(河海大学)水轮机类型、构造及工作原理-水电站演示幻灯片.ppt

1,知识要点：,水轮机的型号，反击式、冲击式、可逆式等水轮机的类型、结构以及对厂房结构布置影响。水流在转轮中的运动、基本方程、能量损失、水轮机的最优工况；水轮机的气蚀、吸出高度和安装高程。,重点难点：,各种类型水轮机的特点、结构及其对厂房结构布置的影响；速度三角形的概念；水轮机基本方程的物理意义；水轮机的能量损失及其最优工况。,第一章 水轮机类型及构造,2,第一章 水轮机类型及构造,第一节 水力机械的种类,第二节 水轮机的工作参数,第三节 水轮机的主要类型及其构造,第四节 水轮机的型号,第五节 水流在水轮机转轮中的运动,第六节 水轮机基本方程,第七节 水轮机的效率及最优工况,第一章 水轮机类型、构造及工作原理,3,第一节 水力机械的种类,第一节 水力机械的种类,4,运动的,水体,动 能,势 能,水力机械旋转运动,压力势能,位置势能,第一节 水力机械的种类,5,第二节 水轮机的工作参数,6,水能减少（水轮机）,水能增加（水泵）,水力工作机,水 能,机械能,水力原动机,第一节 水力机械的种类,7,第二节 水轮机的工作参数,第二节 水轮机的工作参数,8,参数：水头、流量、功率、效率、转速等,一、水头,Head,第二节 水轮机的工作参数,9,第二节 水轮机的工作参数,10,装机容量,（,Installed Capacity）,发电机的输出功率,第二节 水轮机的工作参数,11,水轮机可以有不同转速，但,H,一定时，一定的转轮直径,D,1,有一个效率最高的转速,n,，通常由此转速选择相近的同步发电机转速。,同步转速,同 轴,电工学中：,二、转速,Speed of rotation,第二节 水轮机的工作参数,12,磁极对数 P,3,4,5,6,7,8,9,10,12,同步转速n(r/min),1000,750,600,500,428.6,375,333.3,300,250,磁极对数 P,14,16,18,20,22,24,26,28,30,同步转速n(r/min),214.3,187.5,166.7,150,136.4,125,115.4,107.1,100,磁极对数 P,3234,36,38,40,42,44,48,50,同步转速n(r/min),93.8,88.2,83.3,79,75,71.4,68.2,62.6,60,磁极对数与同步转速系列,第二节 水轮机的工作参数,13,第三节 水轮机的主要类型 及其构造,第三节 水轮机的主要类型及其构造,14,水流能量转换特征,反 击 式,冲 击 式,水轮机的主要类型,第三节 水轮机的主要类型及其构造,15,水轮机所获得的能量,H,0,2,1,第三节 水轮机的主要类型及其构造,16,该式表明水轮机所利用的水流能量为水流的势能,E,p,与动能,E,d,之和,E,p,=0,E,d,=1,冲击式水轮机,(,只利用水流动能,)0E,p,1,E,p,+E,d,=1,反击式水轮机,(,既利用动能也利用势能,),第三节 水轮机的主要类型及其构造,17,水轮机,混流式,轴流式,斜流式,贯流式,混流式,斜流式,轴流式,贯流式,冲击式,可逆式,反击式,轴流定浆式,轴流转浆式,水斗式,双击式,斜击式,全贯流式,半贯流式,水轮机的分类,灯泡式,轴伸式,竖井式,第三节 水轮机的主要类型及其构造,18,一、反击式水轮机,R,eaction turbine,Description of the contents,Description of the contents,Description of the contents,动量改变（转轮作用于水产生）,水流对转轮产生反作用力,转轮旋转,流过转轮的水流是连续的,同一时间内所有转轮叶片间的流道都有水流通过,水流,V,大小、方向改变,第三节 水轮机的主要类型及其构造,19,水流特征：幅向进入转轮，轴向流出转轮,适用水头：,20500m，H,max,=734m,叶片：固定,1020片,最高效率 ：,94%,单机容量：,几十kW 几十万kW,实例：,最高水头,734m,（奥地利依斯林电站）,最大单机出力,716MW,（美国大古力电站）,1,混流式,（Francis turbine、Mix-flow turbine）,第三节 水轮机的主要类型及其构造,20,混流式水轮机转轮,第三节 水轮机的主要类型及其构造,21,混流式水轮机的基本构造,第三节 水轮机的主要类型及其构造,22,混流式水轮机的基本构造,第三节 水轮机的主要类型及其构造,23,混流式水轮机的基本构造,蜗壳,spiral case,蜗壳,spiral case,座,环,stay ring,导水机构,Distributor,转轮,runner,尾水管,draft tube,第三节 水轮机的主要类型及其构造,24,使水流产生圆周运动并引导水流均匀地、轴对称地进入座环。