水电站课件-sdz-第1章

第一篇 水轮机水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。第一章

水轮机的类型、构造及工作原理§1.1

水轮机的工作参数水轮发电机组装置原理图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。由水能出力公式:N=9.81ηQH

可知，其基本参数包括工作水头H、流量Q、出力N、效率η，此外还有工作力矩M、机组转速n。一、水头(head)毛水头(nominal

productive

head)HM=EU-ED=ZU-ZD水轮机的工作水头毛水头

- 水头损失=净水头HG=EA-

EB=HM-

hI-A★表示水轮机的运行范围和运行工况。最大工作水头——允许水轮机运行的最大净水头。Hmax=Z正-Z下min-hI-A最小工作水头——保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。Hmin=Z死-Z下max-hI-A额定水头(计算水头)Hr——水轮机发出额定出力时的所需要的最小净水头。宜在Ha的0.95~1.0的范围内选取。引水式电站：Hr

=（0.95~1.0）

Ha河床式电站：Hr

= 0.9

Ha坝后式电站：Hr

=（0.90~0.95）

Ha3.特征水头(characteristic

head)设计水头Hd——水轮机在最高效率点运行时的净水头。宜接近或略大于Ha，有利于水轮机在较高水头运行时的水力稳定性，可提高水轮机平均效率，增加年平均发电量。平均水头Ha——在一定期间内，所有可能出现的水轮机水头的平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。Ha=Z上a-Z下a3.特征水头(characteristic

head)二、流量(m3/s)(flowty)★单位时间内通过水轮机的水量。Q随H、N的变化而变化，H、N一定时，Q也一定，当H

=Hr、N

=Nr时，Q为最大。Hr、nr、Nr

运行时——

Qr三、出力与效率(output

and

efficiency)出力(水轮机的输出功率)N：指水轮机轴传给发电机轴的功率。水轮机的输入功率

(水流传给水轮机的能量)：Nw

QH

9.81QH水轮机的输出功率：N

NwHr、Qr、nr运行时——

Nr2.

效率：η=N/Nw

一般η=80%~95%四、工作力矩和转速水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达60M

——主轴力矩，N·m;ω——水轮机旋转角速度，rad/s；n

——转速（水轮机转轮在单位时间内的旋转转数），r/min。n=3000/pp

——发电机磁极对数。额定转速nr：正常情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并与发电机的同步转速相等。N

M

M

2

n

9.81QH§1.2水轮机的主要类型一、反击式水轮机

(reaction

water

turbine)定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为反击式水轮机。特征：转轮的叶片为空间面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，水流充满转轮室。原理：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，水生反作用力，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。类型混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。适用范围：H=20～700

m

, 单机容量：几万kW～几十万kW。适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量水电站。2. 轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。适用范围：H=3～80m ，适用中低水头大流量水电站。轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。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)。3. 斜流式：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，适用H=40～200m。4. 贯流式：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出口都是轴向的。H=2～30m，小型河床电站二、冲击式水轮机(Inpulse

water

tubine)定义：利用水流的动能来做功的水轮机为冲击式水轮机。特征：由喷管和转轮组成。水流以 水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)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，而不是全部。类型水斗式:

特点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，H=40～1700m。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。斜击式：特点是由喷嘴出来的射流沿着与转轮旋转平面成一角度的方向冲击转轮，H=20～300m。双击式：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，H=5～100m。斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站。冲击式水轮机结构水斗式水轮机转轮轮叶水轮机的类型反击式水轮机的主要组成部件：进水(引水)部件—蜗壳：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮。导水机构（导叶及控制设备)：控制工况转轮（工作

)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。泄水部件(尾水管):回收能量、排水至下游。第三节水轮机的基本构造一、 混流式水轮机基本构造水流—蜗壳—座环—导叶—转轮—尾水管—下游蜗壳蜗壳的作用是使水 生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机。座环（固定导叶）。由上、下环和立柱（位于导水叶的固定导叶）组成。作用：水轮机的骨架，承受发电机机墩及传来的荷载，并传到下部基础；支承活动导叶。断面设计：流线形（翼形），保证强度、刚度。固定导叶数目为活动导叶的一半。导水机构作用：

根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力引导水流按切向进入转轮，形成速度矩。组成：

导水叶及其轴、调速器、接力器。导水叶：导水机构的主体，上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。作用：改变导叶开度以改变流量。 导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。导叶参数：导叶数Z0、高度b0、开度α0。导叶的主要几何参数导叶数Z0：与转轮直径D1有关，一般16~24。导叶相对高度b0/D1：与转轮型式有关，适用水头愈高的水轮机，b0/D1愈小。HL：0.1~0.39;ZL:0.35~0.45。导叶轴分布圆直径D0

：应满足导叶在最大可能开度时不碰到固定导叶及转轮。一般D0=（1.13~1.30）D1。(4)

导叶开度a0：任意两个相邻导叶出口边的垂直距离，最大开度为a0max。转轮水能

机械能

组成：轴、上冠、叶片（12~21片）、下环、止漏环、泄水锥。尾水管尾水管的作用是引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。二、 轴流式水轮机的构造1.

