水轮机概论及工作原理

1水水 轮轮 机机Hydraulic TurbineHydraulic Turbine 2第一章 绪论掌握水轮机工作参数掌握水轮机工作参数熟悉水轮机类型和结构熟悉水轮机类型和结构掌握水轮机牌号及装置形式掌握水轮机牌号及装置形式l 重点：重点：3(1)(1)按能量转换分按能量转换分原动机原动机:将流体的能量转变为将流体的能量转变为机械能，用来输出轴功率。如机械能，用来输出轴功率。如汽轮机、燃气轮机、水轮机等汽轮机、燃气轮机、水轮机等。工作机工作机:将机械能转变为流体的将机械能转变为流体的能量，用来改变流体的状态能量，用来改变流体的状态(提提高流体的压力、使流体分离等高流体的压力、使流体分离等)与输送流体。如压缩机、泵、与输送流体。如压缩机、泵、分离机等。分离机等。4（2 2）按结构分）按结构分容积式：容积式：依靠运动元件改变依靠运动元件改变工作容积来实现能量转化工作容积来实现能量转化 。叶片式叶片式 ：依靠高速旋转叶依靠高速旋转叶片与流体之间力的相互作用片与流体之间力的相互作用来转换能量，又称透平机来转换能量，又称透平机械械。5水力原动机：以水流为原动力，并将水流能 （水轮机）量转换为机械能的装置，水流 经过水力原动机时，水流能量 将减少。水力工作机：将机械能转换为液体的能量，（水泵）水流经过水力工作机时，水流 能量将增加。6水轮机能量转换过程从高处引水流进水轮机，通过水流与水轮机转轮的相互作用，水流就把自己的能量传给了水轮机。水轮机获得能量后就开始旋转起来，把水能转换成了旋转的机械能。由于水轮机与发电机相连，于是发电机转子跟着水轮机一起旋转，这样水轮机就把能量传递给了发电机，磁极旋转时，会改变线圈中的磁通，在线圈中产生电流。水能机械能电能7水轮机的工作参数1.工作水头，又称净水头，等于毛水头减去引水系统水头损失。毛水头也叫装置水头，等于水电站上下游水位差。2.流量 表示水流在单位时间内通过水轮机的 体积。3.功率 输入功率为水流对水轮机每秒钟付出的机械能。输出功率为水轮机轴输出的机械功率，也叫水轮机的出力。通常所说的水轮机功率，指水轮机输出功率。4.效率 水轮机输出功率与输入功率之比称为水轮机 效率。5.转速 水轮机轴每分钟转动的圈数，称为水轮机的转速，单 位为 r/min。设计时选定的稳态转速称为水轮机额定转速。对于水轮机与同步发电机直接联接的机组，水轮机的额定转速 必须 与发电机转速同步。我国电网的额定频率为50HZ，水轮机额定转速 为nr=3000/p式中：式中：p 发电机磁极对数发电机磁极对数 8反击式反击式 混流式（混流式（HL）轴流式（轴流式（ZL）斜流式斜流式(XL)贯流式贯流式(GL)轴流定桨式（轴流定桨式（ZD）轴流转桨式轴流转桨式(ZZ)斜流定桨式（斜流定桨式（XD）斜流转桨式斜流转桨式(XZ)贯流定桨式（贯流定桨式（GD）贯流转桨式贯流转桨式(GZ)冲击式冲击式 切击式（切击式（CJ）斜击式（斜击式（XJ）双击式双击式(SJ)可逆式可逆式*混流式混流式轴流式轴流式斜流式斜流式水水轮轮机机类类型型 按转轮进水特征分按转轮进水特征分按转轮水流方向分按转轮水流方向分9各型水轮机的特点各型水轮机的特点 HL式式（法兰西斯式）（法兰西斯式）水流特点：水流特点：转轮区水流径向流入，轴向流出；转轮区水流径向流入，轴向流出；结构特点：结构特点：转轮由上冠，下环，叶片，泄水锥组成；转轮由上冠，下环，叶片，泄水锥组成；9 9 2222叶片（固定不动）。叶片（固定不动）。优点：优点：结构紧凑，运行稳定，高效区宽广，适用高水头结构紧凑，运行稳定，高效区宽广，适用高水头小流量电站（如刘家峡）。小流量电站（如刘家峡）。适用范围：适用范围：H=30H=30 700m700m，单机容量：几十，单机容量：几十kWkW几十万几十万kW kW 三峡转轮三峡转轮102.ZL式式（卡普兰式）（卡普兰式）水流特点：水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出；转轮区水流轴向流入，轴向流出；ZDZD式：式：特点：特点：叶片不能随工况变而转动。改变叶片转角叶片不能随工况变而转动。改变叶片转角 时需停机进行。结构简单，效率低。时需停机进行。结构简单，效率低。适用范围：适用范围：适适用用H、Q变变化不大（工况较稳），化不大（工况较稳），H:3H:3 50m50m。ZZZZ式：式：特点：特点：叶片能随工况变而转动，高效率区广，进行双叶片能随工况变而转动，高效率区广，进行双重调节（导叶开度、转轮叶片角度可调节）重调节（导叶开度、转轮叶片角度可调节）适用范围：适用范围：适用适用H、Q变化大，变化大，H:3H:3 80m80m大，中型电站多采大，中型电站多采用用11123.XL式式水流特点：水流特点：转轮区水流斜向流入，斜向流出；转轮区水流斜向流入，斜向流出；优点：优点：叶片能随工况变化而转动，高效率区宽广，进行叶片能随工况变化而转动，高效率区宽广，进行双重调节（导叶开度、转轮叶片角度可调节）双重调节（导叶开度、转轮叶片角度可调节）适用范围：适用范围：适用适用H变化大，变化大，H:40H:40 200m200m134.GL式式水流特点：水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出；转轮区水流轴向流入，轴向流出；全贯流式：全贯流式：发电机转子安装在转轮外缘。