图2-32 混凝土蜗壳断面形状
二、座环的结构形式
水轮机的座环是承受水轮发电机组的重量，蜗壳上部部分混凝土重量以及水压力，并将其传递到电站基础上去的部件。在结构上它要求有足够的强度和刚度。
座环的基本结构由上环、下环和固定导叶（支柱）组成，目前常用的结构形式有以下几种。
1．与混凝土蜗壳联结的座环。 与混凝土联结的座环，常用的有两种。一种是整体结构座环，即上环、下环和固定导叶，三者是一个整体结构，如图2-33所示。
图2-33整体结构座环
第二种是装配式结构，如图2-34所示它由支柱与上环组成。在电站，支柱与上环装配后埋入混凝土。此外，还有使用支柱式座环的，这种结构中没有上下环，单个支柱上下端面呈法兰状用以承受压力，在电站按一定位置埋入混凝土。在过流表面可敷设钢板以提高抗磨能力。
21
图2-34 装配式座环
2．与金属蜗壳联结的座环。
与金属蜗壳联结的座环大致可分为两种。一种是带碟形边的座环，这是一种常用的形式，如图2-35所示。它可以是铸造结构，铸焊结构和全焊结构。另一种是不带碟形边的座环。如图2-36所示。它适合于钢板焊接结构。其特点是上下环为箱形结构，刚度很好，与蜗壳的连结点远离支柱中心，改善了受力情况。在上下环外圆焊有圆形导流板，以改善流动条件。试验表明，不带碟形边的座环其水力性能与带碟形边的没明显差别。
图2-35 带碟形边的座环
图2-36 无碟形边的座环
座环的尺寸与转轮型号、直径，结构型式等有关。支柱的断面形状取决于水力和强度计算。所以座环尺寸不能完全统一，但是作为初步设计时选择用厂家推荐有混凝土蜗壳座环和金属蜗壳座环两种尺寸系列。在有关手册中可以找到。
22
第四节 导水机构
一、导水机构的作用和类型
水轮机导水机构的作用，主要是形成和改变进入转轮的水流环量；按电力系统所需的功
率调节水轮机流量，导叶在关闭位置时能使水轮机停止运行，并在机组甩负荷时防止产生飞逸。
调节水轮机流量即调节水轮机的过流能力，可以通过不同的途径实现：对于微小型和较小型的水轮机，可以用一个装在进水管中的阀，或转轮前的筒形阀来调节通过水轮机的流量。但这种用阀调节流量的方法是很不经济的，因这种方法实质是节流调节，它将会造成水头损失，流量并不节省。这是人们所不希望的。理想的调节机构是工况变化时，仅仅只改变流量而水头损失极小。在水轮机转轮前布置多个导水叶片的导水机构就能满足这种要求。它们在调节时作同步的绕自身轴线转动，有如百叶窗一样，只改变水流过水断面面积，水流流径叶片通道，水头损失极小。
现在讨论导水机构的水力作用原理。图2-37中绘出了径向式导水机构的水平断面中一个导叶和一个转轮叶片。
图2-37 导叶出口及转轮出口水流速度三角形
若忽略磨擦损失的影响，在导叶出口到转轮进口之间的空间少，水流可以视作是势流流动，周向速度变化遵守动量守恒定理。对于某一微小流速可近似认为导水机构出口速度矩等于转轮进口的流速度矩。在图2-37中
Vuor0?Vmoctg?0r0?式中b0——导叶高度；
QQctgr0?ctg?0 （2-6） 2?b02?b0?0——导叶出流角。
在非法向出口的情况下，由转轮出口速度三角形可写出转轮的出口速度矩为：
Vu2r2?u2r2?Vzmctg?2r2?r22??式中A2——水轮机转轮出口过流面积；
Qctg?2r2 （2-7） A2 23
r2——转轮出口半径。
将方程式（2-6）和式（2-7）代入水轮机基本方程式H?S??g(Vu1r1?Vu2r2)则有：
H?S?解出流量：
?Vu1r1?Vu2r2?QQctg?0?r22??ctg?2r2 2?b0A2Q?r2???sH?r1ctg?0?2ctg?22?b0A2 （2-8）
式（2-8）即水轮机流量调节方程。可见在水轮机转速和水头不变的情况下，流量的调
节可通过改变三个量来达到：导水叶的高度b0，导水叶的出口液流角?0，以及转轮的液流角?2。用改变高度b0调节流量的方法用得较少，只用在小型机组上。用改变导叶液流出口角?0调节流量的方法仅适用于导叶固定而桨叶能改变叶片角度的轴流式水轮机，实际上轴流转桨式水轮机是通过同时转动导叶及转轮叶片的角度来调节流量的，当转轮叶片转动时，转轮出口处的水流方向即行改变，即角度?2改变。因此在这种型式的水轮机中，流量的变化是由?0和?2两个值同时改变的。
按水流流经导叶时的流动特点，导水机构可分为下列三种。
1．径向式导水机构，见图2-38(a)，液流沿着垂直于转轮轴线的平面流过导叶，在导叶部分的轴面流线是径向的，这种导水机构结构简单，应用最广泛。
2．轴向式导水机构，见图2-38(b)，液流沿着与水轮机同心的各个圆柱面流动，轴面流线与水轮机中平行，它用于贯流式水轮机中。
3．斜向式导水机构
斜向式导水机构[图2-38(c)]里的液流是沿着与转轮轴同心的圆锥面流过导水机构的，采用这种导水机构可以减少水轮机的径向尺寸。但由于导叶具有空间扭曲的形状使制造工艺复杂。当导水机构全关闭时难于全部切断水流，而且这种导水机构的传动机构也比较复杂，由于这些缺点斜向式导水机构采用得不多，一般在灯泡贯流式及斜流式水轮机中使用。
目前大中型水轮机上采用的流量调节方法及机构，应用最广泛的是径向式导水机构。
(a)径向式导水机构 (b) 轴向式导水机构 (c) 斜向式导水机构
图2-38 各种型式导水机构
二、径向式导水机构的几何参数
径向式导水机构的几何参数有（见图2-39）
24
1．导水叶片高度b0； 2．导叶数目Z0； 3．导叶分布圆直径； 4．导叶叶型弦长L； 5．导叶最大厚度?； 6．叶型形状； 7．相对偏心距n0???L2?L1；
??2(L1?L2)Z0L。 ?D08）在D0圆周上叶型长与栅距之比L/t?
图2-39 导水机构的主要参数
1．导叶开度a0
导叶开度a0是表征水轮机在流量调节过程中导叶安放位置的参数。它的大小等于导叶出口边与相邻导叶之间的最短距离。当导叶处于径向位置时（图2-40）为最大径向开度a0max。
图2-40 导水机构的最大开度
根据图中关系有：
25