,第三节 水轮机的主要类型及其构造,25,混流式水轮机的基本构造,蜗壳,spiral case,座,环,stay ring,导水机构,Distributor,转轮,runner,尾水管,draft tube,座环,stay ring,第三节 水轮机的主要类型及其构造,26,组成：,上环、下环及支柱组成。,作用：,支承水轮发电机组的重量及蜗壳上部部分混凝土的重量，并将此巨大的荷载通过支柱传给厂房基础。,第三节 水轮机的主要类型及其构造,27,混流式水轮机的基本构造,蜗壳,spiral case,座,环,stay ring,导水机构,Distributor,转轮,runner,尾水管,draft tube,导水机构,Distributor,第三节 水轮机的主要类型及其构造,28,主要为翼型活动导叶,作用：,调节水轮机的流量；,引导水流按必须的方向进入,转轮形成一定的速度矩。,导叶,开度,opening,a,0,(mm),：,表征导叶所处位置的特征参数,动画演示,第三节 水轮机的主要类型及其构造,29,第三节 水轮机的主要类型及其构造,30,导叶数,Z,0,与水轮机直径有关,导叶的主要几何参数有：,主要与水轮机型式有关，水头愈高，,b,0,/D,1,愈小,导叶,相对高度,b,0,/D,1,应满足导叶在最大可能开度时，不碰到固定导叶及转轮,导叶轴,分布圆直径,D,0,第三节 水轮机的主要类型及其构造,31,混流式水轮机的基本构造,蜗壳,spiral case,座,环,stay ring,导水机构,Distributor,转轮,runner尾水管,draft tube,转轮,runner,第三节 水轮机的主要类型及其构造,32,减压孔,补气装置,泄水锥,翼型扭曲叶片,(,1221,片,),止漏环,(,迷宫环,),第三节 水轮机的主要类型及其构造,33,混流式水轮机的基本构造,蜗壳,spiral case,座,环,stay ring,导水机构,Distributor,转轮,runner,尾水管,draft tube,尾水管,draft tube,第三节 水轮机的主要类型及其构造,34,将通过转轮做完功的水流排入下游河道，并回收转轮出口水流的部分能量。,第三节 水轮机的主要类型及其构造,35,水流特征：水流流过转轮时始终是沿轴向的适用水头：,270m,叶片：定浆或转浆,单机容量：,几十kW十几万可kW,实例：葛洲坝水电站,17万kW/单机,2,轴流式,（Kaplan/axial-flow turbine,）,第三节 水轮机的主要类型及其构造,36,轴流式水轮机叶片安放角,第三节 水轮机的主要类型及其构造,37,立轴式水轮机,（vertical turbine with fixed blades）,轴流定桨式水轮机转轮,第三节 水轮机的主要类型及其构造,38,轴流转浆式水轮机转轮,（runner of Kaplan turbine）,第三节 水轮机的主要类型及其构造,39,轴流式水轮机的特点,1,轴流式水轮机的叶片：,沿轮毂四周均匀分布的空间扭曲的翼形曲面体，叶片数一般为,4-8,片,，叶片数愈多，适用水头愈大。,2,叶片的安放角,：,一般在,-15+20,之间，,0,叶,片往开启方向转动，,0,反之。,安放角,第三节 水轮机的主要类型及其构造,40,3,叶片转动的操作机构安装在轮毂内,4,轮毂比（轮毂直径,d,g,与转轮直径,D,1,的比值）：,0.330.55,5,水轮机转轮室,内壁经常承受很大的脉动水压力。,轴流式水轮机的特点,第三节 水轮机的主要类型及其构造,41,脉动水压力和水流的漏损,存在的问题,第三节 水轮机的主要类型及其构造,42,水流特征：从流道进口到尾水管出口,均沿轴向（没有蜗壳）,适用水头：,140m,叶片：定浆或转浆,单机容量：,几kW几万kW,效率：,9092%,3,贯流式,（Tubular,turbine,）,第三节 水轮机的主要类型及其构造,43,灯泡贯流式水轮机,Bulb tubular turbine,水流基本沿轴向、不转弯,外形象管道且,主轴卧置,第三节 水轮机的主要类型及其构造,44,水流特征：,水流方向与主轴斜交，,斜向水流,适用水头：,20200m,叶片：转浆,812片,单机容量：,几千kW十几万kW,实例：小浪底,15万kW/单机,4,斜流式,（D,eriaz turbine,）,第三节 水轮机的主要类型及其构造,45,1,叶片转动轴线与水轮机主轴成,45 60,的锥角，叶片数,812片,。