水轮机2010华北水利水电学院

水轮机2010华北水利水电学院第1页/共57页4.

授课时间：第1~14周5.

课程性质：专业课6.

课程作用：本课程是水动专业本科生的专业必修课，帮助学生了解水轮机结构，工作原理、选型与设计的理论方法等。7.

教学目标：使学生系统掌握水轮机的专业知识，为后续毕业设计和走上工作岗位后从事水电站主机设计、安装与检修、运行管理与科学研究打下坚实的理论基础。第2页/共57页8.

学时：52学时授课+4学时实验，共3.5学分

9.

考核方式：闭卷试题考试10.

实践性环节的内容、要求：（2学分）水轮机课程设计时间：课程结束后期末（2周）内容：根据给定资料，对水轮机选型设计。要求：成果要求，设计计算书和设计说明书各一份。

第3页/共57页第一章绪论掌握水轮机工作参数熟悉水轮机类型和结构掌握水轮机牌号及装置形式

重点：第4页/共57页1.1水电站与水轮机1.1.1有关概念流体机械（fluidmachinery）以流体为工作介质来转换能量的机械。

通常包括水轮机、汽轮机、燃气轮机、膨胀机、风力机、泵、通风机、压缩机、液力耦合器、液力变矩器、风动工具、气动马达和液压马达等。1.流体机械所用的能源:

(1)燃料（煤、石油和天然气等）的化学能：它们以热能的形式释放出来，然后再转化为机械能或电能（如燃气轮机和汽轮机）。第5页/共57页

(2)直接或将能量转换为电能后带动从动机（如风力机、水轮机和膨胀机）2.工质：（1）水轮机——水;（2）汽轮机——蒸汽;（3）燃气轮机——燃气；（4）泵——水、油或其他液体；（5）通风机和压缩机——各种气体；（6）风力机和膨胀机——空气和其他气体；（7）风动工具和气动马达——压缩空气或其他压缩气体；（8）液压马达——液压油。

第6页/共57页3.流体机械分类(1)按能量转换分

原动机:将流体的能量转变为机械能，用来输出轴功率。如汽轮机、燃气轮机、水轮机等。工作机:将机械能转变为流体的能量，用来改变流体的状态(提高流体的压力、使流体分离等)与输送流体。如压缩机、泵、分离机等。

第7页/共57页（3）按结构分容积式：依靠运动元件改变工作容积来实现能量转化。叶片式：依靠高速旋转叶片与流体之间力的相互作用来转换能量，又称透平机械。第8页/共57页4.水力机械

:在液体水和固体机械之间进行机械能转换的机器。水力原动机水力工作机可逆式水力机械液力传动装置水力推进器水力机械分为（基本）（派生的）第9页/共57页水能动能势能水泵水轮机机械能电动机发电机电能？问题水轮机+发电机：水轮发电机组。

功能：发电水泵水轮机+发电电动机：水泵抽水机组。

功能：输水与蓄能

水轮机组水能是如何转换为电能的？第10页/共57页1.1.2天然河段蕴藏的水能Z1122v2LZ1Z2H1-2W=Qtv1E1E2河段1-2间蕴藏的水能E为：第11页/共57页1.水头：引出以下概念2.落差：条件？第12页/共57页3.出力：4.水电站：借助水工建筑物和机电设备，将水能→电能或坝式引水式混合式按开发方式分为河床式水电站（葛洲坝、富春江电站）坝后式水电站（三峡、丹江口水电站）坝内式水电站（新安江水电站）无压引水式电站有压引水式电站H和Q是构成水电站发电能力的两个主要动力因素

!第13页/共57页坝后式水电站厂坝横剖面示意图

第14页/共57页有压引水式水电站示意图1—水库；2—闸门室；3—进水口；4—坝；5—泄水道；6—调压室7—有压隧道；8—压力管道；9—厂房；10—尾水渠第15页/共57页河床式水电站枢纽布置示意图

第16页/共57页龙羊峡水电站李家峡水电站第17页/共57页二滩水电站厂房内第18页/共57页第19页/共57页三峡水电站模型第20页/共57页三峡水电站厂房内三峡工程航拍三峡大坝泄洪第21页/共57页三峡双线五级船闸第22页/共57页5.水电站毛水头(nominalproductivehead)：（水电站静水头）6.水轮机工作水头H为：8.单机容量：机组的最大出力7.水电站装机容量：水电站可能发出的最大出力9.机组效率：第23页/共57页1.工作水头（workinghead）又称净水头，指水轮机的进口和出口处单位重量水流的能量差值。

