水轮发电机组结构及工作原理培训讲义要点Word格式.docx
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发电机安装在竖井内。
图1-6竖井贯流式水轮机
1—竖井；
2—增速装置；
3—轴承座；
4—止水套；
5—固定导叶；
6—叶片；
7—尾水管
灯泡贯流式（P）：
发电机组安装在密闭的灯泡体内，使用较广泛，机组结构紧凑，流道形状平直，水力效率高。
图1-7灯泡贯流式水轮机
1.2冲击式水轮机及适用水头
冲击式水轮机的转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已转变成高速自由射流，该射流冲击转轮的部分轮叶，并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的急剧改变，从而将其动能大部分传递给轮叶。
在射流冲击轮叶的整个过程中，射流内的压力基本不变，近似为大气压，水流具有与空气接触的自由表面。
根据水流射向转轮方向不同，可分为以下三种形式。
冲击式（根据水流射向转轮方向划分）
⑴水斗式水轮机
水斗式水轮机又称切击式水轮机。
如图1-8所示，从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮周围切线方向垂直冲击轮叶。
图1-8水斗式水轮机
这种水轮机适用于高水头、小流量的水电站，特别是当水头超过400m时，混流式水轮机已不太适用，常采用水斗式水轮机。
大型水斗式水轮机的应用水头约为300～1700m，小型水斗式水轮机的应用水头约为40～250m。
目前水斗式水轮机的最高水头已应用到1767m（奥地利莱塞克电站），我国天湖水电站的水斗式水轮机设计水头为1022.4m。
⑵斜击式水轮机
斜击式水轮机如图1-9所示，由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。
图1-9斜击式水轮机转轮
水流从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。
与水斗式相比，其过流量较大，但效率较低，这种水轮机一般多用于中小型水电站，适用水头一般为20～300m。
⑶双击式水轮机
双击式水轮机如图1-10所示，从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。
这种水轮机结构简单、制造方便，但效率低、转轮叶片强度差，仅适用于单机出力不超过1000KW的小型水电站，其适用水头一般为5～100m。
图1-10带有闸板阀门的双击式水轮机
1—工作轮；
2—喷嘴；
3—调节闸板；
4—舵轮；
5—引水管；
6—尾水槽
各类水轮机及其应用水头范围表
表1-1水轮机类型及其应用水头范围
类型
形式
适应水头范围（m）
反击式
混流式
20～700
混流可逆式
80～600
轴流式
轴流转浆式
3～80
轴流定浆式
3～50
斜流式
40～200
斜流可逆式
40～120
贯流式
贯流转浆式
1～25
贯流定浆式
冲击式
水斗式
40～1700
斜击式
20～300
双击式
5～100
二、水轮发电机组的形式
1、按照布置方式的不同分类
水轮发电机可分为卧式和立式两种。
卧式水轮发电机适合中小型、贯流式及冲击式水轮机。
一般低、中速的大中型机组多采用立式发电机。
2、按照推力轴承位置的不同分类
立式发电机又分为悬式和伞式两种。
悬式发电机：
推力轴承位于转子上方的发电机，它适用于转速在100r/min以上。
其优点是推力轴承损耗小，装配方便，运转较稳定；
缺点是机组高度较大，耗费钢材多。
悬吊式发电机如下图所示（SF15-20/3920悬式发电机）。
图1-11悬吊式水轮发电机
1—集电环；
2—刷架；
5—上机架；
6—上挡风板；
7—空冷器；
8—定子；
9—下挡风板；
10—加热器；
11—下机架；
12—接地碳刷；
13—制动器；
14—转子；
15—定子基础板；
16—机械过速保护装置；
17—灭火水管
伞式发电机：
推力轴承位于转子下方的发电机。
上下有两个导轴承分别位于上下机架内的叫做普通伞式。
有一个导轴承位于上机架中心的叫做半伞式；
只有一个导轴承位于下机架中的叫做全伞式。
它适用于转速在150r/min以下。
其优点是机组高度低，可降低厂房高度，节省钢材；
缺点是推力轴承损耗大，安装、检修、维护都要不方便。
图1-12SF140-64/13500全伞发电机
第二章水轮机的型号及标称直径
