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完整word版水轮机概论
情景1水轮机概论
1.1水轮机基本参数
水轮机是把水流能量转换成旋转机械能的水力机械,是水电厂最主要的动力设备。
水轮机主轴带动发电机轴旋转,利用发电机将机械能转换成电能。
水轮机一般装在水电站的厂房内,如图1-1所示,当水流经引水道进入水轮机,由于水流和水轮机的相互作用,水流的能量便传给了水轮机,水轮机获得能量后开始旋转而做功。
因为水轮机轴和发电机轴相连,水轮机便把它获得的能量传给了发电机,并驱动带有磁场的发电机转子转动而形成旋转磁场,发电机定子绕组切割磁力线而感应出电动势,带上外负荷后便输出了电流。
图1-1拦河坝式水电站坝后式厂房
1-水轮机;2-发电机;3-尾水管;4-桥机;5-引水道
当水流通过水轮机时,水能即转变成机械能,这一工作过程的特性可用水轮机基
本参数来表征。
其基本参数有:
水头H、流量Q、功率P、效率η和转速n等。
1.1.1水轮机水头H
1.净水头H
净水头是水轮机进口与出口测量断面的总水头差,即水轮机做功用的有效水头,用符号H表示,单位为m。
图1-2为反击式水电站水轮机装置示意图。
对于反击式水轮机,进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ-Ⅰ断面,出口断面取在尾水管出口Ⅱ-Ⅱ断面,则净水头为
(1-1)
式中:
ZI、ZII分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处相对于某基准的位置高度,m;
、
分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流体压强,Pa;
、
分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处过流断面的平
图1-2立轴反击式水轮机的工作水头
均流速,m/s;
、
分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的过流断面速度分布不均匀系数;
为水的密度,kg/m3;
为重力加速度。
净水头H又可表示为:
(1-2)
式中:
Hg为水电站水头(毛水头);
为水电站引水建筑物中的水力损失。
毛水头是水电站上、下游水位的高程差,用符号
表示,单位为m。
2.额定水头Hr
额定水头是水轮机在额定转速下,输出额定功率时的最小净水头,单位为m。
3.设计水头Hd
设计水头是水轮机在最高效率点运行时的净水头,单位为m。
4.最大(最小)水头Hmax(Hmin)
最大(最小)水头是在运行范围内,水轮机水头的最大(最小)值,单位为m。
5.加权平均水头Hw
加权平均水头是在电站运行范围内,考虑负荷和工作历时的水轮机水头的加权平均值,单位为m。
图1-3卧轴水斗式水轮机水头
对于冲击式水轮机,以图1-3卧轴水斗式水轮机为例,净水头H则为喷嘴进口断面与射流中心线(两者距离为a)跟转轮节圆相切处单位质量水流机械能之差,即
(1-3)
1.1.2水轮机流量Q
水轮机流量是单位时间内通过水轮机进口测量断面的水的体积,用符号
表示,单位为m3/s。
即
(m3/s)(1-4)
式中:
为水轮机过水断面面积,m2;
为过水断面平均流速,m/s。
1.额定流量Qr
额定流量是水轮机在额定水头、额定转速下,输出额定功率时的流量,单位为m3/s。
2.水轮机空载流量Qo
水轮机空载流量是水轮机在额定水头和额定转速下,输出功率为零时的流量,单位为m3/s。
1.1.3水轮机功率P
1.水轮机输入功率Pin
