水电-主、辅设备

第三章水轮机结构及运行与维护概述发电厂是把各种一次能源转换成电能的场所。根据能源的不同有火电厂、水电厂、核电厂等。水力发电:利用水流中蕴藏的水能来生产电能。在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定方式将“载能水”输送到水轮机中，使：水能→旋转机械能→带动发电机组发电→输电线路→用户水电站系统的组成水电站主要由水工建筑物、水轮发电机组和电气设备组成。水工建筑物主要用来控制和支配水流，由挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、发电厂房组成。水轮发电机组用于水力发电，将水工建筑物所引入的水能直接转换成电能，由水轮机、发电机、辅助控制设备等组成。电气设备分为一次设备和二次设备，一次设备包括发电机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、电力电缆等，主要用来完成发电、变电、输电和电能控制等任务。二次设备包括机组的励磁装置、同期装置、继电保护装置、测量仪表、控制开关、控制电缆等，用来完成对水轮发电机组等一次设备进行测量、调节控制、保护和信号作用。水力发电的几个要素N——水电站装机容量或水轮机的功率Q——通过水轮机的流量H——水轮机的水头η——水轮机的效率QHN81.9水力发电的特点优点：①不耗燃料，成本低廉②水火互济，调峰灵活③综合利用，多方得益④取之不尽，用之不竭⑤环境优美，能源洁净缺点：①受自然条件限制；②一次性投资大，工期长；③事故后果严重；④大型工程对环境、生态影响较大。水轮发电机组水轮机是一种将水能转换为旋转机械能的水力机械。用于带动发电机发出电能。水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益。一、水轮机水轮机的主要类型及其构造水轮机冲击式反击式混流式轴流式斜流式贯流式水斗式双击式斜击式轴流定浆式轴流转浆式全贯流式半贯流式灯泡式轴伸式竖井式水轮机冲击式反击式混流式轴流式斜流式贯流式水斗式双击式斜击式轴流定浆式轴流转浆式全贯流式半贯流式灯泡式轴伸式竖井式一、主要类型(一)、反击式水轮机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，作用与每个转轮叶片，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,最高水头已接近700米，单机容量：几百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。三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW。是世界上单机容量最大的机组。混流式水轮机2.轴流式：特点：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。适用于大流量、低水头。一般水头在50m以下。轴流定浆式：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。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。轴流式水轮机轴流转浆式水轮机转轮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。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。H20m，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，现在较少使用。半贯流式：灯泡贯流式：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。轴伸式贯流机组：发电机安装在外面，水轮机轴伸出到尾水管外面。竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内。灯泡式水轮机组轴伸式贯流机组竖井贯流式水轮机(二)、冲击式水轮机定义：利用水流的动能来做功的水轮机特征：由喷管和转轮组成。水流以自由水流的形式冲击转轮，利用水流动能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。不适宜调峰运行。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水斗: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。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。斜击式：由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。双击式：水流两次冲击转轮。斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站。水斗式水轮机转轮轮叶轮盘斜击式水轮机转轮双击式水轮机转轮定义：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。衡量水轮机性能好坏有两个重要参数，一个是效率，另一个是汽蚀系数。二、水轮机参数工作水头H：水电站上游水位与下游水轮机尾水位(冲击式为水轮机喷嘴处)的差值与引水建筑物水头损失的差。流量Q：单位时间内通过水轮机的水量Q。出力N：指水轮机轴传给发电机轴的功率。效率η：指水轮机主轴输出的机械能与输入水轮机的水能之比。η=N/Nw，一般η=80%~95%。汽蚀系数σ：动力真空的相对值为汽蚀系数。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M——主轴力矩;ω——水轮机旋转角速度，n——转速，n=60f/p=3000/pp——发电机磁极对f=np/60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。飞逸转速nR：水轮发电机组所能承受的最高的转子转速称为飞逸转速。一般规定非逸时间不得超过2分钟。QHnMMN81.96021、反击式水轮机的主要组成部件：(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。(2)导水机构（导叶及控制设备)：控制工况。(3)转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。