水力机械《水电站》doc.docx

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水力机械《水电站》doc

第一篇水力机械

水轮机+发电机：

水轮发电机组

功能：

发电

水泵+电动机：

水泵抽水机组

功能：

输水

水泵+水轮机：

抽水蓄能机组。

功能：

抽水蓄能

水轮发电机组：

水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。

第一章水轮机概述

第一节水轮机的工作参数

水轮发电机组装置原理图

定义：

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。

由水能出力公式：

N=9.81ηQH可知，基本参数：

工作水头H、流量Q、出力N、效率η，工作力矩M、机组转速n。

一、水头（head）

1.毛水头（nominalproductivehead）

HM=EU-ED=ZU-ZD

2.反击式水轮机的工作水头

毛水头-水头损失=净水头

HG=EA-EB=HM-hI-A

3.冲击式水轮机的水头

HG=ZU-ZZ-hI-A

其中ZU和ZZ分别为上游和水轮机喷嘴处的水位。

4.特征水头（characteristichead）

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=Z正-Z下min-hI-A

最小工作水头：

Hmin=Z死-Z下max-hI-A

设计水头（计算水头）Hr：

水轮机发额定出力时的最小水头。

平均水头：

Hav=Z上av-Z下av

二、流量（m3/s）（flowquantity）

单位时间内通过水轮机的水量Q。

Q随H、N的变化：

H、N一定时，Q也一定；

当H=Hr、N=N额时，Q为最大。

在Hr、nr、Nr运行时，所需流量Q最大，称为设计流量Qr

三、出力与效率（outputandefficiency）

1.出力（水轮机的输出功率）N：

指水轮机轴传给发电机轴的功率。

水轮机的输入功率（水流传给水轮机的能量）为：

水轮机的输出功率：

2.效率：

η=N/Nw，一般η=80%~95%

四、工作力矩和转速

水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达

式中M——主轴力矩；ω——水轮机旋转角速度，

n——转速，n=3000/p；p——发电机磁极对。

数额定转速n：

正常情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并与发电机的同步转速相等。

第二节水轮机的主要类型及其构造

一、主要类型

（一）、反击式水轮机（reactionwaterturbine）

定义：

利用水流的势能和动能做功的水轮机

特征：

转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，水流充满转轮室。

原理：

水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，因此动量也发生了改变，水流产生反作用力，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。

1.混流式

混流式水轮机

特征：

水流流经转轮叶片时，从径向流入，而从轴向流出。

适用范围：

H=30-450m,最高水头已接近700m，单机容量：

几万kW-几十万kW。

特点：

适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。

三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW。

是世界上单机容量最大的机组。

2.轴流式

特征：

水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

适用：

大流量、低水头。

一般水头在50m以下。

分类：

（1）轴流定浆式：

叶片不能随工况的变化而转动。

高效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站。

（2）轴流转浆式：

叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度）。

适用于大型水电站。

轴流转浆式水轮机转轮

3.斜流式

水流经过转轮时是斜向的。

转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。

4.贯流式

特征：

水轮机的主轴装置成水平或倾斜。

不设蜗壳，水流直贯转轮。

水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。

适用：

H<20m，小型河床电站。

贯流式机组分类：

（1）全贯流式：

发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其密封困难，现在较少使用。

（2）半贯流式：

灯泡贯流式：

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。

轴伸式贯流机组：

发电机安装在外面，水轮机轴伸出到尾水管外面。

竖井式贯流机组：

发电机安装在竖井内。

（二）、冲击式水轮机（Inpulsewatertubine）

定义：

利用水流的动能来做功的水轮机

特征：

由喷管和转轮组成。

水流以自由水流的形式（P=Pa）冲击转轮，利用水流动能（V的方向、大小改变）产生旋转力矩使转轮转动。

在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。

不适宜调峰运行（讨论：

为什么？

）。

适用：

水头高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。

单喷嘴冲击式水轮机运行中

分类：

水斗式:

特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。

目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。

斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站。

水斗式水轮机

斜击式：

由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。

斜击式水轮机转轮

双击式：

水流两次冲击转轮。

双击式水轮机转轮

水轮机总分类图

二、水轮机的基本构造

反击式水轮机的主要组成部件：

（1）进水（引水）部件—蜗壳：

将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮。

（2）导水机构（导叶及控制设备）：

控制工况

（3）转轮（工作核心）：

能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。

（4）泄水部件（尾水管）：

回收能量、排水至下游。

冲击式水轮机的主要组成部件

喷管，转轮，折流器，机壳，射流制动器等组成。

（一）、混流式水轮机基本构造

水流—蜗壳—座环—导叶—转轮—尾水管—下游

（1）蜗壳：

蜗壳的作用:

使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机。

（2）座环：

位于导水叶的外围。

由上、下环和立柱组成。

作用：

是水轮机的骨架，承受机墩及传来的荷载，并传到下部基础；支承活动导叶；故必须有足够的强度和刚度。

断面设计：

流线形，保证强度、刚度。

数目为活动导叶的一半。

导水机构

作用：

根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力引导水流按切向进入转轮，形成速度矩；

组成：

导水叶及其轴、调速器、接力器

（3）导水叶

导水机构的主体，上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。

也称为活动导叶。

导水机构结构图

接力器示意图

作用：

改变导叶开度以改变流量。

导叶转动是通过调速成器和接力器来实现的。

导叶参数：

导叶数、高度、开度

主要几何参数

（i）导叶数Z0：

与D1有关。

D1=1.0~2.25m时，Z0=16；D1=2.5~8.5m时，Z0=24。

（ii）导叶相对高度b0/D1：

HL：

0.1~0.39;ZL:

