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第二章 水轮机结构


第二章 反击式水轮机结构
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第一节 概述 第二节 混流式水轮机转轮的结构 第三节 轴流式水轮机转轮的的结 构 第四节 主轴、轴承及主轴密封 第五节 反击式水轮机引水部件 第六节 反击式水轮机的导水机构 第七节 水轮机的附属设备 第八节 反击式水轮机尾水

管 第九节 典型结构

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第一节

概 述

目前,在水力发电行业应用最为普遍的是反击式 水轮机,特别是混流式和轴流式两种。 混流式水轮机结构简单,制造较容易,造价低, 安装检修方便,运行可靠。 轴流式水轮机以转桨式应用最多,它的主要特点 是平均效率比混流式高,在负荷和水头变化时效 率变化不大,因此它适用于水头和负荷变化都比 较大的电站。

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第一节

概 述

混流式和轴流转桨式水轮机的结构,按照装配系统分为六大部分: 1.埋入部分:包括蜗壳、座环、尾水管、机坑里衬、基础环、转 轮室等。 2.导水机构:包括底环、顶盖、导叶及其传动机构、控制环、支 持盖等。 3.转动部分:包括转轮、主轴、轴承、密封、受油器等。 4.辅助部分:包括接力器、真空破坏阀、补气阀、漏油箱、排水 装置等。 5.布置部分:包括调速器油管路和回复机构、机坑内的水、气管 路。

6.工具部分:包括工具、备件等。
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第二节 混流式水轮机转轮的结构
一、混流式水轮机转轮的组成 二、混流式水轮机转轮的结构形式

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一、混流式水轮机转轮的组成
右图为不同比转速的混 流式水轮机轴面投影。 比转速(ns)不同,转 轮形状不同。

一般来说,水轮机适应 水头愈高,它的比速愈 低。转轮的轴向尺寸越 小。

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中高比速混流式水轮机
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低比速混流式水轮机
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混流式水轮机转轮的组成
比速不同的混流式水轮机,虽然形状不尽相同,但其 组成(见下图)基本相同,主要由以下六部分组成。
1.上冠 2.下环

3.叶片
4.泄水锥 5.止漏装置 6.减压装置

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1.上冠
转轮上冠:用来实现与主轴的锥度配合和连接。转轮上冠 除了具有支承叶片的作用外,还与下环一起构成过流通道。 上冠形似圆锥体,其上部中间为上冠法兰,此法兰的上面 与主轴相连;上冠下面固定泄水锥;在上冠的锥面上固定 有均匀分布的叶片;在上冠法兰的外围开有几个减压孔, 在其外侧面装有减压装置;上冠外缘装有上转动止漏环。 上冠型线的形状对转轮的性能影响较大(直线形和曲线 形) 。

2.下环
下环:固定叶片下端,上冠、叶片、下环一起构成具有 一定强度和刚度的转轮整体。对转轮性能影响较大的是其 形状(扩散角)。
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3.叶片
叶片:将水能转换成机械能。
叶片呈空间扭曲型,一般断面形状为翼形,叶片数目为14-19片。 叶片断面形状和叶片数目对转轮的水力性能和强度有显著的影响。

4.泄水锥
泄水锥:引导经叶片流道流出的水流迅速而顺畅的向下渲泄,防
止水流相互撞击,以减少水力损失,提高水轮机效率 。 其外形呈倒锥体。它的结构型式有铸造和钢板焊接两种。里面空心, 下面开口,以便排除通过止漏环的漏水及橡胶导轴承的润滑水(有 的转轮将泄水控开在泄水锥的外侧),还作为主轴的中心补气和有 的转轮的顶盖补气通道之用。 泄水锥的形状和尺寸直接影响水轮机的效率和运行的稳定性。

