第二章水轮机及其选择

1、水水 电电 站站第一篇第一篇 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。2.1 水轮机的类型及其构造水轮机的类型及其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

2、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一、主要类型一、主要类型(一一)、反击式水轮机、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 定义：定义：利用水流的压力能和动能做功的水轮机利用水流的压力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。反击式水轮机原理反击式水轮机原理水流通过

3、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。(二二)、冲击式水轮机、冲击式水轮机(IPpulse water tubiPe)定义：定义：利用水流的动能来做功的水轮机利用水流的动能来做功的水轮机特征：特征：由喷管和转轮组成。由喷管和转轮组成。 水流以自由水流的形式水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流冲击转轮，利用水流动能动能(V方向、大小改变方向、大小改

4、变)产生旋转力矩使转轮转动。产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。不适宜调峰运行。不是全部。不适宜调峰运行。适用：水头高，流量小，多用于适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高以上，最高接近接近2000m。(一一)、反击式水轮机、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe)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，米，单机容量：几万单机容量：几万kW-几十万几十万kW 特

5、点：特点：适用水头范围广，结构简单，运行稳定，适用水头范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用中高水头电站。效率高，适用中高水头电站。 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。混流式水轮机混流式水轮机(一一)、反击式水轮机、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe)2. 轴流式：轴流式： 特点：特点：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。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

6、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。高效率区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。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，进行双重调叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度节（导叶开度、叶片角度)。适用于大型水电站。适用于大型水电站。 轴流调浆式：轴流调浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行单重调叶片能随工况的变化而转动，进行单重调节（叶片角度节（叶片角度)。轴流式水轮机轴流式水轮机轴流转浆式水轮机转轮轴流转浆式水轮机转轮 (一一)、反击式水轮机、反击式水轮机

7、 (reactioP water turbiPe)3. 斜流式：斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随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。工况变化而转动，高效率区广。 (一一)、反击式水轮机、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe)4. 贯流式：贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设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管蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。出口都是轴向的。H0，叶片开，叶片开始启动，始启动，0时，利用静力真空。 (3) 利用动力真空Hd。522552222hgVV

8、Hd尾水管断面尺寸的拟定（1）直锥形尾水管的断面尺寸 v 尾水管进口直径D3 D3=D2+(0.51）cmv 圆锥角 =1214v 尾水管长度 v 尾水管出口流速V5 v 尾水管出口直径D5 v 尾水室的尺寸221 （2）弯肘形尾水管的断面尺寸 弯肘形尾水管（a）转桨式水轮机弯曲形尾水管；（b）混流式水轮机弯曲形尾水管标准系列弯肘形尾水管主要尺寸 尺寸尺寸类型类型h/D1h/D1D D1 1h hL LB B5 5D D4 4h h4 4h h5 5h h6 6L L1 1应用范围应用范围Z Z1 1Z Z3 3Z Z5 5Z Z5 5Z Z6 6Z Z6 6Z Z8 81.9151.9152

9、.3002.3002.3002.3002.5002.5002.5002.5002.7002.7002.3002.3001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.9151.9152.3002.3002.3002.3002.5002.5002.5002.5002.7002.7002.3002.3003.5003.5004.5004.5004.5004.5004.5004.5004.5004.5004.5004.5003.5003.5002.2002.2002.3802.3802.5002.5002

10、.5002.5002.7402.7402.7402.7402.1702.1701.1001.1001.1701.1701.2301.2301.2301.2301.3521.3521.3521.3521.0401.0401.1001.1001.1701.1701.2301.2301.2301.2301.3521.3521.3521.3521.0401.0401.0001.0001.2001.2001.2701.2701.2501.2501.3101.3101.3101.3100.9370.9370.5500.5500.5840.5840.6170.6170.6170.6170.6700.6700

11、.6750.6750.5100.5101.4171.4171.5001.5001.5901.5901.5901.5901.7501.7501.7501.7501.4101.410低比转速轴流式低比转速轴流式ZZZZ440440、ZZZZ360360中比转速轴流式中比转速轴流式ZZZZ440440、ZZZZ560560中比转速混流式中比转速混流式HLHL180180、HLHL160160中高比速轴流式中高比速轴流式ZZZZ560560、ZZZZ600600中高比速混流式中高比速混流式HLHL230230、HLHL310310、HLHL240240、HLHL220220高比转速轴流式高比转速轴流式