水轮机输入功率是水轮机进口水流所具有的水力功率,单位为kW或MW。
(kW)(1-5)
2.水轮机输出功率Pout
水轮机输出功率是水轮机主轴输出的机械功率,单位为kW或MW。
由于水流在通过水轮机时会产生一部分损耗,包括容积损失、水力损失和机械损失,因此水轮机的出力Pin要小于水轮机的输入功率Pout,两者关系为
(kW)(1-6)
式中:
为水轮机效率,一个小于1的系数。
3.额定输出功率Pr
额定输出功率是在额定水头和额定转速下水轮机能连续发出的功率,单位为kW或
MW。
1.1.4水轮机效率η
效率是水轮机输出功率与其输入功率的比值。
它表示水流能量的有效利用程度,即
(1-7)
水轮机的效率与设计、制造工艺及运行工况有关。
对于某水轮机而言,在最优运行工况时水轮机效率最高,水轮机各效率中的最大值即最优效率。
目前水轮机效率最高可达93%~96%。
1.1.5水轮机转速n
水轮机转速是指水轮机转轮单位时间内旋转的圈数,用符号n表示,单位为r/min。
额定转速nr是水轮发电机组按电站设计选定的稳态同步转速。
水轮机的旋转方向是从发电机轴端看到的转轮的旋转方向。
贯流式水轮机则从上游向下游方向看。
水泵水轮机的旋转方向取水轮机工况的旋转方向。
1.2水轮机的类型及应用
1.2.1水轮机基本类型
水轮机属于水力机械中的一种,即水力原动机。
不同的水头和流量,所适用的水轮机型式与种类也不一样。
现代水轮机按水能利用的特征分为两大类,即反击式水轮机和冲击式水轮机,见表1-1。
1.反击式水轮机
转轮利用水流的压力能和动能做功的水轮机是反击式水轮机。
在反击式水轮机流道中,水流是有压的,水流充满水轮机的整个流道,从转轮进口至出口,水流压力逐渐降低。
水流通过与叶片的相互作用使转轮转动,从而把水流能量传递给转轮。
为减少水流与叶片相互作用时的能量损失,反击式水轮机的叶片断面多是空气动力翼型形状。
反击式水轮机根据其适应的水头和流量的不同,又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种型式。
2.冲击式水轮机
转轮只利用水流动能做功的水轮机是冲击式水轮机。
冲击式水轮机的明显特征是:
水流在进入转轮区域之前,先经过喷嘴形成自由射流,将压能转变为动能,自由射流以动能形式冲动转轮旋转,故称为冲击式。
在冲击式水轮机流道中,水流沿流道流动过程中保持压力不变(等于大气压力),水流有与空气接触的自由表面,转轮只是部分进水,因此水流是不充满整个流道的。
为适应于利用水流动能做功的需要,冲击式转轮叶片一般呈斗叶状。
按射流冲击转轮叶片的方向不同可分为水斗式(切击式)、斜击式和双击式。
表1-1水轮机型式及适用范围表
类型
型式
适用水头(m)
反击式
混流式
25~700
轴流式
轴流转桨式
3~80
轴流调桨式、定桨式
3~50
斜流式
40~120
贯流式
贯流转桨式
<20
贯流调桨式
贯流定桨式
冲击式
水斗式(切击式)
100~2000
斜击式
20~300
双击式
5~150
1.2.2各类型水轮机特点及应用范围
1.混流式水轮机(图1-4)
混流式水轮机是指轴面水流径向流入、轴向流出转轮的反击式水轮机,又称法兰西斯式水轮机或辐向轴流式水轮。
最早发明这种水轮机的是1847年在美国工作的英国工程师法兰西斯。
混流式水轮机为固定叶片式水轮机,混流式转轮由上冠、叶片、下环连成一个整体。
因此,结构简单,具有较高的强度,运行可靠,效率高,应用水头范围广,一般用于中高水头水电站,大、中型混流式水轮机应用水头范围为30~450m。
可逆混流式水轮机(转轮为主动时可当水泵用)应用水头高达700m。