一、型号说明
水轮机的型号由三部分组成，每一部分用短横线“—”隔开。
第一部分由汉语拼音字母与阿拉伯数字组成，其中拼音字母表示水轮机型式，阿拉伯数字表示转轮型号，入型谱的转轮的型号为比转速数值（比转速：
保持水轮机形状与运行工况相似，改变其尺寸大小，在单位水头下发出单位出力所具有的水轮机转速），未入型谱的转轮的型号为各单位自己的编号，旧型号为模型转轮的编号；
可逆式水轮机在水轮机型式后加“N”表示。
第二部分由两个汉语拼音字母组成，分别表示水轮机主轴布置形式和引水室的特征；
第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其它必要的数据。
水轮机型号中常见的代表符号如表所示。
对于冲击式水轮机，上述第三部分应表示为：
转轮标称直径（cm）/每个转轮上的喷嘴数×
射流直径（cm）。
比转速：
保持水轮机形状与运行工况相似，改变其尺寸大小，在单位水头下发出单位出力所具有的水轮机转动的速度（即：
几何相似的水轮机，当工作水头为1m，输出功率为1kW且机械效率为100%时水轮机自身的转速。
）。
比转数可以作为机器分类、系列化和相似设计的依据。
比转数小反映机器的流量小，全压（或扬程、水头）高；
反之,比转数大则机器的流量大,全压（或扬程、水头）低。
前者适合离心式,后者适合轴流式,混流式（斜流式）介于两者之间，所以可用比转数大小划分机器类型。
在设计机器时先按给定的参数计算比转数，再根据比转数大小决定机器类型。
比转数大小也反映叶轮的形状。
[比转数与叶轮形状的关系]为不同类型泵的比转数与叶轮形状的关系。
比转数越大叶轮外径就越小，而宽度越大。
反之，比转数越小，则叶轮外径越大，宽度越小。
在一定流量和全压（或扬程、水头）下，比转数与机器转速成正比。
提高转速可减小叶轮外径，增加宽度；
而降低转速，则须增加叶轮外径，减小宽度。
型号第三部分的说明
对反击式水轮机：
表示转轮的标称直径
水斗式或斜击式水轮机，其表示方法为：
对双击式水轮机，其表示方法为：
二、水轮机的型号举例
（1）HL240——LJ——410
混流式水轮机，型号240（比转速），立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cm
（2）ZZ440——LH——430
轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm
（3）2CJ20——W——120/2×
10
转轮型号为20，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上装设两个转轮，转轮直径为120cm,每个转轮两个喷嘴，设计射流直径为10cm。
（4）GZ440—WP—750
表示贯流转浆式水轮机，转轮型号440，卧轴，灯泡式机组，转轮标称直径750cm。
（5）SJ40—W—50/40：
表示双击式水轮机，转轮型号40，卧轴布置，转轮标称直径50cm，转轮轴向长度40cm。
（6）XLN—LJ—300：
表示斜流可逆式水泵水轮机，转轮型号200，立轴布置，金属蜗壳，转轮标称直径300cm。
三、各种水轮机转轮标称直径D1
HL：
转轮叶片进口边上最大直径
ZL、XL：
转轮叶片轴心线相交处的转轮室直径
CJ：
转轮与射流中心线相切处节圆直径
四、转轮标称直径系列
反击式水轮机转轮标称直径系列（cm）
25
30
35
（40）
42
50
60
71
（80）
84
100
120
140
160
180
200
225
250
275
300
330
380
410
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
注：
表中括号内的数字仅适用于轴流式水轮机。
第三章水轮机的工作参数
反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。
水轮机的基本参数主要有工作水头H（m）、流量Q（m3/s）、出力N（kw）、效率η，机组转速n。
一、水头（H）
水轮机的水头（亦称工作水头）是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量差，如图2-1所示，对反击式水轮机，进口断面取在蜗壳进口处A—A断面，出口断面取在尾水管出口B—B断面。
图2-1水电站和水轮机的水头示意图
⑴毛水头（Hg）
上、下游水位差称为水电站的毛水头Hg，其单位为m。
Hg=ZU-ZD
