水电站02水轮机及其选择

1、重庆电力高等专科学校复复 习习q1 1水电站的基本类型有水电站的基本类型有坝式、引水式坝式、引水式及及混合式混合式。坝式水电站分为坝式水电站分为河床式、坝后式河床式、坝后式；引水式水电站；引水式水电站分分有压引水式和无压引水式有压引水式和无压引水式电站；混合式开发多电站；混合式开发多为有压引水式电站。为有压引水式电站。q2 2抽水蓄能电站和潮汐电站也是水能利用的重抽水蓄能电站和潮汐电站也是水能利用的重要型式。要型式。v抽水蓄能电站主要解决电力系统的调峰问题；抽水蓄能电站主要解决电力系统的调峰问题；v潮汐电站是开发海水能源的主要型式。潮汐电站是开发海水能源的主要型式。3 3、水电站建筑物包括枢纽

2、建筑物和发电建筑物两大、水电站建筑物包括枢纽建筑物和发电建筑物两大部分。部分。复习复习一、枢纽建筑物一、枢纽建筑物 挡水建筑物：挡水建筑物：坝、闸坝、闸 泄水建筑物：泄水建筑物：溢洪道、泄水洞、溢溢洪道、泄水洞、溢 流坝流坝 过坝建筑物：过坝建筑物：过船、过木、过鱼过船、过木、过鱼二、发电建筑物二、发电建筑物 进水建筑物：进水建筑物：进水口、沉沙池进水口、沉沙池 引水建筑物：引水建筑物：引水道、压力管道、尾水道引水道、压力管道、尾水道 平水建筑物：平水建筑物：前池、调压室前池、调压室 厂区枢纽：厂区枢纽：主厂房、副厂房、变电站、开关站等主厂房、副厂房、变电站、开关站等第二章第二章 水轮机及其选

3、择水轮机及其选择重庆电力高等专科学校水力机械水力机械q水轮机水轮机+发电机：发电机： 水轮发电机组水轮发电机组q 功能：功能： 发电发电q水水 泵泵+电动机：电动机： 水泵抽水机组。水泵抽水机组。q 功能：功能： 输水输水q水泵水泵_水轮机水轮机+电动电动_发电机：发电机： 抽水蓄能机组。抽水蓄能机组。q 功能：功能： 抽水蓄能抽水蓄能重庆电力高等专科学校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。重庆电力高等专科学校2.1 水轮机的类型

4、和构造水轮机的类型和构造双击式斜击式切击式水斗式冲击式贯流调桨式贯流定桨式贯流转桨式贯流式斜流式轴流调桨式轴流定桨式轴流转桨式轴流式混流式反击式水轮机SJXJCJGTGDGZGLXLZTZDZZZLHL重庆电力高等专科学校一、反击式水轮机一、反击式水轮机q定义定义：利用水流的：利用水流的势能势能和和动能动能做功的水轮机称为做功的水轮机称为反击式水轮机。反击式水轮机。q特征特征：转轮的：转轮的叶片为空间扭曲面叶片为空间扭曲面，流过转轮的水，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，即之间的流道都有水流通过，即水流充满转

5、轮室水流充满转轮室。重庆电力高等专科学校反击式水轮机类型反击式水轮机类型q1.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。v适用范围：适用范围：H=30-700 m , 单机容量：几万单机容量：几万kW-几十几十万万kWv适用于适用于高水头小流量电站高水头小流量电站。 重庆电力高等专科学校混流式水轮机混流式水轮机重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校三峡水电站三峡水电站水轮机转轮水轮机转轮该转轮由上冠、该转轮由上冠、下环和下环和15块叶片块叶片组焊而成。其外组焊而成。其外径径10.44米，高米，高5.2米，总重量米，总重量445吨。吨。重庆电力高等专科学校反击式水

6、轮机类型反击式水轮机类型q2. 轴流式轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水水流方向始终平行于主轴流方向始终平行于主轴。v轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。v轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度重调节（导叶开度、叶片角度)。重庆电力高等专科学校轴流式水轮机轴流式水轮机重庆电力高等专科学校反击式水轮机类型反击式水轮机类型q3. 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。常用

7、于抽水蓄随工况变化而转动，高效率区广。常用于抽水蓄能水电站。能水电站。重庆电力高等专科学校反击式水轮机类型反击式水轮机类型q4. 贯流式贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不不设蜗壳设蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水，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。适用于低水头、大流量的河适用于低水头、大流量的河床式和潮汐水电站床式和潮汐水电站。重庆电力高等专科学校贯流式机组分类贯流式机组分类q全贯流式全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其密封困难，现在较少使用。其密封困难，现在较少使用。q

8、半贯流式：半贯流式：灯泡贯流式：灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体内，使发电机组安装在密闭的灯泡体内，使用较广泛，机组结构紧凑，流道形状平直，水力效用较广泛，机组结构紧凑，流道形状平直，水力效率高。率高。轴伸式贯流机组：轴伸式贯流机组：发电机安装在外面，水轮机轴伸发电机安装在外面，水轮机轴伸出到尾水管外面。出到尾水管外面。竖井式贯流机组：竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内。发电机安装在竖井内。重庆电力高等专科学校灯泡式水轮机组灯泡式水轮机组重庆电力高等专科学校轴伸式贯流机组轴伸式贯流机组重庆电力高等专科学校竖井贯流式水轮机竖井贯流式水轮机重庆电力高等专科学校二、冲击式水轮机二、冲击式水轮机

