水电站 水轮机

1、浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站 http:/ 水水 电电 站站 2016年年3月月 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站 http:/ 第一篇第一篇 水力机械水力机械 水轮机水轮机+发电机：发电机： 水轮发电机组水轮发电机组 功能：功能： 发电发电 水水 泵泵+电动机：电动机：水泵抽水机组水泵抽水机组 功能：功能： 输水输水 水水 泵泵+水轮机：水轮机： 抽水蓄能机组。抽水蓄能机组。 功能：功能： 抽水蓄能抽水蓄能 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水水 轮轮 发发 电电 机机 组组 水轮机是将水轮机是将水水 能转变为旋转机

2、能转变为旋转机 械能械能，从而带动，从而带动 发电机发出电能发电机发出电能 的一种机械，是的一种机械，是 水电站动力设备水电站动力设备 之一。之一。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 第一章第一章 水轮机概述水轮机概述 水轮发电机组装置原理图水轮发电机组装置原理图 第一节第一节 水轮机的工作参数水轮机的工作参数 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 定义：定义：反映水轮机工作状况特性值的一些参数，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。称水轮机的基本参数。 由水能出力公式由水能出力公式: N=9.81QH 可知，可知

3、，基本参数基本参数 不包括：不包括：工作水头工作水头H、流量流量Q、出力出力N、效率效率， 工作力矩工作力矩M、机组转速机组转速n。 水轮机的工作参数水轮机的工作参数 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 一、水头一、水头(head) 1. 毛水头毛水头(nominal productive head) HM=EU-ED=ZU-ZD 2. 反击式水轮机的工作水头反击式水轮机的工作水头 毛水头毛水头 - 水头损失水头损失=净水头净水头 HG=EA- EB=HM - hI-A 3. 冲击式水轮机的水头冲击式水轮机的水头 HG=ZU- ZZ - hI-A 其中其中ZU和和

4、ZZ分别为上游和水轮机喷嘴处的水头。分别为上游和水轮机喷嘴处的水头。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 4.特征水头特征水头(characteristic head) 表示水轮机的运行范围和运行工况。表示水轮机的运行范围和运行工况。 u最大工作水头：最大工作水头： Hmax=Z正 正-Z下下min-hI-A u最小工作水头：最小工作水头： Hmin=Z死 死-Z下下max-hI-A u设计水头设计水头(计算水头计算水头) Hr ： 水轮机发额定出力时的最小水头。水轮机发额定出力时的最小水头。 u平均水头：平均水头： Hav =Z上 上av-Z下下av 浙江水专国

5、家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 二、流量二、流量(m3/s)(flow quantity) u 单位时间内通过水轮机的水量单位时间内通过水轮机的水量 Q 。 u Q随随H、N的变化：的变化： H、N一定时，一定时， Q也一定；也一定； 当当H=Hr、N=N额 额时， 时，Q为最大。为最大。 u 在在Hr、nr、Nr 运行时运行时 Qr(设计流量 设计流量) 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 三、出力与效率三、出力与效率(output and efficiency) 1. 出力出力(水轮机的输出功率水轮机的输出功率)N： 指水轮机轴传给发电

6、机轴的功率。指水轮机轴传给发电机轴的功率。 水轮机的输入功率水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量水流传给水轮机的能量)为为： 水轮机的输出功率：水轮机的输出功率： 2. 效率：效率： =N/Nw ， 一般一般=80%95% QHQHN w 81. 9 QHNN w 81. 9 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 四、工作力矩和转速四、工作力矩和转速 v水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达 M主轴力矩主轴力矩; 水轮机旋转角速度，水轮机旋转角速度， n 转速，转速，n=3000/p p 发电机磁极对发电机磁极对 v额定

7、转速额定转速n：正常情况下机组的转速保持为固定：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，该转速称为额定转速，并与发电机的同步 转速相等。转速相等。 QH n MMN 81. 9 60 2 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 第二节第二节 水轮机的主要类型及其构造水轮机的主要类型及其构造 水轮机 冲击式 反击式 混流式 轴流式 斜流式 贯流式 水斗式 双击式 斜击式 轴流定浆式 轴流转浆式 全贯流式 半贯流式 灯泡式 轴伸式 竖井式 水轮机 冲击式 反击式 混流式 轴流式 斜流式 贯流式 水斗式 双击式 斜击式 轴流定浆式 轴

