1.2　水轮机的主要类型和构造

1.2.1　水轮机的主要类型

水轮机是水力原动机，由于不同电站的水头、流量和功率的差别较大，因此需要选择不同类型的水轮机高效率地满足不同工况的要求，从而达到充分利用水能资源的目的。

水轮机将水流的能量转换为轴的旋转机械能，能量的转换是借助转轮叶片与水流相互作用来实现的。根据能量转换原理不同，现代水轮机可以划分成反击式和冲击式两大类。

在图1－1所示的水轮机中，水在压力流状态下通过转轮，因而式（1－1）中的势能部分和动能部分直接在压力流状态下造成水体对转轮叶片的反作用力，即水能以势能和动能形态由转轮转换成旋转机械能，其中压能起主要作用。这一类水轮机，称为反击式水轮机。

图1－3为另外一类水轮机，水流为无压流动，在大气中通过转轮，转轮的进口压力和出口压力都是大气压力，且都在同一几何高度上，此时，，Z1＝Z2，故式（1－1）成为。水流的势能在进至转轮之前已全部转变成为动能，在射流状态下水体给转轮造成一个冲击力，即这种型式的水轮机转轮仅利用水流的动能。这一类水轮机，称为冲击式水轮机。

1.2.1.1　反击式水轮机

反击式水轮机同时利用了水流的势能和动能。水轮机的转轮浸没在水流中，整个流道是有压封闭系统，水流是有压流动，水流沿着转轮外圆整周进水，水流在叶片流道内改变压力和流速的大小与方向，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮旋转。

根据水流在转轮内运动方向的不同，反击式水轮机分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机。另外根据转轮叶片能否转动，轴流式、斜流式和贯流式水轮机又分别分为定桨式和转桨式水轮机。

1.混流式水轮机

混流式水轮机（图1－4）工作时，水流从导水机构沿辐（径）向从四周流入转轮，然后沿轴向流出，所以曾被称为辐轴流式水轮机。又由于它是美国人法兰西斯（Francis）于1847—1849年在富聂隆向心式水轮机的基础上改进而成的，所以又称法兰西斯式水轮机。这种水轮机的适用水头范围为30～700m，由于其适用水头范围广，而且结构简单，运行可靠，效率高，所以是世界上采用最多的一种水轮机。在中国，混流式水轮机容量约占全部水轮机容量的80%以上。目前，国内外混流式水轮机最大额定单机容量已达800MW，将来单机容量可望达到1000MW以上。

2.轴流式水轮机

轴流式水轮机（图1－5）工作时，水流在进入转轮之前即在导叶与转轮之间的流动方向已经由辐向转为轴向，因此在经过转轮时沿主轴方向流入又沿主轴方向流出。

根据转轮叶片在运行中能否转动，轴流式水轮机又分定桨式和转桨式。

轴流定桨式水轮机在运行时叶片是不能转动的，因而结构和制造都比较简单，造价较低。但由于只能靠导叶调节流量，调节性能较差，因此当水头和流量变化时，效率变化较大，运行平均效率较低，高效率区较窄。适用于水头和功率变化较小的水电站和小型水电站。

轴流转桨式水轮机又称卡普兰式水轮机（Kaplanturbine），是捷克的卡普兰（Kap⁃lan）于1912年首先提出来的。轴流转桨式水轮机的转轮体内有一套叶片转动机构，水轮机运行时转轮叶片相对于转轮体可以转动，并能根据水头和功率的变化和导叶的转动保持一定的协联关系，实现导叶与叶片的双重调节，使水轮机在各种工况下都能保持较高的效率。因此轴流转桨式水轮机调节性能好，高效率区较宽，但结构复杂，造价较高。所以它适用于水头和功率变化较大的大中型水电站。

由于受到空化和强度两方面的限制，轴流式水轮机适用水头范围为3～80m，即广泛用于低水头大流量的水电站。目前，国内外轴流式水轮机最大单机容量已达230MW。

3.斜流式水轮机

斜流式水轮机（图1－6）工作时，水流通过转轮叶片的流动方向与主轴成斜向流动。由于它是英国的德里亚（P.Deriaz）于1951—1952年提出，因此又称为德里亚水轮机（Deri⁃azturbine）。

斜流式水轮机是在轴流式和混流式水轮机基础上发展的一种结构形式。它的转轮叶片布置在与主轴同心的圆锥面上，转轮叶片的轴线与水轮机主轴中心线成斜交，交角随水头不同而异。一般水头在40～80m时交角取60°，在60～130m时取45°，在120～200m时取30°。因而比通常的轴流式水轮机能布置更多的叶片（一般轴流式水轮机为4～8片，斜流式水轮机可达8～12片），所以适用水头比轴流式高，适用水头范围为40～200m。斜流式水轮机也分为定桨式和转桨式。转桨式相对定桨式采用较多。由于转桨式（转动机构装在转轮体内，和轴流转桨式水轮机相似）能随着外负荷的变化进行双重调节，因此它的平均效率比混流式高（高8%～12%），高效率区比混流式宽，比混流式水轮机更能适应水头和功率变化大的工作条件。斜流式水轮机还可以作为水泵水轮机在抽水蓄能电站中使用。

