水轮机概述Word格式文档下载.docx

水轮机概述Word格式文档下载.docx

《水轮机概述Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水轮机概述Word格式文档下载.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

D1

其中：

为最优单元转速

Hav为加权平均水头，在某些情况下可取设计水头。

（2）水轮机额定转速

按

（1）式计算结果，取相近发电机同步转速为水´

轮机额定转速，可大于计算结果。

同步转速按n=f×

60／P计算。

其中f=50HZ，P为磁极对数。

（3）飞逸转速：

水轮机发额定出力时，突然跳闸，而调速器又失灵，不能关／闭导水机构，以致转速快速上升，并达到某一最高值后稳定，这个空转的最高转速就是水轮机的飞逸转速。

用nR表示。

水轮机的飞逸特性一般用单元飞逸转速表示，单元飞逸转速通过模型试验测定。

二、水轮机类型

（1）分类原则

根据转轮前后水流单位压能P1／γ与P2／γ是否相等把水轮机分成反击型和冲击型两种。

（P2-P1）／γ›0的为反击型水轮机

（P2-P1）／γ=0的为冲击型水轮进

其中P1,P2为水轮机前后水的压力，γ为水的重度，单位为N/m²

水的γ=9810N/m²

，可取1000N/m²

。

2、反击型水轮机分类

按转轮中水流流动形式及水流方向的不同，反击型水轮机分为：

混流式（HL）、轴流式（ZL）贯流式（GL）。

其中轴流式和贯流式又分为定浆式和转浆式两种。

定浆:

转轮叶片不能转动，通常用于小机组。

转浆：

可根据水头及出力的变化，改变转轮叶片角度，达到提高水轮机效率的目的,通常用于大机组。

3、冲击式水轮机分类

按转轮构造特征及转轮水流方向分为：

切击式（QJ）、斜击式（XJ）、双击式（SJ）。

三、水轮机的型号

1、混流式：

HL702-WJ-71

HL—表示混流式水轮机

702---水轮机比转速

WJ----表示卧轴金属窝壳

71----转轮标称直径

2、冲击式：

QJ26—W-42/1×

7.8

QJ---表示切击式水轮机

26---水轮进比转速

W----表示卧轴

42---转轮标称直径

1---表示一个喷嘴

7.8----表示喷嘴直径为7，8cm

四、其它有关水轮机槪念

1、比转速

定义：

（1）同系列水轮机在1米水头下发出1KW功率时的转速，以ns表示。

（2））同系列水轮机在1米水头下发出1马力功率时的转速，以Ns表示。

计算公式：

ns=3.13n1´

√Q1´

η

Ns=3.65n1´

在相似工况下，Ns与ns相等。

2、蚀汽

（1）蚀汽的产生

水流经水轮机时，由于某种原因导致水压力下降，当下降到水的汽化压力时，水就会起汽泡，当气泡流经压力高于水的汽化压力地方时，气泡就会突然凝缩，周围的水就会突然冲击这些气泡，产生类似水锤的高达几百个甚至几千个大气压的压力，每秒钟内达几百上千次，在如此高的又如此快的压力的重复作用下，邻近泡的部件的金属表面会出现蜂窝状的汽蚀侵蚀，导致水轮机过流部件很快地被毁坏。

