第一章 緒 論

1、能源動力工程學院 何寶海,水輪機,,能源動力工程學院 何寶海,第一章 緒 論,第一節(jié) 水電站與水輪機第二節(jié) 水輪機的工作參數第三節(jié) 水輪機的類型及使用范圍第四節(jié) 水輪機結構概述第五節(jié) 水輪機的牌號及裝置方式第六節(jié) 現代水輪機的發(fā)展,,能源動力工程學院 何寶海,第一節(jié) 水電站與水輪機,自然界有多種能源，目前已被開發(fā)利用的能源中主要有熱能、水能、風能、核能和太陽能。其中水能是一種最經濟的能源，也是一種永遠消耗不盡的能源。

2、利用水能發(fā)電是最經濟的電能轉換方式。,1.設備簡單。,,2.發(fā)電成本低，運行、維護、管理等簡單。,3.啟動快。,4.污染少。,適于調峰、調頻、事故備用等。,優(yōu)點：,能源動力工程學院 何寶海,水電站：借助水工建筑物和機電設備將水能轉換為電能的生產部門。,壩后式水電站樞紐斷面圖,,能源動力工程學院 何寶海,水電站的型式,根據集中水頭的方式分為：1.壩式水電站由壩抬高上游水位形成水頭。如豐滿、葛洲壩、三峽等。,,2.引水式水電站由引

3、水管（渠）道形成水頭。如隔河巖等。,3.混合式水電站 電站的水頭一部分由壩集中，另一部分由引水道形成。如白山、龍羊峽等。,能源動力工程學院 何寶海,,,壩后式水電站樞紐橫剖面示意圖,能源動力工程學院 何寶海,,水庫；2—閘門室；3—進水口；4—壩；5—泄水道；6—調壓室7—有壓隧道；8—壓力管道；9—廠房；10—尾水渠,,有壓引水式水電站示意圖,能源動力工程學院 何寶海,水輪機：能將河流水中蘊藏的水能轉換成旋轉機械能的機械。水

4、輪機通過主軸帶動發(fā)電機將旋轉機械能轉換成電能。水輪發(fā)電機組：水輪機與發(fā)電機聯接成的整體稱為水輪發(fā)電機組，它是水電廠的最主要的動力設備。,,能源動力工程學院 何寶海,第二節(jié) 水輪機的工作參數,工作水頭（H）流量（Q）轉速（n）功率（N）和效率（η）例題,水輪機作為水力原動機將水能轉換成機械能的過程稱為水輪機的工作過程。反映工作過程特性的參數稱為水輪機工作參數。,,能源動力工程學院 何寶海,一、水輪機工作水頭,水電站和水輪機的

5、水頭示意圖,水輪機工作水頭是指水輪機進、出口斷面處單位重量的水流能量之差，用H表示，單位為m 。,水電站水頭是指電站水庫上、下游水位之差，也稱電站靜水頭，用Hg表示，單位為m 。,,能源動力工程學院 何寶海,,上式中H是水輪機做功的有效水頭，也稱為水輪機的凈水頭。,電站水頭和水輪機水頭的關系,列出水輪機進、出口斷面的能量方程，根據水輪機工作水頭的定義可寫出其基本表達式：,能源動力工程學院 何寶海,,同樣列水輪機出口Ⅱ-Ⅱ斷面和下游T

6、-T的能量方程,,,列上游A-A斷面和Ⅰ-Ⅰ斷面的能量方程,由上式得到,將上式代入進口能量表達式，得到,,代入水輪機出口能量表達式，得到,,電站水頭和水輪機水頭的關系,能源動力工程學院 何寶海,由于,則,由此可見，水輪機工作水頭是電站毛水頭和引水建筑物中水頭損失之差。,水輪機工作水頭隨電站上下游水位變化而改變，工程實際中一般用如下幾個特征水頭表示水輪機工作水頭的范圍：Hmax、Hmin、Ha和Hr。,,所以,能源動力工程學院 何寶

7、海,特征水頭,1.最大水頭（ Hmax ），是允許水輪機運行的最大凈水頭。它對水輪機結構的強度設計有決定性的影響。2.最小水頭（Hmin），是保證水輪機安全、穩(wěn)定運行的最小凈水頭。3.加權平均水頭（Ha），是在一定期間內（視水庫調節(jié)性能而定），所有可能出現的水輪機水頭的加權平均值，是水輪機在其附近運行時間最長的凈水頭。4.設計水頭（Hr），是水輪機發(fā)出額定出力時所需要的最小凈水頭。水輪機的工作水頭，表明水輪機利用水流單位