9、q定义定义：利用水流的：利用水流的动能动能来做功的水轮机为冲击式来做功的水轮机为冲击式水轮机。水轮机。q特征特征： 由由喷管喷管和和转轮转轮组成。水流以自由水流的组成。水流以自由水流的形式形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能冲击转轮，利用水流动能(V方向、大方向、大小改变小改变)产生旋转力矩使转轮转动。产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部重庆电力高等专科学校冲击式水轮机的类型冲击式水轮机的类型q水斗式水斗式v特点特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功

10、。轮上的水斗作功。v水斗式水轮机是冲击式水轮机中目前应用最广泛水斗式水轮机是冲击式水轮机中目前应用最广泛的一种机型。的一种机型。 q斜击式斜击式：射流中心线与转轮转动平面呈斜射角度：射流中心线与转轮转动平面呈斜射角度q双击式双击式：水流穿过转轮两次作用到转轮叶片上：水流穿过转轮两次作用到转轮叶片上v 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型用于小型电站电站重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校水斗式水轮机转轮水斗式水轮机转轮轮叶轮叶轮盘轮盘重庆电力高等专科学校斜击式水轮机转轮斜击式水轮机转轮重庆电力高等专科学校双击式水轮机转轮双击式水轮

11、机转轮重庆电力高等专科学校三、水轮机的工作参数三、水轮机的工作参数q反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮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。机的基本参数。q由水能出力公式由水能出力公式: P=9.81QH 可知，其基本参数可知，其基本参数包括包括工作水头工作水头H、流量、流量Q、出力、出力P、效率、效率，此外，此外还有还有工作力矩工作力矩M、机组转速、机组转速n。重庆电力高等专科学校1.水水 头头重庆电力高等专科学校 (1) 毛水头毛水头上下游水位差上下游水位差Hg=ZU-ZD (2)工作水头工作水头水轮机进出口断面总水头差水轮机进出口断面总水头差 即：即：H=EA-

12、EB。 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=Hg- hI-A 冲击式水轮机的工作水头冲击式水轮机的工作水头HG=ZU- Z2 - hI-A 重庆电力高等专科学校1.水水 头头q（3）特征水头）特征水头 ：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。v最大工作水头最大工作水头Hmax：电站运行范围内水轮机工作水头的最大值：电站运行范围内水轮机工作水头的最大值v最小工作水头最小工作水头Hmin：电站运行范围内水轮机工作水头的最小值：电站运行范围内水轮机工作水头的最小值v设计水头设计水头Hd：水轮机在

13、最高效率点运行时的净水头：水轮机在最高效率点运行时的净水头v额定水头额定水头Hr: 水轮机在额定转速下，输出额定功率时的最小净水轮机在额定转速下，输出额定功率时的最小净水头水头v平均水头平均水头Hw：电站运行范围内，考虑负荷和工作历时的水轮：电站运行范围内，考虑负荷和工作历时的水轮机工作水头的加权平均值机工作水头的加权平均值重庆电力高等专科学校2.流量流量(m3/s)q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vQ随随H、P的变化而变化，的变化而变化，H、P一定时，一定时，Q也一定也一定v当当H=Hd、P=Pr时，流量为时，流量为Qd(设计流量设计流量 )v当当H=Hr、n=nr、

14、P=Pr时，流量为时，流量为 Qr(额定流量额定流量 )v当当H=Hr、n=nr、N=0 时，流量为时，流量为 Q0(空载流量空载流量 )重庆电力高等专科学校3.转转 速速q水轮机单位时间内旋转的次数称为水轮机的转数，水轮机单位时间内旋转的次数称为水轮机的转数，用用n表示，单位为表示，单位为r/min。q正常情况下机组的转速保持为固定转速，该转速正常情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为称为额定转速额定转速，并与发电机的同步转速相等。，并与发电机的同步转速相等。nr=n1=60f/p重庆电力高等专科学校4.出力与效率出力与效率q（1）出力）出力(水轮机的输出功率水轮机的输出功率)P： v

15、指水轮机轴传给发电机组的功率。指水轮机轴传给发电机组的功率。v 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：v水轮机的输出功率：水轮机的输出功率：q（2） 效率：效率：v=Pout/Pin 一般一般=80%95%)(81. 9kWQHQHPin)(81. 9kWQHPPinout重庆电力高等专科学校四、水轮机的型号及标称直径四、水轮机的型号及标称直径q反击式水轮机的型号反击式水轮机的型号v水轮机型式水轮机型式 + 转轮型号转轮型号(比转速比转速)+主轴布置型式主轴布置型式 + 水轮机室特征水轮机室特征 + 转轮标称直径转轮标称直径(cm)HL240 L

16、J 410l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，金属蜗壳，立轴，金属蜗壳，转轮直径为转轮直径为410cmZZ440 LH 430l轴流转浆式水轮机，型号轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗壳，转，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径轮直径430cm 重庆电力高等专科学校四、水轮机的型号及标称直径四、水轮机的型号及标称直径q冲击式水轮机的型号冲击式水轮机的型号v同轴安装的转轮数同轴安装的转轮数 + 水轮机型号水轮机型号 + 转轮型号转轮型号(比转比转数数)+ 主轴布置型式主轴布置型式 + 转轮标称直径转轮标称直径(cm)+ 每个转轮每个转轮上喷嘴数上喷嘴数 + 设计

