水轮机及讲解

1、2021-11-3012021-11-3022021-11-303 进水及引水建筑物（进水及引水建筑物（进水口、引水隧洞、压力管进水口、引水隧洞、压力管道道） 水轮机部分（水轮机部分（能量转换的机械设备能量转换的机械设备） 水电站厂房（水电站厂房（发电和配电：主厂房、副厂房、主发电和配电：主厂房、副厂房、主变压器、开关站变压器、开关站） 水锤、调压室（水锤、调压室（非恒定流动非恒定流动） 2021-11-305水轮机和发电机连轴组成水轮机和发电机连轴组成发电机组发电机组2021-11-3062021-11-308水轮机出力水轮机出力水轮机工作水头水轮机工作水头水轮机流量水轮机流量水轮机效率水轮

2、机效率水轮机转速水轮机转速2021-11-309 水体能量水体能量扣除水轮机的扣除水轮机的能量损失能量损失 设在设在 时段内有时段内有 的水体从的水体从1-1断面流过断面流过2-2断断面，因此，该段水体面，因此，该段水体 所提供的能量为：所提供的能量为： 和和 称为水能两个基本要素。称为水能两个基本要素。21HTWNw21 QHNwtWHQW2021-11-3010水体能量决定于水体能量决定于流量流量和和落差落差水体具有的能量（功率）水体具有的能量（功率） 为为1-2断面水面降落的垂直高度（通常称为落断面水面降落的垂直高度（通常称为落差或水头），单位为差或水头），单位为m 为水的容重。为水的容

3、重。 =1000kg/m3 。 为单位时间里通过为单位时间里通过1-1断面的流量断面的流量 （m3/s）。）。 为水体所具有的作功能力（为水体所具有的作功能力（kg.m/s）。）。21 QHNw21HQwN2021-11-3011水轮机水轮机出力出力决定于决定于流量流量和和工作水头工作水头水体具有的能量（功率）水体具有的能量（功率） 工程上常用工程上常用“千瓦千瓦”或或“马力马力”来表示，来表示， 1千瓦千瓦=102kg.m/s 水流给予水轮机的功率水流给予水轮机的功率 水轮机输出功率（出力）水轮机输出功率（出力） 为水轮机的效率为水轮机的效率21 QHNw102/21 QHNwQHNw81.

4、 9QHN81. 92021-11-3012)2()2(22gVpZgVpZEEHBBBBAAAABA2021-11-3013工作水头不是工作水头不是毛水头毛水头，而是，而是净水头净水头hHhhEEHgDBAUDUgHhH2021-11-3014maxHminHavHrH2021-11-3015 通常用通常用Q表示，其单位为表示，其单位为m3/s 水轮机水轮机 的引用流量主要随着水轮机的工作的引用流量主要随着水轮机的工作水头和出力的变化而变化水头和出力的变化而变化 在设计水头下水轮机以额定出力工作时其在设计水头下水轮机以额定出力工作时其过水流量最大过水流量最大QHN81. 92021-11-3

5、016wNNmvHmvHQHN81. 92021-11-3017 对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是同轴同轴运行的，所以它们的转速相同，并需要满运行的，所以它们的转速相同，并需要满足足同步转速同步转速的要求。的要求。)Hz(60pnf )r/min(/3000 pn2021-11-30182021-11-30192021-11-3020 单位重量水体在转轮进、出口的能量之差：单位重量水体在转轮进、出口的能量之差： 可变换为可变换为)2()2(2222221111gVpZgVpZH122222112211gHVVHpZpZ）（）（2021-11-30

6、21冲击式：冲击式：只利用动能只利用动能反击式：反击式：既利用动能也利用势能既利用动能也利用势能 势能占总能量的比例势能占总能量的比例 动能占总能量比例动能占总能量比例 水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和 若若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为，这种利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机冲击式水轮机 若若0Ep1，EpEv=1，这种同时利用水流动能，这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为和势能的水轮机称为反击式水轮机反击式水轮机CEgHVV2222211PEHpZpZ）（）（22111CPEE2021-11-3022反击式：反击式：

