水轮机的主要类型.doc

动能 水轮 发电机
水流能量 机械能 电能
势能 水泵 电动机

水 水轮机+发电机 ————> 水轮发电机组。功能：发电
轮 水 泵+电动机 ————> 水泵抽水机组。功能：输水
机 水 泵+水轮机 ————> 抽水蓄能机组。功能：抽水蓄能

本篇重要内容：水轮机(turbine)
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。研究的目的是充分利用水能资源，为厂房布置设计作准备。
第一章 水轮机的主要类型、构造及其工作原理
§1.1 水轮机的工作参数(working parameters)
一、基本概念
水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流便把自己的能量传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转作功。
水流流经水轮机时，水流能量发生改变的过程——水轮机的工作过程。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=9.81QHη 可知，其基本参数包括：工作水头H、流量Q、出力N、效率η，此外还有工作力矩M、机组转速n。
二、工作水头(working head)
如图所示，A—A为引水道进口，B—B为水轮机进口，C—C为尾水管出口，D—D为尾水渠。根据能量方程可以推导出：
1、 水电站的毛水头(nominal productive head)
Hm=EA-EC=ZA+HA=Z上—Z下
2 、水轮机的工作水头(working head)
HG=EB­ - ED=HM- hA-B
毛水头 - 水头损失=净水头(即水轮机的工作水头)
3 、特征水头(characteristic head)
水轮机的工作水头随上下游水位而变化，因此提出特征水头的概念，用于表示水轮机的运行工况和运行范围。特征水头一般由水能规划计算确定。
最大工作水头：
Hmax=Z正—Z下min—hA-B
Z正为上游正常设计水位，Z下min为下游最低水位，一般取一台机组发电时下游水位。
最小工作水头:
Hmin=Z死—Z下max—hA-B
Z死为上游死水位，Z下max为下游最高水位，一般取全部机组发电时的下游水位或汛期下泄安全泄量时的水位。
设计水头(计算水头)Hr
水轮机发额定出力时的最小水头，一般由设计者根据电站情况确定。
平均水头:
HCP=Z上CP—Z下CP 即上下游平均水位差。
三、流量(flow quantity)
单位时间内通过水轮机的水量Q(m3/s)。Q=f(H，N)
Q随H、N的变化而变化，H、N一定时，Q也一定，当H=Hr、N=N额时，Q为最大。
四、出力与效率(output and efficiency)
1 出力N： 指水轮机轴传给发电机轴的功率(输出功率)。
水轮机的输入功率(水流传给水轮机的能量)为：
(kW)。
水轮机的输出功率：
。
2 效率： η=N0/NI×100%
一般η=80%~95%。η<100%的原因：水流通过水轮机时，存在水头损失、水量损失、机械损失等各种能量损失。
五、工作力矩和转速(working moment and rotational speed)
水轮机的出力使主轴旋转做功，因此出力也可以用旋转机械运动公式来表达：

M——主轴力矩，用来克服发电机对主轴产生的阻力矩；
ω——水轮机旋转角速度，
n——转速，rpm(revolution per minute)，n=3000/p
p——发电机磁极对数
额定转速n：一般我国所用的电流频率为50赫兹，所以在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，并与发电的同步转速相等。

§1.2 水轮机的主要类型
水轮机主要利用水能做功，将水能转换为旋转机械能。列转轮进出口能量方程：

即Ep+Ec=1。根据水流作用原理分：
冲击式：Ep=0 EC=1 完全利用水流动能；
反击式：0<EP<1 Ep+Ec=1 以利用势能为主。
一、 反击式水轮机(reaction water turbine)

混流式 轴流式
1 特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流式连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都由水流通过，积水流充满转轮室。
2 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。
3 类型：
(1)、混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。
适用范围：H=30~700 m , 单机容量：几万kW~几十万kW
优点：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。（刘家峡）
(2)、轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。
(a)、轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。 结构简单，效率低。适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定）， H：3~50m。
(b)、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）。适用水头流量的变化，高效率区广，大中型电站多采用。 H：3~80m。（葛洲坝：17万kW、12.5万kW，Hr=27m）。
(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。 H=40~120m。

(4)、贯流式：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。H<20m,小型河床电站。
全贯流式： 发电机转子安装在转轮外缘。优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。
半贯流式： 轴伸式、竖井式、灯炮式。

贯流式
二、 冲击式水轮机(Inpulse water tubine)
1、 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。
2、 类型：
(1)、水斗式：特点是由喷泉嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。 适用H：100~2000m；使用最广泛（高水头，小流量）。
(2)、斜击式：H：25~300m。 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，
(3)、双击式：H：5~80m。 多用于小型电站。

小结

§1-3 水轮机的基本构造(Turbine structure)
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。
一、 混流式水轮机
水流 ——> 蜗壳——>座环——>导叶 ——>转轮——>尾水管——>下游

1、蜗壳

蜗壳的作用是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：水轮机的骨架，承受机墩及伟来的荷载，并伟到下部基础；支承活动导叶；
断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。
3、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（转臂、连杆、控制环)
1)、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。
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
(2)、调速器
(3)、接力器
4、转轮： 水能——>机械能
组成：轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥

5、尾水管

尾水管的作用是引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。
二、 轴流式水轮机的构造

轴流式水轮机除了转轮外，其它部件均与混流式相似。
1、轴流式水轮机特点：
(1)、转速高，当H，N相同时，是混流式的2倍，尺寸较小。
(2)、转轮叶片可以转动（双调），H、N变化时，水轮机具有较高的效率。
2、转轮构造：（轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站）

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。
-150­>Φ<+200
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，高速导叶角度。
三、斜击式水轮机构造

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，与高水头轴流转浆式水轮机基本相同
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。
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(红色的为转子)
五、冲击式水轮机构造(水斗式)

1、水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、机壳、尾水槽
水流——>喷管——>折流板——>转轮——>机壳——>尾水槽
(1)、转轮
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、导水叶栅、喷针头、喷杆、操作机构
针阀： 控制水轮机的过水流量，以行程表示。
(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。
2、水斗水轮机的装置方式
(1)、卧轴：中小型水轮机。单喷嘴、双喷嘴、单转轮、双转轮。
(2)、立轴：大型水轮机。
§1-4 水轮机的型号及标称直径
一、 反击式水轮机的型号(由三部分组成)
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
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
二、 冲击式水轮机的型号
2CJ30——W—— 120/2×10
三、 各种水轮机转轮标称直径D1 (图1-29)

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
D1规定系列尺寸见表4—6