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混流式水轮机叶片建模与分析

桂仲成1，王胜华1，陈强1，都东1，孙振国1，

陈钢2，邓键2，唐敏2，吴涛2

(1. 清华大学机械工程系、先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084;

2. 中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌 443002）

[摘要]利用逆向工程方法建立了某电站混流式水轮机叶片的模型，并对其进行了分析。本文介绍了利用逆向工程软件Geomagic Studio建模的方法和步骤，并据此建立了某电站混流式水轮机叶片的三维实体模型。

比较结果表明，所建立的模型和实际叶片吻合较好。在此基础上，利用三维造型软件如Rhino等可以获得叶片表面形貌和曲率等几何参数及惯性力矩等力学特性参数，这些参数可以作为对叶片进行分析、研究和维修等工作的依据。

[关键词]混流式水轮机；叶片；逆向工程；建模；Geomagic

[中图分类号]TK730.2 [文献标识码] A [文章编号] 1000-3983（2006）05-0036-05

Modeling and Analysis of a Francis Turbine Blade

GUI Zhong-cheng1，WANG Sheng-hua1，CHEN Qiang1，DU Dong1，SUN Zhen-guo1，

CHEN Gang2，DENG Jian2，TANG Min2，WU Tao2

(1. Department of Mechanical Engineering, Key Laboratory for Advanced Manufacturingby Materials

Processing Technology Ministry of Education, Tsinghua University，Beijing 100084，China；

2. China Yangtze Power Co. Ltd.，Yichang 443002，China)

Abstract：The model of a Francis turbine blade has been created by making use of reverse engineering method. The blade modeling procedures with reverse-engineering software, i.e. Geomagic Studio, were presented in this paper. Thereby the 3D model of a Francis turbine blade was yielded, and the measurement results prove that the model tallies with actual blade successfully. Through utilizing 3D modeling software to analyze the model, some useful geometric or mechanical parameters can be obtained, such as the shape and curvature of the blade, moment of inertial and so on, and these parameters could be the basis for the optimization, study and maintenance of turbine blade.

Key words： Francis turbine；blade；reverse engineering；modeling；Geomagic

1 引言

转轮是水轮机中完成水流能量转换的核心部件。混流式转轮则是由一定数量的叶片和具有回转特征的上冠和下环组成，其中混流式转轮叶片是雕塑曲面体，形状非常复杂[1]。

目前，在水轮机叶片研究开发、制造及维修等方面主要依据叶片木模图来实现[2,3]。但是，叶片在使用过程中会受到空蚀、磨损破坏，其形状和尺寸会发生变化，需要定期进行维修[4]。在维修前需要精确了解受损后转轮的实际情况，并在此基础上对转轮进行维修，在维修后也须要尽可能使其和原设计参数吻合以保证

基金项目：清华大学博士生科研创新基金资助项目（2004）；国家自然科学基金资助项目（50275083）；高校博士点基金资助项目（2002003053）水轮机的发电效率和安全稳定运行。但是，由于非叶片设计厂家（如水电站等）没有叶片原始设计数据，无法仅根据木模图提供的信息推算叶片原始型面（且设计数据和叶片制造后的实际数据也可能存在偏差），更无法获得叶片受损后的实际形貌，在修复时主要依靠经验来进行，修复质量差。因此，本文提出利用逆向工程方法，建立水轮机叶片在受损前后的三维实体模型。该实体模型可为水轮机的维修等工作提供依据，也可用于流场计算、叶片强度和振动等问题的数值计算等方面的分析和研究[5]。

2 混流式水轮机叶片的建模

混流式水轮机叶片表面是一个非结构化的、空间扭曲的自由曲面。利用逆向工程方法、采用计算机自由曲面重构技术，可以将复杂的水轮机叶片的雕塑曲

面体以三维实体的形式直观地表述出来。通过这个三维实体，可以获得水轮机叶片具体的数据，如叶片受损前后的真实厚度、叶片重心、体积、表面积、曲率和形貌等几何参数及叶片的结构刚度、强度和惯性力矩等力学特性。本文采用逆向工程方法，利用逆向工程软件Geomagic Studi o建立了某电站混流式水轮机叶片的模型。

2.1 逆向工程方法

逆向工程(Reverse Engineering)是将已有实物模型转化为工程设计的CAD模型，并在此基础上对已有实物进行分析、改造、再设计的过程。逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟以及数据测量技术的进步迅速发展起来的一门新兴学科与技术。它的出现改变了原来CAD系统中从图纸到实物的设计模式，为产品的快速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径，并已被广泛应用于航空、航天、造船、汽车和模具等现代制造业的各个领域。逆向工程主要包括数据测量、数据处理及曲面重构三大关键技术[6,7]。

数据测量是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模工作。高效、高精度地实现物体表面的数据采集是逆向工程实现的基础。根据测量探头是否和物体表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式和非接触式。在接触式测量方法中，三坐标测量机（CMM）是应用最为广泛的一种测量方法；而在非接触式测量方法中，结构光法是被认为目前最成熟的三维形状测量方法。

由于存在测量误差等因素，使得测量所得数据常常带有许多的杂点、噪声点，影响后续的曲面重构过程。因此需要在曲面重构前，对数据点云进行必要的处理，以获得满意的数据，为曲面重构过程做好准备，即点云数据处理。点云数据处理主要包括点云的拼合、点云过渡、数据精简和点云分块等。

曲面重构是整个逆向工程中最关键、最复杂的一环。曲面重构是利用物体表面的散乱点数据，通过插值或拟合，构建一个近似模型来逼近产品原型。根据曲面拓扑形式的不同，曲面建模手段分为两大类：第一种是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法；另一种是以NURBS（非均匀有理B样条）曲线、曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法。三角Bezier曲面拟合方法尽管具有构造灵活、适应性好等优点，但是其存在对曲面修改能力不足、可控性差等缺点，且在面片间连续性方面只能达到一阶连续，这限制了其在实践中的应用。矩形域参数曲面拟合方法是目前研究和应用最多的一种方法。矩形域参数曲面拟合方法的曲面重构主要有两种方法：一是先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型的方式将曲线构建曲面（曲面片）；二是直接对测量数据拟合，生成曲面片，最终通过曲面片的过渡、拼接和剪裁等曲面编辑操作，完成曲面模型的构建。

