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=9.81QH 可知，其基本参数包括：工作水头H、流量Q、出力N、效率，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，AA为引水道进口，BB为水轮机进口，CC为尾水管出口，DD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minhA-BZ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maxhA-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CPZ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： =N0/NI100%一般=80%95%。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；水轮机旋转角速度，n转速，rpm(revolution per minute)，n=3000/pp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：0EP1 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=30700 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：350m。 (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：380m。（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=40120m。 (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 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48片；叶片转角：最优工况时=0，0，叶片开始启动，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 Z