水轮机类型和结构(贺智文)

1、第二章第二章 水轮机的主要类型及水轮机的主要类型及其构造其构造第一节水轮机的工作参数第一节水轮机的工作参数一水轮机的工作水头：一水轮机的工作水头：1 1定义：定义：水轮机的工作水头是指参与水轮机能量转换的水头。2 2计算计算：根据定义水轮机的工作水头H（m）应为水轮机进口断面（B-B）和尾水管出口断面（C-C）处单位重量水流能量之差。（采用下游水面为基准面） H=EB Ec H=Hm-hA-B（1-10）Hm：水电站的毛水头，即上下游水位之差（也称为静水头）（1-10）式表明水轮机工作水头即等于水电站毛水头扣除压力引水系统中水头损失后的净水头，这也就是水轮机利用的有效水头。 3 3表明水轮机运

2、行工况及运行范围的其他特表明水轮机运行工况及运行范围的其他特征水头：征水头： 最大水头Hmax、最小水头Hmin、加权平均水头Ha、设计水头（也称计算水头）Hr其中：加权平均水头Ha是指水电站在运行期间出现次数最多、经历时间最长的水头，通常是指电能或时间加权的平均水头。可由计算的资料确定： 或 式中ti，Ni水头Hi出现时相应的持续时间和出力设计水头Hr是指水轮机在发出额定出力时所需要的最小水头，它与水轮机的受阻容量有关，经分析比较确定。iiiiiaNtNtHHiiiattHH二流量二流量1 1定义：定义：水轮机的流量是指水流在单位时间内通过水轮机的体积，单位m3/s。2 2计算：计算：水轮机

3、流量随工况的改变而改变，由测量得到。其数值在Hr下，水轮机发额定出力时，Q最大。三出力和效率三出力和效率1 1出力：出力：水轮机轴端的输出功率，用N表示，单位kw。2 2输入功率：输入功率：当水头为H（m），流量Q（m3/s）的水流，通过水轮机时，给予水轮机的输入功率Ns3 3效率效率（）：水轮机的出力与其输入功率的比值称为水轮机的效率=N/Ns4 4出力出力N N的计算：的计算： 由上述可知：N=Ns=9.81QH（kw）5 5实际水轮机效率实际水轮机效率情况：情况：目前水轮机的效率较高，大型机组可达90%95%，小型机组可达80%。而火电站的热能效率却只有40%左右，这也是水电的优越性所在

4、。6 6水轮发电机组的输出功率水轮发电机组的输出功率N Nf f： 由于水轮机与发电机同轴连接，当水轮机把输出功率传给发电机时，同样存在着损失，即发电机的效率发。 所以 Nf=9.81QH水发水轮机的输出功率N四工作力矩与转速四工作力矩与转速1 1工作力矩：工作力矩：由于水轮机的出力使主轴旋转作功，所以出力除了用水头流量公式N=9.81QH表示外，还可用旋转机械运动的公式来表示：N=M=M =QH（w）2 2转速转速水轮机主轴和发电机轴都是用法兰和螺栓直接钢性连接的，所以水轮机主轴与发电机同步运行，二者转速相同。水轮机转速要符合标准同步转速，即满足f=（Pn）/60602 n水轮机额定转速n=

5、3000/P （r/min）对不同磁极对数的发电机，其标准同步转速不同。为保证供电质量，要求电流频率不变，故在正常情况下，机组转速应保持为相应的固定转速，此转速即为水轮机或机组的额定转速n。本节总结：本节总结：1.掌握概念：水轮机工作水头、水轮机引用流量、水轮机出力、水轮机效率、水轮机工作力矩、水轮机额定转速。 2.公式：水轮机出力公式第二节第二节 水轮机的主要类型水轮机的主要类型一反击式水轮机一反击式水轮机特点：特点：转轮是由若干个具有空间扭曲面的钢性叶片组成（当压力水流通过整个转轮时，由于弯曲叶道迫使水流改变其流动的方向和流速的大小，因而水流便以其势能和动能给叶片以反作用力，并形成旋转力矩

6、使转轮转动）。转轮完全浸于水中。叶片进口压力叶片出口压力。分类：分类：按转轮区分水流相对于主轴的方向不同分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机。 1. 1.混流式水轮机（混流式水轮机（HLHL） 特点：a.水流流经转轮时，以辐向从四周进入转轮而以轴向流出转轮。b. 适用水头范围广，结构简单，运行稳定，效率高。c. 单机容量几十几十万KW。d. 叶片数1020片（通常1419片）e. 靠活动导叶控制流量。适用条件：适用水头范围30700m。 2.2.轴流式水轮机（轴流式水轮机（ZZZZ，ZDZD）（实物图） 特点：特点：a. 水流流经转轮时轴向进入又依轴向流出，故称轴流式b. 分为定浆式与转浆

