第二章 水轮机

《水电站》2014年5月第一篇水力机械水轮机+发电机： 水轮发电机组功能： 发电水泵+电动机： 水泵抽水机组功能： 抽水水泵+水轮机： 抽水蓄能机组。功能： 抽水蓄能发电水轮发电机组

水轮机将水能转变为旋转机械能，带动发电机发出电能第一节水轮机的主要类型及其特点第一章水轮机类型及构造反击式：势能、动能冲击式：动能一、主要类型(一)、反击式水轮机(reactionwaterturbine)

定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机特征：转轮的叶片为空

间扭曲面，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。反击式水轮机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，水流产生反作用力，作用于

每个转轮叶片，使转

轮产生旋转力矩，从

而做功。1.混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。适用范围：H=30-450m,最高水头接近700米，单机容量：几万kW-几十万kW特点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。三峡水电站，单机容量70万kW。世界上单机容量最大的机组。混流式水轮机2.轴流式：特点：水流轴向流入，轴向流出转轮，轴流定浆式：叶片不能转动。高效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站。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)。适用于大型水电站。适用于大流量、低水头。一般水头在50m以下。最高到88m葛洲坝：1982，轴流转浆式17万千瓦，12.5千瓦轴流转浆式水轮机转轮3.斜流式：水流斜向经过转轮。转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广，水头20~200m。可作为可逆式毛家村：1969,8000kw密云抽水蓄能：1.5万kw水泵水轮机4.贯流式：主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳，水流直贯转轮。H<20m，小型河床电站。贯流式机组分类全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其密封困难。半贯流式：灯泡贯流式：轴伸式贯流机组：竖井式贯流机组：1-5全贯流式水轮机1-前固定导叶；2-活动导叶；3-发电机转子；4-发电机定子；5-转轮叶片；6-后固定导叶灯泡式水轮机组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，水力效率高。图1-6灯泡贯流式水轮机1-转轮；2-导叶；3-发电机定子；4-发电机转子；5-灯泡体轴伸式贯流机组水轮机轴伸出到尾水管外面。发电机安装在外面，竖井贯流式水轮机发电机安装在竖井内。1-竖井；2-发电机；3-传动装置；4-水轮机转轮(二)、冲击式水轮机(Impulsewaterturbine)定义：利用水流的动能做功特征：水流以自由水流的形式(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。适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。冲击式水轮机运行中单喷嘴运行中结构特点:

喷管

转轮

类型;按射流冲击轮叶方式的不同，分为:水斗式、斜击式双击式

（按射流是否在转轮旋转平面内？）水斗式:

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。目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型也称：切击式，培尔顿式水斗式水轮机转轮轮叶轮盘适用：高水头、小流量的水电站大型300～1700m，小型40～250m高效率区宽，最高效率超过91％单机功率最大：挪威的悉•西马（Simma）水电站（单机容量315MW，水头885m，转速300r/min），1980年。水头最高：奥地利的莱塞克（Lascek）水电站（单机功率22.8MW，水头1767m），1959年。亚洲第一高水头电站：我国广西天湖水电站（单机功率15MW，水头1074m）。斜击式：喷嘴出来的射流沿着与转轮旋转平面成一角度的方向，从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。特点：流量较大，但效率较低，适用：一般用于中小型水电站，适用水头一般为20～300m。双击式：从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上

(a)(b)图1-11带有闸板阀门的双击式水轮机(a)转轮；(b)整体结构1-工作轮；2-喷嘴；3-调节闸板；4-舵轮；5-引水管；6-尾水槽结构简单、制作方便，但效率低、转轮叶片强度差，仅适用于单机出力不超过1000kW的小型水电站，其适用水头一般为5～100m。水轮机的类型水轮机类型及应用水头范围类型型式适应水头范围（m）

反击式

混流式混流式20～700混流可逆式80～600轴流式轴流转桨式3～80轴流定桨式3～50斜流式斜流式40～200斜流可逆式40～120贯流式贯流转桨式2～30贯流定桨式

冲击式水斗式300～1700斜击式20～300双击式5～100

小、中、大型水轮机的分类

类型转轮直径D1（m）额定出力Pr（MW）备注混流式轴流式小型<1.0<1.2＜12中型2.25～1.03.0～1.212≤Pr＜100大型>2.25>3.0≥100巨型尚无确切定义三峡(9.8m,700MW)、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级