现在对汽蚀普遍认为是一种疲劳破坏。

（2）汽蚀系数

通过实验测得

ð

ex=（Ha-Hva-Hs´

-Hv）/H

H---实验水头

Ha—大气压力

Hva---尾水箱内真空

Hs´

----水轮机吸出高

Hv---实验水温下的气化压力

实验时，改变水轮机Hva值，使水轮机刚好发生汽蚀时的ð

ex，就是此型号水轮机的汽蚀系数。

（3）汽蚀的危害

①破坏过流部件

②产生振动和噪音

③降低材料的耐疲劳强度

④效率下降，功率下降

（4）汽蚀分类

分为翼型汽蚀、间隙汽蚀、局部汽蚀、涡带空腔汽蚀。

（5）汽蚀的防护措施

①改善叶片的翼型设法获得负荷分布均匀而且有可能小的负压值。

②叶片表面不能造成波浪形，局部不均匀性尽可能避免，间隙尽可能小。

③在安装方面，吸出高Hs不能太大。

Hs=10-▽/900-k0ð

H

④在运行中应特别注意引起不定常涡带空腔汽蚀。

（5）水轮机的泥沙磨损

分为普遍磨损和局部磨损两类。

防止磨损的方法主要是采用高强度的材料。

五、水轮机的过流部件

分为引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件。

1、引水部件

作用：

在安全经济的条件下，始水流顺利流入转轮。

而对于反击型，水流以一定的方向轴对称地进入导水机构，混流式和轴流式的引水部件包括蜗壳和座环。

2、导水机构

调节进入水轮机转轮的留量，对于并网运行的机组，可以调节机组出力，对于单机运行的水轮机，则可以调节水轮机转速。

3、工作部件

实现能量的转换

转轮的标称直径；

混流式：

转轮进水口的最大直径，也就是转轮下环与叶片边缘交点处转轮所对应的直径。

轴流式:

