混流式转轮的关键几何参数

转轮是各种型式水轮机将水能转变成机械能的核心部件，转轮也直接决定水轮机的过流能力、水力效率、容积效率、空蚀性能及工况稳定性等工作性能，因此转轮过流部分既要满足水力损失最小的断面体型要求，又要有足够的强度和刚度，制造的转轮应具备有抗空蚀损坏，耐泥沙磨损的材料性能。

1.比转速与转轮几何参数

水轮机比转速主要取决于过流部分的几何形状，比转速与转轮几何参数的关系见表5-1和图5-3。可以看出由低比速到高比速其过流流道在减短，但过流能力在增加，单机出力在增加。

表5-1　比转速与混流式转轮几何参数

注 ns—比转速；b0—导叶高度；D1—转轮标称直径；βb1—叶片进口安放角；D2—转轮出口直径；α—下环锥角；βb2—叶片出口安放角。

2.导叶相对高度

导叶相对高度（b0/D1）直接决定了转轮流道进口过水断面面积的大小。（b0/D1）越大则转轮流道的过水断面面积也愈大。因此，加大（b0/D1）是提高转轮过流量的有效办法之一。根据试验，某转轮当（b0/D1）由0.20增加到0.25其单位流量可提高20%。但在高水头下工作的混流式水轮机，增大（b0/D1）受到转轮叶片和导叶强度条件的限制，还应考虑导水机构的灵活性。

3.转轮上冠流线形状

上冠流线可以做成直线型和曲线型两种。直线型上冠具有较好的工艺性，但其效率特别是在负荷超过最优工况时低于曲线型上冠。此外采用曲线型上冠可增加转轮流道在出口附近的过水断面面积，因而使水轮机的单位流量增加。另外，转轮上冠曲线的倾斜角θ越小单位流量越大。但θ亦不能过小，否则会破坏整个流道的光滑性。不同上冠曲线1、2、3的转轮的工作特性曲线如图5-4所示。由该图中可见上冠曲线3具有较大的过流量。

4.下环形状和转轮的出口直径D2

下环形状及转轮出口直径D2（表5-1、图5-3）对转轮出口附近的过水断面面积影响很大，因而它影响转轮的过水能力及空化性能。低比转速转轮进口边的高度和导叶的高度一样，下环呈曲线型，这样的转轮单位流量必然很小，强度和刚度均有充分的保证。由于叶片比较长，叶片单位面上的负荷也就比较低，空化系数较小。实践表明，对ns=60～120的低比转速转轮，D1/D2=1.018～0.994时将具有良好的气蚀性能和效率。高比转数转轮的下环通常采用具有锥角α（图5-4）的直线型。锥角α越大出水截面积越大。但不宜过大，否则水力损失增加。实践表明当锥角α由3°增加到6°时，水轮机的最高效率几乎没有变化，但转轮的过流能力Q11却可增加2.5%，出力可增加2% 左右，当锥角α由6°增至13°时虽然Q11还继续增加，但最高效率却开始下降。因此锥角α不宜过大，一般不大于13°。另外，如果控制转轮过水能力（一般指最小过水断面）的是转轮进口，而不是出口。那么α角的增加能使空化系数下降，改善空化性能。

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图5-3　混流式转轮的轴面投影及流道尺寸（单位：m）

（a）HL100型；（b）HL120型；（c）HL160型；（d）HL110型；（e）HL200型；（f）HL180型；（g）HL220型；（h）HL230型；（i）HL240型；（j）HL310型

图5-4　转轮上冠曲线形状

（a）不同上冠曲线的转轮工作特性曲线；（b）转轮上冠流线形状
1—直线型；2、3—曲线型

5.转轮的叶片数Z1

转轮叶片数Z1 的多少对水力性能和强度有显著的影响，随比转速不同Z1 在9～21的范围内。表5-2给出了叶片数与比转速的关系。在叶片厚度、长度不变条件下，增加叶片数会增加转轮的强度和刚度。因此当水轮机应用水头提高时转轮叶片数亦应相应增加。但叶片的厚度在流道中又起排挤空间的作用，叶片数增加会减小过水断面积，致使转轮的单位流量减少。试验表明，叶片数的改变不仅改变最优工况时的单位流量，同时也改变出力限制线的位置。图5-5说明了上述分析。

图5-5　转轮叶片数不同时的η=f（Q11）曲线

表5-2　混流式转轮的叶片数

6.转轮叶片进口安放角βb1

转轮进口边的形状与转轮比转速有关。低比速转轮适用高水头、小流量，与中比速转轮相比较，进口边相对速度减小，转轮叶片进口安放角βb1会略小于90°。相反高比速转轮适用低水头、大流量，转轮叶片进口安放角βb1会大于90°。为了改善尾水管的流态，转轮叶片出口安放角βb2一般取15°～20°。