17、射流直径设计射流直径(cm)2CJ30 W 120/210 l转轮型号为转轮型号为30，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上两个转，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上两个转轮，转轮直径为轮，转轮直径为120cm,每个转轮两个喷嘴，设计射流直每个转轮两个喷嘴，设计射流直径为径为10cm。重庆电力高等专科学校四、水轮机的型号及标称直径四、水轮机的型号及标称直径q水轮机型式的代号水轮机型式的代号 水轮机型式水轮机型式代号代号水轮机型式水轮机型式代号代号混流式混流式HL贯流调桨式贯流调桨式GT斜流式斜流式XL贯流定桨式贯流定桨式GD轴流转桨式轴流转桨式ZZ水斗（冲击）式水斗（冲击）式CJ轴流调桨式轴流调桨式ZT斜击

18、式斜击式XJ轴流定桨式轴流定桨式ZD双击式双击式SJ贯流转桨式贯流转桨式GZ重庆电力高等专科学校四、水轮机的型号及标称直径四、水轮机的型号及标称直径q主轴布置形式和结构特征的代号主轴布置形式和结构特征的代号 名名 称称代号代号名名 称称代号代号立立 轴轴L罐罐 式式G卧卧 轴轴W全贯流式全贯流式Q金属蜗壳金属蜗壳J灯灯 泡泡 式式P混凝土蜗壳混凝土蜗壳H竖井式竖井式S明槽式明槽式M虹吸式虹吸式X有压明槽式有压明槽式My轴伸式轴伸式Z重庆电力高等专科学校四、水轮机的型号及标称直径四、水轮机的型号及标称直径q各种水轮机转轮标称直径各种水轮机转轮标称直径D1vHL：转轮叶片进口边上最大直径：转轮叶片

19、进口边上最大直径vZL、XL：转轮叶片轴心线相交处的转轮室内径：转轮叶片轴心线相交处的转轮室内径vCJ：转轮与射流中心线相切处节圆直径：转轮与射流中心线相切处节圆直径重庆电力高等专科学校练练 习习q（1）HL220-WJ-71q（2）ZZ560-LH-1130 q（3）GD600-WP-250q（4）2CJ22-W-120/210 q（5）SJ40-W-50/40 重庆电力高等专科学校答答 案案q1.1.混流式水轮机，转轮型号是混流式水轮机，转轮型号是220220，卧轴，金属蜗壳，转轮直，卧轴，金属蜗壳，转轮直径为径为71cm71cmq2.2.表示轴流转浆式水轮机，转轮型号表示轴流转浆式水轮机

20、，转轮型号560560，立轴，混凝土蜗壳，立轴，混凝土蜗壳，转轮标称直径为转轮标称直径为1130cm 1130cm q3.3.贯流定桨式水轮机，转轮型号为贯流定桨式水轮机，转轮型号为600600，卧轴，灯泡式水轮机，卧轴，灯泡式水轮机室，转轮标称直径室，转轮标称直径250cm250cmq4.4.表示水斗式表示水斗式( (冲击式冲击式) )水轮机，同一轴上装有水轮机，同一轴上装有2 2个转轮，卧轴个转轮，卧轴布置，转轮标称直径为布置，转轮标称直径为120cm120cm，每个转轮有，每个转轮有2 2个喷嘴，喷嘴设个喷嘴，喷嘴设计射流直径为计射流直径为10cm10cmq5.5.表示双击式水轮机，转轮

21、型号表示双击式水轮机，转轮型号4040，卧轴布置，转轮标称直，卧轴布置，转轮标称直径为径为50cm50cm，转轮轴向长度为，转轮轴向长度为40cm40cm。 重庆电力高等专科学校小结小结q1.1.水轮机的基本类型包括反击式和冲击式两大类。反击式以水轮机的基本类型包括反击式和冲击式两大类。反击式以利用水流的势能为主；冲击式利用水流的动能。利用水流的势能为主；冲击式利用水流的动能。q2.2.反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式。冲反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式。冲击式包括水斗式、斜击式和双击式。击式包括水斗式、斜击式和双击式。 q3.3.水轮机的工作参数有工作水头、流量、

22、转速和公称直径。水轮机的工作参数有工作水头、流量、转速和公称直径。q 其中工作水头是指水轮机进出口断面单位重量水体的能量其中工作水头是指水轮机进出口断面单位重量水体的能量之差，其大小要比毛水头要小。之差，其大小要比毛水头要小。q4.4.水轮机的型号由三个部分构成，分别反映了水轮机的型式水轮机的型号由三个部分构成，分别反映了水轮机的型式和型号、主轴的布置形式和结构特征以及转轮的标称直径。和型号、主轴的布置形式和结构特征以及转轮的标称直径。不同水轮机，标称直径的规定有差异。不同水轮机，标称直径的规定有差异。重庆电力高等专科学校作业作业q1.1.请归纳水轮机的类型。请归纳水轮机的类型。q2.2.何为

23、反击式水轮机？何为冲击式？何为反击式水轮机？何为冲击式？ q3.3.水轮机的工作参数有哪些？单位分别是什么？水轮机的工作参数有哪些？单位分别是什么？q4 4、混流式、轴流式、冲击式、斜流式水轮的标称直径是如何、混流式、轴流式、冲击式、斜流式水轮的标称直径是如何规定的？规定的？q5.5.什么是水轮机的工作水头？何为设计水头、额定水头、最什么是水轮机的工作水头？何为设计水头、额定水头、最大水头和最小水头？大水头和最小水头？q6 6、水轮机输出功率怎么计算？、水轮机输出功率怎么计算？q7 7、解释水轮机的型号：、解释水轮机的型号：（1）HL220-WJ-71（2）ZZ560-LH-1130 （3）G