1.2水轮机的工作参数（workingparameters）（1）说明：进口指蜗壳进口断面；出口指尾水管出口断面。定义第24页/共57页ZuZdhA–Ⅰ发电机水轮机AZAA00ZTTTⅠⅠⅡⅡZⅠvⅠvAvⅡvTHgZⅡ书中图1-3第25页/共57页水轮机工作水头H表明：水轮机利用水流单位能量的多少，是水轮机最重要的基本工作参数，其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。

高程：

可测量参数压力：

流量：Q第26页/共57页水轮机的工作水头随上下游水位而变化，故提出特征水头的概念，用于表示水机的运行工况和运行范围。特征水头一般由水能规划计算确定。

（2）特征水头：(characteristichead)

Hmax=Z正—Z下min—hA-Ⅰ式中：Z正——为上游正常设计水位；

Z下min——为下游最低水位，一般取一台机组发电时下游水位。1）最大工作水头：

是水轮机结构强度设计时的一项重要数据。第27页/共57页2）最小工作水头：

Hmin=Z死—Z下max—hA-Ⅰ式中：Z死——为上游死水位；

Z下max——为下游最高水位，一般取全部机组发电时的下游水位或汛期下泄安全泄量时的水位

。3）设计水头（计算水头）Hr：水轮机发额定出力时的最小水头，一般由设计者根据电站情况通过比较分析确定。是水轮发电机在效率降低的情况下，保证水轮机安全稳定运行的最低水头。

当运行水头小于设计水头时，机组出力达不到额定出力。故是选择水轮机尺寸的一个基本数据。第28页/共57页4）平均水头：即上下游平均水位差：Hcp=Z上cp—Z下cpHr——中国现以水电站运行中能保证水轮发电机发足额定容量的最小水头为设计水头。欧美各国则称之为水电站额定水头，苏联称之为计算水头。欧美各国有时也把水轮机最高效率相应的水头称之为设计水头。

一般以算术平均水头表示，有时也用电能加权平均水头表示。前者是水库径流调节后各时段的水头累计值除以总时段数。后者是将径流调节后各时段的水头，乘以相应时段的出力，累计后再除以计算期的总出力。用于选取水轮机各项参数，如直径和转速等。第29页/共57页2.流量(flowquantity)

单位时间内通过水轮机的水量Q(m3/s)。Q=f(H，N)说明:Q随H、N的变化而变化。

(1)H、N一定时，Q也一定；

(2)当H=Hr、N=N额时，Q

为最大即为设计流量Qr：在设计水头下，水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应的水流量。它是水轮机发出额定出力时所需要的最大流量。定义第30页/共57页3.转速(rotationalspeed

)

水轮机单位时间内旋转的次数n单位：r/min或rpm(revolutionperminute）。额定转速nr：一般我国所用的电流频率为50赫兹，所以在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，并与发电的同步转速相等。nr=3000/p式中：p

——发电机磁极对数

定义第31页/共57页4.出力与效率(outputandefficiency)

（1）出力N：指水轮机轴传给发电机轴的功率(输出功率)。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）效率：

定义一般η=80%~95%。η<100%原因：水流通过水轮机时，存在水头损失、水量损失、机械损失等能量损失。

!第32页/共57页5.工作力矩

(workingmoment)

水轮机的出力使主轴旋转做功，因此出力也可以用旋转机械运动公式来表达：式中：

M——水轮机主轴输出的旋转力矩，用来克服发电机对主轴产生的阻力矩，单位为N·m;ω——水轮机旋转角速度.定义第33页/共57页注意：例题（见书中P5）本节小结水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量转换为转轮机械能过程中的一些特性数据。水轮机的基本工作参数主要有水头：水头，流量，转速，出力，效率第34页/共57页1.3水轮机的类型和结构势能

EP

动能

Ek

概念：水轮机过流通道（流道）：引水部件→导水机构→转轮→泄水部件我们知道，水轮机工作水头H表明水轮机利用水流单位能量的多少，根据其表达式分析：一.水轮机的分类第35页/共57页Inpulsewatertubine所以，根据水流作用原理：

水轮机

反击式:

0<EP<1，EP+Ek=1，以利用势能为主（1）水流特点：有压流道；从转轮进口→出口压力下降；全周进水。（2）结构特点：叶片呈空气动力翼型；有尾水管。冲击式:

EP=0，EP=1，完全利用水流动能

（1）水流特点：无压流道；恒压水流由喷嘴射流冲击水轮机；外周部分进水。（2）结构特点：叶片水斗状；有喷嘴；无尾水管。reactionwaterturbine第36页/共57页反击式

混流式（HL）轴流式（ZL）斜流式(XL)贯流式(GL)轴流定桨式（ZD）轴流转桨式(ZZ)斜流定桨式（XD）斜流转桨式(XZ)贯流定桨式（GD）贯流转桨式(GZ)冲击式