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5.止漏装置
止漏环:减小转动部分与固定部分之间的漏水损失。
止漏装置分为固定部分和转动部分,为防止水流向上和向下漏 出,水轮机上一般装有上、下两道止漏环。上止漏环固定部分 装在顶盖上,其转动部分装在上冠上,下止漏环的固定部分一 般装在底环上,转动部分装在转轮的下环上。 工作原理是使水流在该处受到很大的局部阻力而不易通过。 目前,广泛采用的止漏环结构型式有间隙式、迷宫式、梳齿式 和阶梯式四种。

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止漏装置的形式
间隙式:它的转动和固定止漏环的环形面均为平面,间隙大于等于
0.001D1抗磨性能好,但止漏效果差,一般应用于H<200m、水中泥沙 含量较大的电站。 迷宫式:在迷宫环的面上车制了迷宫槽,间隙等于0.0005D1 。止漏效 果好,但抗磨性能差。一般应用于H<200m、水质清洁的电站。 梳齿式:转动部分与固定部分呈犬牙交错配合。止漏效果好,但抗磨 性能差。常与缝隙式配合使用,要求水平安放间隙不要小于1mm(稳 定性)。同心度不易保证,间隙 不易测量,安装不方便一般应用于 H>200m、水质清洁的电站。 阶梯式:具有迷宫和梳齿式的优点,止漏效果好,止漏环与转轮的同 心度好,安装测量比较方便。

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6.减压装置
减压装置:用来减小作用在转轮上的轴向水推力,常用的减压
装置有以下两种型式。 1.均压管与泄水孔式: 2.减压板与泄水孔式:

注意此处间 隙的标示!

均压管与泄水孔式

减压板与泄水孔式: 能源动力工程学院 何宝海

二、混流式水轮机转轮的结构形式
由于混流式水轮机的应用水头和尺寸大小不同,转轮的构造型式, 制作材料及加工方法均不同。混流式转轮的结构型式主要是指上冠, 叶片和下环三部分的构造型式,基本上分为整铸转轮,铸焊转轮, 组合转轮三种。

(1)整铸转轮
整铸转轮是指上冠,叶片和下环整体铸造 而成的转轮,这种结构在中小型机组中广 泛采用。对高水头的水轮机转轮,为提高 其强度和抗空蚀损坏,耐泥沙磨损的性能, 采用了不锈钢材料。有些采用普通碳钢的 转轮,在其容易空蚀和磨损的过流部位, 例如在叶片表面和下环内侧,堆焊抗空蚀 耐磨损的材料。当尺寸转轮不大时,采用 整铸可缩短生产周期,降低成本,且有足 够的强度。缺点是容易产生铸造缺陷,铸 造质量不易保证,尤其当转轮尺寸大时, 对铸造设备要求高。 能源动力工程学院 何宝海

(2)铸焊转轮
转轮的上冠、叶片和下环三部分单独铸造后,再组焊成整体。这 种焊接结构具有良好的技术经济效果,使用不同的钢种,既提供 了转轮的抗空蚀能力,又节省了镍铬等贵金属。 铸焊结构转轮,由于铸件小,形状较简单,容易保证铸造质量, 同时降低了对铸造能力的要求。但铸焊结构转轮在组焊时焊接工 作量大,对焊接工艺要求高,要确保每条焊缝的质量,避免和消 除焊接温度应力等。

大型混流式转轮除采用手工 焊外,还采用叶片与上冠电 渣焊、下环与叶片手工焊的 结构型式。目前已成功地制 成了叶片与上冠、下环全部 采用管极熔嘴全电渣焊的大 型转轮。
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(3)组合转轮
当转轮直径大于5.5m或高于2.3m时,因受铁路运输的限制,或因铸 造能力不足,必须把转轮分半制作,运到现场再组合成整体。 根据转轮各部分的组合连接方式不同,也分几种型式。我国主要采用 上冠螺栓连接、下环焊接结构,在上冠连接处有轴向和径向的定位 销。

