轴流转桨式水轮机转轮叶片转动机构的发展演变过程

王 鉴，王春雷

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040）

0 前言

19世纪末，混流式水轮机得到广泛应用，但在低负荷区运行时，其效率比较低且振动较大［1］。经过多年的运行及摸索，人们逐渐发现转轮的比转速ns越高，转轮在低负荷区运行时的效率会越高也越稳定，同时转轮下环与上冠直径比也越大。后来随着ns增大，混流式水轮机进一步发展到取消了转轮下环，成为叶片只焊接在上冠上而无下环的转轮，便产生了轴流定桨式水轮机 （以下简称定浆式水轮机）。然而，定桨式水轮机的最优效率区狭窄，限制了它的广泛应用。在不断追求水轮机的宽运行范围和高效率的过程中，人们发现当转轮叶片能和导叶协联转动并保持有利的组合位置时，则水轮机在较宽的运行范围内具有较高的效率，同时能保持较高的比转速［2，3］。1912～1916年，卡普兰 （Kaplan）教授用模型试验方法研究了转轮叶片和导叶可协联动作的水轮机工作过程，并提出了叶片可以转动的转轮结构，即轴流转桨式水轮机 （以下简称转桨式水轮机）。后来以卡普兰教授命名了这种转轮，即卡普兰式转轮。

1922年瑞典的枼拉·依待特水电站，水头为6.45m，安装了2台定桨式水轮机和1台转桨式水轮机，两者相比，定桨式最高效率点略优，而在低负荷和超负荷工况下，转桨式水轮机显示出了非常优异的性能。从此，转桨式水轮机在低水头电站得到了广泛应用并快速发展，从1924年的单机最大出力6000kW，发展到1930年单机最大出力约30000kW，再到1940年的65000kW，1955年的126000kW，2020年，单机最大出力已达到200000kW （我国的大藤峡水电站）。本文主要阐述转桨式水轮机转轮叶片转动机构的发展过程，以启发水轮机研发工作者进一步探索和改进转桨式水轮机，提升转轮性能，促进我国转桨式水轮机的发展。

1 轴流转桨式转轮叶片转动机构的发展历程

卡普兰教授最初提出的转轮叶片转动机构的结构如图1所示。叶片的枢轴装在转轮体内，叶片转臂1通过连杆和角臂2与操作架3连接。操作架3和转轮同步转动，同时可以轴向移动。其轴向移动靠拉杆6、环5和双向止推滑盘4驱动，最终实现叶片转动［4］。

图1 最初转桨式转轮叶片转动机构

这种结构由于其主要零件和活动部件都浸在水中，存在搅动水流等缺点，在水轮机制造业中没有得到进一步的应用。但是，它采用连杆机构把操作架的轴向移动变为叶片的旋转运动的构想，在长期的发展过程中一直为人们所遵循，并在结构处理上不断优化、改进。轴流转桨式叶片转动机构的发展演变经历了两种结构途径：滑块机构和连杆机构。

1.1 滑块式叶片转动机构

1.1.1 斜槽滑块式

1925年德国慕尼黑的弗立茨和奈麦尔工厂首先采用了如图2所示的斜槽滑块的叶片转动机构。

图2 斜槽滑块叶片转动机构

这种叶片转动机构布置在转轮体内部，克服了搅动水流的缺点。在位于转轮体中心的操作杆4上固定有四面体的操作架1，操作架侧面斜槽中的滑块2与固定在叶片上的转臂3铰接。当操作杆带动操作架进行轴向移动时，滑块沿斜槽滑动，从而实现叶片转动。

前苏联在1928年为五一水电站生产的294kW和为斯威尔第Ⅲ水电站制造的转桨式水轮机就是应用了这种斜槽滑块叶片转动机构。

这种结构后来未得到更多的应用，原因是在操作架上加工4个同样的精准斜槽导向面，在当时工艺上很难实现。滑块对斜槽的摩擦阻力较大，需要较大的操作力［5］。

1.1.2 直槽滑块式

瑞典的贝尔柯达金·克利吉涅戈姆工厂早年采用一种直槽滑块的叶片转动机构，如图3所示。

图3 直槽滑块式叶片转动机构

这种结构由操作架1水平槽中的滑块2和曲柄环（转臂）4连接。曲柄环 （转臂）4和叶片法兰5通过螺钉连接为一体［4，6］。因而，活塞杆和操作架1作轴向移动时，带动滑块2在水平槽中滑动，实现叶片转动。