其他电站的标称直径和单机容量是多少？1、反击式：

(1)进水(引水)部件—蜗壳：使水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮室。（本章第二节，第四章第七节）

(2)导水机构（导叶及控制设备)：控制工况。（第三节）

(3)转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。（第四节）

(4)泄水部件(尾水管)：回收能量、排水至下游。（第四章第七节）2、冲击式（第五节）：喷管，转轮，折流器，机壳，射流制动器等。水轮机的基本构造将水流平顺、均匀、轴对称地，以最小水头损失引入转轮室。第二节反击式水轮机引水部件怎样才能做到呢？为什么？引水部件：包括引水室和座环，是水流进入水轮机的第一个过流部件。引水室按特征分为蜗壳式--------大中型水轮机，金属蜗壳和混凝土蜗壳明槽式--------小型水轮机罐式--------小型水轮机灯泡式竖井式虹吸式轴伸式贯流式三门峡水电站水轮机蜗壳蜗壳组装座环：位置：导水叶的外围。组成：由上、下环和立柱组成。作用：是水轮机的骨架，承受机墩及传来的荷载，传到下部基础；支承活动导叶断面：流线形，保证强度、刚度。数目：活动导叶的一半。图1-14座环空间示意图1-上环；2-下环；3-固定导叶第三节反击式水轮机导水机构导水机构结构图作用：形成与改变进入转轮的水流速度环量，引导水流按一定方向进入转轮。调节进入转轮的流量，调节出力并开停机。活动导叶及其操纵机构——液压操作调速环接力器接力器接力器用于操作控制环的转动接力器示意图导叶的开度(1)导叶开度a0：两导叶之间的垂直距离，最大开度为amax。导叶相对开度：

导叶的主要几何参数（2)导叶转动轴分布圆直径D0：应满足导叶在最大可能开度时不碰到固定导叶和转轮。一般D0=1.13~1.16D1导叶的主要几何参数(3)导叶数Z0：与D1有关。(4)导叶相对高度b0/D1：HL：0.1~0.39;ZL：0.35~0.45转轮直径D1(m)导叶数z0<1.0121.0～2.25162.5～8.524＞932第四节反击式水轮机转轮混流式水轮机转轮组成：轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥1－轮毂；2－轮叶；3－下环；4－止漏环；5－泄水锥；6－减压孔混流式水轮机转轮转轮的组成在法兰盘四周开有几个减压孔，以便将经过上冠外缘渗入冠体上侧的积水排入尾水管。大型机组在与上冠连接的主轴端常装有补气装置，以便向泄水锥下侧的水流低压区补气。泄水锥的作用是引导径向水流平顺地过渡成轴向流动，以消除径向水流的撞击及漩涡。转轮的组成转轮叶片是扭曲面体，其进水边扭曲度较小，出出水边扭曲度较大，其断面形状为翼形。叶片的数目通常在12-21片之间。止漏环也称为迷宫环。在转轮上冠和下环的外缘处均安装着止漏环的转动部分，它与相对应的固定部分之间形成一系列忽大忽小的空间或迷宫状的直角转弯，以增长渗径，加大阻力，从而减小渗漏损失。轴流式水轮机的构造(1)转速高，当H，N相同时，转速是混流式水轮机的2倍，尺寸较小。(2)轴流转浆式多用于低水头大流量的大型电站，其转轮叶片可以转动（双调节），H、N变化时，水轮机具有较高的效率。轴流式水轮机特点转轮构造组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构1－主轴；2－转轮体；3－定位销；4－叶片；5---卡环；6－泄水锥叶片：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘薄，以承受水流作用的抟矩。叶片数目：与H大小有关，一般为4~8片；叶片转角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。

