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水轮机技术讲课内容课稿
水轮机技术讲课内容
陈发军
一、水轮机的结构与工作原理
1、水轮机的基本参数
工作水头：
H是指水轮机进、出口断面处单位重量水体的能量差（也称比能差），单位是米（m）。
（我厂的设计水头为120m，最低水头为94.2m，最高水头为134.2m，平均水头为126.1m）
流量：
Q是指单位时间内，通过水轮机某一既定过流断面的水量，单位是m3/s。
（我厂的设计流量为203m3/s）
出力：
N=9.81QHη是指单位时间内，水轮机主轴所输出的功，单位是千瓦（Kw）。
（我厂水轮机的额定功率为21.43万千瓦）
效率：
η=102N/rQH它等于水轮机出力N与输入水轮机的水流出力9.81QH之比。
（我厂水轮机最高效率91.5%）
转速：
n=60f/p是指水轮机运行时，在单位时间内的旋转次数，单位是转/分（r/min）
直径D：
混流式水轮机标称直径指叶片进口边最大直径。
2、水轮机的基本类型和适应水头
水轮机是将水能转换为水轮机主轴旋转机械能的一种水力原动机。
根据转轮转换水流能量的不同方式，水轮机又分为反击型和冲击型两大类：
反击型水轮机包括混流式、轴流式、斜流式、贯流式和可逆式；冲击型水轮机有水斗式等。
混流式和贯流式水轮机又各分为转浆式和定浆式；可逆式水轮机又分为混流式可逆式、斜流可逆式和贯流可逆式。
反击型水轮机是利用叶片与水流的反作用原理而工作的。
主要以利用水流的压能为主，利用水流的动能为辅，进行水力势能的转换。
冲击型水轮机是利用水流的动能既将射流的冲击动能通过斗叶转换为转轮的机械能。
混流式水轮机一般适用水头范围为几十米到几百米。
轴流式水轮机一般适用水头范围为几米到几十米，超过50米的都很少，它属于低水头水轮机。
斜流式水轮机一般适用水头范围为40~200米，位于中、低水头之间。
贯流式水轮机一般适用水头范围为2~30米，也属于低水头水轮机。
水斗式水轮机一般适用水头范围为几百米到一、二千米。
属于高水头水轮机。
3、水轮机的型号
我国水轮机产品的型号由三部分组成，各部分之间以一短横线相连系，除数字部分外，符号均用有关的汉语拼音（大写）字母来表示。
第一部分为水轮机型式和转轮型号，型号采用阿拉伯数字，它代表该转轮的比转速n；第二部分为水轮机主轴的布置型式和引水室的特征；第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其他必要数据。
表1-1
水轮机型式
代表符号
主轴的布置型式和引水室的特征
代表符号
混流式
HL
立轴
L
轴流转浆式
ZZ
卧轴
W
轴流定浆式
ZD
金属蜗壳
J
斜流式
XL
混凝土蜗壳
H
冲击（水斗）式
CJ
灯泡式
P
贯流转浆式
GZ
明槽式
M
贯流定浆式
GD
罐式
G
可逆式
N
竖井式
S
双击式
SJ
虹吸式
X
（1）我厂HL638—LJ—520
表示混流式水轮机，转轮型号为638，立轴，金属蜗壳，转轮的标称直径为520CM。
（2）ZZ560—LH—1130
表示轴流转浆式水轮机，转轮型号为560，立轴，混凝土蜗壳，转轮的标称直径为1130CM。
以上讲的是已列入转轮型谱的水轮机型号。
对于暂未列入型谱的转轮，常采用带有厂家代号的序号，如A代表哈尔滨电机厂，D代表东方电机厂，T代表天津发电设备厂等。
如：
HLA06、HLD06等。
二、混流式水轮机的结构和作用
混流式水轮机主要由引水机构、导水机构、工作机构和泄水机构四大部分组成。
