水轮机工作原理综述

1、水水 电电 站站第二章第二章 水轮机的调速设备水轮机的调速设备一、水轮调节的任务一、水轮调节的任务 系统负荷变化系统负荷变化系统电压发生变化系统电压发生变化发发电机励磁装置动作电机励磁装置动作发电机的端电压恢发电机的端电压恢复并保持在许可范围内。复并保持在许可范围内。系统负荷变化系统负荷变化系统电流的频率系统电流的频率f发生变发生变化，由于化，由于f是磁极对数是磁极对数p和转速和转速n的函数的函数发电机调速器动作发电机调速器动作发电机的转速恢复发电机的转速恢复并保持在许可范围内。并保持在许可范围内。系统负荷变化水轮机调节的任务：水轮机调节的任务：v 随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。随外界

2、负荷的变化，迅速改变机组的出力。v 保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏差不超过差不超过0.5Hz，大电力系统不超过，大电力系统不超过0.2Hz。1. 启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节成组调节(负荷分配负荷分配)，以达到经济合理的运行。，以达到经济合理的运行。二、水轮机调节原理二、水轮机调节原理v水轮发电机组的运动方程式为：水轮发电机组的运动方程式为：式中：式中：Mt水轮机主动力矩水轮机主动力矩(水流推动叶片做功水流推动叶片做功) Mg 发电机的阻力矩发电机的阻力矩 J 机组惯性矩；机组

3、惯性矩； 角加速度；角加速度；dtdJMMgtdtd所以当负荷变化时，应调节所以当负荷变化时，应调节Mt，使，使Mt=Mg，n=ne又：又： 要使要使 ，一般不能改变，一般不能改变H和效率和效率，而是通过，而是通过改变改变Q而达到改变主动力矩而达到改变主动力矩Mt的目的。的目的。 ndtdMMMNndtdMMMNnncdtd，MMgtggtgegt0)3(0)2(, 0)1(QHMQHMttCv调节流量的途径：调节流量的途径： 反击式：通过改变导叶开度反击式：通过改变导叶开度a0 ，ZZ：同时改变叶：同时改变叶片转角。片转角。 冲击式：通过改变喷嘴开度。冲击式：通过改变喷嘴开度。 v水轮机调节

4、的定义：水轮机调节的定义： 随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度开度(或针阀行程或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定，使机组转速恢复并保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。转速的过程，称为水轮机调节。 调节实质：调节实质：调节转速调节转速 水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。 离心摆测量机组转速，并把转速信号变为位移信号，由于离心摆的负载能力很小，采用了二级液压放大。引导阀和辅助接力器构成第一级液压放大装置，主配压阀和主接力器则构成第二级液压放大装置，从辅助接力器输出引一信号至引导阀，作为局

5、部反馈，从主接力器输出引信号经缓冲器和调差机构至引导阀，作为主反馈信号。三、水轮机调节系统的组成三、水轮机调节系统的组成机械液压调节系统机械液压调节系统:单调节的调速器原理简图单调节的调速器原理简图v水轮机自动调节系统水轮机自动调节系统: : 调速柜调速柜+ +油压设备油压设备+ +接力器。其中中小型水轮机调速接力器。其中中小型水轮机调速器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行方便。方便。 v调速柜的作用：调速柜的作用： 以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，已以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，已达到改变出力恢复转速的目的。达到改变出

6、力恢复转速的目的。调速系统调速系统油压装置油压装置调速柜主要有以下几个部分组成：调速柜主要有以下几个部分组成：v测量机构测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变为位移信号，然后输出。为位移信号，然后输出。v放大机构放大机构：(引导阀引导阀+辅助接力器、主配阀辅助接力器、主配阀+主接力主接力器，二级放大器，二级放大)：位移变化：位移变化油压变化。油压变化。v执行机构执行机构：主接力器，控制导叶开度，改变流量：主接力器，控制导叶开度，改变流量v反馈机构反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使：缓冲器和杠杆机构，当调节使=时，反时，反馈信号使调节停止。馈信号使调节