7、水流方向和流速大小受叶片约束水流方向和流速大小受叶片约束而改变而改变,从而对叶片一个反作用力从而对叶片一个反作用力混流式水轮机混流式水轮机（Francis）2021-11-3023冲击式：冲击式：转轮处在大气中，高速射流冲击转轮处在大气中，高速射流冲击转轮转轮 冲击式水轮机冲击式水轮机（Pelton）2021-11-30242021-11-3025反击式（反击式（Reaction Hydraulic Turbine）1 1主轴；主轴；2 2叶片；叶片；3 3导叶；导叶；4 4蜗壳；蜗壳；5 5尾水管尾水管12345radiaxial turbine，Francis turbine2021-11

8、-3026反击式（反击式（Reaction Hydraulic Turbine）axial flow turbine, Kaplan turbine1 1导叶；导叶；2 2叶片；叶片；3 3轮毂轮毂4 4蜗壳；蜗壳；5 5尾水管尾水管1234452021-11-3027反击式（反击式（Reaction Hydraulic Turbine）diagonal flow turbine12341 1蜗壳；蜗壳；2 2导叶；导叶；3 3叶片；叶片；4 4尾水管尾水管可转动叶片可转动叶片2021-11-3028反击式（反击式（Reaction Hydraulic Turbine）through flow

9、 turbinebulb turbine1 1导叶；导叶；2 2转轮；转轮；3 3发电机；发电机；4 4灯泡灯泡1234122021-11-3029反击式（反击式（Reaction Hydraulic Turbine）through flow turbine2021-11-3030冲击式（冲击式（impulse turbine）inclined jet turbine crossflow turbine, Banki turbinePelton turbine2021-11-30312021-11-3032 反击式水轮机通常由四大部分组成反击式水轮机通常由四大部分组成进水部件进水部件：蜗壳：蜗

10、壳 和座环和座环导水部件导水部件：导叶及其传动机构：导叶及其传动机构工作部件工作部件：转轮：转轮泄水部件泄水部件：尾水管：尾水管 这四大部分对于不同类型的水轮机各不这四大部分对于不同类型的水轮机各不完全相同，有着自身的特点完全相同，有着自身的特点2021-11-3033引水部件引水部件蜗壳和座环蜗壳和座环 蜗壳的作用主要是蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀使水流以较小的水力损失均匀对称地流入转轮对称地流入转轮；座环；座环起加强蜗壳的刚度并传递起加强蜗壳的刚度并传递上部结构力的作用上部结构力的作用。2021-11-3034引水部件引水部件蜗壳和座环蜗壳和座环 蜗壳的作用主要是蜗壳的作用主

11、要是使水流以较小的水力损失均匀使水流以较小的水力损失均匀对称地流入转轮对称地流入转轮；座环；座环起加强蜗壳的刚度并传递起加强蜗壳的刚度并传递上部结构力的作用上部结构力的作用。座环座环2021-11-3035导水部件导水部件导叶及其传动机构导叶及其传动机构 导叶的主要作用是导叶的主要作用是根据机组负荷变化来调节水轮机流量以根据机组负荷变化来调节水轮机流量以改变水轮机出力改变水轮机出力，并，并引导水流按一定的方向进入转轮引导水流按一定的方向进入转轮，形形成一定的速度矩。成一定的速度矩。 包括的部件有：包括的部件有：导叶、推拉杆、控制环、拐臂导叶、推拉杆、控制环、拐臂和和连杆连杆等等2021-11-

12、3036导水部件导水部件导叶及其传动机构导叶及其传动机构小开度（小流量）大开度（大流量）2021-11-3037工作部件工作部件转轮转轮是水轮机的核心是水轮机的核心 转轮是转轮是直接将水能转换为旋转的机械能直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对的过流部件，它对水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心部分。机的核心部分。2021-11-3038工作部件工作部件转轮转轮是水轮机的核心是水轮机的核心 转轮是转轮是直接将水能转换为旋转的直接将水能转换为旋转的机械能机械能的过流部件，它对水轮机的过流部件，它对水轮机的性能、结构、尺