中、小型混流式水轮机的适用水头范围为25~300m。
2.轴流式水轮机(图1-5)
轴流式水轮机是指轴面水流轴向进、出转轮的反击式水轮机。
其转轮形似螺旋桨,水流在转轮区域是轴向流进轴向流出的。
根据叶片在运行中能否相对转轮体自动调节角度,又分为轴流转桨式、轴流调桨式和轴流定桨式。
(1)轴流转桨式水轮机。
轴流转桨式水轮机是指转轮叶片可与导叶协联调节的轴流式水轮机,又称卡普兰式水轮机。
其转轮叶片可以根据运行条件调整到不同角度,转轮叶片角度在不同水头下与导水叶开度都保持着相应的协联关系,实现了导水叶与转轮叶片双重调节,扩大了高效率区的范围,使水轮机有较好的运行稳定性。
但它需要一套转动叶片的操作机构,因此,结构较复杂,造价高。
轴流转桨式水轮机主要用于大中型水电站,应用水头范围在3~80m之间。
(2)轴流调桨式水轮机。
轴流调桨式水轮机是指仅转轮叶片可调节的轴流式水轮机,又称托马式水轮机。
(3)轴流定桨式水轮机。
轴流定桨式水轮机是指转轮叶片不可调的(或停机可调的)轴流式水轮机。
其转轮叶片相对转轮体是固定不动的,其出力仅仅依靠导水叶来调节,结构简单,造价低,但在偏离最优工况时效率会急剧下降。
因此,一般用于功率及水头变幅较小的小型水电站,应用水头通常为3~50m。
图1-4混流式水轮机图1-5轴流式水轮机
3.斜流式水轮机(图1-6)
斜流式水轮机是指轴面水流以倾斜于主轴的方向进、出转轮的反击式水轮机。
其转轮在结构与性能方面介于轴流式与混流式之间。
斜流式转轮也可分为转桨式和定桨式,一般是转桨式。
与轴流转桨式类似,斜流转桨式水轮机的转轮叶片在运行中一般也可以改变角度,从而实现双重调节,但结构复杂,制造难度大。
斜流式水轮机有较宽的高效率区,常用于抽水蓄能式水电站,作为水泵水轮机使用。
这种水轮机的应用水头为40~120m。
4.贯流式水轮机(图1-7)
贯流式水轮机是指过流通道呈直线(或S形)布置的轴流式水轮机。
贯流式水轮机为卧轴布置,进水管、转轮室与尾水管为同一中心线,水流在整个水轮机流道中“直贯”而过,故称为贯流式。
这种水轮机水力损失小,过流能力大,适用于水头为2~20m的低水头水电站。
贯流式水轮机的转轮与轴流式水轮机相同,只是流道形式有区别。
贯流式转轮也可分为贯流转桨式、贯流调桨式和贯流定桨式。
此外,根据流道布置形式的不同,又分为全贯流式与半贯流式。
贯流式水轮机转轮可设计成双向流动方式在潮汐电站中使用。
图1-6斜流式水轮机1-7贯流式水轮机
5.水斗式水轮机(图1-8)
水斗式水轮机是指转轮叶片呈斗形,且射流中心线与转轮节圆相切的冲击式水轮机,又称贝尔顿水轮机,或称切击式水轮机。
它靠从喷嘴出来的射流沿转轮切线方向冲击转轮而做功,因此称为切击式。
这种水轮机的叶片如勺状水斗,均匀排列在转轮的轮辐外周,故此又称为水斗式。
水斗式水轮机适用于高水头小流量的水电站。
小型水斗式水轮机的应用水头为40~250m,大型水斗式水轮机用于200~450m水头的电站,目前最高应用水头达1772m。
图1-8水斗式水轮机
1-水斗;2、4-转轮;3-机壳;5-喷嘴;6-针阀;7-调速手轮;8-压力水管;9-尾水渠
6.斜击式水轮机(图1-9)
斜击式水轮机是指转轮叶片呈碗形,且射流中心线与转轮转动平面呈斜射角度的冲击式水轮机。
它靠从喷嘴出来的射流以一定角度(一般约22.5º)斜向冲击转轮叶片做功。
它的结构简单,造价低,一般用于中小型水电站中,适用水头25~300m。
7.双击式水轮机(图1-10)
双击式水轮机是指转轮叶片呈圆柱形布置,水流穿过转轮两次作用到转轮叶片上的冲击式水轮机。