转轮转动时叶片和曲柄环 （转臂）4产生的离心力，由固定在转轮体上的止推环6承受。和转轮体7铸成一体的轴承3作为叶片转动的导向支承［5］。

这种结构的最大优点是：无需分解转轮，即可拆卸叶片，便于检修。因此，一直到20世纪70年代，瑞典的工厂都一直沿用这种结构。

这种结构的缺点是：操作架占据转轮体内腔较大空间，转动机构必须布置在外周，曲柄环 （转臂）的臂长受到限制，因而转动叶片所需的操作力较大。这种结构的制造工艺相当复杂，而当叶片数多于4时，应用这种结构存在难以克服的困难。

1.2 直连杆式叶片转动机构

1.2.1 叶片和枢轴为整体结构

图4所示为直连杆式的叶片转动机构。它的特点是叶片1和枢轴2为整体铸件［7］，在转轮体内的两个轴套中转动。操作架7布置在转轮体的下部，因此，转臂3的长度可以比图2中的更长。转臂3用圆键和卡环5固定在叶片枢轴上。操作架7通过耳柄与连杆6和转臂3铰接。当活塞杆4带动操作架7轴向移动时，通过连杆6和转臂3转动叶片1。这种结构叶片在转轮体内有两个支承轴承 （图3结构只有一个），枢轴较长，枢轴与叶片为整体结构，当机组尺寸大时，叶片铸造、机加工和转轮装配都很困难。

图4 直连杆式叶片转动机构 （叶片和枢轴为整体结构）

1.2.2 叶片和枢轴为可拆结构

图5所示为出力N＝15000kW水轮机转轮结构图，其叶片2和枢轴4为可拆结构。它是通过螺栓3从外部把叶片2、枢轴4和转臂1连接为一体［8］。用固定在转轮体上的支撑环5承受叶片系统的离心力。

图5 叶片和枢轴为可拆结构

把叶片和枢轴设计成可拆结构，巧妙地解决了大型水轮机叶片和枢轴整体铸造这一工艺难题，也消除了转轮装配的困难。进一步改进了转桨式水轮机转轮结构。

1.2.3 取消操作架上耳柄结构

图6所示为转轮直径D1＝9m，轮毂比为0.41的转轮结构图。与图5相比，它的结构特点为减少了转臂和耳柄。连杆7直接和叶片枢轴及操作架的销轴铰接。操作架上耳柄的取消缩短了转轮体的高度，转轮体的重量减轻了10～15t，且转轮装配周期得到缩短。

图6 操作架上无耳柄结构

由上述分析可知，转桨式水轮机出现转轮的叶片转动机构遵循Kaplan教授提出的把轴向移动力转变为转动叶片的扭矩的思路，经过了由斜槽滑块机构→直槽滑块机构→直连杆机构的演变，同时叶片由一只轴承增加为两只轴承，叶片和枢轴由整体铸造变为可拆结构，将操作架上的耳柄改为销轴，取消了承受叶片系统离心力的支撑环，改为由转轮体直接承受［9］。工艺的完善和结构的改进，发展为图7所示的20世纪50年代转桨式水轮机转轮结构。

图7 50年代转桨式转轮典型结构

可以看出，它完美地汲取了以往的技术，成为时代经典结构。我国葛洲坝水电站直径D1＝10.2m的水轮机转轮和太平湾电站直径D1＝8m的转轮都采用了如图7所示的叶片转动结构。

2 接力器活塞和操作架合并的叶片转动机构

20世纪中叶，前苏联在伏尔加等平原河流上兴建了许多适用低水头大流量转桨式水轮机的大型水电站。在图7经典结构的基础上，进一步改进了结构，创造出接力器活塞和操作架合并为一体的叶片转动机构，降低了转轮重量。

2.1 转动机构布置在无油压腔

图8所示为叶片转动机构布置在无油压腔的结构图。它的特点是取消了活塞杆，接力器活塞和操作架合并为一体［10］，从而简化了结构，降低了重量和制造成本。例如，对于转轮直径D1＝9.3m的转动机构而言，转轮重量降低了25～30t，装配劳动量工时可减少1500～1800h，大型机床加工工时减少300～350h。且该结构连杆销轴布置在活塞上，连杆的横向分力直接传到活塞上，对套筒的密封和导向无影响。

图8 转动机构布置在无油压腔

2.2 转动机构布置在有油压腔

无操作架叶片转动机构的另一种结构如图9所示，转轮直径D1＝10.3m，4叶片，轮毂比为0.35。其特点是叶片转动机构直接布置在活塞下面的 “有油压腔”，简化了固定在活塞上的耳柄，省去了图8中的导向套筒部分，消除了套筒四周密封漏油和导向不良的问题，为了使叶片密封不受活塞下腔的高压油作用，在叶片枢轴上加工中心孔和通向密封处的径向槽，使密封和回油箱连通，降低被密封的油压力。转轮装配时，不需倒装。