7、式两种，定浆式在运行时叶片固定不动，结构简单；转浆式运行时叶片是可以转动的，并和活动导叶保持协联关系，使水轮机保持较高的效率。c. 单机容量一般几十KW十几万KWd. 叶片数38片，常用46片。葛洲坝17万机组4片，12.5万千瓦5片。e. 流量控制：定浆式只用活动导叶控制，而转浆式由活动导叶和浆叶共同控制。适用范围：适用范围：a. 定浆式多用在负荷变化不大，水头和流量比较固定的小型电站上，适用范围350m。b. 转浆式多应用在大中型电站上，负荷变化较大，应用水头范围为380m。3 3斜流式水轮机（斜流式水轮机（XLXL） 特点：a. 水流流经转轮时倾斜于轴向，故称斜流式。b. 转轮的叶片可以

8、转动，叶片轴线与主轴轴线斜交，高效区较宽广。c. 装置较多叶片，一般为814片（适应水头有所提高）d. 容量：以礼河一级毛家村电站，单机容量为8000KW。适用范围：适用水头范围为40120m（世界上水头最高的日本向川为113.4m）4 4贯流式水轮机（贯流式水轮机（GDGD，GZGZ） 特点：a. 主轴装置成水平或倾斜，不设置蜗壳，水流直贯转轮。b. 不仅水流流经转轮是轴向的，而且水流从建筑物进口到出口全部是轴向的，可以认为当轴流式机组装成水平卧轴时，不设蜗壳，水流直贯转轮而成为贯流式。c. 构造简单，造价低，过水能力大。d. 按发电机装置方式不同分为全贯流式与半贯流式。全贯流式发电机转子安

9、装在转轮外缘，优点为水力损失小，过流量大，结构紧凑，但密封困难。半贯流式又分为轴伸式、竖井式和灯泡式，前二种发电机安装、运行及检修方便，但水头低，效率也低，机组容量不大，适合小型水电站。灯泡式结构紧凑，流道平直，过流量大，适用于大容量机组。e. 容量为几十KW几万KW。f.叶片数46片g. 流量控制与轴流式相同。适用范围：适用于水头小于20m。图1-8 全贯流式水轮机1转轮叶片；2转轮轮缘；3发电机转子轮辋；4发电机定子；5、6支柱；7轴颈；8轮毂；9锥形插入物；10拉紧杆；11导叶；12推力轴承；13导轴承 二冲击式水轮机二冲击式水轮机(实物图)特点：特点：压力水流从喷嘴中射出后全部转换成动

10、能，冲动转轮变成机械能，完全利用水流动能。转轮工作时，水流不充满过流流道，在大气压下工作。水轮机一般没有尾水管，只设集水槽，利用水头是上游水位与喷嘴高程差。分类：分类： 按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式、双击式三种。1 1水斗式水轮机（水斗式水轮机（CJCJ）（又称培尔顿（Pelton水轮机） 特点：由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上水斗作功。适用范围：其应用水头较高，小型水斗式用于水头40250m，大型水斗式用于400450m以上，最高可达1770m。 2 2斜击式水轮机（斜击式水轮机（XJXJ）特点：喷嘴出来的射流，是沿着与转轮平面成某角（约为22.5）的方向冲击转轮。适用

11、范围：中小型水电站，水头在400m以下，出力达4000KW。图1-13 斜击式转轮（a） 转轮；(b)斜击式转轮进水示意图1 管帽；2针阀；3轮叶；3 3双击式水轮机（双击式水轮机（SJSJ） 特点：由喷嘴出来的射流首先从转轮外缘冲击叶片，接着水流又自内缘再一次冲击叶片，效率低。适用范围：只适用于小型水电站，应用水头10150m，出力达300KW。三可逆式水力机械（水泵水轮机）三可逆式水力机械（水泵水轮机）特点：此机型可作为水轮机，又可作为水泵使用，当它作为水泵河作水轮机使用时旋转方向是相反的。适用范围：多用于抽水蓄能电站河潮汐电站。应用水头是：在80600m间用混流式，低于100120m用斜

12、流式，水头25m以下用贯流式，1540m用轴流转浆式。本节总结： 水斗式 冲击式 斜击式 双击式水轮机 混流式斜流式 反击式 轴流式贯流式 全贯流式 灯泡式半贯流式 轴伸式 竖井式类 型型 式 适应水头范围（m） 反 击 式混流式混 流 式40700混流可逆式80600轴流式轴流转桨式390轴流定桨式350斜流式斜 流 式40200斜流可逆式40120贯流式贯流转桨式230贯流定桨式 冲 击 式 水斗式3001700斜击式20300双击式5100表表1-1 1-1 水轮机类型及应用水头范围水轮机类型及应用水头范围水轮机按水流流经的顺序一般主要由:进口设备 导水机构 转轮 出水设备第三节第三节

13、水轮机的基本结构水轮机的基本结构 一反击式水轮机的结构一反击式水轮机的结构反击式水轮机有四个过流部件，它们的功用如下：引水室：将水引入转轮前的导水机构，并使水流产生一定环量。导水机构：引导水流按一定方向进入转轮，并通过改变导叶开度来改变流量，调整出力。此外，还用它来截断水流，以便检修与调相运行。转轮：将水流的机械能转换成固体机械能。尾水管：主要用来回收转轮出口水流中的剩余能量，并将水流引向下游。1 1混流式水轮机的结构混流式水轮机的结构水流在混流式水轮机中的过流部件依次为：蜗壳 座环 导叶 转轮 尾水管蜗壳：蜗壳： a. 结构特点：混流式水轮机的引水室是圆形断面的金属蜗壳，蜗壳包角345。它的