切击式（CJ）斜击式（XJ）双击式(SJ)可逆式

*混流式轴流式斜流式水轮机

按转轮进水特征分按转轮水流方向分第37页/共57页二.各型水轮机的特点HL式（法兰西斯式）水流特点：转轮区水流径向流入，轴向流出；结构特点：转轮由上冠，下环，叶片，泄水锥组成；

9～

22叶片（固定不动）。优点：结构紧凑，运行稳定，高效区宽广，适用高水头小流量电站（如刘家峡）。适用范围：H=30～

700m，单机容量：几十kW～几十万kW

三峡转轮第38页/共57页2.ZL式（卡普兰式）水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出；结构特点：转轮由叶片，轮毂，泄水锥组成；

3～

8叶片，分不动与转动两种。ZD式：优点：叶片不能随工况变而转动。改变叶片转角时需停机进行。结构简单，效率低。适用范围：适用H、Q变化不大（工况较稳），H:3～

50m。ZZ式：优点：叶片能随工况变而转动，高效率区广，进行双重调节（导叶开度、转轮叶片角度可调节）适用范围：适用H、Q变化大，H:3～

80m大，中型电站多采用（葛洲坝:17万kW、12.5万kW，Hr=27m）

第39页/共57页

第40页/共57页3.XL式水流特点：转轮区水流斜向流入，斜向流出；结构特点：叶片布置在圆锥面上，组成同ZL式；叶片数比ZL式多，分不动与转动两种。优点：叶片能随工况变化而转动，高效率区宽广，进行双重调节（导叶开度、转轮叶片角度可调节）适用范围：适用H变化大，H:40～

200m第41页/共57页4.GL式水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出；结构特点：不设蜗壳，卧式布置，分GZ与GZ式。

全贯流式：发电机转子安装在转轮外缘。

优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。

半贯流式：轴伸式、竖井式、灯炮式。适用范围：适用H:2～25m,小型河床电站。第42页/共57页GL式第43页/共57页5.切击式（培尔顿式）水流特点：水流从喷嘴射出，沿转轮圆周切线方向冲击在斗叶上；转轮区水流压力为大气压。结构特点：由喷嘴和转轮组成，叶片为水斗式。

优点：安装高度不受空化条件限制；应用水头可很高。适用范围：适用H变化不大，负荷变化大的电站。第44页/共57页6.其他形式的水轮机斜击式：H：50～

400m。构造简单，效率低。多用于中小型电站

。双击式：H：10～

150m。构造简单，效率低，多用于小型电站。可逆式水泵水轮机：分为混流式，斜流式，轴流式，贯流式。适用于抽水蓄能电站和潮汐电站。斜击式可逆式水泵水轮机第45页/共57页三.反击式水轮机的构造(Turbinestructure)1.引水室——

①引导水流均匀、轴对称进入导水机构；②形成一定速度环量，如蜗壳（金属、混凝土蜗壳）2.座环——位于导叶外围，由上、下环和立柱组成；

作用：①由上、下环和立柱组成，承受发电机组轴向荷载并传给基础；②支承活动导叶。

断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。3.导水机构——导水叶及其轴、调速器、接力器（转臂、连杆、控制环)

；①引导水流按一定方向进入转轮；②形成与改变进入转轮的速度环量；③调节Q→调节出力P；④关机时截断水流。

第46页/共57页4.转轮（工作核心）——能量转换。决定水轮机的尺寸、性能、结构。5.泄水部件（尾水管）——

①回收能量；②排水至下游。6.主轴——将转轮机械能传递给发电机。7.轴承——承受水轮机轴上的荷载（径向力和轴向力），并传递给基础。如水轮机导轴承。水流流动方向：水流→蜗壳→座环→导叶→转轮→尾水管→下游第47页/共57页

HL式水轮机

第48页/共57页ZL式水轮机

第49页/共57页四.水斗式水轮机的构造

水流流动方向：水流→喷管→折流板→转轮→机壳→尾水槽1.喷嘴——由喷嘴、喷管体、导水叶栅、喷针头、喷杆、操作机构组成2.喷针——控制水轮机的过水流量，以行程表示。3.转轮

——轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。4.折向器——使针阀缓慢关闭，降低水击压力，使水流偏离水斗，避免机组转速升高。5.机壳——把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。第50页/共57页

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HL式混流式40～700混流可逆式80～600ZL式轴流转桨式3～90轴流定桨式3～50XL式斜流式40～200斜流可逆式40～120GL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第51页/共57页引水室型式主轴布置型式1.4水轮机的牌号及装置形式

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