转轮室最大直径为标称直径。

冲击式：

射流轴线与转轮相切的节圆直径为标称直径。

4、泄水部件

①让工作后的水流顺畅的流入下游，

②回收水流离开转轮时的部分动能及转轮高出下游水面的位能。

5、水轮机的相似理论

①相似理论的充分必要条件：

几何学相似，运动学相似和动力学相似是水轮机公况相似的充分必要条件。

②相似工况的各相应点的速度大小成比例，方向角相等，相应点力的大小成比例，方向角相等。

六、水轮机的安装高程和吸出高度

1、安装高程：

（1）对卧式机组，为主轴轴心线高程。

（2）对立式机组，导叶中心线高程。

2、吸出高度：

（1）水轮机转轮内压力最低点相对于下游水面高度。

（2）立轴混流式取导叶下端面（或底环上表面）与下游水面高度。

（3）立轴轴流式取转轮叶片转动轴线所在平面与下游水面高度。

（4）对卧式机组，取转轮叶片最高点所在平面与下游水面高度。

第二节混流式水轮机

一、混流式水轮机概念

水流流经水轮机转轮的方向是径向流入，轴向流出，故称为混流式水轮机。

二、混流式水轮机工作部件（转轮）

1、转轮构成；

由上冠，下环与若干叶片组成。

2、转轮的标称直径：

3、转轮的作用：

通过改变水流的速度矩，达到能量转换的作用。

三、混流式水轮机引水部件

1、构成：

由蜗壳和座环组成

2、作用：

从水力观点看，蜗壳与座环的作用是使水流形成环量，并且轴对称地进入导水机构。

3、在立式水轮机安装中，水轮机座环是基准件，对其高程、圆度、水平度要求相当高。

4、在立式水轮机中，座环有部分固定导叶是空心的，其作用是顶盖排水，通过固定导叶，水排入集水井。

四、导水部件

1、作用：

通过调节导叶开度，达到调节进入水轮机转轮的流量，对于并网运行的机组，可以调节机组出力，对于单机运行的水轮机，则可以调节水轮机转速。

通过导叶后，水流是轴对称地进入转轮。

2、分类

（1）径向导水机构，水流沿着垂直于水轮机轴线平面径向地流过导叶。

（2）斜向导水机构，水流沿着以转轮轴为中心线的圆锥面斜向流过导叶。

（3）轴向导水机构，水流沿着与水轮机同心的各个园柱面轴向地流过导叶。

径向导水机构多用于混流式、轴流式，

斜向导水机构，轴向导水机构用于贯流式。

3、导叶开度a0

（1）、导叶开度a0：

大小等于一个导叶出口边至相邻导叶表面的最短距离。

（2）公式：

a0=D1/D1m×

a0m

D1---转轮标称直径

D1m---模型标称直径

a0m---模型导叶开度

4、导叶高度b0

导叶相对高度b¯

0=b0/D1，不同比转速的水轮机有不同的相对高度。

5、导水机构结构

（1）在结构上，导水机构应满足以下要求：

1最大开度可靠，其裕量不少于5%。

2在关闭状态下，导叶之间、导叶与顶盖、底环之间缝隙尽可能小。

3传动机构应有保护装置，一般用剪断销。

4导叶轴颈及其它摩擦面，应灵活自如。

5导水机构节力器及传动系统，应保证导叶上的水力矩曲线与节力器牵引力曲线形成有利关系。

6导水机构结构及其零件的公差，应保证导水机构能正确装配、调整及拆除。

7对受汽蚀浸蚀和泥沙磨损的零件，应在结构及材料上采取适当的措施。

6、混流式水轮机导水机构的组成

由推拉杆、控制环、连杆（拐臂）、剪断销、顶盖、底环、轴套、轴瓦、转臂、分半键、导叶组成。

五、混流式水轮进泄水部件

1、大、中型立式混流式水轮机都采用弯曲形尾水管（肘管），用肘管的目的是为了减少开挖，达到降低投资的目的。

2、肘管的组成

（1）进口锥管。

为一竖直圆锥扩散管。

（2）肘管。

是一90°

的弯管。

（3）出口扩散管。

是水平放置的扩散管。

（4）3、弯曲形尾水管的回能系数为0，6。

～0.75

3、弯锥形尾水管

用于小型卧式混流式水轮机上，由等圆断面的弯管和竖直的圆锥管组成。

回能系数为0.4～0.6。

4、尾水管尺寸的确定

（1）高度的确定：

一般取h≥2,5D1.

（2）长度的确定：

通过实验得知，当L=4.5D1时，回能系数最大，可达η=72%.

（3）对于地下电站，取h≥3.5D1.

为提高回能系数，可增大尾水管高度，但是同时会增大开挖量，增大投入。

5、尾水管的补气装置

（1）十字补气：

在尾水管架一十字架，引到外界自然补气。

作用：

破坏尾水管真空，减少汽蚀，减少振动。

（2）真空破坏阀作用补气：

防止立式机组出现抬机现象。

①抬机现象:

水轮机正常运行时，如果出现事故，导水叶突然全关，流过转轮的水流由于惯性，速度不能突然变为零，还要在尾水管中走一段距离，给尾水管内造成极大的真空，水流速度变为零后，又会以很大的速度流回来，以极大的速度冲击转轮，造成抬机现象。

一旦发生抬机现象，将会给水轮机造成很大的危害。

②真空破坏阀工作原理：

与气泵安全阀相似，当尾水管真空达到一定值时，真空破坏阀工作，直接补气，破坏尾水管真空。

六、水轮机轴承

1、水轮机轴承的作用：

固定水轮机轴轴向位置，并承受径向力。

2、水轮机轴承结构（介绍稀油润滑轴承）。

3、水轮机轴承分类

（1）稀油润滑轴承

1毕托管供油式导轴承。

优点：

这种结构水流畅通，冷却效果好，轴承温度低。

缺点：

冷却器制造工工艺复杂。

2稀油润滑筒式导轴承。

冷却水靠近轴瓦，冷却效果好，结构不复杂。

3油浸式分块瓦导轴承。

多用于大型机组，主轴上轴颈需制成轴领的形式。

（2）水润滑导轴承

1只有在河水清洁的情况下才可用。

2优点：

结构简单，工作可靠，安装检修方便。

轴瓦与轴颈有不同程度的磨损，运行不稳定，寿命短。

第三节轴流式水轮机

一、轴流式水轮机分类

1、按转轮叶片可否转动，将轴流式水轮机分为

轴流式模型综合特性曲线举例

轴流定浆式（ZD）和轴流转浆式（ZZ）两种。

2、轴流转浆式的水轮机优点：

在任何工况下，通过调节水轮机浆叶角度，达到提高水轮机效率的目的，能创造很好的经济效率。

3、轴流式水轮机标称直径：

为转轮室最大直径。

二、轴流式水轮机分类

1、分为轴流定浆式（ZD）和轴流转浆式（ZZ）

2、水轮机转轮主要差别是后者具有转轮叶片转叶机构和操作机构，而前者无。

三、与混流式水轮机相比，轴流式水轮机的优缺点

1、优点：

（1）比转速比混流式高，即单元转速和单元流量都比混流式大，即在相同水头和同样转轮直径的条件下，能通过较大流量，发出较大功率。

由于单元转速大，在其它条件相同时，机组有更高转速，这对发电机有利，将缩小发电机尺寸，带来经济效益。

（2）轴流转浆式（ZZ）水轮机，具有平坦的效率曲线，可以提高机组平均效率，能发更多的电。

（3）由轴流转浆式（ZZ）水轮机，在结构上的特点可知，可以将轴流转浆式（ZZ）水轮机转轮体和叶片进行单独加工，可以提高加工精度，另外，可拆开的轴流转浆式（ZZ）水轮机，便于解决运输上的困难。