2.2 逆向工程软件Geomagic

逆向工程在许多领域得到了广泛应用，并开发出成熟的商业软件如Surfacer, Geomagic Studio等。其中Geomagic是美国Raindrop Geomagic（雨滴）软件公司推出的逆向工程软件。该软件是目前市场上对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件之一。该软件的主要功能包括：

1）自动将点云数据转换为多边形；

2）快速减少多边形数目；

3）将多边形转换为NURBS曲面；

4）曲面分析（公差分析等）；

5）输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式

（IGS、STL等）。

Raindrop Geomagic的工作流程如图1所示[8]。2.3 叶片三维实体建模

利用Geomagic软件、采用矩形域参数曲面拟合方法进行叶片三维实体建模，主要有下列六个步骤：第一步：利用测量设备获得叶片曲面数据并进行数据处理。数据点是依据叶片的表面特征和流向及建模精度要求采集的，数据采集密度根据叶片表面曲面变化的剧烈程度相应调整，即在曲率变化较大的地方数据点就密一些，曲率变化小的地方数据点少一些，如图2所示。利用三坐标测量仪获得叶片表面（正面、反面及正反面过渡区）上述点的三维坐标值（测量精度为0.1 mm）如表1所示。这些点在曲面建模中也称控制点，是决定最后所建立的曲面形貌的关键点。

结合叶片表面的实际情况，在本模型中叶片正、背面各采用了120个数据点，正背面过渡区采用20个数据点。这些点构成了原始数据点云，如图3所示。数据点中可能会存在一些明显错误（如不在叶片表面范围内）的点，即坏点，在采用点云进行曲面重构时，第一步是去掉这些坏点。

第二步：点云的三角剖分。首先将这些点云按照实际空间关系建立联系，即在实际相邻的两个点之间连线，形成一系列三角形面片，这些三角形面片组合成一个近似的曲面，这个面可以理解为实际叶片通过三角形面片近似的叶片表面，如图4所示。连接的两个

点要求在叶片表面上相邻，因此如果即使点1和点2的距离很小，但点1在叶片正面，而点2在叶片反面的话，也不能称点1和点2相邻。在分别拟合出叶片正面和反面后，需要将叶片正反面连接（缝合）起来，以形成一个完整的叶片，如图5所示。

第三步：点云曲面插值。由于叶片上的数据点较少，因此要通过插值来近似获得叶片上非原始数据点的坐标值，使得所建立的模型更接近实际叶片。如图6

所示。插值采用NURBS 曲面，即认为插值点和该点周

围的控制点在同一个NURBS 曲面上。插值过程可以令控制点固定，也可以为了使曲面更光滑平缓，而使控制点作少量的移动。本模型建立过程中，采用了两者结合的方法：在初步插值时固定控制点，从而使模型尽量保证接近实际叶片；而在进一步插值时，允许控

制点移动，以使叶片表面更光滑。

图1 Raindrop Geomagic 工作流程图

图2 叶片表面数据点序列

表1 叶片表面点的坐标值 mm

点编号 x 值 y 值 z 值 001 3634.12 2386.60 209.80 002 3218.12 2368.71 56.83 003 2797.78 2288.65 -90.89 …… …… …… ……258 3175.98 2076.83 -4430.29 259 2874.13 2231.53 -4644.77 260

2530.65

2390.97

-4850.03

图3 叶片的点云图

图4 叶片正面的三角形剖分

坏点

数据点编号

（a ）叶片正面

（b ）叶片背面

图5 叶片正反面的连接

第四步：区域划分。经过第三步后，该模型实际上仍然是一系列的数据点（点云），虽然这些数据点数量比原来多了，相近的数据点属于一个NURBS 曲面，但是这些点并没有形成真正的曲面来构成叶片，还需要将这些点云按照一定规则构成一些曲面来组成一个叶片模型，即曲面拟合。在曲面拟合之前应当先进行区域划分，其目的就是使点云易于在拟合后保持原有性质并具有内置的连续性，它对区域边界有以下要求：各区特征单一，区域内点云曲率没有大变化；区域之间有公共的边界；区域的边界应呈近似四边形，以利于矩形参数域的NURBS 曲面拟合[9]。叶片模型区域划分后如图7所示。

图6 插值后的叶片

图7 叶片模型的区域划分

第五步：曲面拟合。区域划分后，即可根据点云数据拟合出曲面，如图8所示。

第六步：采用规范数据格式输出。为了使叶片模型在其他软件中能够使用，叶片模型应当采用规范的数据格式存储。本模型采用IGS 数据格式。

2.4 模型和实际情况的比较

运用Solidworks 的分析工具，得到所建立叶片模型的表面积、体积，叶片厚度分布情况，如图9所示。另外，根据实际转轮体叶片的数量及装配关系，将叶片与上冠和下环装配得到如图10所示的混流式水轮机转轮体模型。叶片、转轮模型和实际叶片、转轮相关数据的比较如表2、表3所示。从表2 、表3、图10可以看出，利用较少数据点所建立的模型和实际叶片吻合情况较好，证明了利用Geomagic 软件建模是可行的。

表2 叶片模型和实际叶片相关数据的比较

最大厚度（m ）

最小厚度（m ）

表面积（m 2）

体积（m 3）

叶片模型 0.2557 0.0334 32.447 2.37 实际叶片

0.265 0.030 34.38 2.052

表3 转轮模型和实际转轮相关数据的比较

出水边最小开口

（mm ）

叶片节距（mm ）

转轮模型385 1920 实际转轮

396.9 1828

（a ）俯视图

（b ）左视图

图8 曲面拟合后的叶片模型

缝合区域缝合区域

3 叶片形貌及曲率分析

根据所建立的叶片三维模型，分别运用Rhino 软件及Solidworks 软件对叶片进行了GUASS 曲率分析（形貌分析）和曲率半径分析，分析结果分别如表4和表5所示。从上述分析可知，该混流式水轮机叶片表面是复杂空间曲面，且曲率变化范围较大。通过分析可得叶片的惯性力矩（由重心决定）分别为

222

20049 kg m , 27155 kg m , 44724 kg m x y z P P P =?=?=?

