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水轮机类型、构造及工作原理二〇一七年八月1目录一水轮机概述二三水轮机分类及型号水轮机结构四水轮机常见问题及分析五小结2一、水轮机概述1、水力发电基本原理水轮机获得旋转的机械能后带动发电机旋转，发电机便将旋转的机械能转换成电能。2、水轮机的基本工作参数当水流通过水轮机时，水流的能量被转换为水轮机转轮的机械能，就把这一能量转换的过程的参数，来作为水轮机的基本工作参数。水轮机的基本工作参数主要有：工作水头H、流量Q、出力N、效率η、转速n、转轮直径D₁等。3（2）流量Q单位时间内通过水轮机的水流体积称为流量，其代表符号为Q，单位为m³/s.水轮机进口端面与出口断面的单位能量差，称为水轮机的工作水头。（1）工作水头H44水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号P表示，常用单位Kw。水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号Pn表示，则Pn=rQH=9.81QH(Kw)（1-3）由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗，所以水轮机出力P总是小于水流出力Pn。水轮机的输入和输出功率之比称为水轮机的效率，用符号Ƞ表示。Ƞ=P/Pn（1-4）由于水轮机在工作过程中存在能量损耗，故水轮机的效率Ƞ1。由此，水轮机的出力可写成P=PnȠ=9.81QHȠ（Kw）（1-5）水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力，产生旋转力矩M用来克服发电机的阻抗力矩，并以角速度w旋转。水轮机出力P、旋转力矩M和角速度w之间有以下关系式P=Mw=M2π.n/60（1-6）式中w——水轮机旋转角速度，rad/s；M——水轮机主轴输出的旋转力矩，N·m；n——水轮机转速，r/min。（3）出力P和效率Ƞ55（4）转速n水轮机的转速是指水轮机转轮在单位时间内旋转的次数，用n表示，单位为r/min.如果当转子只有一对磁极时转子旋转一周，定子绕组中的感应电势正好交变一次，所以电势每秒交变次数等于转子每秒的旋转次数；当转子有P对磁极时转子旋转一周，定子绕组中感应电势交变P次，所以电势每秒的交变次数等于转子每秒旋转次数的P倍，设转子的转速n（r/min）则感应电势每秒交变pn/60次，即电势的频率为f=pn/60（Hz），又得：n=60f／p（r/min）66自然界有多种能源，其中有很多式可以开发利用的，目前已被利用的能源中主要有热能、水能、风能和核能。其中水能是一种最经济的能源，水能的开发利用已受到越来越多的关注。我国有着丰富的水力资源，对水能的开发利用已受到社会的广泛关注，对水能最重要的开发形式就是兴建各种各样的水电站。水轮机作为将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机，是水电站中最重要的组成部分。根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。二、水轮机分类及型号77水轮机类型：水轮机反击式水轮机冲击式水轮机混流式轴流式贯流式斜流式切击式斜击式双击式水流的压力能转变为机械能水流的高速射流动能转变为机械能88反击式水轮机：反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连续充满整个有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。混流式水轮机如图1-1所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。混流式水轮机应用水头范围较广，约为20～700m，结构简单，运行稳定且效率高，是现代应用最广泛的一种水轮机。图1-1混流式水轮机图1-1混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶9我厂的水轮机类型为混流式混流式水轮机：混流式水轮机结构简单，运行可靠，效率高，应用于水头范围宽阔，水流沿径向进入转轮而轴向流出转轮。