1—组合螺栓;2—组合定位螺栓;3定位销;4—下部分剖面; 5—上部分剖面;6—临时组合发兰;7—下环分瓣面
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第三节 轴流式水轮机转轮的的结构
轴流转桨式水轮机的转轮由转轮体、叶片、叶片操作机构、 叶片密封装置、泄水锥等组成。

低水头轴流式水轮机转轮

高水头轴流式水轮机转轮 能源动力工程学院 何宝海

尼尔基电厂水轮机转轮体

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一、转轮体
转轮体的外形有圆柱形和球形两种。 圆柱形转轮体其形状简单,同时水力条 件和空蚀性能均比球形转轮体好,但效 率低。小型水轮机转轮,定桨式水轮机 转轮一般都采用圆柱形转轮体。大中型 转桨式水轮机的转轮体多数采用球形, 它能使转轮体与叶片内缘之间的间隙在 各种转角下都比较小,以使漏水损失最 小。另外环形转轮体增大了放置叶片处 的轮毂直径,有利于操作机构的布置。 思考:两种形状转轮体的比较。
提示:从水力性能、空蚀性能、叶片操作机 转轮体与叶片内缘之间 构的布置方面。
的间隙是根据叶片在最 大转角时的位置来确定 能源动力工程学院 何宝海 的。

二、叶片
轴流式转轮叶片由叶片本体和枢轴两部分组 成。对于尺寸较小的水轮机,一般采用整体 轴,因为这样可以减少零件数目,铸造、加 工、安装的困难也不大。但当水轮机尺寸大 时,采用分体结构比较有利。这是因为: (1)分成叶片本体和枢轴两部分,每一部分 的重量和尺寸都减少了,对于铸造,加工和 安装都带来方便。 (2)因为叶片易受空蚀损坏,分开的结构可 单独地拆卸某个叶片进行检修。 (3)分开的结构有可能对两个部件采用不同 的材料,但转轮的强度有所削弱,这一缺点 对于高水头的转轮尤为重要。
水头高,叶片数目多, 为了布置叶片,枢轴和 转臂的连接螺钉转轮体 尺寸要求 。

叶片与枢轴整体

叶片与枢轴用螺栓连接

分件式叶片,法兰和 枢轴的外径都要比整 体时大。 能源动力工程学院 何宝海

三、叶片操作机构
叶片操作机构由接力器、活塞杆、曲柄连杆机构等零件构成, 安装在转轮体内,用来变更叶片的转角,使其与导叶开度相适 应,从而保证水轮机运行在效率较高的区域,叶片操作机构是 由调速器进行自动控制的。
根据接力器布置方式不同, 叶片操作机构的形式很多 1.带操作架传动的直连杆机 构。 2.带操作架的斜连杆机构。 3.不带操作架的直连杆机构。

带操作架传动的直连杆机构
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转轮接力器结构

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V

四、叶片密封装置
转轮体内的油具有一定的压力:(回油要求;离心力) 转轮体外是高压水流 。 作用: 1.防止转轮体内部的油向外渗漏 。 2.防止水流进入转轮体内部。 ? 型式: 1. “ ”型转轮叶片密封结构。通过试验 ? 和运行表明,它具有良好的密封性能、 结构紧凑、制造和装拆方便。 2. V 型橡胶环双向密封,结构简单,安装方便,更换密封不需要拆 卸叶片,优点较多。在贯流机组上应用较多。

3. X和V 联合密封结构。运行实践表明,密封性能良好,无漏油和 返水现象。
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密封结构

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X和V
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五、泄水锥

图示为转轮体和泄水锥的 一种连接结构。 泄水锥上部周围开有带筋 的槽口,用螺钉把合,除 加保险垫圈外,装配后螺 幅还应和锥体点焊,防止 机组在运行中泄水锥脱落。
1—转轮体;2—螺钉;3—保险 垫圈;4—护盖;5—泄水锥