7、停止。v油压设备的作用：供给调速器压力油，传递操作力。油压设备的作用：供给调速器压力油，传递操作力。由压力油罐、回油箱、油泵、输油管、附件等组成。由压力油罐、回油箱、油泵、输油管、附件等组成。v额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为2.5MPa；有的电站采用高油压，为；有的电站采用高油压，为4.0MPa。v调速器工作时的高油压来自油罐，低压侧的油通过调速器工作时的高油压来自油罐，低压侧的油通过回油管路进入回油箱。回油管路进入回油箱。v当油压降低到正常工作油压下限当油压降低到正常工作油压下限(2.32.7MPa)时，时，油泵自动启动，将回油箱内的

8、油泵入压力油罐，油油泵自动启动，将回油箱内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油压上限时，油泵停止工作。压达到正常工作油压上限时，油泵停止工作。v接力器是调速器的执行元件，大型电站设两个或两接力器是调速器的执行元件，大型电站设两个或两个以上接力器。个以上接力器。四、调速器的类型与系列四、调速器的类型与系列( (一一) ) 类型类型1 1、按调速器元件结构分：、按调速器元件结构分：v机械液压机械液压( (机调机调) )：信号测量、信号综合、信号反馈信号测量、信号综合、信号反馈均由机械环节完成。现在很少使用。均由机械环节完成。现在很少使用。v电气液压电气液压( (电调电调) )：用电气回路代替机调中

9、的机械元用电气回路代替机调中的机械元件。调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，件。调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，便于安装调整。目前还有不少电站在使用。便于安装调整。目前还有不少电站在使用。v微机调速器微机调速器：用工业控制计算机代替电子调速器，用工业控制计算机代替电子调速器，赋予了调速器更多的控制功能，性能更优良。赋予了调速器更多的控制功能，性能更优良。数字式电液调速器监控系统主界面数字式电液调速器监控系统主界面数字式电液调速器油压装置显示画面数字式电液调速器油压装置显示画面2、按调节机构数分、按调节机构数分单调：一个导叶起闭机构，如混流和轴流定浆机组单调：一个导叶起闭机构，如混流

10、和轴流定浆机组双调：有两个调节机构双调：有两个调节机构(导叶开度，叶片转置角导叶开度，叶片转置角)， ZZ、CJ（针阀、折流板转动）（针阀、折流板转动）3、按大小（容量）、按大小（容量）大型：活塞直径大型：活塞直径80mm以上以上中型：操作功中型：操作功10000Nm30000Nm小型：操作功小于小型：操作功小于10000Nm，特小：小于，特小：小于3000Nm (二二) 调速器系列调速器系列(反击式水轮机反击式水轮机)第一部分：基本特性和类型第一部分：基本特性和类型大型：无代号；大型：无代号； 中小型带油压装置：中小型带油压装置：Y； 特小：特小：T机械液压：无代号；机械液压：无代号； 电动

11、调节：电动调节：D单调：无代号；单调：无代号； 双调：双调：S调速器：调速器：T第二部分：工作容量第二部分：工作容量 中小型调速器中小型调速器9.81N.m；大型指主配阀直径；大型指主配阀直径(mm)第三部分：额定油压第三部分：额定油压 2.5MPa 不加注释不加注释例：例： YT300 中型、带油压装置、机调、额定油压中型、带油压装置、机调、额定油压2.5MPa，工，工作容量作容量3009.81Nm DST100A40 大型、电气液压、双调节调速器；主配阀直径大型、电气液压、双调节调速器；主配阀直径100mm，额定油压，额定油压40kg/cm2(4.0MPa)，A是第一次是第一次改型后产品改

12、型后产品 A、B、C为改型次数，系列型谱见表为改型次数，系列型谱见表51。 五、水轮机调速设备的选择五、水轮机调速设备的选择v包括：调速柜、接力器、油压装置包括：调速柜、接力器、油压装置v中小型调速器是将上面的三部分结合在一起，成中小型调速器是将上面的三部分结合在一起，成为一个整体设备，以主接力器的工作容量为一个整体设备，以主接力器的工作容量( (也称为也称为调速功调速功) )为表征组成标准系列。用调速功来进行选为表征组成标准系列。用调速功来进行选择。择。v对大型调速器，三者是分开的，并且互不配套，对大型调速器，三者是分开的，并且互不配套，需要分别进行选择。大型调速器的表征值是主配需要分别进行