2、缺点、由于适用水头低，（一般40米以下），存在以下不足。

（1）汽蚀系数大，受汽蚀大限制，不能运用到高水头，

（2）转轮强度条件差。

四、轴流式水轮机转轮

1、对轴流转浆式水轮机，零部件有叶片、转轮体、转叶机构、转轮接力器、和泄水锥。

（见图）

2、对轴流定浆式水轮机，零部件有叶片、转轮体

、泄水锥。

五、轴流式水轮机导水机构和混流式相同，不作介绍。

六、轴流转浆式水轮机构造。

七、轴流定浆式水轮机构造。

八、轴流式水轮机泄水部件

与混流式相同。

九、轴流转浆式水轮机受油器和操作油管。

、

80

max

运转综合特性曲线举例

第四节反击型水轮机

一、水斗式水轮机的基本构造

水斗式水轮机有以下几个过流部件，它们的主要功用如下：

1、喷嘴由上游压力水管来的水流经喷嘴后形成一股射流冲击到转轮上，在喷嘴内水流的压力能被转换成射流的动能。

2、喷针借助于喷针的移动，改变用喷嘴喷出的射流直径，因而也改变了水轮机的进水流量。

3、转轮它由圆盘和固定在它上面的若干个水斗组成，射流冲向水斗，将自己的动能传给水斗，从而推动转轮旋转作功。

4、折向器它位于喷嘴和转轮之间，当水轮机突减负荷时，折向器迅速地使喷向水斗的射流偏转。

此时喷针将缓慢地关闭到与新负荷相适应位置。

当喷针稳定在新位置后，折向器又回到射流原来位置，准备下一次动作。

折向器通过改变射流方向，能很好地防止水锤的发生。

5、机壳使机（作完功的水流流畅地排至下游，机壳内压力与大气压相当。

机壳也用来支撑水轮机轴承。

6、喷针移动机构是一个简单的接力器，根据出力的变化移动喷针，调节流量。

二、适用范围

水头范围为100---1000米。

三、工作原理

上游的水在水轮机喷嘴前的水管内产生很大的压力，靠喷嘴将压力转变为具有自由射流的动能，射流在转轮前后压力均为大气压，高动能的射流冲击转轮水斗做功，能量的改变在一动能的减少。

四、冲击式水轮机喷嘴轴线到下游之间的水头没被利用而损失了，因此，冲击式水轮机的工作水头是由上游水面到喷嘴轴线之间扣除管道损失的水头。

五、水斗式水轮机的特点及适用范围

水斗式水轮机又称培尔顿（Petion）水轮机，它靠从喷嘴出来的射流沿转轮圆周切线方向冲击转轮斗叶而做功。

水斗式水轮机应用水头较高，小型水斗式用于水头40～250m，大型水斗式用在水头400～4500m。

第五节发电机结构

（见发电机结构讲义）

贯流式水轮机基本结构

一、贯流式水轮机的特点

贯流式水轮机是开发低水头水力资源的一种新型机组，适用于

m以下的水头。

这种机型流道呈直线状，是一种卧轴水轮机，转轮形状与轴流式相似，也有定桨和转桨之分，由于水流在流道内基本上沿轴向运动不拐弯，因此较大的提高了机组的过水能力和水力效率。