由于斜流式水轮机的制造工艺较复杂，技术要求较高，所以目前这种水轮机的应用还不普遍。目前，世界上斜流式水轮机最大单机容量为215MW。

4.贯流式水轮机

贯流式水轮机是轴流式水轮机在低水头的情况下发展起来的一种新型式，通常为卧轴布置，没有蜗壳，用引水管将水直接引向水轮机，水流从转轮进口到出口均沿轴向流动，转轮形状与轴流式相似，也有定桨式和转桨式之分。由于水流顺直，所以与常规轴流式水轮机相比，过流量大，空化性能好，效率和比转速较高；同时又是卧轴，所以缩短了机组高度和间距，使厂房高度低，结构简单，减少了土建工程量。相对于同样水头和直径的立轴机组功率可增大20%～35%，土建费用可减少10%～20%，但机组所需钢材较多。一般用在水头为25m以下的低水头电站，广泛用于平原河流上的河床式水电站和潮汐电站。目前，世界上贯流式水轮机最大单机容量为65.8MW。

贯流式水轮机根据转轮与发电机相互布置方式的不同，分为全贯流式和半贯流式两大类。全贯流式水轮机（图1－7）是将发电机转子直接装在水轮机转轮叶片外缘上，随转轮同步转动。它的优点是过流量大，水头损失小，结构较紧凑，但由于转子外缘线速度较大，发电机密封较复杂，目前很少采用。半贯流式水轮机分成灯泡式、竖井式、轴伸式、虹吸式、明槽式等。后两种型式主要用于小型水电站。灯泡式的发电机装在密闭的灯泡型钢壳内，水流从灯泡壳体四周流入水轮机转轮，从尾水管流出。发电机在转轮前的称为前置灯泡式［图1－8（a）］；在转轮后的称为后置灯泡式［图1－8（b）］。竖井式（图1－9）的发电机装在通入厂房的混凝土竖井内，水轮机布置在竖井的下游，水流从竖井的两侧流入水轮机转轮。它的主要优点是节省灯泡壳体的钢材，发电机的通风与维护检修都较方便，但机组段和厂房的尺寸增大，流道的水力条件相对差些。轴伸式（图1－10）的发电机置于厂房内，水轮机轴由流道内伸出与发电机相连。

1.2.1.2　冲击式水轮机

冲击式水轮机（图1－3）仅利用了水流的动能，通过喷嘴把来自压力钢管的高压水流变为高速的自由射流，射向转轮使之旋转作功。由于冲击式水轮机的转轮被水淹没时，会引起能量损失和振动，所以转轮和喷嘴都安装在下游水位以上，转轮在空气中旋转。射流在冲击转轮的整个过程中，射流水体具有与大气接触的自由表面，水流压力一直保持为大气压力；但其速度的大小与方向不断变化，转轮出口的流速和动能大为减小，射流将其动能传递给了转轮，形成旋转力矩使转轮旋转。由于转轮不是整周进水，因此过流量较小。根据水流冲击转轮的方式不同，冲击式水轮机又分为水斗式、斜击式及双击式水轮机。不论哪种类型，其装置方式均有立轴和卧轴两种，前者布置比较紧凑，节省土建投资，但厂房高度较大；后者厂房高度较小，但占地面积较大。一般大中型的冲击式水轮机常采用立轴布置形式，而小型的冲击式水轮机多采用卧轴布置形式。

1.水斗式水轮机

水斗式水轮机［图1－11（a）］从喷嘴出来的射流的轴线与转轮的水斗旋转面成切向，所以又称为切击式水轮机。其射流中心线与转轮相切的圆叫节圆，是1880年美国的培尔顿（Pelton）首先提出的，故也称培尔顿水轮机。由于水流通过转轮时的压力为大气压，所以水斗式水轮机安装高程不受空化条件限制，只要强度允许，可以使用在很高的水头。其适用水头范围为100～2000m，大中型水斗式水轮机通常用于300～1700m水头范围。水斗式水轮机是目前唯一适用于700m以上的高水头水轮机，也是最常采用的一种冲击式水轮机。目前，国内外水斗式水轮机最大单机容量为315MW。