8、機械能的多少，是水輪機最重要的工作參數，其大小直接影響著水電站的開發(fā)方式、機組類型以及電站的經濟效益等技術經濟指標。,,能源動力工程學院 何寶海,二、流量,流量：單位時間內通過水輪機某一既定過流斷面的水流體積，常用符號Q表示，常用的單位為m3/s。,,設計流量：在設計水頭下，水輪機以額定轉速、額定出力運行時所對應的水流量稱為設計流量，常用Qr表示，它是水輪機發(fā)出額定出力時所需要的最大流量。,限制流量：對應于限制工況的水輪機流量。,能源

9、動力工程學院 何寶海,水輪機的轉速是水輪機轉輪（主軸）在單位時間內旋轉的次數，常用符號n表示，常用單位為r/min。同步轉速。,三、轉速,四、出力與效率,由于水流通過水輪機時存在一定的能量損耗，所以水輪機出力總是小于水流出力。水輪機的輸入和輸出功率之比稱為水輪機的效率，用符號η表示，其值小于1。 η 表示水輪機對水流能量的有效利用程度。,,水輪機出力是指水輪機軸端輸出的功率，常用符號N表示，常用單位kw。額定出力。 水輪機

10、的輸入功率為單位時間內通過水輪機的水流的總能量，即水流的出力，常用符號Ni表示，則,能源動力工程學院 何寶海,四、出力與效率（續(xù)）,,由此，水輪機的出力可寫成,水輪機將水能轉化為水輪機軸端的出力，產生旋轉力矩用來克服發(fā)電機的阻抗力矩，并以角速度ω旋轉。水輪機出力、旋轉力矩和角速度之間有以下關系式,,上式中,M—水輪機軸的旋轉力矩，,當發(fā)電機發(fā)出額定功率時相應的水輪機軸功率稱為水輪機額定功率，用Nr表示。,,能源動力工程學院 何寶海,

11、例1：某河床式電站在設計工況下上游水位Z上=63m，下游水位Z下=44.4m通過水輪機的流量為825m3/s，發(fā)電機效率為0.968，水輪機效率為0.86，如忽略引水建筑物中的水力損失，求水流出力、水輪機出力和機組出力。,由水流出力計算公式有,由水輪機出力計算公式有,由機組出力計算公式有,,解 由于?hA-1=0，所以有,能源動力工程學院 何寶海,解 將水輪機出口斷面取在下游端面，則由水輪機水頭計算公式有,,例2 在水輪機效率試驗

12、時，在某一開度下測得下列數據：蝸殼進口壓力表讀數2.26kg/cm2（22.16*103Pa），壓力表中心高程88.7m，壓力表所在處鋼管直徑D=3.35m，電站下游水位為84.9m，流量為33m3/s，發(fā)電機功率Ng=7410kw。取發(fā)電機效率為0.966，求機組效率和水輪機效率。,能源動力工程學院 何寶海,第三節(jié) 水輪機的類型及使用范圍,,由于水能資源條件的千差萬別，不同水電站所能利用的水頭和流量差別也很大，因此需要有各種類型的水

13、輪機來適應不同水能資源條件，以便能充分和有效地利用水能資源。 根據水輪機利用能量的不同可分為：1.反擊式; 2.沖擊式,能源動力工程學院 何寶海,反擊式水輪機轉輪區(qū)域內的水流在通過轉輪葉片流道時，始終是連續(xù)充滿整個轉輪的有壓流動，并在轉輪空間曲面型葉片的約束下，連續(xù)不斷地改變流速的大小和方向，從而對轉輪葉片產生一個反作用力，驅動轉輪旋轉。當水流通過水輪機后，其動能和勢能大部分被轉換成轉輪的旋轉機械能。,1.混流式水輪機

14、2.軸流式水輪機3.斜流式水輪機4.貫流式水輪機,一、反擊式水輪機,,能源動力工程學院 何寶海,水流從四周沿徑向進入轉輪，然后近似以軸向流出轉輪?；炝魇剿啓C應用水頭范圍較廣，約為20～700m，結構簡單，運行穩(wěn)定且效率高，適應水頭范圍廣，是應用最廣泛的一種水輪機。,1.混流式水輪機,,能源動力工程學院 何寶海,水流在導葉與轉輪之間由徑向流動轉變?yōu)檩S向流動，而在轉輪區(qū)內水流保持軸向流動，軸流式水輪機的應用水頭約為3～80m。軸