8、流转浆式 全贯流式 半贯流式 灯泡式 轴伸式 竖井式 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 一、主要类型一、主要类型 (一一)、反击式水轮机、反击式水轮机 (reaction water turbine) 定义：定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机利用水流的势能和动能做功的水轮机 特征：特征：转轮的叶片为空转轮的叶片为空 间扭曲面，流过转轮的间扭曲面，流过转轮的 水流是连续的，而且在水流是连续的，而且在 同一时间内，所有转轮同一时间内，所有转轮 叶片之间的流道都有水叶片之间的流道都有水 流通过，水流充满转轮流通过，水流充满转轮 室。室。 浙江水专国家精品课程浙江水

9、专国家精品课程水电站水电站http:/ 反击式水轮机原理反击式水轮机原理 水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向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，作用与生反作用力，作用与 每个转轮叶片，使转每个转轮叶片，使转 轮产生旋转力矩，从轮产生旋转力矩，从 而做功。而做功。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1. 混流式：混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。水流径向流入转轮，轴向流出。 适用范围：适用范围：H=30-450 m , 最高水头已接近最高水头已接近700 米

10、，单机容量：几米，单机容量：几万万kW-几十万几十万kW 特点：特点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效适用范围广，结构简单，运行稳定，效 率高，适用高水头小流量电站。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，单机容量三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70 万万kW。是世界上单机容量最大的机组。是世界上单机容量最大的机组。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 混流式水轮机混流式水轮机 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2. 轴流式：轴流式： 特点：特点：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方水流沿转轮轴向流入，轴

11、向流出，水流方 向始终平行于主轴。向始终平行于主轴。 适用适用于大流量、低水头。一般水头在于大流量、低水头。一般水头在50m以下。以下。 轴流定浆式：轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。高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。效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站。 轴流转浆式：轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行叶片能随工况的变化而转动，进行 双重调节（导叶开度、叶片角度双重调节（导叶开度、叶片角度)。适用于大型水。适用于大型水 电站。电站。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 轴流式水轮机轴流式水轮机 浙江水专国

12、家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 轴流转浆式水轮机转轮轴流转浆式水轮机转轮 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 3. 斜流式：斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片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。随工况变化而转动，高效率区广。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 4. 贯流式：贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不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。管出口都是轴向的。H0，叶片

13、开，叶片开 始启动，始启动，+20 轮毂：外部连接叶片，内部安装转动机构。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，调整转动机构：安装在轮毂内，由调速器控制，调整 导叶角度。导叶角度。 2. 转轮构造转轮构造 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 叶片转动操作机构叶片转动操作机构 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (三三)、斜流式水轮机构造、斜流式水轮机构造 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 斜流式水轮机构造斜流式水轮机构造 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水

14、电站水电站http:/ v主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水 管、主轴、导轴承等。管、主轴、导轴承等。 v与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与主与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与主 轴成轴成4560的夹角。的夹角。 v毛家村电站的运行证明，斜流式水轮机可以在比较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，也很突出，如结构复杂，可靠性较低，容易漏油， 造成污染，在吸出高度造成污染，在吸出高度Hs

15、=-8m条件下运行，其空条件下运行，其空 蚀现象仍比较严重。蚀现象仍比较严重。 v由于斜流水轮机无显著特点，在设计中很少采用。由于斜流水轮机无显著特点，在设计中很少采用。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (四四)、灯泡贯流式水轮机、灯泡贯流式水轮机 实际上是实际上是 卧轴安装的卧轴安装的 轴流式水轮轴流式水轮 机，发电机机，发电机 安装在灯泡安装在灯泡 体内。体内。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 灯泡贯流式水轮机灯泡贯流式水轮机 v我国开发采用灯泡贯流式水轮机的时间相对较晚，我国开发采用灯泡贯流式水轮机的时间相对较晚， 近年

16、来灯泡贯流式水轮机的导叶都采用了重锤式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关闭机构来防飞逸，从而可节约引水系统的快速 闸门。闸门。 v目前采用的灯泡贯流式水轮机使用水头高达目前采用的灯泡贯流式水轮机使用水头高达27.3m， 转轮直径转轮直径7.5m，单机容量达，单机容量达48MW。 v广东飞来峡广东飞来峡(435MW)、宁夏沙坡头、宁夏沙坡头(430MW)、 甘肃炳灵甘肃炳灵(548MW)等电站，均为灯泡贯流机组。等电站，均为灯泡贯流机组。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v当水头较低而机组容量又较大时，若水轮