2.斜击式水轮机

斜击式水轮机［图1－11（b）］从喷嘴出来的射流沿着与转轮转动平面成某一角度（通常为22.5°）冲击转轮，即从转轮上水斗的一侧进入，再从水斗的另一侧离开。斜击式水轮机转轮上的水斗采用单曲面，由于从水斗流出的水会产生飞溅现象，因此效率较低。故斜击式水轮机适用于小型水电站，适用水头范围为25～400m。

3.双击式水轮机

双击式水轮机［图1－11（c）］从喷嘴出来的射流首先从转轮的外侧进入叶片，作功后，再穿过转轮进入另一面的叶片流道第二次作功。前者利用了70%～80%的动能，后者利用了20%～30%的动能。转轮叶片通常做成等厚度的圆弧形或渐开线形，喷嘴的孔口做成矩形并且宽度略小于叶片的宽度。双击式水轮机结构简单，但是效率较低，仅用于小型水电站，适用水头为5～150m。

综上所述，现将水轮机的主要类型归纳如下：

应该注意不同型式水轮机水头应用范围重叠的情况，例如30～80m水头范围内，既可使用轴流式水轮机，也可使用混流式水轮机。这时应根据具体条件和技术经济比较的结果来选择最佳的水轮机型式。而且各种水轮机的水头应用范围也并不是固定不变的，随着科学技术的发展，以及设计水平、加工精度、材料性能的提高，可能会出现超出上述范围的情况。

总之，目前水轮机的发展趋势是增大单机容量，提高利用水头和增加比转速，同时简化结构，进一步提高运行的可靠性。

1.2.2　水轮机的基本构造

现代水轮机主要是由进水部件、导水部件、工作部件和泄水部件四大部件组成。对于不同类型的水轮机，上述四大部件在结构上有各自的特征。尤其是工作部件——转轮是将水能转化为旋转机械能的过流部件，对于不同类型的水轮机构造各有不同。

大中型水电站中常用的水轮机类型为混流式、轴流式、斜流式、灯泡贯流式及水斗式水轮机，对其结构分述如下。

1.2.2.1　混流式水轮机的构造

图1－12为混流式水轮机的结构图。水流从压力管道流入蜗壳21，继而通过座环立柱1和导叶4进入转轮叶片16间，使转轮旋转。转轮用固定螺栓与水轮机主轴13联成一体，并通过法兰盘与发电机主轴相连，转轮旋转将带动发电机旋转发电。从转轮流出的水经其下方的尾水管22泄入下游河道中。在水轮机主轴靠近转轮处装有水轮机导轴承18防止主轴摆动。为了减小转轮与固定部分之间的间隙漏水，在间隙处的转动部分和固定部分上设有止漏环19。

由此可知，混流式水轮机的主要组成部件包括：工作部件——转轮，导水部件——导水机构，进水部件——蜗壳，泄水部件——尾水管，以及其他部件——主轴、座环、导轴承、止漏环和基础环20等。其中蜗壳的作用为使水流形式适合于导水叶，以减少水头损失；尾水管的作用为回收一部分附加动力真空（动能），多利用静态真空（位能）并向下游排水。蜗壳和尾水管的结构型式和特点与其他反击式水轮机相类似，将在第3章中专门论述。下面主要对转轮、导水机构和其他部件的构造进行讲述。

1.转轮

转轮是水轮机最重要的过流部件，其作用是把从蜗壳引入水流的水能转换为转轮的旋转机械能。如图1－13所示，混流式水轮机的转轮是由上冠（轮毂）、叶片（轮叶），下环及泄水锥等组成。

上冠的外形类似一个圆锥体，上部有与主轴连接的法兰，法兰周围有几个减压孔，将冠体上、下的水流连成通路，以减小作用在转轮和顶盖之间的轴向水推力，可使轴向水推力减小70%左右。高水头转轮叶片较长，不便设置泄水孔时，改为顶盖排水管。在上冠下部中心装有一圆锥形状的部件，称为泄水锥，是用来引导水流顺畅地从辐向转为轴向，避免从流道出来的水流互相撞击，这样可减少旋涡损失和振动。

叶片的上端固定于上冠，下端固定于下环，三者焊接为一整体。叶片断面为翼形，呈扭曲状，其下端的扭曲程度较急，上端较缓。转轮叶片间形成的狭长通道称为转轮流道。水流通过流道时对叶片产生反作用力而推动转轮旋转，从而将水流的能量转换为旋转的机械能。叶片的扭曲程度和数目，都可显著影响水轮机的工作性能。改进转轮流道形状，可导致水轮机比转速和单位功率的增高，对转轮的空化性能也有重大改善。这些改进还可使水轮机部件的尺寸减小，从而带来较大的经济效益。混流式水轮机转轮叶片的数目为9～24片，一般为13～19片，均匀分布在上冠与下环之间。叶片数多，会增加水流阻力，减少水轮机的单位流量，但能增加转轮的强度和刚度。故适用于高水头情况的转轮，其轮叶数目可以多些。而低水头高比转速的转轮，为了增加水轮机的单位流量，其轮叶数目可以少些。