24、D600-WP-250（4）2CJ22-W-120/210 （5）SJ40-W-50/40 重庆电力高等专科学校复习复习q1.1.水轮机的基本类型包括反击式和冲击式两大类。反击式以水轮机的基本类型包括反击式和冲击式两大类。反击式以利用水流的势能为主；冲击式利用水流的动能。利用水流的势能为主；冲击式利用水流的动能。q2.2.反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式。冲反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式。冲击式包括水斗式、斜击式和双击式。击式包括水斗式、斜击式和双击式。 q3.3.水轮机的工作参数有工作水头、流量、转速和公称直径。水轮机的工作参数有工作水头、流量、转速和公称直径。

25、q 其中工作水头是指水轮机进出口断面单位重量水体的能量其中工作水头是指水轮机进出口断面单位重量水体的能量之差，其大小要比毛水头要小。之差，其大小要比毛水头要小。q4.4.水轮机的型号由三个部分构成，分别反映了水轮机的型式水轮机的型号由三个部分构成，分别反映了水轮机的型式和型号、主轴的布置形式和结构特征以及转轮的标称直径。和型号、主轴的布置形式和结构特征以及转轮的标称直径。不同水轮机，标称直径的规定有差异。不同水轮机，标称直径的规定有差异。重庆电力高等专科学校五、水轮机的主要过流部件五、水轮机的主要过流部件q反击式水轮机的主要过流部件反击式水轮机的主要过流部件v(1) 引水部件引水部件蜗壳蜗壳：

26、将水流均匀、旋转，以最小：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮。水头损失送入转轮。v(2) 导水部件导水部件导水机构（导叶及控制设备导水机构（导叶及控制设备)：控制：控制工况工况v(3) 工作部件工作部件转轮（工作核心转轮（工作核心)：实现能量转换，：实现能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。决定水轮机的尺寸、性能、结构。v(4) 泄水部件泄水部件尾水管尾水管:回收能量、排水至下游。回收能量、排水至下游。重庆电力高等专科学校（一）（一） 混流式水轮机基本构造混流式水轮机基本构造q水流水流蜗壳蜗壳座环座环导叶导叶转轮转轮尾水管尾水管下下游游四大过流部件四大过流部件主轴、轴承、顶主轴、轴承、

27、顶盖、止漏装置等盖、止漏装置等重庆电力高等专科学校1.引水部件引水部件q水轮机的引水部件又称引水室。水轮机的引水部件又称引水室。v作用作用：引导水流：引导水流均匀、平顺、轴对称均匀、平顺、轴对称地进入水轮地进入水轮机的导水机构，并使水流在进入导叶前形成一定机的导水机构，并使水流在进入导叶前形成一定的环流，以提高水轮机的效率和运行稳定性。的环流，以提高水轮机的效率和运行稳定性。重庆电力高等专科学校1.引水部件引水部件q开敞式：槽中水流开敞式：槽中水流有有自由水面自由水面q封闭式：槽中水流封闭式：槽中水流无无自由水面自由水面 开敞式引水室开敞式引水室 压力槽式压力槽式 罐式罐式重庆电力高等专科学校

28、 金属蜗壳金属蜗壳 蜗蜗 壳壳重庆电力高等专科学校(1)蜗壳的功用及型式蜗壳的功用及型式 q功用功用：蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小：蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。轮。q型式型式：v金属蜗壳：当金属蜗壳：当H40m时采用金属蜗壳。其断面为圆时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于形，适用于中高水头中高水头的水轮机的水轮机v混凝土蜗壳：适用于混凝土蜗壳：适用于低水头大流量低水头大流量的水轮机。的水轮机。 重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校(2)蜗壳断面尺寸的拟定蜗壳断面尺寸的

29、拟定q主要参数包括：主要参数包括：vA、断面形状：、断面形状：（a）圆形断面；）圆形断面； （b）梯形断面）梯形断面重庆电力高等专科学校(2)蜗壳断面尺寸的拟定蜗壳断面尺寸的拟定q主要参数包括：主要参数包括：vB 、蜗壳的包角、蜗壳的包角0：蜗壳：蜗壳末端末端(鼻端鼻端)到蜗壳进口断到蜗壳进口断面之间的中心角。面之间的中心角。la、金属蜗壳：、金属蜗壳：0=340350,常取常取345lb、混凝土蜗壳：、混凝土蜗壳：0=180270,一般取一般取180重庆电力高等专科学校(2)蜗壳断面尺寸的拟定蜗壳断面尺寸的拟定q主要参数包括：主要参数包括： vC 、蜗壳进口断面的平均流速、蜗壳进口断面的平均

30、流速Vc K流速系数流速系数 金属蜗壳查图金属蜗壳查图2-28； 混凝土蜗壳查图混凝土蜗壳查图2-29 H水轮机水头，一般以额定水头水轮机水头，一般以额定水头Hr计算。计算。HKVc重庆电力高等专科学校q金属蜗壳进口断面的平均流速流速系数金属蜗壳进口断面的平均流速流速系数 重庆电力高等专科学校q混凝土蜗壳进口断面的平均流速混凝土蜗壳进口断面的平均流速Vc可由下图查取可由下图查取 重庆电力高等专科学校（3）蜗壳的水力计算）蜗壳的水力计算q水力计算的水力计算的目的目的:v确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，为确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。厂房设计提供依据。重庆