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第四节 主轴、轴承及主轴密封
一、主轴
主轴:将转轮所获得的转矩传递给发电机轴,使发电机转 子旋转,同时还要承受轴向水压力及转动部分的重量。 1.主轴的型式: 单法兰主轴、双法兰。 2.主轴的连接: 无法兰主轴和单法兰主轴与转轮的连接,采用锥度 配合、用键传递转矩的方式,另一端通常采用连轴器连 接的方式。 主轴与上冠法兰连接方式有两种:精致螺栓连接和 健传递转矩的连接。
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主轴的型式(1)

单法兰主轴

单法兰主轴与转轮的连接
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主轴的型式(2)

双法兰主轴

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主轴与转轮的连接

双法兰主轴与转轮的连接

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二、轴承
作用:承受主轴传来的径向力。

引起径向力的因素:
1.转动部分不平衡; 2.转轮内的水力不平衡; 3.尾水管内的压力脉动; 4.电磁不平衡。 要求:为保证水轮机运行的稳定性,其安装位置尽可能地靠 近转轮。 常见故障:轴瓦磨损、瓦温过高。

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(一)、轴承的形式
按轴瓦材料分:
橡胶瓦导轴承 金属瓦导轴承

按润滑方式分:
水润滑导轴承 油润滑导轴承(干油、稀油)

按轴承形状分:
筒式瓦导轴承
分块瓦导轴承 水润滑橡胶筒式瓦导轴承 稀油润滑筒式瓦导轴承

稀油润滑分块瓦导轴承
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(二)、水润滑橡胶瓦导轴承
优点:结构简单,制 造安装方便,成本低, 安装位置低。

缺点:对水质要求高 (泥沙、油),导热 性差,易老化。

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(三)、稀油润滑筒式瓦导轴承
优点:结构简单,布 置紧凑,寿命长。 缺点:安装检修时刮 瓦和调间隙困难,运 行时易发生甩油等。

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(四)、稀油润滑分块式瓦导轴承

优点:瓦面间隙调 整方便,轴瓦块有 自调节能力,受力 均匀,润滑条件好。 部件尺寸小,制造 安装方便。 缺点:轴领加工成 本高,价格稍贵。

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三、主轴密封
工作密封:正常运行时使用。 检修密封:下游水位较高的电站设置,检修时使用。 (一)、工作密封 1.橡胶平板密封 2.机械断面密封 3.液压断面密封

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橡胶平板密封
优点:结构简单,密封性能好, 能自动封闭磨损产生的间隙。 缺点:轴向振动大的机组,密封 效果差,抬机时漏水量增大。

单层橡胶平板密封 双层层橡胶平板密封
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机械端面密封

缺点:弹簧制造质 量要求高,要有防 锈措施;滑动架容 易发卡。
机械端面密封

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端面水压密封
滑动架改为由水压驱动的“门” 或U“型橡胶圈。
水有驱动橡胶圈和冷却、润滑密 封面双重作用。 优点:密封面磨损后, 能自行补偿。

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(二)、检修密封

围带式密封

抬机式密封

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第五节 反击式水轮机引水部件
引水室和座环。 一、引水室的类型 开敞式引水室:水轮机导水机构外围作为
一个开敞的水槽,为了保证水流轴对称及在 引水室内水力损失小,其平面尺寸常很大。 由于这种引水室一般是用砖石及混凝土做成, 所以只能用于较低水头及小型水轮机。

罐式引水室:水流沿轴向进入水轮机,在
进入导水机构前流向急剧转弯致使水流不均 匀。因此这种引水室只适用于小型水轮机 。

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二、蜗壳
蜗壳式引水室

金属蜗壳

混凝土蜗壳 能源动力工程学院

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二、蜗壳
1.金属蜗壳 金属蜗壳一般用于水 头大于40m的机组。 金属蜗壳的断面采用圆 形,接近鼻端处逐渐变 为椭圆形。为节约钢材, 根据蜗壳断面受力不同, 各断面钢板厚度不同。 通常蜗壳进口断面厚度 较大,愈接近鼻端则厚 度愈小。

?