转轮的代表性尺寸为：叶片进水边与下环相交处的直径D1，即转轮进口直径；叶片出水边与下环相交处的直径D2，即转轮出口直径；以及导叶的高度b0。混流式水轮机的转轮，因适用水头的不同而有着不同的几何形状。

大直径混流式水轮机的转轮因受制造和运输条件的限制，在设计和制造上广泛采用分瓣的组合结构。近年来为保证叶片线型，更多的是将上冠、叶片和下环单独铸造后再在工地焊接成一体。小直径的转轮先用钢板压制成叶片，然后浇铸在铸钢或铸铁的上冠和下环中；有时用铸钢整体铸造。

2.导水机构

导水机构的主要作用是根据机组负荷变化来调节进入转轮的流量，以达到改变水轮机功率的目的，并使水流按一定的速度和方向进入转轮，使水流在转轮前形成旋转，形成一定的速度环量。通常导水机构是由顶盖、底环、导叶及其传动机构（包括转臂、连杆和控制环等）组成，而控制环的转动是由油压接力器来操作的，如图1－12所示。

根据水流通过水轮机导叶的流动方向不同，导水机构有以下3种基本类型：

（1）径向式导水机构［图1－14（a）］：水流沿垂直于水轮机轴线的径向流过导叶。此时由于导叶轴线均布在与水轮机轴同心的圆柱面上，故又称圆柱式导水机构。主要应用于混流式、轴流式水轮机中。

（2）斜向式导水机构［图1－14（b）］：水流沿着以水轮机轴为中心线的圆锥面斜向地流过导叶。此时由于导叶轴线均布在与水轮机轴同心的圆锥面上，故又称圆锥式导水机构。主要用于斜流式水轮机和灯泡贯流式水轮机。

（3）轴向式导水机构［图1－14（c）］：水流沿着与水轮机轴线同心的各个圆柱面轴向地流过导叶。此时由于导叶轴线处于半径方向上，故又称圆盘式导水机构。主要用于贯流式水轮机。

混流式水轮机采用径向式导水机构，如图1－15所示，导叶均匀轴对称地分布在转轮的外围，可以绕自身的轴旋转。导叶轴的上、下两端分别支承于水轮机顶盖4和导水机构底环1的轴套中。底环和座环的下环及基础环连接在一起（图1－12），成为水轮机的基础部分。导叶的转动是通过其传动机构来实现的，每个导叶轴的上端穿过顶盖并用分半键8与转臂6固定在一起，转臂与连接板5通过剪断销9连成整体，连杆10的两端与连接板和控制环12相铰接。控制环与接力器推拉杆11相连接。当调速器控制接力器的油压活塞移动时，推拉杆推动控制环转动，使导叶的开度a0亦随之发生变化。

为减小水力损失，导叶的断面设计成翼形断面。当负荷发生变化时，通过导叶传动机构同时转动所有导叶，当导叶围绕自身的轴线旋转一个角度，即改变了导叶的开度a0时，就可改变通过水轮机的流量，相应地使得水轮机的功率发生变化。当导叶首尾相接，即a0＝0时，导水机构关闭，流量为零，水轮机停止转动。导叶在结构上的最大开度是发生在当导叶处于径向位置时，但在这种开度下水轮机工作时的水力损失很大，所以在实际运行中，导叶允许的最大开度a0max应根据水轮机的效率变化和功率的限制来确定。

导水机构在运行过程中，如果某两个导叶之间，或导叶和座环立柱之间，被水流中的硬物卡住，便将妨碍其他所有导叶的转动。为了避免出现这样的事故，导水机构中必须设有安全装置。常用的有剪断销、破断螺丝、摩擦转臂或塑性易弯转臂等几种。当导叶之间有异物卡住不能关闭时，接力器的油压增大，使它们被剪断、破断或变形，从而不致影响到其他导叶的转动，保证整个导水机构的正常运行。

当水轮机停机时，导叶必须关闭严密，否则会造成大量的漏水损失，并加剧因间隙空化和空蚀而产生的破坏。此外，当水轮机作调相机组运行时将增加调相时的漏气量。因此要求减小停机时的导叶间隙。导叶在关闭时，导叶头部和相邻导叶尾部之间所形成的间隙称为立面间隙，导叶上端与顶盖之间、下端与底环之间的间隙称为端面间隙。为此可采用橡胶或金属（不锈钢）制成的密封件。其中高水头水轮机的导叶间隙用金属接触密封，中、低水头的用橡胶带密封。