⑵反击式水轮机的工作水头（H）
水轮机工作水头又称净水头，是水轮机做功的有效水头。
毛水头-水头损失=净水头
H=EA-EB=Hg-hI-A
⑶冲击式水轮机的水头
H=ZU-ZZ-hI-A
其中ZU和ZZ分别为上游和水轮机喷嘴处的水位。
⑷特征水头
表示水轮机的运行范围和运行工况的几个典型水头。
最大工作水头Hmax：
是允许水轮机运行的最大净水头。
它对水轮机结构的强度设计有决定性的影响。
Hmax=Z正-Z下min-hI-A
最小工作水头Hmin：
是保证水轮机安全、稳定运行的最小水头。
Hmin=Z死-Z下max-hI-A
设计水头（计算水头）Hr：
是水轮机发额定出力时的最小净水头。
加权平均水头Ha：
是在一定时期内（视水库调节性能而定），所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机发出额定出力时间最长的净水头。
Ha=Z上a-Z下a
二、流量（Q）
单位时间内通过水轮机某一特定过流面的水流体积，常用单位为：
m3/s。
在设计水头下，水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应的水流量称为设计流量Qr。
Q随H、N的变化：
H、P一定时，Q也一定；
当H=Hr、P=P额时，Q为最大。
三、转速n
水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内的旋转次数，常用符号n表示，常用单位为r/min。
四、出力P与效率η
指水轮机轴端输出的功率，常用符号P表示，常用单位为KW。
水轮机的输入功率是单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号Pn表示，则
Pn=ρｇQH=9.81QH
由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗，所以水轮机出力P总是小于水流出力Pn。
水轮机出力P与水流出力Pn之比称为水轮机的效率，用符号ηt表示。
ηt=P/Pn
由于水轮机水能在工作过程中存在能量损耗，故水轮机的效率ηt＜1。
水轮机的出力可写成
P=Pnηt=9.81QHηt
水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力，产生旋转力矩M用来克服发电机的阻抗力矩，并以角速度ω旋转。
水轮机出力P、旋转力矩M和角速度ω之间有以下关系式
P=Mω=M2πn/60
式中ω—水轮机旋转角速度，rad/s；
M—水轮机主轴输出的旋转力矩，N·
m；
n—水轮机转速，r/min。
水轮机的损失：
1、容积损失：
进入水轮机的流量Q，有部分会从水轮机固定部分与转动部分的缝隙及其他缝隙中漏失而造成损失；
2、水力损失：
作用于水轮机的工作水头H中，在水流进出水轮机的过流部件时为克服沿程摩擦局部阻力而消耗一部分能量；
3、机械损失：
在能量转换过程中，水轮机还必须克服主轴轴承的摩擦，及其他部分与固定部分之间的摩擦，造成出力损失。
第四章公司电站主机设备参数表（部分）
一、小水电厂设备参数
序号
特性参数
备注
水轮机
台套数
2
5
设备型号
HLA351-WJ-94
HLA551-WJ-62
HLB12-LJ-115
CJA237-L-170/2×
16
HL551－WJ－100
HLD358C-LJ-156
ZDT03-LH-300
制造厂家
杭州大路
东风
东风厂
宜宾富源
德阳东方
浙江金轮
水轮机型式
卧式混流式
轴流定桨式
额定出力（MW）
6.5
1.5
8.5
8
3.2
18.75
2.5
额定转速（r/min）
428.6
150
飞逸速度（r/min）
1737
1781
1206
771
1200r/min
1090
314
额定流量（m3/s）
3.5
8.34
8.4m3/s
9.37
49.1
额定水头（m）
210
119
313
45.9m
219
6.4
转轮直径（mm）
940
620
1150
1700
1005
1560
发电机
SFW-J6300-6/1730
SFW-J1500-6/1480
SF8500-10/2600
SF8000—14/2860
SFW3200-10/1730
SF18-10/3250
SF-J2500-40/4250
6.3
18
额定转速（rpm）
冷却方式
空冷
管道通风
空冷器风冷
风冷
二、大水电厂设备参数
1、公司各电厂主要机电设备台帐汇总表-水轮机
1.
