水轮机概论及工作原理

第一章绪论1.掌握水轮机工作参数2.熟悉水轮机类型和结构3.掌握水轮机牌号及装置形式重点：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。（2）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。■水力原动机：以水流为原动力，并将水流能（水轮机）量转换为机械能的装置，水流经过水力原动机时，水流能量将减少。■水力工作机：将机械能转换为液体的能量，（水泵）水流经过水力工作机时，水流能量将增加。水轮机能量转换过程从高处引水流进水轮机，通过水流与水轮机转轮的相互作用，水流就把自己的能量传给了水轮机。水轮机获得能量后就开始旋转起来，把水能转换成了旋转的机械能。由于水轮机与发电机相连，于是发电机转子跟着水轮机一起旋转，这样水轮机就把能量传递给了发电机，磁极旋转时，会改变线圈中的磁通，在线圈中产生电流。水能→机械能→电能水轮机的工作参数1.工作水头，又称净水头，等于毛水头减去引水系统水头损失。毛水头也叫装置水头，等于水电站上下游水位差。2.流量表示水流在单位时间内通过水轮机的体积。3.功率输入功率为水流对水轮机每秒钟付出的机械能。输出功率为水轮机轴输出的机械功率，也叫水轮机的出力。通常所说的水轮机功率，指水轮机输出功率。4.效率水轮机输出功率与输入功率之比称为水轮机效率。5.转速水轮机轴每分钟转动的圈数，称为水轮机的转速，单位为r/min。设计时选定的稳态转速称为水轮机额定转速。对于水轮机与同步发电机直接联接的机组，水轮机的额定转速必须与发电机转速同步。我国电网的额定频率为50HZ，水轮机额定转速为nr=3000/p式中：p——发电机磁极对数反击式混流式（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类型按转轮进水特征分按转轮水流方向分各型水轮机的特点1.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2.ZL式（卡普兰式）水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出；ZD式：特点：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：特点：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3.XL式水流特点：转轮区水流斜向流入，斜向流出；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:40～200m4.GL式水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出；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。GL式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。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反击式水轮机的构造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。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。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引水室型式主轴布置型式水轮机的牌号及装置形式ⅠⅡⅢ转轮标称直径(cm)等参数型号型式用比转速ns表示，可逆式前加N一.型号(由三部分组成)水轮机转轮标称直径（cm）作用于每个转轮上的射流数目×射流直径（cm）CJ式HL240—LJ—410混流式水轮机，型号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，型号440（比转速），立轴混凝土蜗壳，转轮直径430cm2CJ30—W—120/2×10水斗式水轮机，2个转轮，型号440（比转速），卧式，转轮直径1200cm，每个转轮上2个喷嘴，射流直径10cmSJ60—W—120/100双击式水轮机，型号60（比转速），卧式，转轮直径120cm，转轮轴长度100cm例子：二.标称直径D11．混流式水轮机转轮直径是指其转轮叶片进水边的最大直径；2．轴流式、斜流式和贯流式水轮机转轮直径是指与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径；3．冲击式水轮机转轮直径是指转轮与射流中心线相切处的节圆直径。三.装置型式——指水轮机轴的布置型式和引水室型式相结合的总体。分为立式和卧式。引水机构水轮机蜗壳整机示意图导水机构水导叶工作机构转轮泄水机构尾水管调速器飞轮发电机水轮机水轮发电机概述水轮发电机组的型式按布置方式分：分为卧式和立式两种。卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击式水轮机。一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和伞式两种。推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机，它适用于转速在100r/min以上。推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机，无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适用于转速在150r/min以下。按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种。水轮发电机的主要作用将水轮机旋转的机械能最终转换成电能，其结构与性能的好坏对电站的安全、稳定、高效运行起着致关重要的作用。水轮发电机组成主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等部件组成。1.水轮机的基本方程式2.水轮机的能量损失及效率3.水轮机汽蚀、吸出高度与安装高程水轮机的工作原理1.水轮机基本方程式guvuvHuu)(2121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，而水流以反作用力作用在叶片上，从而使转轮获得力矩。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必须存在速度矩的差值。基本方程的物理意义水轮机的能量损失及效率水力损失(headloss)和水力效率容积损失(waterloss)与容积效率机械损失(frictionloss)和机械效率水轮机的总效率η=ηHηVηm提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。η根据模型试验得到。水轮机的汽蚀汽蚀现象汽蚀的危害汽蚀类型水轮机汽蚀的防护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。汽蚀类型翼型汽蚀：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防止空蚀的措施流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。1.设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗空蚀钢衬(不锈钢)。2.工程措施：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。3.运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时向尾水管补气。水轮机的吸出高度汽蚀系数吸出高度水轮机安装高程汽蚀系数动力真空的相对值为汽蚀系数，用σ表示。Hhgvvkkk525522吸出高度水轮机的吸出高度是指转轮中压力最低点（k）到下游水面的垂直距离，常用HS表示。H9000.10≤sH对不同的规定如下sH对不同形式水轮机的HS作如下规定立轴轴流式水轮机，HS为下游水面至叶片转动中心的距离（如右图）立轴混流式水轮机，HS为下游水面至导叶下部底环平面的垂直高度(图右)立轴斜流式水轮机，HS为下游水面至叶片旋转轴线与转轮室内表面相交点的垂直距离（如右图）卧轴混流式、贯流式水轮机，HS为下游水面至叶片最高点的垂直高度（如下图）水轮机安装高程:水轮机安装高程是水电站厂房设计中的控制性高程，对于不同类型、不同装置方式的水轮机，工程上规定的安装高程位置不同.反击式水轮机冲击式水轮机卧轴混流式和贯流式水轮机立轴轴流式和斜流式水轮机立轴混流式水轮机反击式水轮机安装高程确定0b立轴混流式水轮机（如图）20bHZZsasZS——安装高程，m；Za——下游尾水位，m；HS——吸出高度，m；——导叶高度，m。立轴轴流式和斜流式水轮机(如下图)1XDsHaZsZ、、意义同上，——结构系数，转轮中心与导叶中心距离与1的比值，一般取=0.38~0.46；——转轮标称直径，sZaZsHXX1D卧轴混流式和贯流式水轮机21DHZZsaszs+Hs-Hs式中符号含义与以上各式的相同冲击式水轮机安装高程的确定冲击式水轮机无尾水管，除喷嘴、针阀和斗叶处可能产生间隙汽蚀外，不产生叶型汽蚀和空腔汽蚀，故其安装高程确定应在充分利用水头又保证通风和落水回溅不妨碍转轮运转的前提下，尽量减小水轮机的泄水高度hp.pashZZ