导水机构的主要参数如下：

（1）导叶数Z0：导叶数一般为16、24或32，与水轮机直径有关。当转轮进口直径D1＝1.0～2.25m时，采用Z0＝16；当D1＝2.5～8.5m时，采用Z0＝24；当D1≥9.0m时，采用Z0＝32。

（2）导叶高度b0：导叶高度b0是与水轮机过水流量有关的参数，随流量的减小而减小。对混流式水轮机b0＝0.1～0.39D1；对轴流式水轮机b0＝0.35～0.45D1。

（3）导叶轴分布圆直径D0：此直径应该满足导叶在最大开度时不至于碰到转轮叶片。

（4）导叶开度a0：导叶开度a0是指相邻两导叶之间可以通过的最大圆柱体直径。

操纵导叶的控制环的支承结构，以及水轮机的导轴承等部件都安置在水轮机顶盖上。顶盖同时起着隔绝通过转轮的水流与外界空间的作用（图1－12）。所以水轮机顶盖承受由导叶、控制环、水推力及导轴承等传来的载荷。水轮机顶盖通常用铸铁或铸钢制成。

3.主轴和导轴承

水轮机的主轴是连接水轮机转轮与水轮发电机主轴，将转轮获得的旋转机械能（转矩）传递给发电机的重要构件。主轴与水轮机转轮及发电机主轴的连接通常依靠刚性法兰盘，采用高强度联轴螺栓连接。大、中型水轮机主轴一般都有中心孔或者采用薄壁空心轴，以改善轴的受力情况和减轻重量，并便于检查主轴内部的质量；混流式水轮机还常利用中心孔向转轮室内补气。水轮机主轴要求很高的强度和刚度，因此一般采用优质钢整体锻造而成。

在水轮机主轴下端靠近转轮处，装有一个导轴承，用以承受由主轴传来的水轮机转动部分的径向力和振动力，并固定水轮机轴线的位置，防止主轴摆动。导轴承内镶有耐磨的轴瓦，轴瓦和轴颈之间用油或水进行润滑。结构布置时，应尽量使导轴承位置和转轮接近，使转轮所处位置到导轴承间的悬臂最小。

4.座环

座环位于蜗壳与导水机构之间，是由上环、下环和中间若干立柱合铸而成的整体铸钢件（图1－16）。大型水轮机因尺寸较大，受运输限制，则先分为数块浇铸，然后再组合而成。上环和下环的外圆与蜗壳焊接，内圆与顶盖、底环及基础环相连接。座环是水轮机过流部件之一，必须保证水流以最小的水力损失经过它，所以立柱应具有流线型断面，一般做成翼型。由于它很像导叶但不能转动，所以又称为固定导叶，导水机构中的导叶也称为活动导叶。固定导叶高度与活动导叶高度相等。座环又是水轮机的承重部件，整个机组固定部分和转动部分的重量、水轮机的轴向水推力以及蜗壳上部部分混凝土的重量都通过它传递到水电站厂房下部的基础上；座环还承受蜗壳的内水压力。因此设计上要求有足够的强度和刚度。此外，座环还常作为装配机组的基准架，导水机构在制造厂内装配时，以及机组在电站安装时，往往需要根据座环的位置进行校正。

由于水轮机顶盖上常有漏水需要排除，因而可将蜗壳尾部的几个座环立柱设计成空心的，以便将漏水排至厂房的集水井。座环的下环常设有灌浆孔，以备在座环安装完毕后浇灌混凝土，使之与基础的混凝土紧密连接。

5.基础环

大型水轮机的基础环是水轮机构件中最先安装的一部分，它埋设在厂房水下部分水轮机的混凝土支座中。它是由铸铁或铸钢制成的，下端与尾水管的顶部相接，上端与座环的下环相接（图1－12）。在安装和拆卸检修水轮机时，可将转轮临时搁置在基础环上。中、小型水轮机如运输条件允许，可将座环下环延伸一段，代替基础环。

6.止漏环

水轮机工作时，转轮前后的水流分别为高压和低压水流，转轮后常形成真空。由于转轮与其周围的固定部件之间有一定的间隙，所以当水轮机工作时，有部分水流经过转动与固定部件之间的间隙漏掉，从而造成水轮机的漏水损失，使水轮机的效率降低。为了减小这种损失，常在转轮的上冠与下环边缘及其对应的固定部件上，镶以用铜或不锈钢制成的止漏环，或称为密封环、迷宫环，如图1－12的19。止漏环的形式和水头及含沙量有关，有间隙式、沟槽式（迷宫式）、梳齿式和阶梯式，如图1－17所示。止漏环的工作原理是在转动部件与固定部件之间形成很小的间隙，通过对渗漏水流的连续扩张和收缩作用，或者使水流连续不断地在方向上突然变化，使水流受到很大的阻力而不易通过，从而减小通过缝隙的流速和流量，以达到减小漏水损失的目的。止漏要求间隙越小越好，但制造安装困难，且运行时容易产生水力振动。间隙式和沟槽式止漏环相同的是与转轮的同心度高，制造简单，安装、测量均较方便，不同的是间隙式止漏效果较差，沟槽式止漏效果较好。两者均适用于200m以下水头的水轮机，在多泥沙的电站中一般使用间隙式。水头大于200m时须采用梳齿式或阶梯式止漏环。梳齿式止漏效果好，但本身刚度较差，与转轮的同心度不易保证，安装、测量难度均较大；而阶梯式刚度高，与转轮的同心度易保证，安装、测量均较方便，止漏效果虽比梳齿式差些但也较好。