,2,转轮叶片,操作机构,注 意,当由于轴向水推力和温度变化等引起水轮机轴向位移时，其叶片不得与转轮室内壁接触。,斜流式水轮机的特点：,第三节 水轮机的主要类型及其构造,46,二、冲击式水轮机,Impulse turbine,水流特征：,水流以自由射流的水柱冲击转轮，利用水流动能使转轮旋转。,型式：,水斗式,（,Pelton Turbine,）,双击式,（,Cross flow turbine,）,斜击式,（,Turgo turbine,）,水斗式水轮机,第三节 水轮机的主要类型及其构造,47,管帽,转 轮,斜击式转轮进水示意图,针阀,轮叶,斜击式水轮机转轮,第三节 水轮机的主要类型及其构造,48,适用水头：,小型：,40250m,大型：,400 1000m,H,max,=,1767m,单机容量：,几十千,kW,十几万,kW,实例：磨房沟水电站,12500kW/,单机,第三节 水轮机的主要类型及其构造,49,喷嘴前折流板：,避免因喷针快速移动导致在压力钢管内产生过高得水锤压力。,右下侧导流板：,防止水流飞溅而造成附加损失。,特点：,可设多个喷嘴和多个转轮。,大中型：立式布置；中小型：卧式布置。,流量调节：喷针和喷嘴构成的针阀,3,1,转轮由轮盘及沿轮盘圆周均匀分布的勺形戽斗组成,2,第三节 水轮机的主要类型及其构造,50,冲击式水轮机,卧轴水斗式水轮机,vertical Pelton turbine,立轴水斗式水轮机,horizontal Pelton turbine,第三节 水轮机的主要类型及其构造,51,发电：水轮机运行,抽水：水泵运行,适用水头：,混流式：,30600m,斜流式、轴流式,实例：密云，,1.1/1.5,万,kW,三、可逆式水轮机,（水泵水轮机）,Reversible turbine Pumped turbine,中水头：,15150m,低水头：,520m,第三节 水轮机的主要类型及其构造,52,大型,中型,小型,主轴布置方式,出力,3,万,kW,转轮直径,3m,的轴流式,2.25m,的混流式,出力,3,万,kW转轮直径,3m,的轴流式,2.25m,的混流式,出力,1,万,kW,转轮直径,1.4m,的轴流式,1.0m,的混流式,卧式：,D,1,1m,立式：,D,1,1m,四、大中小型水轮机的划分,第三节 水轮机的主要类型及其构造,53,第四节 水轮机的型号,第四节 水轮机的型号,54,Z,轴伸式,X,虹吸式,S,竖井式,G,罐式,M,明槽式,P,灯炮式,H,混凝土蜗壳,J,金属蜗壳,代号,型式,引水室特征,GD,贯流定浆式,N,可逆式,GZ,贯流转浆式,ZD,轴流定浆式,ZZ,轴流转浆式,XL,斜流式,HL,混流式,代号,型式,水轮机型号,HL,200,L,J,500,一、反击式水轮机的型号,转轮型号（用比转速表示）,W,卧轴,L,立轴,代号,型式,主轴布置型式,转轮标称直径（厘米）,第四节 水轮机的型号,55,二、冲击式水轮机的型号,设计射流直径（厘米）,每个转轮上的喷嘴数,转轮标称直径（厘米）,主轴布置型式,2 CJ 20 W-120/210,转轮型号,水轮机型号,一根轴上装的转轮数,第四节 水轮机的型号,56,关于转轮直径,D,1,的规定,混流式,转轮进口边的最大直径,轴流式,转轮室的最大直径,斜流式,转轮叶片的转动轴线和转轮室相交点的圆的直径,冲击式,切于喷嘴流出的射流中心线的圆周直径,第四节 水轮机的型号,57,反击式水轮机转轮标称直径系列(单位:,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,第四节 水轮机的型号,58,XLN200-LJ-300,转轮型号为200（比转速）的斜流可逆式水轮机，立轴，金属蜗壳引水，转轮标称直径300厘米,GD600-WP-250,转轮型号为600（比转速）的贯流定桨式水轮机，卧轴，灯泡式引水，转轮标称直径250厘米,CJ26-W-125/112.1,一根轴上只装一个转轮的冲击式水轮机，转轮型号26（比转速），卧轴，转轮直径125厘米，单喷嘴设计射流直径12.1厘米,举例,第四节 水轮机的型号,59,第五节 水流在水轮机转轮中的运动,第五节 水流在水轮机转轮中的运动,60,恒定流：任一流体的物理量（如,V,）不随时间变化,非恒定流：,V=V(t),水轮机内的水流运动,H=H,（,t,），,Q=Q,（,t,）,V=V,（,x,y,z,t,）,第五节 