1、引水机构的作用：
将引水室或压力钢管的水流均匀地引入水轮机的导水结构，并使之进入转轮，以减少水力损失、提高水轮机的效率。
部件有：
引水室或压力钢管、蜗壳。
2、导水机构的作用与型式：
导水机构的作用：
使进入转轮前的水流形成环量，并可改变水流的入射入角度；当外界负荷发生变化时，用它来调节进入转轮的流量；正常与事故停机时用它来截断进入水轮机的水流。
反击式水轮机的导水机构按其导叶轴线的布置位置，可分为三种型式：
（1）圆柱式导水机构：
导叶的轴线布置在以机组中心线为中心圆柱面上（导叶轴线与机组中心线平行）。
这种导水机构结构简单、制造方便，被广泛应用于反击式水轮机中。
（2）圆锥式导水机构：
导叶轴线与机组中心线成某一锥角。
这种导水机构一般应用于灯泡式和斜流式水轮机中。
（3）径向式导水机构：
这种导水机构的导叶轴线与机组中心线相垂直。
主要应用于全贯流式水轮机。
3、导水机构的组成与作用：
圆柱式导水机构主要由操纵机构（推拉杆、接力器及锁定装置等）、传动机构（拐臂、控制环、双联臂等）、执行机构（导叶及轴套等）和支撑机构（顶盖、底环等）四大部分组成。
（1）导水机构之操纵机构的作用是：
在压力油的作用下，克服导叶的水力矩及传动机构的摩擦力矩，形成对导叶在各种开度下的操纵力矩。
（2）导水机构之传动机构的作用是；将操纵机构的操作力矩传递给导叶轴并使之转动。
（3）支撑机构顶盖的作用是：
与底环一起构成过流通道；防止水流上溢；支撑导叶、传动机构以及机组的操纵机构、导轴承和其他附属装置等等。
（4）支撑机构底环的作用是：
与顶盖一起构成过流通道；安装导叶下部轴套，用螺栓将其把合在座环的下环上。
4、工作机构和泄水机构的组成和作用
（1）转轮的作用是：
充分将水能转换成旋转机械能并通过水轮机主轴传递给发电机主轴和转子。
（2）转轮的组成及各部件的作用：
混流式水轮机转轮主要由上冠、叶片、下环、泄水锥、减压装置和止漏装置等六部分组成。
上冠的主要作用：
上部连接水轮机主轴，下部支撑叶片并与下环一起构成过流通道。
叶片：
是水轮机转轮实现水能转换的核心，它对水轮机的性能起着决定性的作用。
叶片的光洁度、波浪度、尺寸、形状和厚度是否均匀、合理，符合设计要求，将对水轮机的性能产生不同程度的影响。
下环的作用是：
将转轮的叶片连成整体，以增加转轮的强度和钢度，并以上冠一起形成过流通道。
泄水锥的作用是：
引导经叶片流道流出的水流迅速而又顺畅地向下渲泄，防止水流相互撞击，以减少水力损失，提高水轮机效率。
止漏装置的作用是：
减少转轮上、下转动间隙的漏水量。
减压装置的作用是：
减少作用在转轮上冠的轴向水推力，以减轻推力轴承的负荷。
5、埋设部件的结构和作用
（1）蜗壳的作用：
使进入导叶以前的水流形成一定的旋转并对称地、均匀地将水流引入导水机构。
（2）蜗壳的类型：
按构成材料分有金属蜗壳、混凝土蜗壳及钢板钢筋混凝土蜗壳等。
当水轮机的应用水头H>40m时，多采用金属蜗壳。
当H=40~200m左右的大、中型水轮机，多采用钢板焊接蜗壳。
当H>200m时采用铸钢蜗壳。
（3）座环的作用：
是承受整个机组及其上部混凝土的重量以及水轮机的轴向水推力；以最小的水力损失将水流引入导水结构；机组安装时以它为基准。
所以，座环既是承重件，又是过流件，也是基准件。
座环通常由上、下环和固定导叶三大部分组成。
（4）基础环的作用：
是在机组安装时放置座环，作为座环的基础；在水轮机安装及检修时，用来放置转轮。
它的上法兰与座环下环相连接，下法兰与尾水的锥管里衬上口
相连接。