1.2.2.2　轴流式水轮机构造

轴流式水轮机相对于混流式水轮机减少了转轮叶片的数目，一般为3～8片，去掉了上冠和下环，将转轮叶片固定在转轮体（轮毂）上并沿主轴的半径方向布置，同时增大了导叶的高度，使整个流道的过流面积增大。在水头和容量相同的条件下，由于水轮机过水能力大，使水轮机的转速较高，转轮直径较小，从而缩小了机组尺寸，降低了投资费用。尤其是轴流转桨式水轮机，其转速约为混流式水轮机的两倍。此外，轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以转动，转轮叶片和导叶能随着工况的变化形成最优的协联关系，从而在水头和负荷发生变化时水轮机均能保持有较高的效率，即水轮机的平均效率和运行范围均大于混流式水轮机。

图1－18是轴流转桨式水轮机的立面结构图，可以看出除工作部件转轮和转轮室以外，其他部件均与混流式水轮机相类似。

轴流式水轮机的转轮主要是由转轮体（轮毂）9、叶片（桨叶）8和泄水锥10组成。其上部通过法兰盘与主轴相连。转轮叶片的周围是转轮室7，由于当转轮工作时转轮室内壁经常承受着很大的脉动水压力，所以室内壁镶有钢板里衬并用锚筋固定于外围混凝土中，以防内壁因振动而遭到破坏。泄水锥的作用是引导叶片出口的水流顺利地进入尾水管，避免水流发生撞击和漩涡。

轴流定桨式转轮叶片按一定角度固定在转轮体上。中小型转轮叶片和转轮体整体铸造或焊接而成。大中型转轮叶片采用螺栓与转轮体连接，有的在停机时可以人工调整叶片的安放角。定桨式的转轮室和转轮体一般都做成圆柱形。

轴流转桨式转轮叶片则能自动地随着工况而转动，在转轮体内设有一套使叶片转动的接力器和传动机构，其动作由调速器自动控制，并使叶片的转角φ与导叶的开度a0相协联动作。按接力器布置方式的不同分为有操作架和无操作架两种（图1－19）。对于带有操作架的叶片转动机构，当压力油经由水轮机主轴内的操作油管进入接力器活塞5的上方，就推动活塞下移，由推拉杆6带动操作架8下移，与操作架相连的连杆7下移，这样就拉着转臂3围绕枢轴2转动，由于枢轴、转臂和叶片均固定为一整体，所以叶片在枢轴带动下旋转，使叶片之间的开度增大。反之，接力器活塞向上移动，叶片的开度则减小。无操作架的叶片操作机构是利用接力器活塞本身作为操作架，通过连杆及转臂操作叶片。

叶片转动的角度简称转角，以φ表示。以设计工况时的转角φ＝0°作为起算位置，如图1－20所示，当φ＜0°时，叶片向关闭方向转动，叶片的斜度减小；当φ＞0°时，叶片向开启方向转动，叶片的斜度增加。叶片由负到正的转角一般在－15°～20°之间。

转桨式水轮机转轮室的内表面在叶片轴线以上通常为圆柱形，是为了便于安装和起吊转轮；在叶片轴线以下往往为球面，是为了保证在转动时转轮室与转轮外缘之间保持较小的间隙，一般要求间隙δ≤0.001D1，以利减小漏水损失并提高容积效率。当水头大于50m时，国外已将叶片轴线以上的转轮室内表面也改为球面，同时将转轮室设计成可拆卸的分瓣结构。虽然结构比较复杂，但提高了容积效率。

轴流式水轮机的代表性尺寸为水轮机转轮室的最大直径D1，即转轮叶片轴线与转轮室交点处的直径。转轮体的外部连接着叶片，内部安装着叶片的转动机构，因此转轮体的直径必然要增大，这会形成对水流的排挤，使水轮机的工作条件恶化，所以转轮体的直径dB一般限制为dB＝（0.33～0.55）D1。

