[科普中国]-转桨式水轮机

转桨式水轮机（propeller turbine withadjustable blades，Kaplan turbine）又称“卡普兰式水轮机”。转轮叶片的角度可以调整，以适应水头及流量变化而保持高效率的轴流式水轮机。 1

简介转桨式水轮机具有螺旋桨式叶片，且叶片可以机械调节的轴流式转轮，和混流式水轮机转轮的固定式叶片截然不同。这种可调式叶片可以在很宽的流量和水头范围内保持较高的水力效率。因此，转桨式机组很适合河床式水电站。巨大的出力能力和高比转速使转桨式水轮机机组结构相对紧凑，并且一般来说可以很好地和水电站厂房或大坝结构结合在一起。其水头范围为10～70m，功率输出可从5MW到120MW。转轮直径在2m到8m之间。水轮机转速范围为79r/min到429r/min。

转桨式水轮机结构转桨式水轮机的通流部件包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和带有弯肘部的尾水管，见下图。

转桨式水轮机的最优的安装高程相对于尾水位是比较深的，但如果可能，发电机应尽量安装在尾水位上面。

转桨式水轮机具有很大的水推力和很高的飞逸转速，在主轴和轴承系统设计的时候必须加以考虑。系统一般有3个径向轴承。小型和中型系统的推力轴承和混流式水轮机一样安装在电机上面。而大型低转速系统一般把推力轴承安装在水轮机顶盖上面。这是因为电机巨大的尺寸需要昂贵的大直径的多脚架支撑装置来承载电机上的推力轴承。有一种特别的设计方法是把推力轴承安装在电机下面，即所谓的“伞式”类型。这种结构能够在没有上导轴承的情况下使用，但可能会出现主轴振动的问题。 排水一般通过安装在尾水管侧面的集水池来完成。大型机组有两层的集水池，低层仅用于尾水管排水。2

部件功能和设计上游侧相邻组件转桨式水轮机没有入口阀门，因此入口安装有一个或更多的重力式闸阀来避免当水轮机控制系统失效的时候，机组飞逸转速持续很长的时间。处于关闭状态的阀门可以达到完全密封，但是水轮机活动导叶则不能。关闭的入口阀门和尾水管阀门，可以进入过流通道和水轮机转轮。

蜗壳对于大约30m以上的水头，蜗壳由曲形钢板焊接而成，包括了固定导叶座环，所有部件和混流式水轮机一样都埋筑在混凝土基座内。对于低水头水轮机，蜗壳一般用无结构上泄漏问题的混凝土材料制成。混凝土蜗壳水流通道的平面图接近方形而不是像钢制蜗壳那样的圆形。混凝土蜗壳大部分是“半螺旋状”因为从其入口到水轮机人口的距离是很短的，见下图。

混凝土蜗壳的正面中心位于固定导叶中心的下面以减少整个机组的高度。良好的水力设计必须要进行试验测试。钢制蜗壳比混凝土蜗壳具有更好的流线形状，且具有更高的水流速度。

固定导叶固定导叶同时具备承载轴向力和引导水流进入活动导叶的双重角色。固定导叶一般用钢板焊接而成并埋筑在混凝土基座内。每个导叶都用较长的预应力固定螺栓连接在混凝土基座上。钢制衬板固定在活动和固定导叶之问以覆盖混凝土基座。下图表示固定座环的安装过程。

混凝土蜗壳的下半部分已经安装完毕。上部螺栓将和蜗壳的剩余部分一起埋筑在混凝土基座内。在半螺旋结构的混凝土蜗壳内，每个固定导叶都根据模型试验采取了不同的角度，从而使水流周向分布均匀。

在钢制蜗壳内的固定导叶和混流式水轮机中的一样，都是通过焊接和沉重的座环连接在一起的。蜗壳钢制里衬是焊接到座环上面的。

活动导叶和混流式水轮机一样，活动导叶的目的是控制流向转轮的水流。导叶的数目从16到24不等，上下导叶环上还有轴承支撑的转动杆。下环锚接在混凝土基座内，有时下面带有安装轴承用的进人口。上导叶环螺栓连接在埋筑的锚接环上从而便于导叶的安装和拆卸。导叶呈流线形状并且表面打磨的十分光滑。用钢板制成，并且焊接有转动杆件。2

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李勇 - 副教授 - 西南大学