（5）尾水管的作用：
将经水轮机转轮的水流经尾水管排至下游河床，以减少水头损失，并提高水轮机的效率。
有直锥型和弯曲型两种类型，大、中型反击式机组采用弯曲型尾水管。
它由进口锥管、肘管和出口扩散段组成。
肘管里衬由进口的圆形断面渐变过渡到出口矩形断面。
6、水导轴承的作用和类型
（1）水导轴承的作用是：
承受机组在各种工况下运行时，通过主轴传来的径向力；维持已调好的轴线位置。
按润滑剂的不同导轴承主要分为水润滑橡胶瓦导轴承和油润滑的乌金瓦导轴承。
乌金瓦导轴承又分为稀油自循环分块瓦导轴承和筒式导轴承等。
润滑油的自循环过程：
轴领带动润滑油旋转，在离心力的作用下，形成一定的油的动压头，使油进入轴领下部油孔，一部分油进入瓦间，一部分油进入轴瓦与轴领的间隙，从瓦侧及其上部流出的热油向外流，经顶瓦螺钉孔转向轴承体空洞向下，通过冷却器降温后向里（对流作用），再经轴领进油孔向上，如此反复循环，从而达到润滑、冷却轴瓦的目的。
7、水轮机密封装置的作用
（1）工作密封的作用：
是有效地阻挡水流从主轴与顶盖之间的间隙上溢，防止水轮机导轴承及顶盖被淹，以维持轴承和机组的正常运行。
（2）检修密封的作用：
当尾水位的高程高于水轮机导轴承的下部高程、且轴承或主轴密封检修时，防止水流上溢。
水轮机保护装置的作用和机组振动
一、水轮机保护装置的作用
1、事故配压阀：
调速器中装设事故配压阀（又叫过速限制器）是防止水轮机长期在飞逸转速下运行的有效措施。
机组正常运行时，事故配压阀仅作为压力油的通道，使调速器主配压阀通至接力器的管道接通；当机组甩负荷又遇调速器系统故障时，事故配压阀动作，迅速切断主配压阀与接力器的联系，而直接把压力油次油压装置接入接力器，使接力器快速关闭，实现机组的紧急停机，以缩短机组过速时间，起到对水轮机的保护作用。
2、快速闸门或蝴蝶阀（球阀）：
在水轮机前面装设快速闸门或蝴蝶阀（球阀）是防止飞逸的有效措施。
中、低水头电站一般装设平板式快速闸门或蝴蝶阀；高水头电站一般装球阀。
当机组过速达额定转速的140%时，关闭快速闸门或蝴蝶阀（球阀），截断水流，使机组停机，以缩短机组在过速或飞逸转速下的运行时间，起到对水轮机的保护作用。
3、剪断销：
剪断销保护装置由剪断销及其信号器组成。
在水轮机导水机构的传动机构中，连接板与导叶臂之间是通过剪断销连接在一起的。
正常情况下，导叶在动作过程中，剪断销有足够强度带动导叶转动，但当某导叶间有异物卡住时，导叶轴和导叶臂都不能动了，而导叶臂在连接板的带动下转动，因而对剪断销产生剪切，当该剪切应力增加到正常操作应力的1.5倍时，剪断销首先被剪断，使该导叶脱离控制环，而其他导叶仍可正常转动，以保护导叶不受损坏，避免事故扩大。
同时，剪断销剪断后，立即发出剪断销剪断信号告诉运行人员或机组自动停机，以达到的对机组部件保护的目的。
4、真空破坏阀：
真空破坏阀的主要作用是当机组甩负荷或因其他故障紧急停机，导叶迅速关闭时，水流由于惯性作用继续向下游流去，在转轮室内产生很大真空，转轮室内尾水在压差的作用下，尾水流水又向转轮室内返回，冲击转轮叶片及顶盖等部件。
由于水击的作用产生很的的冲击力，出现抬机现象，严重的会使机组出现破坏性的重大事故。
真空破坏阀就是用来补气，破坏尾水管内的真空，以起到对水轮机的保护作用。
二、水轮机组振动
1、水轮机振动的原因
水轮机运行中出现振动是常见的现象，但不允许超过规定的允许振动值。
表立式机组各部允许双振幅值
序
号
测量部位
额定转速（r/min）
100及以下
100~250
250~325
325~750
振动标准值（mm）