0.35~0.45

（iii）导叶轴分布圆直径D0，应满足导叶在最大可能开度时不碰到固定导叶和转轮。

一般取D0=1.13~1.16D1

（iv）导叶开度a0：

两导叶之间的垂直距离，最大开度为amax。

（4）转轮

是由水能转换为机械能的主要部件。

组成：

轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥

（a）低水头（b）高水头

混流式水轮机转轮

转轮的组成

●在法兰盘四周开有几个减压孔，以便将经过上冠外缘渗入冠体上侧的积水排入尾水管。

●大型机组在与上冠连接的主轴端常装有补气装置，以便向泄水锥下侧的水流低压区补气。

●泄水锥的作用是引导径向水流平顺地过渡成轴向流动，以消除径向水流的撞击及漩涡。

●转轮叶片是扭曲面体，其进水边扭曲度较小，而出水边扭曲度较大，其断面形状为翼形。

叶片的数目通常在12-21片之间。

●止漏环也称为迷宫环。

在转轮上冠和下环的外缘处均安装着止漏环的转动部分，它与相对应的固定部分之间形成一系列忽大忽小的空间或迷宫状的直角转弯，以增长渗径，加大阻力，从而减小渗漏损失。

（5）尾水管

作用：

引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。

龙滩水电站尾水管施工

（二）、轴流式水轮机的构造

1.轴流式水轮机特点

（1）转速高，当H，N相同时，转速是混流式水轮机的2倍，尺寸较小。

（2）轴流转浆式多用于低水头大流量的大型电站，其转轮叶片可以转动（双调节），H、N变化时，水轮机具有较高的效率。

2.转轮构造

轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似

组成：

叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构

叶片：

表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘薄以承受水流作用的抟矩。

叶片数目：

与H大小有关，一般为4~8片；

叶片转角Φ：

最优工况时Φ=0°，Φ>0，叶片开始启动，Φ<0向关闭方向转动。

-15°>Φ<+20°

轮毂：

外部连接叶片，内部安装转动机构。

转动机构：

安装在轮毂内，由调速器控制，调整导叶角度。

叶片转动操作机构

（三）、斜流式水轮机构造

斜流式水轮机构造

斜流式水轮机转轮

主要部件：

座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水管、主轴、导轴承等。

与轴流转浆式水轮机不同之处：

叶片转动轴线与主轴成45°~60°的夹角。

毛家村电站的运行证明，斜流式水轮机可以在比较宽阔的负荷范围内保持较高的平均效率，但其缺点也很突出，如结构复杂，可靠性较低，容易漏油，造成污染，在吸出高度Hs=-8m条件下运行，其空蚀现象仍比较严重。

由于斜流水轮机无显著特点，在设计中很少采用。

（四）、灯泡贯流式水轮机

实际上是卧轴安装的轴流式水轮机，发电机安装在灯泡体内。

灯泡贯流式水轮机

我国开发采用灯泡贯流式水轮机的时间相对较晚，近年来灯泡贯流式水轮机的导叶都采用了重锤式关闭机构来防飞逸，从而可节约引水系统的快速闸门。

目前采用的灯泡贯流式水轮机使用水头高达27.3m，转轮直径7.5m，单机容量达48MW。

飞来峡（4×35MW）、沙坡头（4×30MW）、炳灵（5×48MW）等电站。

均为灯泡贯流机组。

当水头较低而机组容量又较大时，若水轮机与发电机的主轴直接联接，则发电机将因转速较低而直径较大，这会导致灯泡体尺寸过大而使流道水力损失增加口为此常在水轮机与发电机之间设置齿轮增速传动机构，使发电机转速比水轮机转速大3-10倍，从而缩小发电机尺寸，减小灯泡体尺寸，改善流道的过流条件。

但这种增速机构结构复杂，加工工艺要求较高，传动效率一般较低，因此目前仅应用于小型贯流式机组。

（五）、水斗式水轮机构造

水斗式水轮机的组成：

喷管、折流板、转轮、机壳、尾水槽

（1）.转轮

水斗式水轮机转轮水斗式水轮机转轮轮叶

组成：

轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。

连接方式：

螺拴、整体铸造、焊接。

（2）.喷管

组成：

喷嘴、喷管体、针阀、喷杆、操作机构

针阀：

控制水轮机的过水流量，以行程表示。

多喷嘴安装

应用较广泛的喷嘴

（3）.折流板

使针阀缓慢关闭，降低水击压力，使水流偏离水斗，避免机组转速升高。

（4）.机壳

把水斗中排出的水引导入尾水槽内。

一般为铸钢件。

（5）.引水板

防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失

（6）.水斗水轮机的装置方式

a）为了提高机组转速及过流量，常在一个转轮上装设两个或更多个喷嘴。

有时又在一根轴上装设两个（或多个）转轮，以提高机组的单机出力。

b）大中型水斗式水轮机多采用立式布置，这样不仅可使厂房面积缩小，也便于装设多喷嘴。

c）中小型水斗式水轮机通常采用卧式布置，这样可简化结构、降低造价，并便于安装和维护。

第三节水轮机的型号及标称直径

1、型号说明

根据我国“水轮机型号编制规则”规定，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，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）。

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：

2、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）2CJ30——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。

3、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

4、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