12、ZZZZ600600、ZZZZ560560低比转速混流式低比转速混流式HLHL100100、HLHL110110 水斗式水轮机结构图 2.2.1水轮机的基本方程式1水流在转轮中的运动A相对运动：用 表示 B圆周运动：用 表示 C绝对运动 : 用 表示 WUVUWVv对于混流式水轮机，可以认为任一水流质点在转对于混流式水轮机，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轮中的运动是沿着某一喇叭形的空间曲面( (称之称之为流面为流面) )而作的螺旋形曲线运动。而作的螺旋形曲线运动。v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。在整个转轮流道内

13、有无数个这样的流面。在整个转轮流道内有无数个这样的流面。v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。2水轮机的基本方程式222111coscos1VUVUgHu方程的实质方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程，方程左边为转换成的机械能。方程，方程左边为转换成的机械能。u水流与叶片相互作用，使得水轮机做功。水流通过水流与叶片相互作用，使得水轮机做功。水流通过水轮机时，叶片迫使水流动量矩发生变化，而水流水轮机时，叶片迫使水流动量矩发生变化，而水流以

14、反作用力作用在叶片上，从而使转轮获得力矩。以反作用力作用在叶片上，从而使转轮获得力矩。u水能转变为旋转机械能的必要条件：水流在转轮出水能转变为旋转机械能的必要条件：水流在转轮出口的能量小于进口处的能量，即转轮的进口和出口口的能量小于进口处的能量，即转轮的进口和出口必须存在速度矩的差值。必须存在速度矩的差值。 水轮机效率：1水力损失和水力效率2容积损失和容积效率3机械损失和机械效率 水轮机的输出轴功率HhHhQqQcememPPPmchoutQHP81. 9蜗壳、导叶、转轮、尾水管蜗壳、导叶、转轮、尾水管 沿程损失沿程损失 旋涡、旋涡、 脱流、脱流、 撞击撞击 局部损失局部损失一、水轮机的效率一

15、、水轮机的效率(efficiePcy) 水轮机的能量损失导致水轮机的能量损失导致P Ps ，效率效率1 效率是由水力效率效率是由水力效率 、流量效率、机械效率组成、流量效率、机械效率组成 1. 水力损失水力损失(head loss)及水力效率及水力效率 蜗壳、导叶、转轮、尾水管蜗壳、导叶、转轮、尾水管 沿程损失沿程损失 旋涡、旋涡、 脱流、脱流、 撞击撞击 局部损失局部损失 水轮机的水力效率为水轮机的水力效率为: HHHHHeH%1002. 流量损失及流量效率（容积效率）流量损失及流量效率（容积效率） u水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量

16、为水管的流量为q，此部分流量不经过转轮作功，此部分流量不经过转轮作功，称漏损。称漏损。u容积效率：容积效率： eCQQqQQ 3. 机械损失和机械效率机械损失和机械效率 水轮机的输入功率：水轮机的输入功率：Pe；输出功率；输出功率: P=Pe -Pm机械效率：机械效率： m=P/Pe u 水轮机的总效率水轮机的总效率 =HCmu 提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。失、机械摩擦。根据模型试验得到。根据模型试验得到。 二、水轮机的最优工况二、水轮机的最优工况u水轮机的最优工况是水轮机的最优工况是指指最高的工况。最高的工况。u一般情况下，对

17、一般情况下，对起起主要作用的是水力损主要作用的是水力损失，流量损失和机械失，流量损失和机械损失相对较小，且基损失相对较小，且基本不变，在水力损失本不变，在水力损失中撞击和涡流损失最中撞击和涡流损失最大。大。水轮机的最优工况 v 无撞击进口:当进口水流相对速度方向与转轮叶片骨线方向一致v 最优出流方向：水流出口方向离开转轮后无旋转并沿尾水管轴向流出时最优工况：满足上述两条件工况下，水流转轮进口无撞击损失，出口无涡流损失，此时效率最高。1.水轮机的空化水轮机的空化1. 空化及空化压力的概念空化及空化压力的概念v水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。v水在一