此外，与其它机型相比，它还有其它一些显著特点：

（1）从进水到出水方向轴向贯通形状简单，过流通道的水力损失减小，施工方便，另外它效率较高，其尾水管恢复功能可占总水头的40%以上。

（2）贯流式机组有较高的过滤能力和比转速，所以在水头与功率相同的条件下，贯流式的要比转桨式的直径小10%左右。

（3）贯流式水轮机适合作了逆式水泵水轮机运行，由于进出水流道没有急转弯，使水泵工况和水轮机工况均能获得较好的水力性能。

如应用于潮汐电站上可具有双向发电，双向抽水和双向泄水等六种功能，很适合综合开发利用低水头水力资源，另外在一般平原地区的排灌站上可作为可逆式水泵水轮机运行，应用范围比较广泛。

（4）贯流式水电站一般比立轴的轴流式水电站建设周期短、投资小、收效快、淹没移民少，电站靠近城镇，有利于发挥地区兴建电站的积极性。

二、贯流式水轮机的分类

根据贯流式水轮机机组布置形式的不同可将其划分为以下几种形式：

1．轴伸贯流式

这种贯流式水轮发电机组基本上采用卧式布置，水流基本上沿轴向流经叶片的进出口，出叶片后，经弯形（或称

形）尾水管流出，水轮机卧式轴穿出尾水管与发电机大轴连接，发电机水平布置在厂房内。

如图7-1

2．竖井贯流式

这种机组主要特点是将发电机布置在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中，发电机与水轮机的连接通过齿轮或皮带等增速装置连在一起如图所示。

图7-1轴伸贯流式水轮机组剖面图

、前伸轴；

、后伸轴；

、斜伸轴

图7-2竖井贯流式机组剖面图

3．灯泡贯流式

这种机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中，发电机主轴与水轮机转轮水平连接。

水流基本上轴向通过流道，轴对称流过转轮叶片，然后流出直锥形尾水管，参见图1-11所示。

机组的轴系支承结构、导轴承、推力轴承都布置在灯泡体内。

由于贯流式机组水流畅直，水力效率比较高，有较大的单位流量和较高的单位转速，在同一水头，同一出力下，发电机与水轮机尺寸都较小，从而缩小了厂房尺寸，减少土建工程量。

但是发电机装在水下密闭的灯泡体内，给电机的通风冷却、密封、轴承的布置和运行检修带来困难，对电机的设计制造提出了特殊要求，增加了造价。

即使如此它与立式轴流式机组相比仍具有明显的优点。

灯泡式机组虽然是一种新型机组，但近20年来也积累了许多成功的经验，并逐渐向较高水头和较大容量发展，在国内外得到了广泛应用。

4．全贯流式

这种机组采用卧式布置，发电机的转子磁极与水轮机的转轮叶片合为一体，发电机磁极直接安装在水轮机叶片的边缘上，密封隔离磁极与流道内的水流，防止渗漏.