与其他型式的水轮机相比，当运行条件相同时，混流式的能量特性比水斗式好，面抗气蚀性能比轴流式强，额定负荷时效率高。同时，它的结构简单，制造、安装方便，运转可靠，因而得到广泛的应用。混流式水轮机水流水流1010水轮机型号：水轮机型号：□□－□□－□123451、水轮机类型HL：混流式，XL：斜流式，ZD：轴流定桨式，ZZ：轴流转桨式，GD：贯流定桨式，GZ：贯流转桨式QJ：切击式，XJ：斜击式，SJ：双击式2、转轮型号（效率88%，水头以m计，出力以kW计的比转速）3、主轴布置方式——L：立轴布置，W：卧轴布置4、引水室特征——M：明槽引水，J：金属蜗壳，H：混凝土蜗壳，P：灯泡式，G：罐式，S：竖井式，X：虹吸式，Z：轴伸式5、转轮标称直径（cm）我厂水轮机型号：HLA743-LJ-3951111三、水轮机结构简介由于水轮机类型较多，这次培训主要讲述我厂的水轮机结构，总体来说水轮机分为埋入部分、导水机构、转动部分、水导轴承、主轴密封、检修密封、接力器及机组自动化等几个主要部件。1、埋入部分埋入部分由肘管、锥管、座环、蜗壳、机坑里衬等组成。埋设件安装尾水管里衬基础环预留坑蜗壳机坑里衬座环尾水管作用：用来回收转轮出口水流中的剩余能量。12122、导水机构2.1导水机构包括底环、顶盖、导叶、套筒、控制环等零件。2.2作用：①、当机组的负荷发生变化时，用来调节进入水轮机转轮的水量，改变水轮机的出力，使其与水轮发电机的电磁功率相应。②、正常与事故停机时，用来截断水流，使机组停止转动。③、水轮机运行时，使水流按有利的方向均匀地流入转轮。13133、转动部分转动部分包括转轮、主轴、护罩等部件。，其中转轮在转动部分极为重要，以下单独讲解转轮。转轮上冠：上冠的作用是上不连接主轴，下部支撑叶片并与下环一起构成过流通道。叶片（或称轮叶）：叶片是水轮机转轮实现水能转换的核心。叶片的粗糙度、波浪度、尺寸、形状和厚度是否均匀、合理和一致，对水轮机的性能（如效率、空蚀）都将产生不同程度的影响。1414下环：下环将转轮的叶片练成整体，以增加转轮的强度和刚度，并与上冠一起形成过流通道。泄水锥：泄水锥作用是引导经叶片流道出来的水流迅速而又顺利地向下渲泄，防止水流相互撞击，以减少水力损失，提高水轮机的效率。止漏环：作用是减少转轮上下转动间隙的漏水量。减压装置：作用是减少作用在转轮上冠上的轴向水推力，以减轻推力轴承的负荷。15154、主轴密封主轴密封上设有检修空气围带及水压端面密封。与端面密封接触的转环上铺设有不锈钢抗磨环，密封块为中硬耐油耐磨橡胶。由于水压作用，密封块摩擦后可自行调整，以保证密封性能，密封面的润滑采用清洁水通水压力为0.02~0.20Mpa,电站自行调整以保证较小漏水。5、水导轴承本机组采用Φ1250稀油润滑分块瓦轴承，该轴承具有温升小，运行平稳等特点，运行中轴瓦温度不得超过（65）℃，油温不得超过（60）℃。水导轴承作用：承受主轴传递过来的径向力和振摆力，维持机组的轴线位置。16166、控制部分本机配有HYZ-4.0-4.0型油压装置和两套Φ500的直缸接力器，它们之间由管路联结，并设有相应的自动化原件、信号反馈和报警系统。7、机组自动化7.1机组的自动控制设备能远距离控制机组的启动、停机、事故停机及紧急事故停机，能安全及按需要分配负荷。7.2机组在下列情况下需走事故停机7.2.1机组轴瓦温度超过允许限度时；7.2.2系统电气保护、机械保护动作时；7.2.3机组转速上升到额定转速的1.4倍时；7.2.4剪断销被剪断时。17177.3机组设有下列信号装置：7.3.1当机组轴承温度上升至一定限度时，发出温度过高信号；7.3.2当机组轴承冷却水及主轴密封压力清洁水中断时，发出流量终止信号；7.3.3当机组轴承油位低于最低油位时，发出油位过低信号。7.4下列情况下关闭进水口阀门：7.4.1剪断销被剪断，导叶不能关闭时；7.4.2主配拒动、调速器失灵时；7.4.3机组检修时。1818四、水轮机常见问题及分析1、水轮机气蚀现象气蚀现象的定义：在反击式水轮机的流道中，由于边界条件的变化，某些地方流速会增加，致使压力降低。由于水中含有气蚀核（小气泡、空气等），当压力低于汽化压力时水会发生变化，释放出蒸汽泡，溶解在水中的气体也会分离出来，变成空气泡，这些蒸汽泡和空气泡的混合物，一般称为汽穴。