13、选择。大型调速器的表征值是主配压阀直径，因此需要先求出主接力器容积，再计压阀直径，因此需要先求出主接力器容积，再计算主配压阀直径。算主配压阀直径。1、中小型调速器的选择、中小型调速器的选择v调速功：接力器活塞上的油压力与其行程的乘积。调速功：接力器活塞上的油压力与其行程的乘积。v反击式水轮机的调速功：反击式水轮机的调速功： A=(200250)Q(HmaxD1)1/2 Q为最大水头下额定出力时的流量。为最大水头下额定出力时的流量。v冲击式水轮机的调速功：冲击式水轮机的调速功： A=9.81Z0(d0+d03Hmax/6000) Z0为喷嘴数目为喷嘴数目 d0为额定流量时的射流直径。为额定流量时

14、的射流直径。2、大型调速器的选择、大型调速器的选择(1) 接力器的选择接力器的选择v 导叶接力器的选择导叶接力器的选择v 通常采用两个接力器操作导水机构通常采用两个接力器操作导水机构v 当额定油压为当额定油压为2.5MPa时，接力器直径时，接力器直径ds为：为： 为计算系数，查表。为计算系数，查表。b0为导叶高度。为导叶高度。v 当额定油压为当额定油压为4.0MPa时，接力器直径时，接力器直径ds为：为： 由计算的接力器直径，查标准接力器系列表，选用相邻由计算的接力器直径，查标准接力器系列表，选用相邻偏大的直径。偏大的直径。max101HDbDdssssddd81. 00 . 4/5 . 20

15、5. 1v接力器最大行程接力器最大行程Smax可由经验公式求出：可由经验公式求出： Smax=(1.41.8)a0maxa0max为水轮机导叶的最大开度，由模型水轮机导为水轮机导叶的最大开度，由模型水轮机导叶最大开度叶最大开度a0Mmax换算得出：换算得出： a0max= a0Mmax(D0Z0M/D0MZ0)其中，其中，D0和和Z0分别为水轮机导叶轴心园的直径和分别为水轮机导叶轴心园的直径和水轮机的导叶数目。水轮机的导叶数目。v将将Smax的单位转换为的单位转换为m，即可求出两个接力器的，即可求出两个接力器的总容积：总容积：223maxmax12(m )22sssdVSd Sv 转浆式水轮机

16、转轮叶片接力器的计算转浆式水轮机转轮叶片接力器的计算v 转浆式水轮机除了选择导叶接力器以外，还要转浆式水轮机除了选择导叶接力器以外，还要选择转轮叶片接力器选择转轮叶片接力器(位于轮毂内部位于轮毂内部)。v 其直径其直径dc、最大行程、最大行程Scmax、容积、容积Vc可按经验公式可按经验公式估算。估算。 dc=(0.30.45)D1(2.5/P0)1/2 Scmax=(0.0360.072)D1 Vc=0.25dc2 Scmax(2) 主配压阀直径的选择主配压阀直径的选择v通常主配压阀的直径与通向主接力器的油管直径相通常主配压阀的直径与通向主接力器的油管直径相等。通过主配压阀油管的流量为：等。

17、通过主配压阀油管的流量为： Q=Vs/Ts Ts为导叶的直线关闭时间。为导叶的直线关闭时间。 则由管内油的流速则由管内油的流速(45m/s)确定油管直径确定油管直径d。v大型调速器以主配压阀的直径为表征而组成系列，大型调速器以主配压阀的直径为表征而组成系列，计算出计算出d以后，就可以查表选择调速器型号了。以后，就可以查表选择调速器型号了。v对于双调节的转浆式水轮机，通常使转轮叶片的主对于双调节的转浆式水轮机，通常使转轮叶片的主配压阀直径与导水机构的主配压阀直径相等。配压阀直径与导水机构的主配压阀直径相等。（3） 油压装置的选择油压装置的选择v 油压装置的工作容量以压力油罐的总容积为表征，故首先油压装置的工作容量以压力油罐的总容积为表征，故首先应按经验公式求出压力油罐的总容积应按经验公式求出压力油罐的总容积Vk： Vk=(1820)Vs 对于对于HL水轮机水轮机 Vk