该机型主要特点为：

取消了水轮机与发电机的传动轴，缩短了轴线尺寸，结构紧凑，厂房尺寸减小，使整个工程造价降低，而且增大了机组的转动惯量，有利于机组的稳定运行。

但叶片与发电机转子连接结构比较特殊，制造工艺要求很高，转子轮缘密封复杂且不可靠。

虽然在上世纪五十年代就出现了这样的机组，但至今未得推广。

当前某些外国公司，在密封结构型式和材料等方面的研制工作已取得进展，并已将这种机型应用在某些大型潮汐水电站上。

目前，我国对全贯流式水轮机尚处于试验研究阶段。

5．其它形式

贯流式水轮机除了以上几种型式外，还有明槽式和虹吸式等。

其特点类似于轴伸式水轮机：

容量不大，应用水头较低，机组结构简单，发电机布置在水面以上，运行、安装、检修较为方便。

同轴伸贯流式机组一样，通常只用于小型水电站上。

表7-1贯流式水轮机适用范围

水轮机形式

适用水头（m）

流量（m3/s）

容量（MW）

备注

全贯流式

小于40

8~900

1.5~90

新型结构、轮缘式发电机

灯泡贯流式

小于25

4~900

2.5~90

轴伸贯流式

4~90

0.25~30

整装齿轮传动灯泡式

小于8

3~21

0.1~1

整装皮带传动全贯流式

小于12

7~100

0.4~6

竖井贯流式

小于9

4~500

0.1~30

三、灯泡贯流式水轮机的基本结构

灯泡贯流式水轮机适用水头范围广，效率高，较其它类型贯流式机组有突出的优点，因而在国内外得到广泛应用，当前国内已有大型机组出现。

灯泡贯流式机组的结构比较复杂，其总体布置大致有两种布置方式：

一是以管形壳为主要支撑的布置方式；

二是以水轮机固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式。

两种方式各有特点，现分别予以叙述。

1、以管形壳为主要支撑的布置方式

图7-3灯泡式水轮机组总图

1-内管形壳；

2-外管形壳；

3-前锥体；

4-人孔管；

5-框架；

6-盖板；

7-导水板；

8-导流板；

9-排水阀；

10-转轮室；

11-吸出管；

12-外配水环；

13-内配水环；

14-导水锥；

15-导叶外轴承；

16-导叶内轴承；

17-拐臂；

18、19-连杆；

20-控制环；

21-关闭重锤；

22-转轮体；

23-叶片；

24-泄水锥；

25-轴承支持环；

26-组合轴承；

27-转轮侧导轴承；

28-叶片回复装置；

29-受油器；

30-发电机定子；

31-转子；

32-冷却套；

33-灯泡头；

34-中间台板；

35-人孔；

36-梯子；

37-膨胀水箱；

38-基础支撑；

39-出人通道；

40-导风洞；

41-扇形隔板；

42-油箱；

43-排水管

2、以固定导叶（座环）为主要支撑的布置方式

由图7-4所示，灯泡机组主要通过固定导叶（座环）将转动部分、定子等的受力传至厂房基础。

发电机灯泡头（机壳体）的受力由发电机进入孔（上支柱）和下支柱来承受。

其组合轴承双向推力轴承和发电机导轴承所承受的力，可由拉杆直接传至厂房基础。

其受油器位于发电机转子与转轮之间，因而需设发电机轴和水轮机轴。

图7-4以固定导叶（座环）为主要支撑的灯泡贯流机组

1-机壳可拆前盖；

2-机壳体；

3-下支柱；

4-发电机转子；

5-座环；

6-水轮机主轴；

7-圆锥式导水机构；

8-接力器；

9-转轮；

10-锥管；

11-尾水管；

12-基础环；

13-转轮室；

14-水轮机主轴；

15-受油器；

16-发电机定子；

17-拉杆；

18-中环；

19-上支柱；

20-双向推立轴承；

21-发电机轴承；

22-发电机轴

图7-5三轴承布置的灯泡机组

1-受油器；

2-定子冷却水进口；

3-发电机轴；

4-灯泡头；

5、19-发电机轴承；

6-发电机定子；

7-发电机转子；

8-推力轴承；

9-水轮机内座环；

10-水轮机座环；

11-锥形导水机构；

12-水轮机轴；

13-水导轴承；

14-操作油管；

15-转轮室；

16-转轮；

17-转轮接力器；

18-集油槽

3、灯泡贯流式机组的结构

灯泡贯流式机组的主要部件可大致分为以下几个部分：

（1）埋设部件

包括尾水管里衬、管形壳（内壳体，外壳体）发电机进人框架、盖板、墩子盖板，接力器基础以及下部支承，侧向支承基础板等。

1）．尾水管里衬

大型灯泡机组的尾水管里衬，一般分成3~7节，运到现场后再拼焊成整体

2）．管形壳

3）．发电机进人孔的框架、盖板

4）．球面支承与侧向支承

5）．围板

在发电机下部支墩与定子外壳之间设立围板，其目的是为了导向水流，并可减少运行中水的阻力。

围板下部用螺栓与支墩相连。

上部随定子外壳切割而成。

（2）导水机构

灯泡机组的导水机构与立式机组不同，为锥形导水机构。

其部件由控制环、连杆、拐臂锥形导叶和内、外导水环等组成，各部分结构请参。

考图7-6

图7-6锥形导水机构

1-内导水环；

2-轴销；

；

3-控制环；

4-剪断销；

5-连杆；

6-拐臂；

7-活动导叶；

8-外导水环；

9-轴套；

10-转轮室

由于导叶担负着在转轮前，导叶后的水流形成转轮所需要的环量，故导叶形状为空间扭曲