13、寸等起着决定的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心部分。性的作用，是水轮机的核心部分。三峡左案9号机组吊装2021-11-3039泄水部件泄水部件尾水管尾水管断面沿程扩散断面沿程扩散 尾水管除了尾水管除了引导转轮流出的水流泄入下游引导转轮流出的水流泄入下游外，其主要的作外，其主要的作用是用是回收位能和动能回收位能和动能，它对水轮机效率影响很大，特别是，它对水轮机效率影响很大，特别是对于低水头的情况。这部分内容后面详细论述对于低水头的情况。这部分内容后面详细论述2021-11-3040泄水部件泄水部件尾水管尾水管断面沿程扩散断面沿程扩散2021-11-3041工作部件转轮有不同的形

14、状工作部件转轮有不同的形状2021-11-3042工作部件转轮有不同的形状工作部件转轮有不同的形状2021-11-3043水斗式水轮机主要由水斗式水轮机主要由喷嘴喷嘴、针阀针阀、转轮转轮和和折向器折向器组成组成 喷嘴的作用是引导压力水流喷嘴的作用是引导压力水流均匀均匀流动，在喷嘴处收缩流动，在喷嘴处收缩转换为仅有动能的转换为仅有动能的自由射流自由射流；针阀的作用是；针阀的作用是控制流量控制流量的大小的大小，适应出力大小的需要。，适应出力大小的需要。2021-11-3044水斗式水轮机的构造水斗式水轮机的构造2021-11-30452021-11-3046这些转轮分别是哪种水轮机的？这些转轮分别

15、是哪种水轮机的？2021-11-3047第一部分代表第一部分代表水轮机类型和转轮型号水轮机类型和转轮型号；第二部分表示第二部分表示水轮机主轴的布置型式及水轮机室特征水轮机主轴的布置型式及水轮机室特征；第三部分表示第三部分表示水轮机转轮标称直径水轮机转轮标称直径D1。 2021-11-30482021-11-3049水轮机型号中标称直径对不同水轮机有不水轮机型号中标称直径对不同水轮机有不同规定同规定2021-11-3051水流在转轮中的运动是水流在转轮中的运动是三维复合运动三维复合运动WUV2021-11-30522021-11-3053流面流面:水流轨迹线所在的喇叭形曲面水流轨迹线所在的喇叭形

16、曲面轴面轴面:通过轴线的平面通过轴线的平面2021-11-3054水流质点速度可分解水流质点速度可分解,绝对速度为相对速度绝对速度为相对速度和牵连速度之和（和牵连速度之和（速度三角形速度三角形）WUV2021-11-3055进口速度三角形的形状、大小和参数进口速度三角形的形状、大小和参数)(60602211111nDfnDnDrU，),(211HafgHkVV2021-11-3056速度三角形形状和大小取决于直径、转速、速度三角形形状和大小取决于直径、转速、水头和开度水头和开度），（aHnDf,11），（aHnDf,12U2W2V22222021-11-3057 绝对速度由相对速度和牵连速度合

17、成，为了研究问题绝对速度由相对速度和牵连速度合成，为了研究问题的方便，可以将这些速度向不同平面的方便，可以将这些速度向不同平面(轴面、流面切轴面、流面切面、圆周切面面、圆周切面)和坐标轴和坐标轴(轴向轴向、径向径向、切向切向)分解。分解。 速度分解的目的是速度分解的目的是为了讨论水轮机基本方程时应用动为了讨论水轮机基本方程时应用动量矩定律。量矩定律。Z流面流面轴面轴面圆周面圆周面ruz2021-11-3058 流面上的任一点的速度三角形均在流面的该点流面上的任一点的速度三角形均在流面的该点切面上，可分解为切面上，可分解为Z流面流面轴面轴面圆周面圆周面ruzVm：为流面上绝对速度的轴面分量为流面