同时，也可获得其他力学参数如转动惯量、惯性张量等。在实际水轮机叶片修复时，本文所分析的结果可提供关键参数和参考依据。另外，如果需要的话，在获得足够的测量数据的情况下，利用本文所述方法可以较方便地建立叶片受损后的实体模型。

图9 叶片厚度分布情况

图10 转轮模型

表4 GUASS 曲率分析结果

曲面类型占叶片表面积比例

圆柱面和平面 80 % 马鞍状区域 15 % 碗状区域

5 %

表5 曲率半径分析结果

曲率半径

占叶片表面积

比例

空间位置

小于1.0 m 5 % 叶片边缘 1.0~2.5 m

10 %

倾斜角度较小位置（小于400）

大于2.5 m

85 %

立面（竖直位置）

4 结论

（1）利用Geomagic Studio 建立了某电站混流式水轮机叶片和转轮的三维实体模型。比较结果表明，采用较少数据点所建立的模型和实际情况基本吻合。这为无法获得原始叶片型面数据的机构进行水轮机叶片研究或其他相关工作提供了一种途径。

（2）运用三维造型软件Rhino 及Solidworks 可以获得叶片表面形貌和曲率等几何参数及惯性力矩等力学特性参数，为相关工作（如对叶片进行分析、研究和维修等）提供了依据。

[参考文献]

[1] 刘大恺. 水轮机[M]. 北京：中国水利水电出版社, 1997.

[2] 曹　，姚志民. 水轮机原理及水力设计[M]. 北

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[3] 赖喜德. 基于虚拟产品开发技术的叶轮优化设计

[J]. 兵工技术学报，2002，62（5）：37~40.

[4] 段生孝.我国水轮机空蚀磨损破坏状况与对策[J].

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[5] 何士华，张立翔，武亮. 混流式转轮叶片的自由

曲面构造[J]. 水力发电，2005，31（3）：54~55. [6] 王宵，刘会霞，梁佳洪.逆向工程技术及其应用[M].

北京：化学工业出版社，2004

[7] 李东波. 逆向工程中的NURBS 曲面重构研究[D].

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[8] 金涛，童水光.逆向工程技术[M]. 北京：机械工

业出版社，2003

[9] 齐天鹏. 基于点云数据的曲面重构方法研究[J].

工程图学学报，2001（1）：P96~100.

[收稿日期] 2005-10-14

[作者简介]

桂仲成（1979-），清华大学博士研究生，主要研究方向为特种加工机器人。

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题目：ZZ440水轮机转轮的水力设计方法：奇点分布法已知参数： ZZ440 —100转轮水力设计一.确定计算工况由模型综合特性曲线得到n110=115 (r/min ) ,Q110=820 ( l/s) zz440属于ns=325~875范围，为了使设计的转轮能在预期的最优工况下效率最高，计算工况与最优工况的关系按下式确定： n1l=(1.2~1.4)n 110 =138~161 (r/min) n= n.,^ H / D1(1.2 ~ 1.4)n110寸百/ D r 721.3 ~ 841.5 ( r/min) 故选定n=750 ( r/min ) 则实际n11= ^D1143.49 V H Q11=(1.35~1.6)Q110=1.4 Q110=1148<1650 (l/s) Q Q11D2JH1.4Q110D W H 6.0 m3/s 二.确定各断面叶栅稠密度l/t 据P213页(-)pj ~ n s关系，当ns=440时，得t 综合考虑一下关系： (二」 t "pi3 取D1=1000mm，取6 个断面R1~R6 依次为255、303、351、399、447、495 水力设计内容： (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 确定计算工况确定各断面叶栅稠密度l/t 选定进出口轴面速度Cz沿半径的分布规律，确定各断面的选定进出口环量r沿半径的分布规律，确定各断面的r 计算各断面进出口速度三角形，求知、2 第一次近似计算及绘图第二次近似计算 Cz1、Cz2 1、 n =91%, a om=18mm D1 a。 _ a0m 1m —18 39.13mm 0.46 (0.85~0.95片)Pj K 3(t)n (1.2 ~ 1.25 )n (\ K卩小的打

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水轮机安全设计参考文本使用指引：此安全管理资料应用在实际工作生产管理中为了保障过程顺利推进，同时考虑各个环节之间的关系，每个环节实现的具体要求而进行的风险控制与规划，并将危害降低到最小，文档经过下载可进行自定义修改，请根据实际需求进行调整与使用。水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械>，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形--水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮>旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。水轮机的分类水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定

桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高

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高水头混流式水轮机结构特点【摘要】高水头混流式水轮机由于其运行水头高、额定转速高和过流部件流速高等特点，要求水轮机主要部件的结构与中低水头的混流式水轮机相比有明显的区别。【关键词】高水头；混流式水轮机；结构 1 水轮机主要部件的结构特点 1.1 转轮转轮采用抗空蚀、抗磨蚀和具有良好焊接性能的ZG00Cr13Ni5Mo不锈钢制造，上冠、下环和叶片均采用VOD精炼整铸成型，三者焊为一体，消除残余应力后，用五轴数控机床加工，从而保证叶片型线与模型的完全相似。为减少高水头机组顶盖的压力，转轮上冠设有泵板，充分排泄转轮上冠与顶盖间止漏环处的漏水，以减小转轮的轴向水推力。转轮上冠为梳齿式止漏环，下环为台阶式迷宫止漏环，上下转动止漏环与上冠下环一体，与转轮相同材料。泄水锥与转轮上冠采用相同的材料，与上冠通过螺栓把合联接。 1.2 导叶高水头混流式水轮机一般采用带翼板导叶，材料为ZG00Cr13Ni5Mo，电渣熔铸，带翼板导叶具有优良的水力性能和抗磨蚀性能，可以减少导叶端面的漏水量及减少端部的空蚀及磨损。由于高水头水轮机水压高，顶盖变形大和泥沙的磨损作用，使导叶端面间隙扩大很快，所以在导叶上、下过流端面设有铜压环自补偿密封，这样能有效减小漏水量。 1.3 导水机构顶盖、底环和控制环均采用钢板焊接结构，具有良好的刚度。顶盖与底环上设置螺栓把合的固定止漏环，其硬度与转轮止漏环的硬度差一般在40HB以上，这样可有效防止转轮研损。在中低水头水轮机上，顶盖和底环抗磨板一般采用螺钉连接的结构，但在高水头水轮机上，由于搞水头的作用，螺钉连接的抗磨板容易发生局部变形，使得导叶端面间隙不易达到高水头水轮机的要求，会导致导叶端面磨损，从而增大导叶端面漏水量。所以对高水头混流式水轮机的顶盖一般采用对焊不锈钢抗磨板的