1
带推力轴承支架的水平及垂直振动
0.14
0.12
0.10
0.08
2
带导轴承支架的水平振动
0.14
0.12
0.10
0.08
3
定子铁芯部分外壳水平振动
0.04
0.03
0.02
0.02
水轮机运行过程中振动过大会影响正常工作，轻则运行不稳定，重则引起机组和厂房的损坏，因此查清水轮机振动的原因，针对不同情况，采取不同的减振措施，对提高机组运行的可靠性和延长其寿命具有重要意义。
运行实践证明，水轮机振动是由机械、水力和磁力等因素引起的。
（1）、机械方面的因素有：
1）、由于主轴弯曲或挠曲、推力轴承调整不良、轴承间隙过大、主轴法兰连接不紧和机组中心不准引起空载低转速时的振动。
2）、因转轮等旋转部件与静止件相碰而引起振动激烈并有伴声响。
3）、转动部分（转轮、转子）重量不平衡引起的，随速度上升振动增大而与负荷无关，这是常见的。
这类振动的特点是振动频率与水轮机转频一致，发电机上、下机架及导轴承体横向振动的振幅与转速的平方成正比。
对于机械原因引起的振动，作用查清振动原因，采取相应的措施，如通过动平衡试验，采取对转动部件进行配重，调整轴线或调整轴瓦间隙等方法，就能消除。
（2）、水力方面的原因有：
1）、尾水管中水流涡带所引起的压力脉动诱发的水轮机振动。
混流式水轮机在偏离最优工况运行时，尾水管中将出现涡带，由此引起水轮机振动，并伴声响，常发生在30%~60%额定负荷范围内。
强烈的涡带可能引起厂房振动；若由涡带引起的尾水管中的低频压力脉动频率与引水管固有频率接近，则可能引起引水管强烈振动；如果压力脉动的频率和水轮机的转频接近，则可能引起功率摆动。
消除涡带引起的振动，常采用在转轮出口附近的尾水管上部装十字架补气装置，或轴心补气，或加长泄水锥等方法。
2）、卡门涡列引起的振动。
当水流流经非线性型障碍物时，在其后面尾流中分裂出一系列变态漩涡，既所谓卡门涡列。
这种涡列交替地作顺时针或反时针方向旋转。
在其不断形成与消失过程中，会在垂直于主流方向引起交变的振动。
当卡门涡列的频率与叶片固有频率接近时，叶片动应力急剧增大，有时发出响声，甚至使叶片根部振裂。
卡门涡列一般发生在50%额定出力以上的某种工况。
消除卡门涡列引起的振动一般是将叶片的出水边改型，使正背两面构成的交流漩涡抵消或削弱；同时提高卡门涡列的振动频率，使其远离叶片自振频率，避免共振。
3）、转轮上、下止漏环间隙不均匀引起的振动。
当机组转轮上、下止漏环遭磨损（椭圆）或检修后机组中心偏差，造成转轮上、下止漏环间隙过大或过小，使止漏环间隙内压力和和径向水推不均匀，引起转轮偏心变大和振动。
（3）、磁力方面的原因有：
1）、由于机组转子与定子之间的空气间隙不均匀，使机组在运行时产生磁力不平衡，造成机组振动。
消除的办法是重新调整机组中心。
2、机组振动带来的危害
（1）、引起机组零部件金属和焊缝中疲劳破坏区的形成和扩大，从而使之发生裂纹，甚至断裂损坏而报废；
（2）、使机组各部位紧密连接部件松动，不仅会导致这些紧固件本身的断裂，而且加剧被其连接部分的振动，促使它们迅速损坏；
（3）、加速机组转动部分的磨损，加大轴的剧烈摆动可使轴与轴瓦的温度升高，使轴承烧毁。
发电机转子的过大振动会增加滑环与电刷的磨损程度，并使电刷冒火花；
（4）、尾水管中的水流脉动压力可使尾水管壁产生裂纹，严重的可使整块钢板剥落；
（5）、共振所引起的后果更严重，如机组设备和厂房的共振可使整个设备和厂房毁坏。
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