--蜗壳包角。
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金属蜗壳的结构形式

焊接蜗壳

铸造蜗壳

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金属蜗壳的弹性层

弹性层由沥青、石 棉、油毡等材料制 成。

进人门、排水阀 的设置。

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2.混凝土蜗壳
混凝土蜗壳一般用于水头在40m以下的机组。 现正在研究在高水头时应用高强度预应力混凝土蜗壳。此 外钢板和混凝土联合作用的蜗壳也是一个新的研究课题。

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二、座环
座环: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。在结构上, 座环的下环 要求它有足够的强度和刚度。作为过 流部件,要求水力损失要小。 活动导叶 座环是安装时最重要的一个基准件。

固定导叶

蜗壳

座环的下环

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1.与混凝土蜗壳连接的座环

装配结构座环

整体结构座环

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2.与金属蜗壳连接的座环

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与金属蜗壳连接的座环

带碟形边的座环 无碟形边的座环

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第六节 反击式水轮机的导水机构
一、导水机构的作用及组成

作用:主要是形成和改变进入转轮的水流环量;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。
组成:导叶、导叶套 筒、传动机构、环形 部件(控制环、底环、 顶盖及支持盖等)。 工作原理:

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二、导叶
1)形状: 2)分类:正曲率,负曲率, 对称型。 3)导叶密封: a)作用 b)分类 c)结构 导叶上轴颈

导叶中轴颈

导叶本体

导叶下轴颈
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导叶密封

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导叶立面密封
活动导叶

压板

密封胶条

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活动导叶

密封胶条

底环

导叶端面密封
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三、导叶套筒、轴套及轴颈密封
1)套筒

2)导叶轴套

3)导叶轴颈密封

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四、导叶传动机构
作用:把接力器传来的开或关导叶的动作传递给导叶, 以达到开、关导叶,实现调节流量的目的。
型式:常用的是叉头式、耳柄式。 1.叉头式传动机构

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转臂、剪断销

调整螺钉 剪断销 分半键 转臂 保护装置:剪断销
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叉头式实例

叉头

控制环

螺杆

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2.耳柄式传动机构

思考题:如何调整导叶的端面间隙和立面间隙?

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五、导水机构的环形部件
包括控制环、底环、顶盖、支持盖等。

控制环

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控制环

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底环

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顶盖

抗磨板

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顶盖及支持盖(图)

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第七节水轮机的附属设备
接力器、真空破坏阀、补气装置等。 一、接力器 1.接力器的分类

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2.接力器的布置方式

带导管式接力器布置 环形接力器布置

摇摆式接力器布置

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3.接力器的结构
a)单导管直缸接力器的结构

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b)摇摆式接力器结构

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c)环形接力器结构

环形接力器工作原理
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二、真空破坏阀
作用: 向转轮室补入空气破坏真空。 型式: 强迫式和自吸式两种

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三、补气装置

尾水管十字补气架
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尾水管十字补气架

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尾水管短管补气

射流泵补气
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第八节 反击式水轮机泄水部件
直锥段

G B D E A

C
F

肘管段 水平扩散段 A-双曲圆环面;B-斜圆锥面;C-斜平面;D-水平圆柱面; E-垂直圆柱面;F-立平面;G-平面
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第九节 典型结构

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典型结构(2)

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典型结构(3)

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典型结构(4)

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典型结构(5)

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同步转速

磁极对数P 同步转速n(r/min) 磁极对数P 同步转速n(r/min) 磁极对数P 同步转速n(r/min) 磁极对数P 同步转速n(r/min)

3 1000 10 300 24 125 38 79

4 750 12 250 26

5 600 14 214.3 28

6 500 16 187.5 30 100 44 68.2

7 428.6 18 166.7 32 93.8 46 65.2

8 375 20 150 34 88.2 48 62.5

9 333.3 22 136.4 36 83.3 50 60

115.4 107.1 40 75 42 71.4

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