与混流式水轮机相同，轴流式水轮机一般采用径向式导水机构。其导叶的相对高度要比混流式的大得多，b0/D1一般为0.35～0.45（水头越高值越小）。大型轴流式水轮机在低水头下导水叶数Z0＝32，在较高水头下导叶数Z0＝24，有时取Z0＝20。

轴流式水轮机的座环结构基本上有3种型式：单个支柱直接浇筑在混凝土中；支柱上端采用焊接或者螺栓与上环相连接，下端直接固定在混凝土中；与混流式相同，上下环与支柱连成一个整体。

轴流式水轮机与混流式水轮机相比，较少受到运输上的限制，因其转轮可以分成许多便于运输的部件。叶片、转轮体和泄水锥可以设计成分开的结构，以便在工地装配。此外，其他部件如座环、顶盖等也很容易制成分瓣结构以满足运输和装配的要求。

1.2.2.3　斜流式水轮机的构造

斜流式水轮机的结构与尺寸介于混流式和轴流式水轮机之间，它除了转轮和转轮室之外，其他部分如蜗壳、座环、导水机构和尾水管等也都与混流式水轮机和高水头的轴流式水轮机相同。斜流式水轮机的叶片可做成定桨或转桨式。转桨式因高效率区较宽，采用较多，因此通常也将斜流转桨式水轮机简称为斜流式水轮机。如图1－21所示，与轴流转桨式水轮机相同，斜流式水轮机的转轮包括转轮体（轮毂）7、叶片5和泄水锥6。转轮体的绝大部分为球状，轮毂比dB/D1＝0.7。叶片可以转动并和导叶保持协联动作。因叶片转动中心线与主轴中心线斜交，因此相对于轴流转桨式水轮机，斜流式水轮机使用水头较高，叶片个数较多，其结构更复杂。

斜流式水轮机转轮的代表性尺寸为转轮叶片轴线与转轮室交点处的直径D1。

斜流式水轮机转轮室的内壁也作成球面并镶以钢板，保证与叶片外缘之间有最小的间隙［一般为（0.001～0.0015）D1］，以减小漏水损失提高容积效率。

1.2.2.4　灯泡贯流式水轮机的构造

灯泡贯流式水轮机即是卧轴装置的轴流式水轮机，如图1－22所示。但其构造与轴流式水轮机也有不同之处。进水部件不是蜗壳而是采用引水道1，导水机构一般采用斜向式或轴向式。与水轮机主轴直接连接的发电机装在灯泡形钢壳体（简称灯泡体13）内，灯泡体由灯泡体支柱14和座环立柱3支撑，其中部分灯泡体支柱中间为空心，在内部布置有检修孔11、管路通道12和电缆通道10。转轮叶片的外围是转轮室7，转轮室上部的盖板可以吊开以检修转轮，右端与尾水管8相连接。

发电机的尺寸随着水轮发电机组的容量增大而增大，尤其当低水头低转速时则显得更为突出，这会导致灯泡体的尺寸过大而难以布置。为解决这一问题，在水轮机轴与发电机轴之间设置齿轮增速器，能把发电机转速提高到水轮机转速的5～10倍，相应地便可缩小发电机的尺寸，减小灯泡体的直径，从而改善水流条件。但齿轮增速器的结构复杂，加工精度高，所以目前仅用于小型机组。

1.2.2.5　水斗式水轮机的构造

水斗式水轮机根据主轴的布置方式不同分为卧轴和立轴两种。对一定水头和容量的机组，当增加喷嘴数目和转轮数目时，可以增加机组的比转速，相应地增加机组的转速，从而减小机组的尺寸，降低机组的造价。近代大型水斗式水轮机大多采用立轴式，这样不仅使厂房占地面积减小，而且也便于装设较多的喷嘴和双转轮，水头高时选2～3个喷嘴，水头低时选4～6个喷嘴。中小型水斗式水轮机通常采用卧轴式，为了使结构简化，一般一个转轮上只配置1～2个喷嘴。

如图1－3所示，水斗式水轮机是由输水管1、喷流机构（包括喷管2、喷嘴7、喷针8和喷针移动机构9）、折向器3（或分流器）、转轮5、制动喷嘴4、机壳6等组成。高压水流从输水管流入喷流机构，经过喷嘴将水流的压能转变为动能，高速射流冲击到转轮水斗上，水斗使水流速度的大小和方向发生改变，水流又反过来给水斗一个反作用力，使转轮旋转并带动发电机发电。水流离开转轮后自由落入排水渠中流向下游河道。

多喷嘴水斗式水轮机的输水管是一个具有较大弯曲和分叉的变断面压力钢管。作用是引导水流，并将流量均匀分配给各喷管。输水管的断面形状有圆形和椭圆形两种，椭圆形断面的输水管具有较好的水力特性，但加工困难，强度性能也不如圆形断面。