15、流式水輪機在中低水頭、大流量水電站中得到了廣泛應用。 根據其轉輪葉片在運行中能否轉動，又可分為軸流定槳式和軸流轉槳式水輪機兩種。,2.軸流式水輪機(1),,能源動力工程學院 何寶海,軸流定槳式水輪機的轉輪葉片是固定不動的，因而結構簡單、造價較低，但它在偏離設計工況運行時效率會急劇下降，因此，這種水輪機一般用于水頭較低、出力較小以及水頭變化幅度較小的水電站。,2.軸流式水輪機(2),,軸流轉槳式水輪機的轉輪葉片可以根據運行工況的

16、改變而轉動，從而擴大了高效率區(qū)的范圍，提高了運行的穩(wěn)定性。但是，這種水輪機需要有一個操作葉片轉動的機構，因而結構較復雜，造價較高，一般用于水頭、出力均有較大變化幅度的大中型水電站。,能源動力工程學院 何寶海,水流在轉輪區(qū)內沿著與主軸成某一角度的方向流動。斜流式水輪機的轉輪葉片大多做成可轉動的形式，具有較寬的高效率區(qū)，適用水頭在軸流式與混流式水輪機之間，約為40～200m。它是在50年代初為了提高軸流式水輪機適用水頭而在軸流轉槳式水輪機

17、基礎上改進提出的新機型，其結構形式及性能特征與軸流轉槳式水輪機類似，但由于其傾斜的槳葉操作機構結構特別復雜，加工工藝要求和造價均較高，所以一般只在大中型水電站中使用，目前這種水輪機應用還不普遍。,3.斜流式水輪機,,能源動力工程學院 何寶海,貫流式水輪機是一種流道近似為直筒狀的臥軸式水輪機，它不設引水蝸殼，葉片可做成固定的和可轉動的兩種。 貫流式水輪機的適用水頭為1～25m，適用于低水頭、大流量的水電站。由于其臥軸式布置及流道

18、形式簡單，所以土建工程量少，施工簡便，因而在開發(fā)平原地區(qū)河道和沿海地區(qū)潮汐等水力資源中得到較為廣泛的應用。根據其發(fā)電機裝置形式的不同，分為全貫流式和半貫流式兩類。,4.貫流式水輪機(1),,能源動力工程學院 何寶海,全貫流式水輪機的發(fā)電機轉子直接安裝在轉輪葉片的外緣。它的優(yōu)點是流道平直、過流量大、效率高。但由于轉輪葉片外緣的線速度大、周線長，因而旋轉密封困難。目前這種機型已很少使用。,全貫流式水輪機,4.貫流式水輪機(2),,能源動

19、力工程學院 何寶海,半貫流式水輪機有軸伸式、豎井式和燈泡式等裝置形式，其中軸伸式和豎井式結構簡單、維護方便，但效率較低，一般只用于小型水電站。目前廣泛使用的是燈泡貫流式水輪機，其結構緊湊、穩(wěn)定性好、效率較高，其發(fā)電機布置在被水繞流的鋼制燈泡體內，水輪機與發(fā)電機可直接聯接，也可通過增速裝置聯接。,軸伸貫流式水輪機,豎井貫流式水輪機,燈泡貫流式水輪機,4.貫流式水輪機(3),,能源動力工程學院 何寶海,二、沖擊式水輪機,沖擊式水輪機的轉

20、輪始終處于大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進入水輪機之前已轉變成高速自由射流，該射流沖擊轉輪的部分輪葉，并在輪葉的約束下發(fā)生流速大小和方向的改變，從而將其動能大部分傳遞給輪葉，驅動轉輪旋轉。在射流沖擊輪葉的整個過程中，射流內的壓力基本不變，近似為大氣壓。,沖擊式水輪機按射流沖擊轉輪的方式不同可分為：1.水斗式2.斜擊式3.雙擊式,能源動力工程學院 何寶海,水斗式水輪機，亦稱切擊式水輪機。從噴嘴出來的高速自由射流沿轉輪圓周切