(4)泄水部件(尾水管)：回收能量、排水至下游。2、冲击式水轮机的主要组成部件：喷管，转轮，折流器，机壳，射流制动器等组成。三、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1.蜗壳：其作用是使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机。水电站水轮机蜗壳蜗壳组装2.座环位于导水叶的外围。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，并传到下部基础；支承活动导叶；故必须有足够的强度和刚度。立柱断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。导水机构结构图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、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。也称为活动导叶。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、高度、开度。3.导水机构接力器接力器用于操作控制环的转动接力器示意图1—导叶，2—导叶臂，3—连杆,4—控制环导叶的主要几何参数(1)导叶数Z0：与D1有关。D1=1.0~2.25m时，Z0=16；D1=2.5~8.5m时，Z0=24。(2)导叶相对高度b0/D1：HL：0.1~0.39;ZL：0.35~0.45(3)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。一般取D0=1.13~1.16D1(4)导叶开度a0：两导叶之间的垂直距离，最大开度为amax。导叶的开度5.转轮转轮是水轮机将水流能量转换为机械能的核心部件。水流通过导水机构进入转轮。组成：轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥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。转轮叶片是扭曲面体，其进水边扭曲度较小，而出水边扭曲度较大，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。6.尾水管作用：引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。尾水管施工(二)、冲击式水轮机构造水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、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。冲击式水轮机转轮水斗的形状1—内表面，2—缺口，3—背面，4—叶柄，5—出水边，6—分水刃，7、8—肋。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3.折流板使针阀缓慢关闭，降低水锤压力，使水流偏离水斗，避免机组转速升高。4.机壳把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。5.引水板防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失斜击式水轮发电机组斜击式水轮机转轮冲击式水轮机的装置方式(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。(2)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。(3)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。水轮机的型号型号第三部分的说明第三部分为数字；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，其表示方法为：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，其表示方法为：转轮标称直径D1转轮轴向长度L水轮机的型号举例反击式水轮机的型号（由三部分组成）HL240——LJ——410HLA550——WJ——71A（A为转轮开发单位代号）混流式水轮机，型号240（比转速)，立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cmZZ440——LH——430轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm冲击式水轮机的型号CJ30——W——120/2×10CJA870——W——145/2×9A（A为转轮开发单位代号）转轮型号为30，冲击式水轮机，卧轴，一根轴上装设两个转轮，转轮直径为120cm,每个转轮两个喷嘴，设计射流直径为10cm。汽蚀现象汽蚀现象汽蚀的危害汽蚀类型水轮机汽蚀的防护四、水轮机的汽蚀汽蚀现象当某点的压力达到（或低于）该温度下水的汽化压力时，水就局部汽化产生大量汽泡，同时水体中存在的许多眼看不见的气核体积骤然增大也形成可见气泡，这些气泡随着水流进入高压区时，气泡瞬时破灭，由于汽泡中心压力较低，气泡周围的水质点将以很高的速度向汽泡中心撞击形成巨大的压力，并以很高的频率冲击金属表面，使水轮机过流部件的金属表面产生物理电化学作用遭到破坏，这一现象就称为汽蚀现象，汽蚀的危害降低水轮机效率，减小出力。破坏水轮机过流部件，影响机组寿命。产生强烈的噪音和振动，从而影响水轮机的安全稳定运行。汽蚀类型叶型汽蚀：发生在水轮机转轮叶片上的汽蚀。（如图a)间隙汽蚀：水流通过狭小的流道与间隙时流速变大，从而引起压力降低而产生负压所形成。图a(如图b)图b叶型汽蚀局部汽蚀：水轮机过流部件局部凸凹不平时，也会引起局部真空形成局部气蚀。（如图c）图c空腔汽蚀：反击式水轮机偏离最优工况时，水轮机出口流速则产生一圆周分量使水流在转轮出口处产生脱流和旋涡形成一大空腔，在中心产生很大真空形成。(如图d)图d水轮机汽蚀的防护为防止和减轻汽蚀对水轮机的危害，一般从以下几个方面来考虑：运行方面水轮机设计制造方面工程措施方面水轮机检修方面运行方面的措施1.避免水轮机长期在低水头和低负荷区运行，特别是反击式水轮机，在低负荷区运行时汽蚀现象比较明显；2.采用补气装置，当反击式水轮机出现负荷波动或尾水管有强烈振