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目录第一章基本资料 (1) 第二章机组台数与单机容量的选择 (2) 第三章水轮机主要参数的选择与计算 (5) 第四章水轮机运转特性曲线的绘制 (10) 第五章蜗壳设计 (13) 第六章尾水管设计 (17) 第七章心得体会 (20) 参考文献 (20) 第一章基本资料基本设计资料黄河B水电站是紧接L水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。水库正常蓄水位2452 m，电站总装机容量4200 MW，额定水头205 m。经水能分析，该电站有关动能指标如表1所示：表1 动能指标第二章机组台数与单机容量的选择水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则：机组台数与工程建设费用的关系在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用

机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。机组台数对水电站运行效率的影响水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显着。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。另外，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。机组台数与水电站运行维护的关系机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之增高，对全厂检修很麻烦。同时，管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。机组台数与其他因素的关系对于区域电网的单机：装机容量较小≯15%系统最大负荷（不为主导电站）；装机容量较大≯10%系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表1。表2 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域

(完整word版)水轮机结构

水轮机结构一、简介（一）、简介水轮机是水电厂将水轮转换为机械能的重要设备。 1、按能量方式转换的不同，它可分为反击式和冲击式两类。反击型利用水流的压能和动能，冲击型利用水流动能。 2、反击式中又分为混流、轴流、斜流和贯流四种； 3、冲击式中又分为水斗、斜击和双击式三种。 1）、混流式：水流从四周沿径向进入转轮，近似轴向流出应用水头范围：30m~700m 特点：结构简单、运行稳定且效率高 2）、轴流式水流在导叶与转轮之间由径向运动转变为轴向流动应用水头：3~80m 特点：适用于中低水头，大流量水电站分类：轴流定桨、轴流转桨 3）、冲击式转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已经转变为高速射流，冲击转轮叶片作功。水头范围：300~1700m 适用于高水头，小流量机组。（二）、水轮机主要类型归类二、水轮机主要基本参数 1、水轮机主要基本参数

水头：Hg、H、Hmax、Hmin、Hr （设计水头）流量：Q 转速:f=np/60 出力：N=9.81QH n（Kw）效率：n 2、水轮机型式代号混流式：HL 斜流式：XL 轴流转桨式：ZZ 轴流定桨式：ZD 冲击（水斗式）：CJ 双击式：SJ 斜击式：XJ 贯流转桨式：GZ 贯流定桨式：GD 对于可逆式，在其代号后增加N 3、混流式水轮机型号：HL100—LJ—210 HL ：代表混流式水轮机 100：转轮型号（也称比转速） LJ:立式金属蜗壳 210：转轮直径（210 厘米）

4、轴流式水轮机 ZZ560—LH —1130 ZZ:轴流转桨式水轮机 560:转轮型号 LH :立式混凝土蜗壳1130:表示转轮直径为1130 厘米 5、冲击式水轮机 CJ47—W—170/2X15.0 CJ:冲击式 W :卧轴 170:转轮直径170cm 2: 2 个喷嘴 15.0:射流直径三、水轮机主要部件（一）、组成引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件 1、引水部件组成:引水室（蜗壳）、座环作用：以较小的水力损失把水流均匀地、对称地引入导水部件，并在进入导叶前形成一定的环量。 2、导水部件组成：导叶及其操作机构、顶盖、底环作用：调节进入转轮的流量和形成转轮所需的环量 3、工作部件

水轮机转轮叶片的制造

水轮机转轮叶片的制造 2007年06月22日星期五10:05 雕塑曲面体混流式叶片的多轴联动数控加工编程技术摘要：转轮叶片是水轮机能量转换的关键部件，也是最难加工的零件，目前多轴联动数控加工是解决该类大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多轴联动数控加工编程则是实现其高精度和高效率加工的最重要环节。本文介绍混流式水轮机叶片五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到转轮叶片三维造型、刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞仿真、后置变换等关键技术。通过对这些技术的链接和研究，开发实现了大型叶片的多轴联动加工。关键词：数控编程引言水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造，转轮的优劣，对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造———砂轮铲磨——立体样板检测—的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体转轮叶片的多轴数控加工成为可能，这将大大推动我国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业向着先进制造技术发展奠定基础。 " 大型混流式水轮机叶片的多轴数控加工编程过程大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对混流式叶片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具体编程过程如图-所示。图-大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程!"! 混流式水轮机叶片的三维几何建模混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面，大可编写一个.*/0程序读入这些三维坐标点，然后采用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如 %图1所示。叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量得到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行"234$曲面造型，并缝合成实体。叶片加工工艺规划：加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。我们根据要加工叶片的结构和特点可选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析，决定在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位，在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通用的拉紧装置来装夹。加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具，将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找正，仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片由多张曲面组合而成，为了解决加工过程中的碰撞问题，我们采用沿流线走刀，对于叶片的正背面进行分区域加工，根据曲面各处曲率的不同采用不同直径的刀具、不同的刀轴控制方式来加工。对每个面一般分多次粗铣和一次精铣。在机床与工件和夹具不碰撞和不干涉情况下，尽量采用大直径曲面面铣刀，以提高加工效率。叶片正背面我们选用刀具直径!-56曲面面铣刀粗铣、!-16曲面面铣刀精铣，