-15°­>Φ<+20°

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，调整导叶角度。2.转轮构造叶片转动操作机构1-叶片；2-枢轴；5-转臂；6-连杆；7-操作架；8---转轮接力器活塞9---活塞杆(三)、斜流式水轮机构造斜流式水轮机构造主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水管、主轴、导轴承等。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。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Hs=-8m条件下运行，其空蚀现象仍比较严重。由于斜流水轮机无显著特点，在设计中很少采用。(四)、灯泡贯流式水轮机实际上是卧轴安装的轴流式水轮机，发电机安装在灯泡体内。灯泡贯流式水轮机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闸门。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7.5m，单机容量达48MW。广东飞来峡(4×35MW)、宁夏沙坡头(4×30MW)、甘肃炳灵(5×48MW)等电站，均为灯泡贯流机组。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传动机构，使发电机转速比水轮机转速大3-10倍，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，因此目前仅应用于小型贯流式机组。第五节、水斗式水轮机构造组成：转轮、喷管、折流板、机壳、尾水槽(1).转轮组成：轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。连接方式：螺拴、整体铸造、焊接。水斗的形状(2).喷管组成：喷嘴、喷管体、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。多喷嘴安装广泛应用的喷嘴折向器作用：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。水斗水轮机的装置方式为了提高机组转速及过流量，常在一个转轮上装设两个或更多个喷嘴。有时又在一根轴上装设两个(或多个)转轮，以提高机组的单机出力。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。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。水轮发电机组装置原理图第六节水轮机的工作参数什么叫工作参数？

定义：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，基本参数包括：工作水头H、流量Q、出力N、效率η，工作力矩M、机组转速n。水轮机的工作参数一、水头(head)1.工作水头：上下游断面能量差，净水头表明水轮机利用水流单位机械能的多少，是重要的基本工作参数之一.毛水头1）最大水头：Hmax=Z设洪-Z下min-hI-A（一台机空载或0.7Q）是允许水轮机运行的最大净水头2）最小水头：

Hmin=Z死-Z下max-hI-A

（均发额定出力）是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。

2.水轮机特征水头(characteristichead)

表示水轮机的运行范围和运行工况。

水轮机特征水头——表示水轮机的运行工况和运行范围

（3）水轮机平均水头Ha。加权平均值，是在其附近运行时间最长的净水头（按时间加权（按电能加权）（4）水轮机额定水头Hr。水轮机在额定转速，发出额定出力时所需要的最小净水头。在运转综合特性曲线上，是水轮机和发电机出力限制线的交点。Nr=9.81ηQmax*Hr（5）设计水头Hr：水轮机最高效率相应的水头讨论根据《水利水电工程技术术语标准》SL26-92（P319页），两个水头定义如下：水轮机额定水头Hr是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。水轮机设计水头Hd是水轮机在最高效率点运行时的净水头。根据《水利水电工程技术术语标准》SL26-92（P147页），水电站设计水头是指水轮机在发出额定出力时所需要的最小净水头，即水轮机额定水头。根据《水利水电专业量和单位》SL2.3-98（P17页）,水电站设计水头是指水轮机在最高效率点运行时的水头，即水轮机设计水头。现有的教材把水轮机额定水头称为水轮机设计水头，如西安理工大编的水力机械（P72页）、河海季盛林编的水轮机（P146）刘启钊水电站，本教材二、流量(m3/s)(flowquantity)

单位时间内通过水轮机的水量

Q。Q随H、N的变化：

H、N一定时，Q也一定；当H=Hr、N=Nr时，Q为最大Qmax。三、出力(output)1.出力(水轮机的输出功率)N：

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)为：

水轮机的输出功率：2.额定出力；当发电机发出额定功率时相应的水轮机轴输出功率可利用水能旋转机械能电能水轮机发电机四、效率(efficiency)水轮机：η=N/Nw，一般η=80%~95%发电机：ηg=Ng/N力矩与出力、转速的关系?你对水轮机转速的了解有哪些？五、工作力矩和转速五、工作力矩和转速工作力矩：

额定转速n：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=3000/pp——发电机磁极对数【例1-1】某电站在设计水头下，上游水位zu=60m，下游水位zd=40.5m，单机流量Q=500m3/s，水轮机效率η=0.90，发电机效率ηg=0.968。若忽略引水建筑物中的水力损失，试求水轮机输入功率Nw、水轮机出力N和机组出力Ng。解：水轮机工作水头:水轮机输入功率(kW)水轮机出力(kW)机组出力(kW)第七节水轮机的牌号及标称直径QJ姓辈名型号第三部分的说明对反击式水轮机：表示转轮的标称直径水斗式或斜击式水轮机，为：

转轮标称直径D1

作用在每个转轮上的喷嘴数×设计射流直径d0对双击式水轮机，为：

转轮标称直径D1转轮轴向长度L(a)(b)图1-11带有闸板阀门的双击式水轮机(a)转轮；(b)整体结构1-工作轮；2-喷嘴；3-调节闸板；4-舵轮；5-引水管；6-尾水槽水轮机的型号