18、上绝对速度的轴面分量Wm：为流面上相对速度的轴面分量为流面上相对速度的轴面分量流面的切面上的速度分解流面的切面上的速度分解2021-11-3059速度三角形空间分解速度三角形空间分解:只有只有Vu对主轴有速度矩对主轴有速度矩zrumuVVVVVVuVuVzrVV ,zVrV圆周分圆周分速度速度轴面分轴面分速度速度圆周分圆周分速度速度径向分径向分速度速度轴向分轴向分速度速度Z流面流面轴面轴面圆周面圆周面ruzmVVUW2021-11-3060MdtrmVdu)(2021-11-3061水轮机基本方程可由水轮机基本方程可由动量矩定理动量矩定理推导出来推导出来MdtrmVdu)(2021-11-30

19、62微小流束的动量矩变化率微小流束的动量矩变化率gqm121 22 21 12 21 1()/()/()uuMMdtqMMdtV rV rg1122112 22021-11-3063整个流道的动量矩变化整个流道的动量矩变化212 21 1euuuuQVVV rV r )()()(11221122rVrVgQrVrVgqdtrmVduueuuu通过水轮机转轮的有效流量通过水轮机转轮的有效流量水轮机出口断面圆周分速度水轮机出口断面圆周分速度水轮机进口断面圆周分速度水轮机进口断面圆周分速度水轮机出口断面矩速度水轮机出口断面矩速度水轮机进口断面矩速度水轮机进口断面矩速度2021-11-3064外力对轴

20、的力矩总和外力对轴的力矩总和MdtrmVdu)(转轮叶片对水流的作用力矩转轮叶片对水流的作用力矩重力矩重力矩：重力的合力与主轴重合，对主轴不产生：重力的合力与主轴重合，对主轴不产生矩矩压力矩压力矩：上冠下环对水流的压力，对主轴而言是：上冠下环对水流的压力，对主轴而言是对称的，合力与主轴平行，故也不产生矩对称的，合力与主轴平行，故也不产生矩摩擦力矩摩擦力矩：数值很小可忽略，摩擦力所产生的水：数值很小可忽略，摩擦力所产生的水头损失将在水轮机水力效率中体现。头损失将在水轮机水力效率中体现。2021-11-3065外力对主轴的力矩总和等于外力对主轴的力矩总和等于叶片对水流的叶片对水流的作用力矩作用力矩

21、MrVrVgQuue)(1122MMMMMMMMMfpg忽略不计fpgMMM, 0, 0)(2211rVrVgQMuue重力矩重力矩 压力矩压力矩 摩擦力矩摩擦力矩叶片作用力矩叶片作用力矩2021-11-3066)(2211rVrVgQMuueMQHHQNHveee2021-11-3067)(12211UVUVgHuuH)(2211rVrVQgMHQHQNuueHeeeeUr 2V rucosVVu)(2)(212211grVrVgHuuH)(2211rVrVgHuuHeQ)coscos(1222111UVUVgHHVu1速度环量速度环量2021-11-3068 水流能量的交换是通过环量的变化

22、水流能量的交换是通过环量的变化来实现，要使该转换的效率来实现，要使该转换的效率 高，高，则需要则需要 大，大， 小。小。 进口要求进口要求 ，但由速度三角形，但由速度三角形可以看出，这种情况实际上不可能，可以看出，这种情况实际上不可能，水流无法进入转轮，失去意义。所水流无法进入转轮，失去意义。所以只能要求进口无撞击，以只能要求进口无撞击， 即即H11111cos2rVcos111011e210)coscos(1222111UVUVgHH由基本方程推导最优工况由基本方程推导最优工况进口三角形进口三角形无撞击条件无撞击条件2021-11-3069cos11由基本方程推导最优工况由基本方程推导最优工况进口三角形进口三角形无撞击条件无撞击条件11e102021-11-3070由基本方程推导最优工况由基本方程推导最优工况出口三角形出口三角形法向条件法向条件290 出口要求出口要求 ，实际中是可，实际中是可行的，通常称为法向出口。行的，通常称为法向出口。 偏离最优的进出口