水轮机的结构和原理(+笔记).doc

水 轮 机水轮机 + 发电机： 水轮发电机组功能： 发电水 泵 + 电动机：水泵抽水机组 功能： 输水水 泵 + 水轮机： 抽水蓄能机组。 功能： 抽水蓄能水轮发电机组：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。第一节 水轮机的工作参数水轮发电机组装置原理图定义：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=9.81QH 可知，基本参数：工作水头H(m)、流量Q(m3/s)、出力N(kw)、效率，工作力矩M、机组转速n。一、水头(head)：作用于水轮机的单位水体所具有的能量，或单位重量的水体所具有的势能，更简单的说就是上下游的水位差，也叫落差。142米1. 毛水头(nominal productive head) HM=EU-ED=ZU - ZD 2. 反击式水轮机的工作水头毛水头 - 水头损失=净水头HG=EA- EB=HM - hI-A 3. 冲击式水轮机的水头HG=ZU- ZZ - hI-A其中ZU和ZZ分别为上游和水轮机喷嘴处的水位。4. 特征水头(characteristic head)表示水轮机的运行范围和运行工况的几个典型水头。最大工作水头： Hmax=Z正-Z下min-hI-A最小工作水头： Hmin=Z死-Z下max-hI-A设计水头(计算水头) Hr：水轮机发额定出力时的最小水头。平均水头： Hav =Z上av-Z下av二、流量(m3/s)(flow quantity)：单位时间内通过水轮机的水量Q。单机12.2m3/sQ随H、N的变化：H、N一定时， Q也一定；当H=Hr、N=N额时，Q为最大。在Hr、nr、Nr 运行时，所需流量Q最大，称为设计流量Qr三、出力 (output and)：水轮机主轴输出的机械效率。N(KW)：指水轮机轴传给发电机轴的功率。水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量),即水流效率，与a.作用于水轮机的有效水头；b.单位时间通过水轮机的水量，即流量Q；c.水体容重成正比。其公式为：指水体容重（即单位容积水所具有的重力，比重）：水的比重=1000kg/m3、G=9.8N/Kg =9800N/m3， 水轮机的输出功率：四、效率(efficiency)：输入水轮机的水能与水轮机主轴输出的机械能之比，又叫水轮机的机械效率、能量转换效率。 =N/Nw，一般=80%95%水轮机的损失：1、容积损失：进入水轮机的流量Q，有部分会从水轮机固定部分与转动部分的缝隙及其他缝隙中漏失而造成损失；2、水力损失：作用于水轮机的工作水头H中，在水流进出水轮机的过流部件时为克服沿程摩擦局部阻力而消耗一部分能量；3、机械损失：在能量转换过程中，水轮机还必须克服主轴轴承的摩擦，及其他部分与固定部分之间的摩擦，造成出力损失。五、(工作力矩和)转速：水轮机每分钟的转动周数。n=3000/p(p为磁极对数)。600转水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达式中 M主轴力矩；水轮机旋转角速度， n 转速，n=3000/p；p 发电机磁极对。数额定转速n：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，并与发电机的同步转速相等。第二节 水轮机的主要类型及其构造一、主要类型(一)、反击式水轮机 (reaction water turbine) ：利用水流的压力能转化为机械能定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，水流充满转轮室。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。1. 混流式（HL）混流式水轮机特征：水流流经转轮叶片时，从径向流入，而从轴向流出。适用范围：H=30-450m , 最高水头已接近700m，单机容量：几万kW-几十万kW。特点：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。三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW。是世界上单机容量最大的机组。2. 轴流式特征：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。适用：大流量、低水头。一般水头在50m以下。分类：(1) 轴流定浆式(ZD)：叶片不能随工况的变化而转动。高效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站。(2) 轴流转浆式(ZZ)：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)。适用于大型水电站。轴流转浆式水轮机转轮3. 斜流式(XL)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。 4. 贯流式：用于水头较低特征：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。适用：H0，叶片开始启动，+20 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，调整导叶角度。叶片转动操作机构三、斜流式水轮机构造斜流式水轮机构造斜流式水轮机转轮主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水管、主轴、导轴承等。 与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与主轴成4560的夹角。毛家村电站的运行证明，斜流式水轮机可以在比较宽阔的负荷范围内保持较高的平均效率，但其缺点也很突出，如结构复杂，可靠性较低，容易漏油，造成污染，在吸出高度Hs=-8m条件下运行，其空蚀现象仍比较严重。由于斜流水轮机无显著特点，在设计中很少采用。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。 灯泡贯流式水轮机我国开发采用灯泡贯流式水轮机的时间相对较晚，近年来灯泡贯流式水轮机的导叶都采用了重锤式关闭机构来防飞逸，从而可节约引水系统的快速闸门。目前采用的灯泡贯流式水轮机使用水头高达27.3m，转轮直径7.5m，单机容量达48MW。飞来峡(435MW)、沙坡头(430MW) 、炳灵(548MW)等电站。均为灯泡贯流机组。当水头较低而机组容量又较大时，若水轮机与发电机的主轴直接联接，则发电机将因转速较低而直径较大，这会导致灯泡体尺寸过大而使流道水力损失增加口为此常在水轮机与发电机之间设置齿轮增速传动机构，使发电机转速比水轮机转速大3-10倍，从而缩小发电机尺寸，减小灯泡体尺寸，改善流道的过流条件。但这种增速机构结构复杂，加工工艺要求较高，传动效率一般较低，因此目前仅应用于小型贯流式机组。五、水斗式水轮机构造水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、机壳、尾水槽1、 转轮 水斗式水轮机转轮 水斗式水轮机转轮轮叶组成：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、针阀、喷杆、操作机构针阀：控制水轮机的过水流量，以行程表示。多喷嘴安装应用较广泛的喷嘴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6、 水斗水轮机的装