18、定压力下水在一定压力下加温加温引起的汽化为引起的汽化为沸腾沸腾；v环境温度不变环境温度不变压力降低压力降低引起的汽化叫引起的汽化叫空化空化。v在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的空化压力度下的空化压力(Pb) ( (1)1) 空化破坏的机理空化破坏的机理v由由 可知，当可知，当V VP P,当当P P= = P Pb b时，水开始汽化时，水开始汽化汽汽泡泡( (水蒸气水蒸气+ +空气空气)水中溶解的气体向气泡析出水中溶解的气体向气泡析出气泡体积迅速增大气泡体积迅速增大进入高压区进入高压区蒸气变成水，汽蒸气变成水，汽泡体积减小，出现真空，汽泡

19、外面的水流质点在内泡体积减小，出现真空，汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击，在汽外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击，在汽泡内形成很大的微观水锤压力泡内形成很大的微观水锤压力( (可达几百大气压可达几百大气压) )；CgvZpE2221.水轮机的空化水轮机的空化v汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。向外冲击。v大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏 机械机械破坏，称为疲劳剥蚀破坏，称为

20、疲劳剥蚀。v汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部温度升高相互撞击，引起局部温度升高( (可达到可达到300300) )，汽，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用由于温度升高，产生电解作用化学腐蚀化学腐蚀。(2) 水轮机水轮机空蚀空蚀定义定义 汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化

21、学腐蚀破对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，称坏的现象，称水轮机的水轮机的空蚀空蚀。 隔河岩隔河岩1号水轮机转轮空化号水轮机转轮空化v使过流部件机械强度降低，严重时整个部件受使过流部件机械强度降低，严重时整个部件受到破坏。到破坏。v增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。低，流量减小，出力下降。v机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。v缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消耗钢材、延长工期。消耗钢材、延长工期。3.空蚀空蚀造成的

22、造成的危害危害二、水轮机空化类型二、水轮机空化类型v翼形翼形( (叶片叶片) )空化空化：转轮叶片背面出口处产生的空化，转轮叶片背面出口处产生的空化，与叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空化与叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空化形式。形式。v间隙空化：间隙空化：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生的空化。速增大，压力降低而产生的空化。v空腔空化：空腔空化：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力的

23、脉动，在尾水管进口处产生空化破坏，还可能压力的脉动，在尾水管进口处产生空化破坏，还可能造成尾水管振动。造成尾水管振动。v局部空化：局部空化：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空化。在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空化。 v 水轮机空化的类型 根据空化产生的部位不同，一般把水轮机的空化分为： A翼型空化：B间隙空化： C空腔空化：D局部空化：尾水管内的真空涡带尾水管内的真空涡带尾水管内的真空涡带尾水管内的真空涡带三、防止空化的措施三、防止空化的措施 流速和压力流速和压力是产生空化最重要的两个原因，因是产生空化最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。此要控制流速和压力的急剧变化。 1. 设

24、计制造方面：设计制造方面： 合理选型，叶型流线设计，表合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗空化钢衬面光滑，抗空化钢衬(不锈钢不锈钢)。 2. 工程措施：工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。 3. 运行方面：运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时向尾水管补气。度，必要时向尾水管补气。 2水轮机的空化系数与吸出高度(1)、水轮机的空化系数、水轮机的空化系数v反击式水轮机发生空化破坏的根本原因是过流通反击式水轮机发生空化破坏的根本原因是过流通道中出现了道中出现了

25、p0，叶片开，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. 转轮构造转轮构造叶片转动操作机构叶片转动操作机构(三三)、斜流式水轮机构造、斜流式水轮机构造斜流式水轮机构造斜流式水轮机构造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。

26、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=-8m条件下运行，其空条件下运行，其空化现象仍比较严重。化现象仍比较严重。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。(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，

27、发电机安装在灯泡安装在灯泡体内。体内。 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

28、站，均为灯泡贯流机组。等电站，均为灯泡贯流机组。v当水头较低而机组容量又较大时，若水轮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

29、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。(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(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。水斗的形状水斗的形状(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

30、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。广泛应用的喷嘴广泛应用的喷嘴(3). 折流板折流板 使针阀缓慢关闭，降低水锤压力，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

31、轮上装设装设两个或更多个喷嘴两个或更多个喷嘴。有时又在一根轴上装。有时又在一根轴上装设设两个两个(或多个或多个)转轮转轮，以提高机组的单机出力。，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。多喷嘴安装多喷嘴安装第三节第三节 水轮机的型号及标称直径水轮机的型号及标称直径型号第三部分的说明型号第三部分的说明第三部分为数字：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d0v对双击式水轮机，其表示方法为：对双击式水