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。

图1 混流式转轮立体结构图

图2是从这个模型的下方观看立体结构图。

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。

图3 混流式转轮轴截面立体图

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4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。

图4 混流式转轮轴面投影图

图4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4的（b）图适用于中水头、中流量，水流斜向通过叶片；图4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4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5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4（b）图近似。

图5 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

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6是混流式转轮水流向图，图中仅显示了2股通过导叶的水流路径，左边是从转轮上部分进入的水流，水流基本以径向朝中心流动；右面是从转轮下部分进入的水流，水流进入转轮后转向下方流动。蓝色箭头线表示水流路径，箭头线中部虚线是被叶片或导叶遮挡部分。

图6 混流式转轮水流向图

图7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。

图7 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。

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8是水轮机核心部分结构示意图，转轮通过轴承安装在水轮机顶盖下方，转轮下方有底环与尾水管，转轮可自由转动；转轮的上冠与顶盖间有很小的缝隙，既保证自由旋转又要防止漏水等问题，同样转轮的下环与底环间有很小的缝隙，既保证自由旋转又要防止漏水等问题。

在顶盖与底环之间与安装导叶，导叶轴穿过顶盖连接到导水控制机构；转轮主轴上方将连接水轮发电机。

图8  混流式水轮机的转轮与导叶

蜗壳内沿连接着底环与顶盖，共同组成水轮机外壳；在顶盖上方安装控制环与接力器一同组成导水控制机构。图9就是一个混流式水轮机的结构示意图(为使图片清晰简单，图中略去了座环)。在图中用浅蓝色箭头线表示经过水轮机的水流走向，水从蜗壳入口进入水轮机，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。

图9  混流式水轮机结构图