卧式混流式水轮机安装

卧式混流式水轮机安装卧式机组安装前，除作好设备验收，清点工作外，还要根据制造厂说明书和设计图纸对预埋的引水管口、尾水管预留孔位及各基础螺栓孔位置进行测量检查，及早发现问题及时处理。卧式混流式水轮机安装的主要项目有：埋设部分的安装，蜗壳安装，基座及轴承的安装，水轮机转动部分的安装，轴线调整等项。一、埋设部分的安装卧式混流式机组埋设部分包括主阀、伸缩节、进水弯管。通常把这几件组合成一体，吊装就位后进行一次性调整，以减少调整工作量。调整台格后，加以固定，浇注二期混凝土。二、蜗壳安装卧式混流武水轮机的蜗壳通常与座环浇铸（焊）成整体，并与导水机构组装成整体到货的。蜗壳安装仍然是将这些部件分解清扫组装成整体后进行的，这样使部件组装更为方便，更能保证装配质量。蜗壳的吊装就位是在埋设部分的二期混凝土养生合格后进行的。为了保证连接质量，减少调整工作量，也可以与进水弯管、伸缩节、主阀连成整体一次调整，如图4 -3所示。 1．蜗壳的垂直调整蜗壳的垂直度，直接影响到机组轴线的水平以及转轮与固定止漏环的同心性，要严格控制。调整方法有：（1）方形水平仪法：用方形水平仪直接靠在蜗壳的加工面上测量，方法比较简单，精度可达到0.02～0.04mm/m。（2）吊线电测法：在靠近加工面2、4两点（图4-4）处悬吊一根钢琴线，用听声法测量2－2、4－4两点的距离。这种方法的精度可达到0.02rnm/m。考虑到安装尾水管可能把蜗壳拉斜，因此，一般使蜗壳向顶盖方向倾斜0. 05 -0.1mm/m。 2．蜗壳左右偏斜调整蜗壳左右偏斜要求精度不高，可以用水下尺测量加工面上1.3两点的水平腰即可，如图4- 4所示。如果偏斜太大，可用支承架12上的7进行调整(图4-3)。

水轮机叶片毕业设计资料

一、工程背景及水轮机叶片简介图1、为某型水轮机叶片的CAD模型。在发电工作工程中水流由进水口流向出水口，叶片承受水流的冲刷从而开始运动，这种运动通过传动轴传递到发电机，从而带动发电机工作发电。但是水轮机在工作仅仅一年多时间以后，就有数片叶片发生了疲劳断裂事故，使得水轮机不能正常工作发电，造成了一定的经济损失，同时也说明水轮机叶片在结构的设计方面确实存在不完善之处。然而，由于水轮机在水下进行工作，很难通过测量得方法获得叶片上应力和位移的分布情况，也就无法知道叶片为何会断裂，无法有效的改善叶片的几何结构。在这种情况下，长江水利委员会陆水枢纽局的委托我们对LS591水轮机叶片的进行Ansys有限元模拟计算，获得叶片的应力场和位移场的分布，从而为叶片断裂事故分析提供技术支持，并对叶片结构的改进提供具体方案。传动轴进水口出水口图1、CAD模型

二、ANSYS简介及解题步骤 1、ANSYS简介对于大多数工程技术问题，由于物体的几何结构比较复杂或则问题的某些特征是非线性的，我们很难求得其解析解。这类问题的解决通常具有两种途径：一是引入简化假设，但这种方法只是在有限的情况下是可行的。也正是因为这样，有限元数值模拟的技术产生了。有限元方法通过计算机程序在工程中得到了广泛的应用。到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件达到了几百种，其中著名的有：ANSYS,NASTRAN,ASKA, ADINA,SAP等。其中，以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，即有限元分析软件，不断的吸取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。尤其是在某些环境中，样机试验是不方便的或者不可能的，而利用ANSYS软件，对这个问题有了很好的解决。本文中水轮机叶片是在水下的环境进行工作，测量很难进行，利用有限元软件ANSYS这个问题得到了很好的解决。 2、ANSYS分析步骤 ANSYS分析可以分为三个步骤： a、创建有限元模型

论混流式水轮机各部件功能及其安装程序和要求

论混流式水轮机各部件功能及其安装程序和要求导叶：由导叶体和导叶轴两部分组成。为减轻导叶重量，常做成中空导叶。导叶的断面形状为翼型。导叶轴颈通常比连接处的导叶体厚度大，在连接处采用均匀圆滑过渡形状，以避免应力集中。导叶轴承：上、中、下轴套，高水头机组为防止导叶上浮力超过导叶自重，保证导叶上端面间隙，在导叶套筒的法兰上一般设有止推装置（止推压板或止推块）。导叶传动机构：导叶传动机构由控制环、连杆、导叶臂三部分组成，用于传递接力器操作力矩，使导叶转动，调节水轮机流量。该机构形式有叉头式受力情况较好和耳柄式受力情况相对较差。导水叶外围，座环的蝶形边与蜗壳相连，并被蜗壳包围。导轴承位于顶盖上，控制环口通过推拉环与接力器相连。在座环下发布置有基础环，通过锥形环与尾水管相连。混流式水轮机附属装置还有布置在顶盖上的真空破坏阀、吸力补气阀和放水阀等。水轮机的导水机构是有导叶、传动机构（转臂、连杆、控制环）、接力器、和推拉杆等组成。水轮机的底环是由上环、下环、和固定导叶三部分组成，它既是水轮机的通水部件，机组安装时的基准部件，又是机组运行的承重部件。要求具有水力损失小，具有一定的强度和刚度。混流式水轮机的转轮主要由上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥和减

压装置等组成。水轮机的转轮包括转体、叶片、泄水锥等。立轴混流式水轮机引水室采用金属焊接蜗壳，其进口与压力水管相连接，其余各节与座环相连。为了便与检修，在蜗壳上开有专门进人孔（蜗壳人孔门），其底部并有排水孔和阀门，以便排出蜗壳积水。座环位于蜗壳里，布置导水机构，它是水轮机的承重部分，又是过流部件在安装时它还是一个主要基准件，因此它要符合水力，强度和刚强等诸方面的要求。基础环埋在混凝土内，是转轮室的组成部分，早机组安装和检修拆卸转轮时，用来支撑水轮机转轮。混流式转轮上叶片（24），呈空间扭曲状，断面为流线型，是直接将谁能转换为机械能的最主要部件。止漏装置止漏装置的作用是用来减小转动部分与固定部分之间的漏水损失。止漏装置分为固定部分和转动部分，为防止水流向上和向下漏出，水轮机上一般装有上、下两道止漏环。上止漏环固定部分装在顶盖上，其转动部分装在上冠上，下止漏环的固定部分一般装在底环上，转动部分装在转轮的下环上。目前广泛采用的止漏环结构型式有间隙式，迷宫式，梳齿式和阶梯式四种，止漏环又称迷宫环，作用是阻止水流从转轮上、下间隙处漏出，分转动和固定部分。水轮机导轴承的作用：一是承受机组在各种工况下运行时由主轴传来