保安机组
4
3
9
6
HL295-LJ-830
HLA-551-LJ-210
HLA855－LJ－505
HL（PO50）-LJ-525
HK-IRP（1#-5#）
GZA684-WP-690（6#-9#）
HK-1RT
GZ-WP-630
K89/4Ⅱa
GZ（113）-WP-640
HL（PO50）-LJ-630
HLF196AO-LJ-660
ZZ-LH-
580
HLNTP-LJ-504
VOITH/哈电
哈电
富春江
富士
日立公司
日立/
ELIN
公司
澳地利
东芝水电
浙富
水电
股份
阿尔斯通
ALSTOM/东电
2.
灯泡
轴流
转浆式
3.
248
15.5MW
256．5
82.5
30.95
46.4
21.06
18.05
20.515
19.07
142.9
204.1
51.5
G:
306
4.
最大出力（MW）
290
92.5
31.85
48.19
19.1
22.78
20.97
226.8
P:
5.
68.18
272
166.7
78.9
136.4
75
83.3
93.75
88.2
115.4
6.
飞逸速度（rpm）
560
315
185.4
314（协联）370（非协联）
207
190（协联）
273
188
176,4
465
7.
628
39.4
243.77
403
252.24
361
312
330.86
351.5
352.57
422.32
270.4
118.3
106
8.
44.5
45
128
39
20
6.8
6.55
6.1
44
54
20.7
295
9.
最高水头（m）
60.1
156．5
44.68
13.2
27.3
10
9.7
9.5
53.2
59.75
25.29
335
10.
最低水头（m）
36.2
97
34.67
2.2
8.4
3.0
43.85
12.9
272.8
11.
额定油压（MPa）
6.0
6．3
12.
设计效率（％）
90.85--95
93.7
93.5
98
94.08
94.5
93.27
90.55
93.9
91.58
94.12%
G：
98.4%
98.5%
13.
转轮直径
8300mm
2100
5050mm
5250mm
6900mm
5460mm
6300mm
6400mm
6600mm
5800mm
5040mm
备注
2、
公司各电厂主要机电设备台帐汇总表-发电机
SF240-88/
17290
SF15—22/4250
SF250-36/10200
SF80-60/10400
TFFZBLW-RD
SFG45-44/5850
SV628/80-155
SV588/80—195
SFWG19.9—72/6850
SFWG18.5—64/6400
SF140-64/13500
SF200-68/15250
SF50-52/9610
SFD300-20/700
富士富春江
日本日立
哈电ALSTOM
浙江富春江
240
17.65
80
18.5
19.9
320
280
20.30
90
31.58
47.37
19.5
22.1
20.56
325
定子额定电流（A）
9775
970.4
10183
3718.8
1736
2605
1286.7
1072
1218.8
1130.3
8553.5
8146.04
3234.5
10713
转子额定电流（A）
1906
484
1540
918
791
830.6
1094
718
1297.9
1610
871
1661
1476
出口电压（kV）
15.75
10.5
13.8
10.50
功率因数（cosф）
0.9
0.85
0.95
0.90（滞后）
0.9（滞后）
0.85（滞后）
0.975
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