发电机转子安装在转轮外缘。优点：优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。水力损失小，过流量大，结构紧凑。半贯流式：半贯流式：轴伸式、竖井式、灯炮式。轴伸式、竖井式、灯炮式。适用范围：适用范围：适用适用H:2:225m,25m,小型河床电站。小型河床电站。14GL式式155.切击式切击式（培尔顿式）（培尔顿式）水流特点：水流特点：水流从喷嘴射出，沿转轮圆周切线方向冲击水流从喷嘴射出，沿转轮圆周切线方向冲击在斗叶上；转轮区水流压力为大气压。在斗叶上；转轮区水流压力为大气压。结构特点：结构特点：由喷嘴和转轮组成，叶片为水斗式。由喷嘴和转轮组成，叶片为水斗式。优点优点：安装高度不受空化条件限制；应用水头可很高。：安装高度不受空化条件限制；应用水头可很高。适用范围：适用范围：适用适用H 变化不大，负荷变化大的电站。变化不大，负荷变化大的电站。166.其他形式的水轮机其他形式的水轮机斜击式：斜击式：H：50 400m。构造简单，效率低。多用。构造简单，效率低。多用于中小型电站于中小型电站 。双击式：双击式：H：10 150m。构造简单，效率低，多用。构造简单，效率低，多用于小型电站。于小型电站。可逆式水泵水轮机可逆式水泵水轮机：分为混流式，斜流式，轴流式，：分为混流式，斜流式，轴流式，贯流式。适用于抽水蓄能电站和潮汐电站。贯流式。适用于抽水蓄能电站和潮汐电站。斜击式斜击式可可逆逆式式水水泵泵水水轮轮机机17反击式水轮机的构造反击式水轮机的构造 1.1.引水室引水室 引导水流均匀、轴对称进入导水机构；引导水流均匀、轴对称进入导水机构；形成一定速度环量，如形成一定速度环量，如蜗壳蜗壳（金属（金属、混凝土蜗壳）混凝土蜗壳）2.2.座环座环位于导叶外围，由上、下环和立柱组成；位于导叶外围，由上、下环和立柱组成；作用：作用：由上、下环和立柱组成，承受发电由上、下环和立柱组成，承受发电机组轴向荷载并传给基础；机组轴向荷载并传给基础；支承活动导叶支承活动导叶 。断面设计：断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。动导叶的一半。3.3.导水机构导水机构导水叶及其轴、调速器、接力器（转臂、导水叶及其轴、调速器、接力器（转臂、连杆、控制环连杆、控制环)；引导水流按一定方向进入转轮；引导水流按一定方向进入转轮；形成与改变进入转轮的速度环量；形成与改变进入转轮的速度环量；调节调节Q Q调节调节出力出力P P；关机时截断水流。关机时截断水流。184.4.转轮转轮（工作核心）（工作核心）能量转换。决定水轮机的能量转换。决定水轮机的尺寸、性能、结构。尺寸、性能、结构。5.5.泄水部件泄水部件（尾水管）（尾水管）回收能量；回收能量；排水排水至下游。至下游。6.6.主轴主轴将转轮机械能传递给发电机。将转轮机械能传递给发电机。7.7.轴承轴承承受水轮机轴上的荷载（径向力和轴向承受水轮机轴上的荷载（径向力和轴向力），并传递给基础。如水轮机导轴承。力），并传递给基础。如水轮机导轴承。水流流动方向：水流流动方向：水流水流蜗壳蜗壳座环座环导叶导叶转轮转轮尾水管尾水管下游下游19 水斗式水轮机的构造水斗式水轮机的构造 水流流动方向：水流流动方向：水流水流喷管喷管折流板折流板转轮转轮机壳机壳尾水槽尾水槽1.1.喷嘴喷嘴由喷嘴、喷管体、导水叶栅、喷针头、由喷嘴、喷管体、导水叶栅、喷针头、喷杆、操作机构组成喷杆、操作机构组成2.喷针喷针控制水轮机的过水流量，以行程表示。控制水轮机的过水流量，以行程表示。3.3.转轮转轮 轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。4.4.折向器折向器使针阀缓慢关闭，降低水击压力，使使针阀缓慢关闭，降低水击压力，使水流偏离水斗，避免机组转速升高。水流偏离水斗，避免机组转速升高。5.机壳机壳把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。般为铸钢件。20 水轮机类型及应用水头范围水轮机类型及应用水头范围类类 型型型型 式式 适应水头范围（适应水头范围（m m）反击式反击式HLHL式式混混 流流 式式4040700700混流可逆式混流可逆式8080600600ZLZL式式轴流转桨式轴流转桨式3 39090轴流定桨式轴流定桨式3 35050XLXL式式斜斜 流流 式式4040200200斜流可逆式斜流可逆式4040120120GLGL式式贯流转桨式贯流转桨式2 23030贯流定桨式贯流定桨式 冲击式冲击式 水斗式水斗式30030017001700斜击式斜击式2020300300双击式双击式5 510010021引水室引水室型式型式主轴布主轴布置型式置型式水轮机的牌号及装置形式水轮机的牌号及装置形式 转轮标称直转轮标称直径径(cm)等参数等参数 型号型号型式型式用比转速用比转速ns表示，可逆表示，可逆式前加式前加N一一.