水电站的水轮机设计

目录 1前言 (4) 2水电站的水轮机选型设计 (5) 2.1水轮机的选型设计概述 (5) 2.2水轮机选型的任务 (6) 2.3水轮机选型的原则 (6) 2.4水轮机选型设计的条件及主要参数 (7) 2.5确定电站装机台数及单机功率 (7) 2.6选择机组类型及模型转轮型号 (8) 2.7初选设计（额定）工况点 (11) 2.8确定转轮直径 D (12) 1 2.9确定额定转速n (12) 2.10效率及单位参数的修正 (13) 2.11核对所选择的真机转轮直径 D (14) 1 2.12确定水轮机导叶的最大开度、最大可能开度、最优开度 (18) 2.13计算水轮机额定流量 q (19) ,v r 2.14确定水轮机允许吸出高度 H (20) s 2.15计算水轮机的飞逸转速 (25) 2.16计算轴向水推力 P (25) oc 2.17估算水轮机的质量 (26) 2.18绘制水轮机运转综合特性曲线 (26) 3水轮机导水机构运动图的绘制 (35) 3.1导水机构的基本类型 (35) 3.2导水机构的作用 (36) 3.3导水机构结构设计的基本要求 (36) 3.4导水机构运动图绘制的目的 (37) 3.5导水机构运动图的绘制步骤 (37) 4水轮机金属蜗壳水力设计 (41)

4.1蜗壳类型的选择 (41) 4.2金属蜗壳的水力设计计算 (41) 5尾水管设计 (49) 5.1尾水管概述 (49) 5.2尾水管的基本类型 (49) 5.3弯肘形尾水管中的水流运动 (49) 6水轮机结构设计 (50) 6.1概述 (50) 6.2水轮机主轴的设计 (50) 6.3水轮机金属蜗壳的设计 (51) 6.4水轮机转轮的设计 (52) 6.5导水机构设计 (55) 6.6水轮机导轴承结构设计 (58) 6.7水轮机的辅助装置 (61) 7金属蜗壳强度计算 (63) 7.1金属蜗壳受力分析 (63) 7.2蜗壳强度计算 (63) 7.3计算程序及结果 (66) 8结论 (71) 1 前言水轮机是水电站的重要设备之一，它是靠自然界水能进行工作的动力机械与其他动力机械相比，它具有效率高、成本低、环境卫生等显著特点。另外，水轮机的好坏直接影响到水电站的能量转换效率，在水轮机生产制造前，我们必须首先根据给定电站的水力条件对水轮机进行

水轮机叶片

一、工程背景及水轮机叶片简介图 1、为某型水轮机叶片的CAD模型。在发电工作工程中水流由进水口流向出水口，叶片承受水流的冲刷从而开始运动，这种运动通过传动轴传递到发电机，从而带动发电机工作发电。但是水轮机在工作仅仅一年多时间以后，就有数片叶片发生了疲劳断裂事故，使得水轮机不能正常工作发电，造成了一定的经济损失，同时也说明水轮机叶片在结构的设计方面确实存在不完善之处。然而，由于水轮机在水下进行工作，很难通过测量得方法获得叶片上应力和位移的分布情况，也就无法知道叶片为何会断裂，无法有效的改善叶片的几何结构。在这种情况下，长江水利委员会陆水枢纽局的委托我们对LS591水轮机叶片的进行Ansys有限元模拟计算，获得叶片的应力场和位移场的分布，从而为叶片断裂事故分析提供技术支持，并对叶片结构的改进提供具体方案。传动轴进水口出水口图1、CAD模型

轴流式水轮机的结构

第二节轴流式水轮机的结构一、概述轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，由于水流进入转轮和离开转轮均是轴向的，故称为轴流式水轮机。轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流式水轮机用于开发较低水头，较大流量的水利资源。它的比转速大于混流式水轮机，属于高比转速水轮机。在低水头条件下，轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有较明显的优点，当它们使用水头和出力相同时，轴流式水轮机由于过流能力大（图2-15），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。当两者具有相同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多的效率。特别是轴流转桨式水轮机，由于转轮叶片和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，更是值得广泛使用的一种机型。图2-15 轴流式水轮机 1— 1— 1— 转轮接力器活塞；2—转轮体；3—转臂；4—叶片；5—叶片枢轴；6—转轮室图2-16所示是轴流转桨式水轮机的结构图。它的工作过程和混流式水轮机基本相同。水流经压力水管、蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管到下游。与混流式水轮机所不同的是负荷变化时，它不但调节导叶转动，同时还调节转轮叶片，使其与导叶转动保持某种协联关系，以保持水轮机在高效区运行。轴流式水轮机转轮位于转轮室内，轴流式水轮机转轮主要由转轮体、叶片、泄水锥等部件组成。轴流转桨式水轮机转轮还有一套叶片操作机构和密封装置。转轮体上部与主轴连接，下部连接泄水锥，在转轮体的四周放置悬臂式叶片。在转桨式水轮机的转轮体内部装有叶片转动机构，在叶片与转轮体之间安装着转轮密封装置，用来止油和止水。轴流式水轮机广泛应用于平原河流上的低水头电站，应用水头范围为3～55m ，目前最大应用水头不超过70m 。限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。由于轴流式水轮机的过流能力大。单位流量11Q 和单位转速11n 都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数。在相同水头下，轴流式水轮机转轮由于叶片数少，叶片单位面积上所承受的压差较混流式的大，叶片正背面的平均压差较混流式的大，所以它的空化性能较混流式的差。因此，在同样水头条件下，轴流式水轮机比混流式水轮机具有更小的吸出高度和更深的开挖量。随着应用水头的增加，将会使电站的投资大量增加，从而限制了轴流式水轮机的最大应用水头。另一方面是由于轴流式水轮机叶片数较少，叶片呈悬臂形式，所以强度条件较差。当使用水头增高时，为了保