31、电力高等专科学校（3）蜗壳的水力计算）蜗壳的水力计算q金属蜗壳的水力计算金属蜗壳的水力计算q计算假设：计算假设：v等流速等流速：各断面沿圆周方向的切向流速：各断面沿圆周方向的切向流速Vu不变，且不变，且等于蜗壳进口断面的平均流速等于蜗壳进口断面的平均流速Vc。即。即VuVc常数常数v等流速矩等流速矩：水流的流速矩不变，即：水流的流速矩不变，即Vur常数常数 r为蜗壳断面中心距机组轴线的半径。为蜗壳断面中心距机组轴线的半径。重庆电力高等专科学校3. 蜗壳的水力计算按蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C) （1）金属蜗壳水力计算）金属蜗壳水力计算重庆电力高等专科学校（3）蜗壳的水力计算）蜗壳的水力计算

32、q金属蜗壳的水力计算金属蜗壳的水力计算va）对于进口断面）对于进口断面l断面的面积断面的面积 l断面的半径断面的半径 l从轴中心线到蜗壳边缘的半径从轴中心线到蜗壳边缘的半径vb）对于中间任一断面）对于中间任一断面 ccccVQVQA3600maxccVQA3600maxmaxmaxmax2aRr max360QQiiciiVQ360max2iaiRr重庆电力高等专科学校（3）蜗壳的水力计算）蜗壳的水力计算q金属蜗壳的水力计算金属蜗壳的水力计算v由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤步骤为：为：v(a) 确定确定0 和和Vc ；v(b) 求求Ac、max、Rmax；

33、v(c) 由由i 确定确定Ai、i、Ri。重庆电力高等专科学校（3）蜗壳的水力计算）蜗壳的水力计算q混凝土蜗壳的水力计算（混凝土蜗壳的水力计算（自学自学）v(1) 根据水电站具体情况选择断面型式根据水电站具体情况选择断面型式及进口断面平均流及进口断面平均流速速Vc；v(2) 确定进口断面尺寸确定进口断面尺寸v(3) 选择顶角与底角点的变化规律选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线直线或抛物线)，以，以虚线表示并画出虚线表示并画出1、2、3.等中间断面。等中间断面。v(4) 测算出各断面的面积，绘出：测算出各断面的面积，绘出：Ai = f(Ri)关系曲线。关系曲线。v(5) 按按 或或 绘出绘

34、出Ai = f(i)直线。直线。v(6) 根据根据i确定确定Ai、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。及断面尺寸，绘出平面单线图。 maxc360iiicQQAVVmax0iiiCAQAQccccVQVQA3600max重庆电力高等专科学校（3）蜗壳的水力计算）蜗壳的水力计算q混凝土蜗壳的水力计算（自学）混凝土蜗壳的水力计算（自学）重庆电力高等专科学校作用：作用：引导水流以一定的方向进入转轮，形成一定的引导水流以一定的方向进入转轮，形成一定的速度矩，并根据机组负荷的变化调节水轮机的流量以速度矩，并根据机组负荷的变化调节水轮机的流量以达到改变水轮机功率的目的。达到改变水轮机功率的目的。组成：组成：

35、导水叶及其控制系统（控制环、接力器等）导水叶及其控制系统（控制环、接力器等） 导水叶：导水叶：导水机构的主体，上下端分别固定在导水机构的主体，上下端分别固定在底环底环和和顶盖顶盖上，为流线形。也称为活动导叶。上，为流线形。也称为活动导叶。 作用：作用：改变导叶开度以改变流量。导叶转动是通过调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。速成器和接力器来实现的。 2、导水机构、导水机构重庆电力高等专科学校1蜗壳；蜗壳；2底环；底环；3下轴承套；下轴承套；4上轴承套；上轴承套；5转臂；转臂；6分半圆键；分半圆键；7安全销；安全销；8连杆；连杆；9控制环；控制环；10排水孔；排水孔

36、；11顶盖；顶盖；12导叶；导叶；13底环；底环；14基础环；基础环；15密封件；密封件；16挡板；挡板；17连接板；连接板；18支撑环；支撑环；19调节螺钉；调节螺钉；20端盖端盖 重庆电力高等专科学校导叶转臂连杆控制环接力器重庆电力高等专科学校接力器示意图接力器示意图重庆电力高等专科学校导水机构导水机构重庆电力高等专科学校导叶导叶重庆电力高等专科学校座环座环位于导水叶的外围。位于导水叶的外围。由上、下环和固定导叶。由上、下环和固定导叶。 作用：作用：是水轮机的骨架，承受机墩及传来的荷载，并是水轮机的骨架，承受机墩及传来的荷载，并传到下部基础；支承活动导叶；故必须有足够的强度传到下部基础；支

37、承活动导叶；故必须有足够的强度和刚度。是整个机组安装的基准件。和刚度。是整个机组安装的基准件。固定导叶固定导叶断面设计：断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。为活动导叶的一半。 重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校水轮机座环水轮机座环1 1上环；上环；2 2下环；下环；3 3固定导叶固定导叶重庆电力高等专科学校3.工作部件工作部件转轮转轮q水能水能机械能机械能重庆电力高等专科学校3.工作部件工作部件转轮转轮混流式转轮混流式转轮1轮毂；轮毂；2转轮叶片；转轮叶片；3下环；下环；4止漏环；止漏环；5泄水锥；泄水锥；6减压孔减压孔重庆电力高等专科学校