水流在水轮机转轮中的运动,61,稳定工况,H,、,Q,、,n,不变 蜗壳、导叶、尾水管中为恒定流,转轮中的流动,相对于旋转坐标：,恒定流，流线与迹线重合,相对于绝对坐标：,非恒定流,第五节 水流在水轮机转轮中的运动,62,假设,水流从导叶流出时是轴对称的,进入转轮的水流也是轴对称的,水流在转轮中流速的合成,相对运动:水从转轮进口沿着叶片流道至转轮出口,牵连运动:水流质点同时和转轮一起旋转的圆周运动,绝对运动,相对运动,牵连运动(圆周运动),绝对运动,第五节 水流在水轮机转轮中的运动,混流式水轮机转轮内的流面和轴面,63,水流质点绝对速度,V,的分解,对于轴流式，,U,1,=U,2,=U，V,r,=0,A,V,u,U,W,V,V,m,第五节 水流在水轮机转轮中的运动,64,第六节 水轮机基本方程,第六节 水轮机基本方程,65,原理:动量矩定律,单位时间内水流对水轮机的,动量矩的改变,=作用在该水流上的,外力对同一轴的力矩,水轮机基本方程,转轮所获得的能量,水流的能量,第六节 水轮机基本方程,66,取流面上一微小流束,列出动量矩方程,外力对转轴的力矩,第六节 水轮机基本方程,67,第六节 水轮机基本方程,68,方 程 实 质,水流能量转换为转轮旋转能量的能量平衡方程,既适用于反击式水轮机，也适用于冲击式水轮机,没有水流动量矩的改变，转轮就不可能获得水流的能量做功,第六节 水轮机基本方程,69,第七节 水轮机的效率及 最优工况,第七节 水轮机的效率及最优工况,70,水力损失,流量损失,机械损失,水轮机能量损失,第七节 水轮机的效率及最优工况,71,水力损失及水力效率,1,水流流经蜗壳、导叶、转轮和尾水管产生的沿程损失以及漩涡、脱流、撞击产生的局部损失,一、水轮机的效率,第七节 水轮机的效率及最优工况,72,流量损失及流量效率（容积效率）,2,部分水流通过间隙直接进入尾水管而不经过转轮做功,第七节 水轮机的效率及最优工况,73,机械损失和机械效率,3,转轮部分表面和空气产生机械摩擦（盘状摩擦、风损以及轴承处的摩擦）,第七节 水轮机的效率及最优工况,74,容积损失,机械损失,沿程,局部,出口,水力损失,出力,N,N,max,100%,效率,撞击损失,涡流损失,N,max,D,1,、n、H一定情况下，改变Q时，水轮机效率与出力的关系,第七节 水轮机的效率及最优工况,75,二、水轮机的最优工况,最优工况 效率,最高的工况 起决定作用的是水头损失 进口水流的撞击损失和出口涡流损失，则最优工况为撞击损失和涡流损失均最小的工况。,第七节 水轮机的效率及最优工况,76,水轮机最优工况,无撞击进口：,不至于发生水力碰撞、脱流，水力损失最小,第七节 水轮机的效率及最优工况,77,V,2,最小 也最小,Vu,2,=0,，水流出转轮后没有旋转可使尾水管中摩损减小,法向出口：,绝对速度,V,2,的垂直于圆周速度,U,2,的方向。,水轮机最优工况,第七节 水轮机的效率及最优工况,转轮出口的速度三角形比较,78,1、高水头水轮机，最优的转轮出流应为法向，但对中、低水头水轮机，取,2,略小于,90,。,2、实际运行中，水轮机运行工况范围均有一定限制。,需要说明的问题,第七节 水轮机的效率及最优工况,79,3、若,，可能会产生脱流,出口角,90,为宜。,4、转桨式水轮机高效区宽的原因就是在非额定工况下，可调节叶片的安放角，尽可能实现,无撞击进口和法向出口。,第七节 水轮机的效率及最优工况,80,正确设计水轮机的过流部件的形状,减少机械摩擦损失(如轴承、轴封中的摩擦）,运行接近设计工况,采取有效的止漏措施,提高水轮机效率的途径,第七节 水轮机的效率及最优工况,81,水 轮 机,主要类型型号,工作参数,基本构造,反击式,冲击式,H,Q,n,N,蜗壳,固定导叶,活动导叶,喷嘴,转轮,尾水管,混流式,轴流式,斜流式,贯流式,水斗式,双击式,斜击式,速度三角形与基本方程,水轮机效率与最优工况,本 章 小 结,82,1、水轮机根据能量转换特征分为哪几类?反击式水轮机及冲击式水轮机又是如何分类的?,2、试说明各型水轮机的特点及其应用范围。,3、水轮机型号由哪几部分代号组成，各代号的含义?试举两个实例加以说明。,4、反击式水轮机引水机构的构造及各部件的作用是什么？,5、反击式水轮机导水机构的构造、作用及其工作原理?,6、试说明混流式水轮机转轮及轴流式水轮机转轮的构造及各组成部分的作用。,7、试说明冲击式水轮机的构造及其各组成部件的作用。,复习及思考题,83,Thank You!,84,