轴流式水轮机基本结构

轴流式水轮机基本结构轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，二者结构上最明显的差别是转轮，其次是导叶高度。根据转轮叶片在运行中能否调节，轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种型式。轴流式水轮机用于开发较低水头（3m~55m），较大流量的水能资源。它的比转速大于混流式水轮机，属于高比转速水轮机。在低水头条件下，轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有较明显的优点，当它们使用水头和出力相同时，轴流式水轮机由于过流能力大（图5-13），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。当两者具有相同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多的功率。但在相对高水头条件下，轴流式水轮机除了空化系数较大，厂房要有较大开挖量外，飞逸转速和轴向水推力较混流式水轮机高。轴流转桨式水轮机，由于桨叶和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，是一种值得广泛使用的优良机型。限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。由于轴流式水轮机的过流能力大。单位流量和单位转速都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数。在相同水头下，轴流式水轮机由于桨叶数少，桨叶单位面积上所承受的压差较混流式叶片的大，桨叶正背面的平均压差较混流式的大，所以它的空化性能较混流式叶片的差。因此，在同样水头条件下，轴流式水轮机比混流式水轮机具有更小的吸出高度和更深的开挖量。随着应用水头的增加，将会使电站的投资大量增加，从而限制了轴流式水轮机的最大应用水头。另一方面是由于轴流式水轮机桨叶数较少（3~8片），桨叶呈悬臂形式，所以强度条件较差。当使用水头增高时，为了保证足够的强度，就必须增加桨叶数和桨叶的厚度，为了能够方便地布置下桨叶和转动机构，转轮的轮毂比，亦要随之增大，这些措施将减少转轮流道的过流断面面积，使得单位流量下降。当达到某一水头时，轴流式水轮机的单位流量甚至比混流式水轮机的还要小。这种情况也限制了轴流式水轮机应用水头的提高。但是,随着科学技术的发展,通过改进转轮的设计方法,选择更加合理的流道几何参数和桨叶的型线,使得桨叶背面的压力分布更加均匀,降低桨叶正面和背面的平均压差,从而达到

水轮机课程设计(完整版)

课程设计说明书设计题目：水轮机选型学生姓名：学号：班级：完成日期：指导教师（签字）：44

一、课程设计的目的和任务 1、目的：通过水轮机的课程设计，将各种水轮机的性能参数整理并绘制成不同形式的曲线，它是与水轮机课程教学相辅助的一个理论学习的环节，也是课程教学中一个必不可少的环节。通过水轮机课本章节的相关理论知识的学习后，再通过课程设计的环节以达到巩固和加强理论知识的目的，进一步培养学生独立思考、严谨工作的能力；此外，通过课程设计更进一步掌握造型、设计、参数等程序内容，提高了学生查阅资料和动手实践的能力。 2、课程设计的任务：通过所给的原始资料，根据要求明确水轮机的基本工作参数（包括水头H、流量Q、转速n、效率、出力P、吸出高度H S、转轮直径D、水轮机型号、机组台数、装置方式等），整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水轮机的特性曲线图。二、电站基本参数（1）电站总装机容量： 900 MW （2）电站装机台数： 6台（3）电机容量： 150 MW （4）下游尾水位：▽80m （5）水轮机工作水头：最大工作水头(Hmax)： 81.5m 最小工作水头(Hmin)： 45.5m 设计工作水头(Hd)： 63.5m 加全平均工作水头(Hw)： 57.8m (6) 机组运行特点：调峰

（7）电站水质良好三、水轮机的简介水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机，当水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机，将旋转机械能转换成电能。与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备部分。水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换成为电能的企业，在未来，水能资源的开发和利用将成为资源开发利用的主导能源，所以，水轮机的设计开发对我国水能资源的开发起到很大的推进作用。水轮机大致分为两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机；反击式水轮机：转轮利用水流的压力能和动能做工的水轮机称为反击式水轮机。其特征是：压力水流充满水轮机的整个流道，水流流经转轮叶片时，受叶片的作用面改变压力、流速的大小和方向，同时水流在转轮叶片正反面产生压力差，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮旋转。主要包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种类型水轮机。冲击式水轮机：转轮只利用水流动能作功的水轮机称为冲击式水轮机。其特征是：有压水流先经过喷嘴形成高速自由射流，将压能转换成动能，并冲击转轮旋转。水流只冲击部分转轮，水流是不充满水轮机的整个流道的，转轮只是部分进水，转轮在大气压的作用下工作。所以叶片一般做成斗叶状。主要包括水斗式（切击式）、斜击式和双击式。水轮机主要类型归纳如下：

水轮机安全设计实用版

YF-ED-J9360 可按资料类型定义编号水轮机安全设计实用版 Management Of Personal, Equipment And Product Safety In Daily Work, So The Labor Process Can Be Carried Out Under Material Conditions And Work Order That Meet Safety Requirements. （示范文稿）二零XX年XX月XX日

水轮机安全设计实用版提示：该安全管理文档适合使用于日常工作中人身安全、设备和产品安全，以及交通运输安全等方面的管理，使劳动过程在符合安全要求的物质条件和工作秩序下进行，防止伤亡事故、设备事故及各种灾害的发生。下载后可以对文件进行定制修改，请根据实际需要调整使用。水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械 >，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形--水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮 >旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。水轮机的分类

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流

轴流式水轮机的结构

一、概述轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，由于水流进入转轮和离开转轮均是轴向的，故称为轴流式水轮机。轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流式水轮机用于开发较低水头，较大流量的水利资源。它的比转速大于混流式水轮机，属于高比转速水轮机。在低水头条件下，轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有较明显的优点，当它们使用水头和出力相同时，轴流式水轮机由于过流能力大（图2-15），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。当两者具有相同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多的效率。特别是轴流转桨式水轮机，由于转轮叶片和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，更是值得广泛使用的一种机型。