38、混流式转轮剖面图混流式转轮剖面图 a a）适用于低水头；）适用于低水头； b b）适用于中水头；）适用于中水头； c c）适用于高水头）适用于高水头重庆电力高等专科学校（a a）转桨式；）转桨式； （b b）定桨式）定桨式1 1轮毂；轮毂； 2 2转轮叶片转轮叶片 ； 3 3泄水锥泄水锥 轴流式转轮轴流式转轮重庆电力高等专科学校叶片转动操作机构叶片转动操作机构重庆电力高等专科学校轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似重庆电力高等专科学校斜流式转轮斜流式转轮1 1刮板接力器；刮板接力器；2 2操作盘；操作盘；3 3转臂；转臂；4 4桨叶桨叶重庆电力高

39、等专科学校斜流式水轮机构造斜流式水轮机构造重庆电力高等专科学校4.泄水部件泄水部件尾水管尾水管q尾水管的作用尾水管的作用是引导水流进入下游河道，并回收是引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。部分动能和势能。重庆电力高等专科学校4.泄水部件泄水部件尾水管尾水管q尾水管的型式尾水管的型式v直锥形尾水管直锥形尾水管：结构简单，水力损失小，效率高，：结构简单，水力损失小，效率高，但尾水管较长，适用于但尾水管较长，适用于小型水电站小型水电站v弯管直锥形尾水管弯管直锥形尾水管：水力损失大，效率较低，常用：水力损失大，效率较低，常用于于小型卧轴混流式水轮机小型卧轴混流式水轮机v弯肘形尾水管弯肘形尾水管

40、：适用于：适用于大中型立式机组水轮机大中型立式机组水轮机重庆电力高等专科学校龙滩水电站尾水管施工龙滩水电站尾水管施工重庆电力高等专科学校常见尾水管的形式常见尾水管的形式直锥形直锥形重庆电力高等专科学校常见尾水管的形式常见尾水管的形式弯锥形弯锥形弯肘形弯肘形重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校弯肘型尾水管弯肘型尾水管q减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机均采用弯肘型尾水管。轮机均采用弯肘型尾水管。组成：组成：直锥段、肘管、出口扩散段。直锥段、肘管、出口扩散段。轴流式水轮机 混流式水轮机重庆电力高等专科学校1. 1. 进口直锥段：进口直锥段：q进

41、口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D D3 3为为直锥管进口直径，直锥管进口直径，为锥管单边扩散角。为锥管单边扩散角。q混流式：混流式：直锥管与基础环相接，直锥管与基础环相接，D D3 3= D= D2 2， =7-9=7-9q轴流式：轴流式：与转轮室里衬相连接，与转轮室里衬相连接，D D3 3=0.937=0.937D D1 1， =8-10=8-10。qh h3 3直锥段高度（见直锥段高度（见 P30P30），其长度增加将），其长度增加将会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。重庆电力高等专科学校2. 2. 肘管：

42、肘管： 9090变断面的弯管，进口为圆形断面，出变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。口为矩形断面。F F进进/ /F F出出=1.3=1.3q曲率半径曲率半径R R小小离心力大离心力大压力、流速分压力、流速分布不均匀布不均匀h hw w大。大。R R=(0.6-1.0)=(0.6-1.0)D D4 4q为减小转弯处的脱为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘流及涡流损失，肘管出口收缩断面管出口收缩断面( (h hc c) )：高：高/ /宽宽=0.25=0.25。重庆电力高等专科学校3、出口扩散段：、出口扩散段：q矩形扩散管，出口宽度矩形扩散管，出口宽度B5，qB5很大时，加隔墩很大时，加隔

43、墩d5=(0.10.15) B5q顶板顶板 =1013，底板水平。，底板水平。重庆电力高等专科学校4.4.尾水管的高度与水平长度尾水管的高度与水平长度q尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。因素。qH=hH=h1 1+h+h2 2+h+h3 3+h+h4 4 h h1 1，h h2 2由转轮结构确定由转轮结构确定; ; h h4 4为肘为肘管高度，不易变动。管高度，不易变动。 H H取决于取决于h h3 3( (直锥段长度直锥段长度) )。h h3 3大大开挖加大，工开挖加大，工程投资增大；程投资增大；qL L：机组中心到尾水管出口，：机

44、组中心到尾水管出口，L L大大F F出出大大V V出出小小w w大大h hf f大大厂房尺寸加大，一般厂房尺寸加大，一般L L=( 3.5=( 3.54.5) 4.5) D D1 1。5.5.推荐尾水管尺寸：表推荐尾水管尺寸：表2-32-3，2-42-4。重庆电力高等专科学校6.尾水管局部尺寸的变更尾水管局部尺寸的变更q厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，在不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺在不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺寸可作局部变更。寸可作局部变更。v减小开挖，减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜不动，

45、扩散段底板向上倾斜612v大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布置置v地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面加长加长h3、L(目前国内最长取到目前国内最长取到L=108D1)，但需要论证转，但需要论证转轮出口的真空度和机组的抬机可能性。轮出口的真空度和机组的抬机可能性。重庆电力高等专科学校水斗式水轮机的组成：水斗式水轮机的组成：喷管、折向器、转轮、机喷管、折向器、转轮、机壳、尾水槽壳、尾水槽（二）冲击式水轮机主要过流部件（二）冲击式水轮机主要过流部件重庆电力高等专科学校轮叶轮叶轮盘轮盘1、转

