态。

贯流式水轮机的导叶关闭
图10--贯流式水轮机的导叶关闭

在图11的剖面图中展示的是导叶开启状态。

贯流式水轮机的导叶开启
图11--贯流式水轮机的导叶开启

轴伸贯流式水轮机与竖井贯流式水轮机等小型贯流式水轮机的导叶控制机构在转轮室前外壳的外面圆周上,便于检修与操作。大型的灯泡式贯流式水轮机的导叶控制机构有安装在外壳的外面圆周,也有安装在灯泡体内。

下面动画演示贯流式水轮机的导叶开启动作。

贯流水轮机导叶打开动画

 
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