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水轮机概论及工作原理


水轮机
Hydraulic Turbine

第一章 绪论
? 重点:
1.

掌握水轮机工作参数 熟悉水轮机类型和结构

2.

3.

掌握水轮机牌号及装置形式

流体机械分类
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。 (1) 按能量转换分 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。

容积式:依靠运动元件改变 工作容积来实现能量转化 。

(2)按结构分

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

混流式(HL)
按转轮水流方向分

轴流式(ZL) 反击式 斜流式(XL)

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)

水 轮 机 类 型

贯流式(GL)

冲击式

切击式(CJ) 斜击式(XJ) 双击式(SJ) 混流式 轴流式 斜流式

按转轮进水特征分

可逆式 *

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



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~ 200m

4. 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
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。 水流流动方向: 水流→喷管→折流板→转轮→机壳→尾水槽

水轮机类型及应用水头范围
类 型
反击式 HL式




混 流 式 混流可逆式 轴流转桨式 轴流定桨式 斜 流 式 斜流可逆式

适应水头范围(m)
40~700 80~600 3~90 3~50 40~200 40~120 2~30 300~1700 20~300 5~100

ZL式
XL式 GL式

贯流转桨式
贯流定桨式 水斗式 斜击式 双击式

冲击式

水轮机的牌号及装置形式
一. 型号(由三部分组成)


型式 型号


主轴布 置型式
引水室 型式


转轮标称直 径(cm)等参数

用比转速ns 表示,可逆 式前加N
水轮机转轮标称直径(cm)

CJ式

作用于每个转轮上的射流数目×射流直径(cm)

例 子: 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430cm

2CJ30—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10cm

SJ60—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

二. 标称直径 D1 1.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。
——

水轮机 整机示意图
调速 器
发电 机

飞 轮

引水机构 水轮机蜗壳

工作机 构 转轮

导水机构 水导叶

泄水机 构 尾水管

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。

水轮机的工作原理
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

1.水轮机基本方程式
H? ? (vu1 u1 ? vu 2 u 2 ) g

基本方程的物理意义
?

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。

?

水轮机的能量损失及效率

水力损失(head loss)和水力效率
容积损失(water loss)与容积效率 机械损失(friction loss)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)
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。

(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。
? k vk2 ? ? 5 v52 ? ?hk ?5 2g ?? H

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。

Hs

? ? ?H ≤ 10.0 ? 900

对不同的 H s 规定如下

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

反击式水轮机安装高程确定
立轴轴流式和斜流式水轮机 立轴混流式水轮机 卧轴混流式和贯流式水轮机

立轴混流式水轮机(如图)

b0 Zs ? Za ? H s ? 2
ZS——安装高程, m; Za——下游尾水位, m; HS——吸出高度, m; b0 ——导叶高度, m。

立轴轴流式和斜流式水轮机(如下图)
Z s ? Z a ? H s ? XD 1
Z s、Z a、H s 意义同上,

X ——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;

X

=

D1 ——转轮标称直径,

卧轴混流式和贯流式水轮机

D1 Zs ? Za ? H s ? 2
式中符号含义 与以上各式的相同

+Hs

zs

-Hs

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 .

Z s ? Z a max ? h p


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