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水轮机及辅助设备 情景1 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、效率和转速n等。1.1.1 水轮机水头H1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-断面，出口断面取在尾水管出口-断面，则净水头为 （1-1）式中：ZI 、ZII分别为断面-和-处相对于某基准的位置高度，m；、分别为断面-和-处的流体压强，Pa； 、分别为-和-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-和-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P1 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25700轴流式轴流转桨式380轴流调桨式、定桨式350斜流式40120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）1002000斜击式20300双击式51501.2.2 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30450m。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25300m。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380m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350m。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40120m。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220m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40250m，大型水斗式水轮机用于200450m水头的电站，目前最高应用水头达1772 m。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22.5）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25300m。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5150m。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50700m；斜流式的应用水头为20200m；轴流式的应用水头为1540 m。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/T 9579-1999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/T2900.451996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1 HL220/A153WJ84：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2 ZZ560LH1130：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3 XLB200LJ300：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4 GD800WP250：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5 CJ22W120210：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6 SJ40W5040：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。11