其特点是喷嘴出来的射流首先从转轮的外周进入部分叶片流道,并将约80%的水流能量传递给转轮,然后,这部分水流再从转轮内部二次进入另一部分叶片流道,将剩余的能量传递给转轮。
由于水流两次冲击转轮叶片,称之为双击式。
它结构简单,制造方便,但效率低。
一般用于小型水电站,适用水头为5~150m。
8.水泵水轮机
水泵水轮机是指既可作水轮机运行又可作蓄能泵运行的水力机械,亦称可逆式水轮机。
同一水轮机,既可作为水轮机运行又能作为水泵运行,工作状态具有可逆性。
这种水轮机的转轮兼有水轮机和水泵的特点,当它在水泵工况和水轮机工况运行时旋转方向相反,而且水流方向相反。
可逆式水轮机用在抽水蓄能电站,调节电力系统的峰谷差。
在用电低谷时,它消耗系统电能作水泵运行,将下游水池的水抽到上游水库;在用电高峰时,将上游水库的池水放下,它作为水轮机运行向系统输送电力。
可逆式水轮机分混流式、斜流式和轴流式。
混流式的应用水头为50~700m;斜流式的应用水头为20~200m;轴流式的应用水头为15~40m。
图1-9斜击式水轮机图1-10双击式水轮机
1-机壳;2-转轮;3-挡水盘;4-发电机;5、7-喷嘴1-尾水渠;2-转轮;3-调节档板;4-压力水管;
6-阀门5-喷嘴;6-调速手轮;7-机壳
1.3水轮机的型号及装置方式
1.3.1水轮机的型号
1.水轮机型号的编制方法
现在我国水轮机型号的编制依照JB/T9579-1999《水轮机型号编制方法》。
水轮机产品型号由三部分代号组成,各部分之间用“—”(其长度相当于一个汉字宽)分开。
水轮机型号排列顺序如下。
第一部分第二部分第三部分
转轮代号水轮机结构特征代号转轮直径D1(cm)或
水轮机型式代号主轴布置形式代号转轮直径和其他参数
型号的第一部分由水轮机型式和转轮的代号组成。
水轮机型式用汉语拼音字母表示,其代号规定见表1-2。
水泵水轮机在水轮机型式代号后增加汉语拼音字母“B”。
转轮代号采用水轮机比转速(代号统一由归口单位编制)或转轮代号(由制造厂自行编号)表示,用阿拉伯数字表示。
表1-2水轮机型式的代号
水轮机型式
代号
水轮机型式
代号
混流式
HL
贯流调桨式
GT
斜流式
XL
贯流定桨式
GD
轴流转桨式
ZZ
冲击(水斗)式
CJ
轴流调桨式
ZT
斜击式
XJ
轴流定桨式
ZD
双击式
SJ
贯流转桨式
GZ
型号的第二部分由水轮机的主轴布置形式和结构特征的代号组成,用汉语拼音字母表示,其代号规定见表1-3。
表1-3主轴布置形式和结构特征的代号
名称
代号
名称
代号
立轴
L
罐式
G
卧轴
W
全贯流式
Q
金属蜗壳
J
灯泡式
P
混凝土蜗壳
H
竖井式
S
明槽式
M
虹吸式
X
有压明槽式
My
轴伸式
Z
注:
主轴非垂直布置形式均用“W”表示。
型号的第三部分由水轮机转轮直径D1(以cm表示)或转轮直径和其他参数组成,用阿拉伯数字表示。
对于水斗式或斜击式水轮机,表示为:
转轮直径/喷嘴数目×射流直径
对于双击式水轮机,表示为:
转轮直径/射流宽度
2.水轮机转轮公称直径
据GB/T2900.45—1996《电工术语 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机》,转轮公称直径
D1的规定如图1-11所示:
对于混流式水轮机是指叶片出水边与下环相交处的直径。
对于离心式蓄能泵是指叶轮前盖板进口直径。
对于轴流、斜流和贯流式水轮机(轴流蓄能泵和斜流蓄能泵)是指与叶片轴线相交处的转轮室内径。
对于水斗式水轮机是指转轮节圆直径。
为了水轮机设计制造上的便利,对水轮机转轮公称直径尺寸系列(cm)规定为:
25,30,35,42(40),50,60,71,84(80),100,120,140,160,180,200,225,250,275,300,380,410,450,500,550,600(以下按每50cm进级),···。