水斗式水轮机的转轮是水轮机将水能转换为旋转机械能的工作部件，结构如图1－23所示，它是由轮盘和均匀分布在轮盘圆周上的呈双碗形的水斗所组成。水斗（图1－24）承受射流作用的凹面为内表面，也称为工作面。中间由一凸起锐缘将其分成两半，称为分水刃（进水边），作用是使水流顺滑地分成两股并改变其运动方向，以减小撞击损失。当转轮工作时，水斗一个接一个地在射流下通过，为了避免前一水斗妨碍水流对后一个水斗的冲击，在水斗顶端上开有一个缺口。水斗凸起的外侧表面称为水斗的侧面，位于水斗背部夹在两凸起之间的表面称为水斗的背面，侧面与背面通过纵向筋板分界。水斗工作面与侧面间的端面称为水斗的出水边。缺口处工作面和背面结合处称为水斗的切水刃。水斗与轮盘的连接方式有整体铸造连接、铸焊连接和装配（螺栓）连接等，对大中型水轮机多采用前两种。转轮与射流中心线相切的圆叫节圆，节圆的直径D1定义为转轮的直径。

喷流机构主要由喷管、喷嘴、喷针（又称针阀）和喷针移动机构（包括喷针杆和喷针接力器）组成，如图1－25所示。其作用一是将水流的能量转换为射流动能；二是起着导水机构的作用，即当喷针沿着水流方向移动时，可以控制喷嘴出口与喷针头之间的环形过水断面面积，达到调节流量的目的。喷嘴内壁为逐渐收敛的圆形断面，并与喷管相连接。在喷管内装有导水叶栅，其作用是使压力水流沿喷针杆的轴线方向均匀流动，同时也起到支承喷针杆的作用。喷针轴线与喷流机构轴线重合，喷针沿此轴线移动。关闭时，喷针伸向喷嘴口外，减小喷嘴口的过水断面积，从而减小流量。当喷针伸到极限位置时，喷嘴口完全关闭。开启时，喷针向喷嘴内部后退，流量也随之增大。喷针的移动由自动调速器控制的喷针移动机构来实现。

目前，常见的喷流机构型式主要有外置接力器式（图1－25）和内置接力器式（图1－26）两种。前者结构简单、检修维护方便，但喷针杆较长且在喷管内影响水流流动，增加管内的水力损失；后者结构紧凑，喷管内水力条件好，水力损失小，效率高。

当机组突然丢弃全部负荷时，要求迅速停止射流，否则机组的转速会迅速上升，产生飞逸，飞逸转速过大会对机组结构产生破坏。但若喷针关得过快，输水管道中会形成过大的水击压力，这也是不允许的。因此为了能及时截断水流，防止飞逸，同时又不产生较大的水击压力，必须在喷嘴头部的外壳上装置可以转动的折向器（偏流器）或分流器（图1－27）。折向器在需要时，可以把整个射流折出转轮外；而分流器一般不是将整个射流而是将其大部分或小部分偏离转轮水斗。当机组负荷骤减或丢弃全部负荷时，折向器或分流器快速投入，迅速部分或全部截断因喷针不能立即关闭而继续冲向水斗的射流。然后喷针再慢慢关闭喷嘴出口，防止产生过大的水击压力。喷针与折向器或分流器之间设有协联装置，由自动调速器控制，使喷针在任何开度下，截流板都位于射流水柱边缘，以达到快速偏流或截流的作用。

制动喷嘴（图1－3）是用来产生提供逆向旋转力的射流，以使水斗式水轮机转轮减速的喷嘴。主要在以下两种情况下使用：①由于水轮发电机组不允许低速长时间运转，因此在机组正常停机过程中，当机组转速降低到一定程度时（通常为额定转速的30%～40%），为使机组能很快停下来，制动喷嘴迅速投入工作，从制动喷嘴射出的水流直接冲向转轮水斗背面，形成一个与转轮旋转方向相反的制动力矩，机组在该力矩作用下迅速停止运转；②当机组突然丢弃全部负荷而调速系统又失灵时，打开制动喷嘴，从制动喷嘴射出的水流直接冲向水斗背面，形成制动力矩，这样可避免机组转速快速上升而发生飞逸。制动喷嘴可以自动或手动控制。为防止转轮反转，同时装设有专门的联锁装置。

转轮外部罩着机壳（图1－3），以防止水流离开转轮后向四周飞射。其形状和尺寸应保证离开水斗的水流排往下游而不再回溅到转轮和射流上，以免降低水轮机的效率。机壳内的压力要求与大气相当，为此，往往在转轮中心附近的机壳上开设有补气孔，以消除局部真空。由于喷管和轴承等固定在机壳上，因而要求机壳具有一定的刚度、强度和抗振性能，所以机壳一般均为铸钢件。