图9 转动机构布置在有油压腔

2.3 接力器带差压活塞的无操作架叶片转动机构

60年代初期，前苏联哈尔科夫透平厂创造性地设计出接力器带差压活塞的无活塞杆和操作架的叶片转动机构，如图10所示。计算和试验表明，当叶片转动中心适当向出水边移动时，因叶片背面出现绕流，水力矩向关闭叶片方向作用，此时接力器活塞开、关两腔所需的有效面积不同，这就是差压活塞接力器设计的依据。当活塞向下移动 （叶片向开启转动）时，要克服叶片转动机构的摩擦力矩和叶片绕流水力矩，而水力矩向关闭方向 （即反方向）作用，因此需要较大的作用力，要求接力器上腔活塞直径Dn大些。而当活塞向上移动 （叶片向关闭转动）时，水力矩依旧向关闭方向 （即同方向）作用，因此只需较小的作用力，接力器下腔活塞直径 Dg可以小些［5，7］。

图10 无操作架的叶片转动机构

哈尔科夫透平厂将这种结构应用在许多水轮机上，经过多年的运行，效果良好。

这种结构设计的另一想法是利用叶片自关闭效应防止机组飞逸。为了减小叶片大轴承的摩擦阻力，使自关闭更顺畅，但图10中叶片大轴承采用圆锥滚子轴承代替滑动轴承。在实际应用中放弃了自关闭，仍采用传统结构的锡青铜滑动轴承。

3 接力器缸座和操作架合并的叶片转动机构

法国奈尔皮克公司为Saint Hilaire du Rosier水电站设计生产的 N＝13200kW，H＝11.5m，n＝107.2r／min，D1＝5m的水轮机，把操作架与接力器缸底座合并为一，并把接力器布置在转轮体的下面［11］，如图11所示。这种结构的优点是：减小了转轮体的高度和重量；水轮机导轴承更靠近转轮重心，增加了机组稳定性；接力器布置在推力轴承和转轮叶片外，能减小接力器缸的受力，使结构轻便。英布鲁电站直径D1＝5.5m的水轮机采用了这种结构，转轮重心更靠近水导轴承，运行十分稳定。大化水电站改造的水轮机转轮也采用了这种结构，解决了轴系稳定等方面的问题，十分成功。

图11 接力器缸与操作架的叶片转动机构

4 高水头转桨式水轮机叶片转动机构

随着转桨式水轮机向高水头发展，需进一步改善其汽蚀性能。因此多采用增加叶片数的方法，但同时应保持轮毂比较小，这就要求转轮体内紧凑地布置叶片转动机构。

4.1 斜槽滑块式高水头转轮叶片转动机构

水头提高也增大了负荷，为了顺利地驱动叶片旋转，增加转臂的臂长是首选方案。前面所述的直槽滑块叶片转动机构 （图3）和直连杆叶片转动机构 （图4），其转臂臂长由于受转轮体直径限制，不能再增长。而在斜槽滑块转动机构 （图2）中，叶片转臂指向下方，其长度选择基本不受转轮体直径限制，布置空间可向泄水锥方向延伸。

4.2 斜连杆叶片转动机构

图12所示为斜连杆叶片转动机构的结构图。图13为其作用力简图，图中α为连杆和转臂夹角，β为连杆倾角［12，13］。Pc为轴向作用力，Mp为叶片转动力矩，lp为叶片转臂臂长。

图12 斜连杆叶片转动机构

图13 斜连杆叶片转动机构受力简图

在这种结构中，叶片转臂臂长增加，连杆倾角β加大，在给定Mp的情况下，需要减小轴向作用力Pc。

操作架轴向移动靠转轮体内轮毂的下伸部分导向［14］。这种结构较好地利用了转轮体下部泄水锥的内部空间。

5 结论

以上是轴流转桨式水轮机自诞生以来许多水电设备公司、制造厂在其叶片转动机构方面的技术改进和创造，有效促进了轴流转桨式水轮机的技术发展和应用。该型式水轮机转轮叶片和导叶协联具有高效率和高稳定性的特点，使其在我国和全世界水能资源利用中发挥了重要作用，从其转轮转动机构发展的路径看，未来从轮毂比方向进行转轮结构改进的空间已经不大，更多的需要从新材料和新工艺的角度来对转轮进行改进［15］，进一步促进轴流转桨式水轮机的技术发展。