上述带括号的直径仅用于轴流式水轮机。
实际上,对于大型或巨型水轮机的转轮直径,常考虑机组额定出力、机组的优化运行等条件,有时不严格按系列值确定转轮直径。
(a)(b)
(c)(d)
图1-11各种水轮机转轮的标称直径
(a)轴流式;(b)混流式;(c)斜流式;(d)水斗式
3.水轮机型号示例
例1HL220/A153—WJ—84:
表示为新入谱转轮型号,转轮代号为220、转轮研制单位的轮转编号为A153、卧轴、金属蜗壳的混流式水轮机,转轮直径为84cm。
例2ZZ560—LH—1130:
表示转轮代号为560、立轴、混凝土蜗壳的轴流转桨式水轮机,转轮直径为1130cm。
例3XLB200—LJ—300:
表示转轮代号为200、立轴、金属蜗壳的斜流式水泵水轮机,转轮直径为300cm。
例4GD800—WP—250:
表示转轮代号为800、卧轴、灯泡贯流定桨式水轮机,转轮直径为250cm。
例5CJ22—W—120/2×10:
表示转轮代号为22、卧轴、两喷嘴冲击(水斗)式水轮机,转轮直径为120cm,设计射流直径为10cm。
例6SJ40—W—50/40:
表示转轮代号为40、卧轴、双击式水轮机,转轮直径为50cm,转轮宽度为40cm。
1.3.2水轮机的装置方式
在水电站中,水轮机和发电机通过轴连接在一起,共同组成水轮发电机组,简称机组。
机组是指用于发电或抽水蓄能的水力机械和电机的组合装置。
一般所说的水轮机的装置方式,是指水轮机轴的装置方向和机组的连接方式。
水轮机轴的装置方式通常分为立轴、卧轴和斜轴。
主轴竖装者称为立轴装置,主轴横装者称为卧轴装置,而主轴倾斜装者称为斜轴装置。
可见,立式、卧式和倾斜式机组是指主轴呈铅直、水平和倾斜布置的机组,其中立式和卧式机组较为常用。
机组连接方式分为直接和间接两种形式,水轮机轴与发电机轴在同一轴线上,通过法兰盘用螺栓刚性或弹性连接者,称为直接连接。
水轮机轴与发电机轴不在同一轴线上,通过传动装置连接者,称为间接连接。
1.立轴装置方式
此种装置方式为水轮机轴与发电机轴在同一垂直平面内。
其优点是:
安装、拆卸方便,轴与轴承受力情况良好,发电机安装位置较高,不易受潮,管理维护方便,其缺点是:
负载比较集中,水下部分深度增加,因而土建投资大。
立轴装置方式多应用在大中型水轮机中。
在立轴装置方式中按轴的连接方式不同,又分为直接连接和间接连接。
由于立轴直接连接的方式不需装设复杂的传动装置,机械损失小,传动效率高,运行维护方便,因此机组尽可能采用直接连接方式,特别是大中型水轮机应用最为普遍。
立轴间接连接方式主要应用在农村小型水电站,因水轮机转速较低,而发电机的转速一般较高,无法直接连接,在这种情况下,就必须采用间接连接。
2.卧轴装置方式
卧式装置方式因机组支承面积较大,故不致产生很大的集中载荷,厂房高度较低但轴和轴承受力情况不好。
目前在我国水斗式水轮机、贯流式水轮机和小型混流式水轮机多采用卧轴装置方式。
卧轴直接连接的方式主要应用于大中型水斗式水轮机,贯流式水轮机和中小型混流式水轮机,卧轴间接连接的方式与立式间接连接的方式一样,主要用于农村小型水电站。
复习思考题
1-1水轮机的主要基本参数有哪些?
1-2水轮机有哪几种型式?
各型式水轮机的特点是什么?
1-3掌握水轮机型号编制方法的有关规定。
1-4已知某水电站在设计工况下:
上游水位
=63m,下游水位
=44.4m,通过水轮机的流量为825m3/s,发电机的效率为0.968,水轮机的效率为0.86。
如忽略引水建筑物中的水力损失,试求水轮机输出功率和机组功率。