46、轮及斗叶、转轮及斗叶重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校喷管结构图喷管结构图1 1接力器；接力器；2 2针阀杆；针阀杆；3 3弯管；弯管；4 4喷嘴；喷嘴；5 5喷嘴口；喷嘴口；6 6折向器；折向器；7 7转轴；转轴；8 8针阀；针阀；9 9导水栅导水栅2、喷管与折向器、喷管与折向器重庆电力高等专科学校3、机壳、机壳重庆电力高等专科学校 水斗式水轮机结构图水斗式水轮机结构图 重庆电力高等专科学校小小 结结1、反击式水轮机的主要过流部件包括引水部件、反击式水轮机的主要过流部件包括引水部件、导水部件、工作部件和泄水部件。导水部件、工作部件和泄水部件。2、引水部件主要用来将水流轴对称、均匀地引、

47、引水部件主要用来将水流轴对称、均匀地引入导水机构，并使水流形成一定的环量。典型入导水机构，并使水流形成一定的环量。典型的结构是蜗壳。要求会求取金属蜗壳断面尺寸的结构是蜗壳。要求会求取金属蜗壳断面尺寸的计算。的计算。3、导水部件的作用是改变流量从而改变机组的、导水部件的作用是改变流量从而改变机组的出力，同时还可用于开停机。主要部件是导水出力，同时还可用于开停机。主要部件是导水叶及其控制机构。叶及其控制机构。重庆电力高等专科学校小小 结结3、座环位于引水机构和导水机构之间，用来支、座环位于引水机构和导水机构之间，用来支撑机组的部分重量和水推力。同时，也是整个撑机组的部分重量和水推力。同时，也是整个

48、机组的安装基准。机组的安装基准。4、转轮是水轮机的工作机构，实现能量转换。、转轮是水轮机的工作机构，实现能量转换。不同类型的水轮机其结构有很大的差异。不同类型的水轮机其结构有很大的差异。5、尾水管是泄水部件，其作用是回收部分能量，、尾水管是泄水部件，其作用是回收部分能量，提高机组的效率，同时将水流顺畅地引向下游。提高机组的效率，同时将水流顺畅地引向下游。要求自学弯肘型尾水管断面尺寸的确定。要求自学弯肘型尾水管断面尺寸的确定。重庆电力高等专科学校小结小结6、水斗式水轮机的主要结构是喷管、转轮、折、水斗式水轮机的主要结构是喷管、转轮、折向器和机壳。喷管相当于导水部件。折向器与向器和机壳。喷管相当于

49、导水部件。折向器与喷管的配合，可防止机组甩负荷时喷管的爆裂喷管的配合，可防止机组甩负荷时喷管的爆裂以及机组转速的飞逸。以及机组转速的飞逸。重庆电力高等专科学校作业作业1、简述反击式水轮机四大过流部件的作用。、简述反击式水轮机四大过流部件的作用。2、绘制低水头混流式水轮机转轮的结构示意图，、绘制低水头混流式水轮机转轮的结构示意图，并对主要结构进行标注。并对主要结构进行标注。3、冲击式水轮折向器的作用是什么？、冲击式水轮折向器的作用是什么？4、设某混流式水轮机参数如下：设计水头、设某混流式水轮机参数如下：设计水头73m，在设计水头下的最大流量为在设计水头下的最大流量为109m3/S，标称直径，标称

50、直径为为4.1m，座环外直径，座环外直径6.1m。试计算蜗壳进口断面。试计算蜗壳进口断面以及以及 处的半径和外半径。处的半径和外半径。100ij=重庆电力高等专科学校复复 习习1、反击式水轮机的主要过流部件包括引水部件、反击式水轮机的主要过流部件包括引水部件、导水部件、工作部件和泄水部件。导水部件、工作部件和泄水部件。2、引水部件主要用来将水流轴对称、均匀地引、引水部件主要用来将水流轴对称、均匀地引入导水机构，并使水流形成一定的环量。典型入导水机构，并使水流形成一定的环量。典型的结构是蜗壳。要求会求取金属蜗壳断面尺寸的结构是蜗壳。要求会求取金属蜗壳断面尺寸的计算。的计算。3、导水部件的作用是改

51、变流量从而改变机组的、导水部件的作用是改变流量从而改变机组的出力，同时还可用于开停机。主要部件是导水出力，同时还可用于开停机。主要部件是导水叶及其控制机构。叶及其控制机构。重庆电力高等专科学校3、座环位于引水机构和导水机构之间，用来支、座环位于引水机构和导水机构之间，用来支撑机组的部分重量和水推力。同时，也是整个撑机组的部分重量和水推力。同时，也是整个机组的安装基准。机组的安装基准。4、转轮是水轮机的工作机构，实现能量转换。、转轮是水轮机的工作机构，实现能量转换。不同类型的水轮机其结构有很大的差异。不同类型的水轮机其结构有很大的差异。5、尾水管是泄水部件，其作用是回收部分能量，、尾水管是泄水部

52、件，其作用是回收部分能量，提高机组的效率，同时将水流顺畅地引向下游。提高机组的效率，同时将水流顺畅地引向下游。要求自学弯肘型尾水管断面尺寸的确定。要求自学弯肘型尾水管断面尺寸的确定。重庆电力高等专科学校6、水斗式水轮机的主要结构是喷管、转轮、折、水斗式水轮机的主要结构是喷管、转轮、折向器和机壳。喷管相当于导水部件。折向器与向器和机壳。喷管相当于导水部件。折向器与喷管的配合，可防止机组甩负荷时喷管的爆裂喷管的配合，可防止机组甩负荷时喷管的爆裂以及机组转速的飞逸。以及机组转速的飞逸。重庆电力高等专科学校2.2 水轮机的工作原理水轮机的工作原理1、水轮机的基本方程式（理解）、水轮机的基本方程式（理解