1—1— 1— 转轮接力器活塞；2—转轮体；3—转臂；4—叶片；5—叶片枢轴；6—转轮室图2-16所示是轴流转桨式水轮机的结构图。它的工作过程和混流式水轮机基本相同。水流经压力水管、蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管到下游。与混流式水轮机所不同的是负荷变化时，它不但调节导叶转动，同时还调节转轮叶片，使其与导叶转动保持某种协联关系，以保持水轮机在高效区运行。轴流式水轮机转轮位于转轮室内，轴流式水轮机转轮主要由转轮体、叶片、泄水锥等部件组成。轴流转桨式水轮机转轮还有一套叶片操作机构和密封装置。转轮体上部与主轴连接，下部连接泄水锥，在转轮体的四周放置悬臂式叶片。在转桨式水轮机的转轮体内部装有叶片转动机构，在叶片与转轮体之间安装着转轮密封装置，用来止油和止水。轴流式水轮机广泛应用于平原河流上的低水头电站，应用水头范围为3～55m ，目前最大应用水头不超过70m 。限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。由于轴流式水轮机的过流能力大。单位流量11Q 和单位转速11n 都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数σ。在相同水头下，轴流式水轮机转轮由于叶片数少，叶片单位面积上所承受的压差较混流式的大，叶片正背面的平均压差较混流式的大，所以它的空化性能较混流式的差。因此，在同样水头条件下，轴流式水轮机比混流式水轮机具有更小的吸出高度和更深的开挖量。随着应用水头的增加，将会使电站的投资大量增加，从而限制了轴流式水轮机的最大应用水头。另一方面是由于轴流式水轮机叶片数较少，叶片呈悬臂形式，所以强度条件较差。当使用水头增高时，为了保证足够的强度，就必须增加叶片数和叶片的厚度，为了能够方便地布置下叶片和转动机构，转轮的轮毂比 1D dh d h =，亦要随之增大，这些措施将减少转轮流道的过流断面面积，使得单位流量11Q 下降。当达到某一水头时，

混流式水轮机

https://www.wendangku.net/doc/b84416981.html,/trade/pay_success.htm?biz_order_id=213979720000462&out_trade_no=T 200P213979720000462&dealing=T 第一节混流式水轮机结构一、概述混流式水轮机是反击式水轮机的一种，其应用水头范围很广，从20~700m水头均可使用。它结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率和较低的空蚀系数。现以图2-1所示的混流式水轮机为例来介绍这种水轮机结构。水轮机的进水部件是具有钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称固定导叶1，在转轮四周布置着导水机构导叶2。座环支柱具有坚固的上环a和下环b，蜗壳和上下环焊接在一起。导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底环3和固定于顶盖4的套筒5上。底环固定于座环的下环上面。顶盖用螺钉6与座环的上环连接。导水的传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂12，连杆13和控制环14组成。导叶的开度0a（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的改变是通过导水机构的两个接力器16和控制环连接的推拉杆15传动控制环来实现的。图2-1 HL200-LJ-550水轮机剖面图（高度单位：m，尺寸单位： mm）

1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉； 7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠；10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承；18—泄水锥；a 19,b 19—上，下迷宫环；a—坐环上环；b—坐环下环；20—连接螺栓由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度0b与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流载面。0b一般随水头增加而减小。导叶和水轮机顶盖4及底环3之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。一般采用橡胶的或金属制成的密封件，可使导水机构关闭时的漏水量最小。在高水头的水轮机中，有时采用专门的管状密封装置，在关机时其内腔充以压缩空气，能使端面完全密封。转轮是水轮机将水流能量转换为机械能的核心部件。水流通过导水机构进入转轮。转轮由上冠9，下环10和叶片11组成。一般混流式水轮机有14~19个叶片。叶片、上冠和下环组成坚固的整体钢性结构。转轮上冠与主轴8的下法兰连接。泄水锥18与上冠连接，用于消除水流旋蜗。转轮密封a 19，b 19是安置在转轮上冠和下环上的多槽环。水轮机工作时，转轮前后的水流个别为高压与低压，转轮后常形成真空。因此，水轮机工作时有部分水流经过转动与不转动部件之间的间隙无益地漏掉，从而使水轮机效率降低。密封环就是为了减少流量漏损。当水经过密封环空间时，受到突然扩大和缩小的局部水力阻挡，产生水力损失，从而减小流速，使通过缝隙的流量减小。减压孔联通转轮上腔和转轮下面的低压区，从而减小由推力轴承承受的轴向推力，当有减压孔（图2-1上的20）时，转轮上冠必须设置密封装置。图2-2为混流式水轮机水平剖面图，座环的固定导叶数量通常为导叶数一半。

轴流式水轮机转轮算例

题目: ZZ440水轮机转轮的水力设计方法：奇点分布法取D1=1000mm ，取6个断面R1~R6依次为水力设计内容：（1）确定计算工况（2）确定各断面叶栅稠密度l /t （3）选定进出口轴面速度Cz 沿半径的分布规律，确定各断面的Cz1、Cz2 （4）选定进出口环量Γ沿半径的分布规律，确定各断面的Γ1、Γ2 （5）计算各断面进出口速度三角形，求W ∞、β∞ （6）第一次近似计算及绘图（7）第二次近似计算 ZZ440—100转轮水力设计一.确定计算工况由模型综合特性曲线得到n 110=115（r/min ）,Q110=820（l/s ），η=91%, a om =18mm zz440属于ns=325~875范围，为了使设计的转轮能在预期的最优工况下效率最高，计算工况与最优工况的关系按下式确定： n 11=(1.2~1.4)n 110 =138~161（r/min ） n=5.841~3.721/)4.1~2.1(/1110111==D H n D H n （r/min ）故选定n=750（r/min ）则实际n11= 49.1431 =H nD Q11=(1.35~1.6)Q110=1.4 Q110=1148<1650（l/s ） ===H D 110Q 4.1H D 11Q Q 22 6.0s m /3 mm a D D a m m 13.391846 .010110=?== 二．确定各断面叶栅稠密度l /t 据P 213页s pj n t l ~）（关系，当ns=440时，得3.1≈pj t l ）（综合考虑一下关系： pj pj n t l t l t l ）（）（）（)95.0~85.0(K 1== pj pj b t l t l t l ）（）（）（)2.1~1.1(K 2== n n b t l t l t l ）（）（）（)25.1~2.1(K 3== 分别选取K1=0.95，K2=1.15，K3=1.21得各断面叶栅稠密度l/t 如下表：