这些微泡的形成、发展、溃裂以及对过流表面所产生的破坏过程称为气蚀。1919气蚀的危害有那些：①.破坏过流部件，使其机械强度降低，严重时使叶片穿孔，出现裂纹、缺口、掉边甚至脱落。②.增加过流部件的粗糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。③.机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。④.缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性，消耗钢材、延长工期。2020气蚀对过流表面产生的破坏作用主要有以下三种：①.机械破坏作用：大量气泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面晶粒脱落，遭到严重破坏，称为机械破坏，又称疲劳剥蚀。②.化学破坏作用：气泡被压缩，体积缩小，气泡破坏时水流质点相互撞击，引起局部温度升高（可达到300℃），气泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于局部温度升高，引起金属材料氧化。③.电化破坏作用：在发生气蚀过程，气泡溃灭时引起局部温度升高，冷热端之间形成热电偶，冷热端间存在着电位差，在材料中有电流产生，引起热电效应，对金属表面产生电解作用，形成电化学腐蚀。金属表面因电解作用而发暗边毛糙，加速了机械作用的破坏。2121①.翼型气蚀：水轮机叶片上某点压力降低到当时水温的汽化压力而产生的汽蚀。翼型汽蚀部位：叶片背面靠出口处、叶片背面靠上冠处，少数发生在叶片正面及背面其它部位。危害：使叶片形成蜂窝、孔洞甚至掉边，影响水轮机效率。原因：与叶片形状不合理、制造质量差、表面粗糙、长期偏离额定运行工况等。②.空腔汽蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成真空涡带，涡带中心压力降低到当时水温的汽化压力而产生的汽蚀。空腔汽蚀部位：尾水管内壁。原因：机组偏离最优工况运行及设计不合理等。危害：引起尾水管中水流速度和压力的脉动，使水轮机功率波动，还可能造成尾水管振动、基础、轴承的振动和主轴的摆动，机组产生强烈的噪音，使水轮机效率下降。气蚀的类型2222③.间隙汽蚀：水轮机各过流部件的间隙处产生的气蚀。间隙汽蚀是水流通过狭窄的间隙和较小的通道时，因局部流速增高，致使压力降低所产生的。危害：使导叶上下端面间隙处，导叶关闭时立面间隙处，转轮止漏装置间隙等处间隙扩大，漏水增加，机组不能停机，或影响水轮机效率。原因：过流部件材质选用不合理、制造质量差、表面粗糙、间隙调整不当等。④.局部汽蚀：水轮机过流部件局部凹凸不平时，引起局部压力降低形成局部气蚀。局部汽蚀的部位：局部汽蚀主要发生在转轮室连接处、叶片固定螺钉及密封螺钉处。转轮上冠泄水孔后面。23232、水轮机的泥沙磨损2.1定义：泥沙通过水流携带，高速流经水轮机过流部件时，对过流部件表面摩擦，切削和由于局部高温使过流部件加速氧化，引起金属表面细微晶粒脱落，产生磨损形成沟槽，波纹或鱼鳞坑。对混流式水轮机，磨损部位主要有叶片、上冠、下环内表面、抗磨板、导水叶及尾水管里村。2.2泥沙磨损的类型及特征：①.普遍的均匀磨损特征：表面磨薄、磨光或表面变粗糙及带有轻微波纹、条纹。②.局部的不均匀磨损特征：表面严重破坏，往往是在气蚀的联合作用下，使零件表面有沟槽、大片鱼鳞坑或深坑等。24242.3.泥沙磨损破坏的因素：①.磨损物质的成分、颗粒大小、硬质、形状等。②.受磨材料的特性：指水轮机过流部件金属材料的内部组织及成分、粗糙度、表面尺寸、硬度等。③.水流的一些特性：水流含泥沙的浓度、水流速度大小及方向等。④.运行方式的影响。当在非设计工况下运行时，会引起气蚀和磨损对机件的联合作用，其表现为：a.气蚀和磨损联合作用时间在材料的汽蚀潜伏期内，这时材料破坏仅与水流速度、泥沙含量及沙粒特性有关，即主要为磨损。b.若气蚀与泥沙磨损作用时间超过了材料的汽蚀潜伏期，则气蚀的作用明显加大。c.当材料的气蚀潜伏期短，气蚀强度超过磨损强度时，主要为气蚀。25253、水轮机机组