53、）2、水轮机的能量损失和效率（掌握）、水轮机的能量损失和效率（掌握）3、水轮机的空蚀（了解）、水轮机的空蚀（了解）4、水轮机的空蚀系数（掌握）、水轮机的空蚀系数（掌握）5、水轮机吸出高度的确定（掌握）、水轮机吸出高度的确定（掌握）6、水轮机安装高程（掌握）、水轮机安装高程（掌握）重庆电力高等专科学校一、水轮机的基本方程式一、水轮机的基本方程式q1.水流在转轮中的运动水流在转轮中的运动v1）水轮机内的水流运动是复杂的）水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流空间非恒定流l水头、流量在不断变化水头、流量在不断变化l叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为

54、复合运动，的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动断地变化，而转轮本身也在运动。 重庆电力高等专科学校一、水轮机的基本方程式一、水轮机的基本方程式v2）水轮机在某一工作状况时的）水轮机在某一工作状况时的恒定流状态恒定流状态l水轮机在某一工作状况时水轮机在某一工作状况时 (H、Q、N、不变不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动是恒定流。动是恒定流。l水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。也是恒定流。重庆电力高等专科学校v3）水轮机中水流运动

55、是空间三元流）水轮机中水流运动是空间三元流l水流运动规律用速度三角形表达水流运动规律用速度三角形表达l 水流绝对流速（相对于地球）水流绝对流速（相对于地球）l 水流质点随转轮作旋转运动，圆周速度（圆周运动）水流质点随转轮作旋转运动，圆周速度（圆周运动）l 水流从转轮进口沿叶片流道到转轮出口的运动，相对水流从转轮进口沿叶片流道到转轮出口的运动，相对速度（相对运动）速度（相对运动）l用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。转轮进口和出口的速度三角形是研究水的重要方法。转轮进口和出口的速度三角形是研究水轮机工作的重点。轮机工作的重点。一

56、、水轮机的基本方程式一、水轮机的基本方程式WVUWUV重庆电力高等专科学校q对于混流式水轮机，可以认为任一水流质点在转轮中的运对于混流式水轮机，可以认为任一水流质点在转轮中的运动是沿着某一喇叭形的空间曲面动是沿着某一喇叭形的空间曲面(流面流面)而作的而作的螺旋形曲线运螺旋形曲线运动动。q流面即由某一流线绕主轴旋转而成的回旋曲面。流面即由某一流线绕主轴旋转而成的回旋曲面。在整个转在整个转轮流道内有无数个这样的流面。轮流道内有无数个这样的流面。q流面上每一个进口点的速度流面上每一个进口点的速度三角形是相同的；每一个出三角形是相同的；每一个出口点的速度三角形也是相同口点的速度三角形也是相同的。的。混

57、流式水轮机速度三角形混流式水轮机速度三角形重庆电力高等专科学校流流 面面流面展开图流面展开图重庆电力高等专科学校轴流式水轮机速度三角形轴流式水轮机速度三角形轴流式水轮机流面是圆柱流面。轴流式水轮机流面是圆柱流面。重庆电力高等专科学校一、水轮机的基本方程式一、水轮机的基本方程式q2.水轮机的基本方程式水轮机的基本方程式v（1）动量矩方程）动量矩方程l单位时间内转轮对水流的动量矩改变，应等于作用单位时间内转轮对水流的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩在该水流上的外力的力矩-M总和，而水流作用在转总和，而水流作用在转轮上的力矩为轮上的力矩为M，即，即l其中其中M为水流对转轮的力矩，方程右端

58、为水流本身为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。速度矩的变化。该式表达了水轮机中水流能量转换该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系为旋转机械能的平衡关系。 l作用在水流的力中（重力、进出口断面压力、上冠、作用在水流的力中（重力、进出口断面压力、上冠、下环内表面对水流的压力、叶片对水流的作用力），下环内表面对水流的压力、叶片对水流的作用力），只有叶片对水流的作用力才会产生力矩只有叶片对水流的作用力才会产生力矩)(2211rVrVgQMuugw重庆电力高等专科学校一、水轮机的基本方程式一、水轮机的基本方程式v在稳定工况下在稳定工况下(n、Q、H均不变均不变)，转轮内的水

59、流，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：v由于水流传递给转轮的有效功率为（水力效率）由于水流传递给转轮的有效功率为（水力效率）v所以，基本方程式为所以，基本方程式为v该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。 )UU()(P22112211uueuueeVVgQrVrVgQMheeHQP）（22111uuhVUVUgH重庆电力高等专科学校一、水轮机的基本方程式一、水轮机的基本方程式q水轮机的基本方程式的物理意义水轮机的基本方程式的物理意义v方程的实质方程的实质：水流能量转换为旋转机械能的平衡：水流能量转换为旋转

60、机械能的平衡方程。方程右边表示水流能量的改变量，左边则方程。方程右边表示水流能量的改变量，左边则是水能转变成的机械能。是水能转变成的机械能。v水流传给转轮的机械能与水流在转轮进出口之间水流传给转轮的机械能与水流在转轮进出口之间的动量矩的变化相平衡的动量矩的变化相平衡。没有这种动量矩的改变，。没有这种动量矩的改变，转轮就不可能获得水流能量而做功，这也是水能转轮就不可能获得水流能量而做功，这也是水能转变为机械能的必要条件。转变为机械能的必要条件。重庆电力高等专科学校一、水轮机的基本方程式一、水轮机的基本方程式v基本方程的其它形式基本方程的其它形式）（22111uuhVUVUgH）（222111co