21、線方向垂直沖擊輪葉。這種水輪機適用于高水頭、小流量的水電站，特別是當水頭超過400m時，由于結構強度和氣蝕等條件的限制，混流式水輪機已不太適用，則常采用水斗式水輪機。,1.水斗式,,能源動力工程學院 何寶海,從噴嘴出來的自由射流沿著與轉輪旋轉平面成一角度的方向，從轉輪的一側進入輪葉再從另一側流出輪葉。與水斗式相比，其過流量較大，但效率較低，因此這種水輪機一般多用于中小型水電站，適用水頭一般為20～300m。,2.斜擊式,,能源動力工程

22、學院 何寶海,從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊在轉輪葉片上。這種水輪機結構簡單、制作方便，但效率低、轉輪葉片強度差，僅適用于單機出力不超過1000kW的小型水電站，其適用水頭一般為5～100m。,3.雙擊式,,能源動力工程學院 何寶海,,,水輪機類型及應用水頭范圍,,能源動力工程學院 何寶海,反擊式水輪機通常由四大部件組成：即引水、導水、轉輪及泄水部件。這四大部件對于不同類型的水輪機，又不完全相同，有著自身的特點 。,第四節(jié) 水輪機結

23、構概述,能源動力工程學院 何寶海,一、引水部件,引水室（蝸殼）的作用：以最小的損失均勻軸對稱地把水流引入導水機構，并使水流具有一定的旋轉（環(huán)量）。,,能源動力工程學院 何寶海,一、引水部件（2）,座環(huán)的作用：承受水輪發(fā)電機組的重量，蝸殼上部部分混凝土重量以及水壓力，并將其傳遞基礎混凝土。在結構上它要求有足夠的強度和剛度。,,能源動力工程學院 何寶海,二、導水部件,作用：主要是形成和改變進入轉輪的水流環(huán)量；并通過改變導葉位置，實現對

24、導葉出口水流速度大小和方向的改變，達到控制流量調整出力的目的。,,能源動力工程學院 何寶海,三、泄水部件,反擊式水輪機尾水管作用如下：1.將轉輪出口處的水流引向下游；2.利用下游水面至轉輪出口處的高程差，形成轉輪出口處的靜力真空；3.利用轉輪出口的水流動能，將其轉換成為轉輪出口處的動力真空。,,能源動力工程學院 何寶海,根據我國“水輪機型號編制規(guī)則”規(guī)定，水輪機的型號由三部分組成，每一部分用短橫線“—”隔開。第一部分：由漢語

25、拼音字母與阿拉伯數字組成，其中拼音字母表示水輪機型式，阿拉伯數字表示轉輪型號，入型譜的轉輪的型號為特征比轉速值，未入型譜的轉輪的型號為各單位自己的編號，舊型號為模型轉輪的編號；可逆式水輪機在水輪機型式后加“N”表示。第二部分：由兩個漢語拼音字母組成，分別表示水輪機主軸布置形式和引水室的特征；第三部分：以cm表示的水輪機轉輪標稱直徑。水輪機型號中常見的代表符號如下表所示。對于沖擊式水輪機，上述第三部分應表示為：轉輪標稱直徑（cm）

26、/每個轉輪上的噴嘴數×射流直徑（cm）。示例。,第五節(jié) 水輪機的牌號及裝置方式,能源動力工程學院 何寶海,代號表,,能源動力工程學院 何寶海,水輪機的轉輪標稱直徑（簡稱轉輪直徑）的有關規(guī)定,,1．混流式水輪機轉輪直徑是指其轉輪葉片進水邊的最大直徑；2．軸流式、斜流式和貫流式水輪機轉輪直徑是指與轉輪葉片軸線相交處的轉輪室內徑；3．沖擊式水輪機轉輪直徑是指轉輪與射流中心線相切處的節(jié)圓直徑。,能源動力工程學院 何寶海,

27、,注：表中括號內的數字僅適用于軸流式水輪機。,反擊式水輪機轉輪標稱直徑系列 單位：cm,能源動力工程學院 何寶海,水輪機型號示例,1.HL200-LJ-550，表示轉輪型號為200的混流式水輪機，立軸、金屬蝸殼，轉輪直徑為550cm。2.ZZ560-LH-800，表示轉輪型號為560的軸流轉槳式水輪機，立軸、混凝土蝸殼，轉輪直徑為500cm。3. ZZ560a-LH-1130，表示轉輪型號為560改進型的軸流轉槳