14、形状如蜗牛的壳体，外接压力钢管，内接座环。当水头很高时与座环一起整体铸造，为了运输的方便有时分24瓣，再在现场焊接。b. 作用：引导水流均匀对称地进入导水叶片，并形成一定的环量。座环：座环： a. 结构特点：由上、下蝶形环和与蝶形环整体铸造的固定导叶组成，固定导叶在座环上、下环之间沿圆周均匀布置，数目一般为活动导叶的一半，座环蝶形边外缘与蜗壳焊接，上内缘与顶盖，下内缘与活动导叶底环相固定。b. 作用：座环用以承受轴向荷载，并把荷载传递给混凝土基础。 导叶导叶（导水机构） a. 结构特点：导水机构是导叶及导叶的传动零件一起组合起来的零部件总称。导叶支承在位于顶盖和底环内的轴套上。因而，导叶能绕本

15、身的轴线旋转，转动机构则由转臂、连杆、控制环组成。导叶沿圆周均匀布置于座环和转轮之间的环形空间内。b. 作用：主要是根据负荷的变化来调节水轮机的流量，以改变水轮机的输出功率适应外界负荷的变化；另外引导水流按必须的方向进入转轮形成环量（速度矩）。c. 主要参数：a0导叶开度：相邻导叶之间的最小宽度；导叶高度b0；导叶轴分布直径D0。 a.结构特点：是水轮机的核心部件，主要由上冠、下环和叶片组成，通过上冠与主轴联接，上冠下部装设油泄水锥，在转轮的上冠与顶盖之间，下环与基础环之间装有止漏装置，上冠上还设有连通转轮上方与转轮下方的减压孔，用来减小轴向水推力b. 作用：是水轮机把水流的机械能转换成水轮机

16、轴端机械能的部件，通过转轮的旋转才能带动发电机工作，其泄水锥的作用是引导水流均匀流出转轮减少叶片出流的旋涡。转轮转轮 尾水管尾水管a. 结构特点：尾水管是弯肘形的扩散管，其断面面积沿水流方向逐渐扩大。b. 作用：回收大部分转轮出口动能；使转轮出口形成静力真空，利用转轮底面至下游水位的距离；将水流平顺地引入原河床（下游）。2 2轴流式水轮机的构造轴流式水轮机的构造蜗壳蜗壳轴流式水轮机一般采用混凝土蜗壳，这种蜗壳应用在40m水头以下，与金属蜗壳不同，这种蜗壳的蜗形部分仅包围导水机构圆周的180以上，其余部分水流直接由引水管经固定导叶进入导水机构；与金属蜗壳的另一个不同之处，混凝土蜗壳在轴向端面上的

17、形状是梯形。转轮转轮轴流式转轮由轮毂、叶片和泄水锥组成。轮毂的外部连接叶片，内部安装叶片的转动机构（定浆式无），叶片数为48片，浆叶转动的角度以表示，取最优工况时的转角=0为起算位置，0叶片斜度减小，转向关小，0叶片斜度加大，转向开大，一般-15+20。三冲击式水轮机三冲击式水轮机水斗式水轮机由喷嘴、喷针、转轮、折流板、折向器、机壳组成。1.水斗式水轮机各部分过流部件的功用如下：喷嘴：由压力水管来的水流经喷嘴后形成一股射流冲击到转轮上，在喷嘴内水流的压力能转换成射流的动能，其也是水轮机的导水机构，利用针阀的往复运动改变射流流量的大小。喷针：借助喷针的移动，改变由喷嘴喷出的射流直径，因而也改变了

18、水轮机的流量。转轮：它由圆盘和固定在它上面的若干个水头组成，射流冲向水斗，将自己的动能传给水斗，从而推动转轮旋转作功。折向器：它位于喷嘴和转轮之间，当水轮机突减负荷时，折向器迅速地使喷向水斗的射流偏转，同时缓慢地关闭喷针到新负荷相应位置，以避免压力水管中引起过大的压力上升，当喷针稳定在新位置后，折向器又回到射流旁边，准备下一次动作。机壳：使作完功的水流流畅地排至下游，机壳内压力与大气压相当，机壳也用来支撑水轮机轴承。2 2水斗式水轮机的装置方式水斗式水轮机的装置方式 图1-23 单轮单喷嘴卧式水斗式水轮机 图1-24 单轮双喷嘴卧式水斗式水轮机图1-25 双轮单喷嘴卧式水斗式水轮机 图1-26 双轮双喷嘴卧式水斗式水轮机 图1-27 双轮双喷嘴卧式水斗式水轮机图1-28 立式机组喷嘴布置(a)双喷嘴；(b)三喷嘴；(c)四喷嘴；(d)六喷嘴本节总结：