17、机与发电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较大，这会导致灯泡体尺寸过大而使流道水力损失 增加。为此常在水轮机与发电机之间设置齿轮增速增加。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传动机构，使发电机转速比水轮机转速大3-10倍，倍， 从而缩小发电机尺寸，减小灯泡体尺寸，改善流道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，加工工艺的过流条件。但这种增速机构结构复杂，加工工艺 要求较

18、高，传动效率一般较低，因此目前仅应用于要求较高，传动效率一般较低，因此目前仅应用于 小型贯流式机组。小型贯流式机组。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (五五)、水斗式水轮机构造、水斗式水轮机构造 水斗式水轮机的组成：水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、机喷管、折流板、转轮、机 壳、尾水槽壳、尾水槽 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (1). 转轮转轮 组成：组成：轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。 连接方式：连接方式：螺拴、螺拴、整体铸造、焊接。整体铸造、焊接。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品

19、课程水电站水电站http:/ 水斗的形状水斗的形状 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (2). 喷管喷管 组成：组成：喷嘴、喷管体、针阀、喷杆、操作机构喷嘴、喷管体、针阀、喷杆、操作机构 针阀：针阀：控制水轮机的过水流量，以行程表示。控制水轮机的过水流量，以行程表示。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 多喷嘴安装多喷嘴安装 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 广泛应用的喷嘴广泛应用的喷嘴 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (3). 折流板折流板 使针阀缓慢关闭，降低水锤

20、压力，使水流偏离水斗，使针阀缓慢关闭，降低水锤压力，使水流偏离水斗， 避免机组转速升高。避免机组转速升高。 (4). 机壳机壳 把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。 (5). 引水板引水板 防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水斗水轮机的装置方式水斗水轮机的装置方式 (1)为了提高机组转速及过流量，常在一个转轮上为了提高机组转速及过流量，常在一个转轮上 装设两个或更多个喷嘴。有时又在一根轴上装装设两个或更多个喷嘴。有时又在一根轴上装

21、 设两个设两个(或多个或多个)转轮，以提高机组的单机出力。转轮，以提高机组的单机出力。 (2)大中型水斗式水轮机多采用立式布置，这样不大中型水斗式水轮机多采用立式布置，这样不 仅可使厂房面积缩小，也便于装设多喷嘴。仅可使厂房面积缩小，也便于装设多喷嘴。 (3)中小型水斗式水轮机通常采用卧式布置，这样中小型水斗式水轮机通常采用卧式布置，这样 可简化结构、降低造价，并便于安装和维护。可简化结构、降低造价，并便于安装和维护。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 第三节第三节 水轮机的型号及标称直径水轮机的型号及标称直径 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电

22、站http:/ 型号第三部分的说明型号第三部分的说明 v第三部分为数字；第三部分为数字； v对反击式水轮机：表示转轮的标称直径对反击式水轮机：表示转轮的标称直径 v水斗式或斜击式水轮机，其表示方法为：水斗式或斜击式水轮机，其表示方法为： 转轮标称直径转轮标称直径D1 作用在每个转轮上的喷嘴数作用在每个转轮上的喷嘴数设计射流直径设计射流直径d0 v对双击式水轮机，其表示方法为：对双击式水轮机，其表示方法为： 转轮标称直径转轮标称直径D1 转轮轴向长度转轮轴向长度L 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水轮机的型号举例水轮机的型号举例 反击式水轮机的型号反击式水轮机的

23、型号 （由三部分组成）（由三部分组成） HL240 LJ 410 混流式水轮机，型号混流式水轮机，型号240（比转速（比转速)，立轴，金属，立轴，金属 蜗壳，转轮直径为蜗壳，转轮直径为410cm ZZ440 LH 430 轴流转浆式水轮机，型号轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗，立轴，混凝土蜗 壳，转轮直径壳，转轮直径430cm 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 冲击式水轮机的型号冲击式水轮机的型号 2CJ30W 120/210 转轮型号为转轮型号为20，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上 装设装设两个两个转轮，转轮直径为转轮，转轮直径为120cm, 每个转轮两个喷每个转轮两个喷 嘴，设计嘴，设计射流射流直径为直径为10cm。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ vGZ440WP750：表示贯流转浆式水轮机，转：表示贯流转浆式水轮机，转 轮型号轮型号440，卧轴，灯泡式机组，转轮标称直径，卧轴，灯泡式机组，转轮标称直径 750cm。 vSJ40W50/40