型号型号(由三部分组成由三部分组成)水轮机转轮标称直径（水轮机转轮标称直径（cm）作用于每个转轮上的射流数目作用于每个转轮上的射流数目射流直径（射流直径（cmcm）CJ式式22HL240LJ410 混流式水轮机，型号混流式水轮机，型号240（比转速），立轴（比转速），立轴金属蜗壳，转轮直径为金属蜗壳，转轮直径为410cm；ZZ440LH430 轴流转浆式水轮机，型号轴流转浆式水轮机，型号440（比转速），立轴（比转速），立轴混凝土蜗壳，转轮直径混凝土蜗壳，转轮直径430cm 2CJ30W120/210 水斗式水轮机，水斗式水轮机，2个转轮，型号个转轮，型号440（比转速），（比转速），卧式，转轮直径卧式，转轮直径1200cm，每个转轮上，每个转轮上2个喷嘴，射流个喷嘴，射流直径直径10cmSJ60W120/100 双击式水轮机，型号双击式水轮机，型号60（比转速），卧式，转轮（比转速），卧式，转轮直径直径120cm，转轮轴长度，转轮轴长度100cm例例 子：子：23二二.标称直径标称直径 D11 1混流式水轮机转轮直径是指其混流式水轮机转轮直径是指其转轮叶片转轮叶片进水边的最大直径；进水边的最大直径；2 2轴流式、斜流式和贯流式水轮机转轮直轴流式、斜流式和贯流式水轮机转轮直径是指径是指与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径；与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径；3 3冲击式水轮机转轮直径是指冲击式水轮机转轮直径是指转轮与射流转轮与射流中心线相切处的节圆直径。中心线相切处的节圆直径。24三三.装置型式装置型式 指水轮机轴的布置型式和引水室型指水轮机轴的布置型式和引水室型式相结合的总体。分为立式和卧式。式相结合的总体。分为立式和卧式。25引水机构水轮机蜗壳整机示意图导水机构水导叶工作机构转轮泄水机构尾水管调速器飞轮发电机水轮机26水轮发电机概述27水轮发电机组的型式按布置方式分：分为卧式和立式两种。按布置方式分：分为卧式和立式两种。卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击式水轮机。一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和伞式两种。伞式两种。推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机，它适用于转速在100r/min以上。推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机，无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适用于转速在150r/min以下。按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种 。28水轮发电机的主要作用水轮发电机的主要作用 将水轮机旋转的机械能最终转换成电能，将水轮机旋转的机械能最终转换成电能，其结构与性能的好坏对电站的安全、稳定、其结构与性能的好坏对电站的安全、稳定、高效运行起着致关重要的作用。高效运行起着致关重要的作用。水轮发电机组成水轮发电机组成 主要由定子、转子、机架、推力轴承、主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等部件组成。导轴承、冷却器、制动器等部件组成。29301.水轮机基本方程式guvuvHuu)(212131u方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程u水流与叶片相互作用，使得水轮机做功。水流通过水轮机时，叶片迫使水流动量矩发生变化，而水流以反作用力作用在叶片上，从而使转轮获得力矩。u水能转变为旋转机械能的必要条件：水流在转轮出口的能量小于进口处的能量，即转轮的进口和出口必须存在速度矩的差值。基本方程的物理意义3233u水轮机的总效率 =HVmu提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。根据模型试验得到。34353637图a(如图b)图b38叶型汽蚀叶型汽蚀39图c40 空腔汽蚀空腔汽蚀：图d41防止空蚀的措施 流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。1.设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗空蚀钢衬(不锈钢)。2.工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。3.运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时向尾水管补气。4243Hhgvvkkk52552244H9000.10 sHsH454647 484950510b20bHZZsas521XDsHaZsZsZaZsHXX1D5321DHZZsaszs+Hs-Hs54pashZZmax