轴流式水轮机特点转速高，当H、N相同时，n是混流式的2倍，尺寸较小。轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站，转轮叶片可以转动（双调），H、N变化时，水轮机具有较高的效率。2.转轮构造轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转构。叶片 ：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘承受水流作用的扭矩。叶片数目：与H大小有关，一般为3~8片；叶片数愈多，适用水头愈大。叶片安放角φ：最优工况时φ=0°，φ>0°，叶片开始启动，φ<0°向关闭方向转动。-150≤φ≤+200轮毂：外部连接叶片， 安装转 构。转 构：安装在轮毂内，由调速器控制，调整导叶角度。三、斜流式水轮机构造★主要部件：座环、转轮及其叶片（8~12片）、导水机构、尾水管、主轴、导轴承等。★与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与主轴成

45°~60°的夹角。斜流式水轮机构造四、灯泡贯流式水轮机实际上是无蜗壳、无弯肘形尾水管的卧轴布置的轴流式水轮机，发电机安装在灯泡体内。五、冲击式水轮机构造(水斗式)1.水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、机壳、尾水槽。转轮组成： 、斗叶（沿 均匀分布）。连接方式：螺拴、整体铸造、焊接。喷管组成：喷嘴、喷管体、导水叶栅、针阀、喷杆、

操作机构。针阀： 控制水轮机的过水流量，以行程表示。折向器（折流板、偏流器）当机组突弃负荷时，为了避免转轮飞逸，首先启动折流板，在1～2s内使射流全部偏离转轮，使喷针缓慢关闭，避免因针阀快速移动导致压力内产生过高的水击压力。机壳把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。导流板（引水板）防止水流随转轮飞溅到转轮上方或轮叶背面，造成附加损失。位于机壳内右下侧。2.水斗水轮机的装置方式立轴：大型水轮机，缩小厂房面积，便于装设多喷嘴。单喷嘴、双喷嘴、单转轮、双转轮。卧轴：中小型水轮机，简化结构，降低造价，便于安装和。§1-4

水轮机的型号及标称直径反击式水轮机的型号

（由三部分组成）HL240

——

LJ

——

410混流式水轮机，转轮代号240（比转速)，立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cm。ZZ440

——

LH

——

430轴流转浆式水轮机，转轮代号440，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm。冲击式水轮机的型号转轮代号为30的水斗式水轮机，卧轴，一根轴上装有2个转轮，转轮直径为120cm，每个转轮具有2个喷嘴，设计射流直径为10cm。1202CJ

30

W

2

10各种水轮机转轮标称直径D1HL：转轮叶片进口边上最大直径。ZL、XL、GL：转轮叶片 线相交处的转轮室直径CJ：转轮与射流中心线相切处节圆直径。§1-5水流在反击式水轮机转轮中的运动一、复杂的空间非恒定流水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流水头、流量在不断变化；叶片形状为空间面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。二、恒定流状态水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、η不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动是恒定流。假定：在研究时段内，不考虑水轮机工作状态的变化，水流的运动和时间无关，则水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，是恒定流。假定：转轮叶片无限多、无限薄，转轮中水流是均匀且轴对称的，其相对运动轨迹与叶片表面重合。三、水流运动是空间三元流水流运动规律用速度三角形表达

V

U

W——水流绝对流速（相对于地球）。——水流随转轮旋转牵连流速。——水流沿叶片流动的相对流速。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。WU圆柱坐标系下：量；

——径向分量；

——由于和

在同一平面上，则：且：

Vu

Vm

V

Vu

Vz

VrVr大小。

W

Wu

Wz

Wr

Wu

Wm

Vm

轴面分量，反映了机组过流量的——圆周方向分量，反映了流体的旋转程度；Vz

——轴向分VuVW

Vm

Wm

Vr

Wr

Vz

Wz

Vu

U

Wu§1-6

水轮机工作的基本方程式一、动量矩定理d

mVu

r

MQe——进入转轮的有效流量。

M

w

M

0M0——转轮叶片对水流的作用力矩。则水流对转轮的作用力矩M

：wdtdt

gu

2

2

u1

1eu

V r

V r

d

mV

r

QVu1r1

Vu

2r2

0gM

M

eQ单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。即：其中M为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。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。gu

2

2u1

1M

Qe

(V

r

V

r

)二、水轮机的基本方程在稳定工况下(n、Q、H均不变)，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：N

Qe

Hs所以，水轮机的基本方程为：该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。g

g2

u

2 1

1

1

2

2

2s

1

u1H

1

(U

V

U

V

)

1

(U

V

cos

U

V

cos

)1

u1

2

u

2eu1

1

u

2

2eg

g(V r

V r

)

U

V

U

V

Q

QN

M

方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。水流传给转轮的能量与水流在转轮之间的动量矩的变化相平衡。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。§1-7

水轮机的效率及最优工况一、水轮机的效率(efficiency)水轮机的能量损失导致N<Nw，效率<1效率是由水力效率 、流量效率、机械效率组成水力损失(head

loss)及水力效率蜗壳、导叶、转轮、尾水管

——

沿程损失旋涡、 脱流、 撞击

——

局部损失水轮机的水力效率为H

H

H

100%

HeH

H流量损失及流量效率（容积效率）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为q，此部分流量不经过转轮作功，称