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第一章 水轮机的类型构造及工作原理


水轮机的类型、 第一章 水轮机的类型、构造及工作原理
第一节 水轮机主要类型 第二节 水轮机工作参数 第三节 水轮机的基本构造 第四节 水轮机型号 第五节 水流在反击式水轮机转轮中的运动 第六节 水轮机的基本方程式 第七节 水轮机效率及最优工况
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本节课教学内容及教学要求
1

水轮发电机

组的基本概念
掌握水轮发电机组的基本概念。 掌握水轮发电机组的基本概念。
2

主 要 内 容
3

水轮机的主要类型
掌握各水轮机的基本类型、特点及适用范围; 掌握各水轮机的基本类型、特点及适用范围; 理解反击式、冲击式水轮机的划分原则。 理解反击式、冲击式水轮机的划分原则。

水轮机的工作参数
理解水轮机五个主要工作参数:水头、流量、 理解水轮机五个主要工作参数:水头、流量、 转速、出力与效率的定义、表达式及其意义。 转速、出力与效率的定义、表达式及其意义。

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水力发电的基本原理
1、水力发电 利用天然水资源中的水能,输入水轮机,让它带动 水力发电:利用天然水资源中的水能,输入水轮机, 水力发电
发电机发电,这种发电方式就称为水力发电。 发电机发电,这种发电方式就称为水力发电。

2、水力发电的转换原理 水力发电的转换原理
在天然河流上,修建水工建筑物,集中水头,通过一定的流量将“ 在天然河流上,修建水工建筑物,集中水头,通过一定的流量将“载 能水”输送到水轮机中, 水能→旋转机械能 旋转机械能→带动发电机组发电 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。 →输电线路→用户。 输电线路→用户

天然水流

可用水能

旋转机械能

电能

水工建筑 和设备
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水轮机

水轮发电机

建筑物和设备

水轮机

发电机

天然水能

可利用水能

旋转机械能

电能

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水能

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河段水流的出力

E 1 N = = rwH 1? 2 = rQH1? 2 t t

从这个式子可以看出: 从这个式子可以看出: 水头和流量是构成水能的两个基本要素, 水头和流量是构成水能的两个基本要素,它们是水 电站动力特性的重要特征。 电站动力特性的重要特征。

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水轮发电机组
水轮机是将水能转变 水轮机是将水能转变

水 轮 发 电 机 组

为旋转机械能, 为旋转机械能,从而带 动发电机发出电能的一 种机械。 种机械。 水轮机与发电机联接 成的整体称为水轮发电 成的整体称为水轮发电 机组。 机组。

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第一节 水轮机主要类型
一、水轮机定义 水轮机是将水能转换成轴的旋转机械能的水力机械。 水轮机是将水能转换成轴的旋转机械能的水力机械。能量转换 是借助转轮叶片与水流的相互作用来实现。 是借助转轮叶片与水流的相互作用来实现。 二、分类 按水流能量的转换特征分为反击式和冲击式水轮机 反击式和冲击式水轮机。 按水流能量的转换特征分为反击式和冲击式水轮机。 势能和动能做功的水轮机 1)反击式水轮机:利用水流的势能和动能做功的水轮机。 反击式水轮机:利用水流的势能和动能做功的水轮机。 反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴方向的不同分为混流式、 反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴方向的不同分为混流式、 轴流式、斜流式和贯流式。 轴流式、斜流式和贯流式。 2、冲击式水轮机:主要利用水流的动能做功的水轮机。 冲击式水轮机:主要利用水流的动能做功的水轮机。 动能做功的水轮机 冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式 冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、 和双击式。 和双击式。
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一、反击式水轮机 (reaction water turbine) 定义:利用水流的势能和动能做功的水轮机称为 定义:利用水流的势能和动能做功的水轮机称为 势能和动能 反击式水轮机。 反击式水轮机。 特征:转轮的叶片为空间扭曲面 空间扭曲面。 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, 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, 轮叶片之间的流道都有水流通过,积水流 充满转轮室。 充满转轮室。 原理:水流通过转轮叶片时,水流流速的大小、 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, 方向均发生变化,因此动量也发生了改 水流产生反作用力, 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。 叶片,使转轮产生旋转力矩,从而做功。
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水流在反击式水轮机转轮中的运动

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混流式水轮机
在转轮区内水流径向流入转轮,轴向流出。 在转轮区内水流径向流入转轮,轴向流出。视频1

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混流式水轮机
适用范围:H=20-700 m , 单机容量:几万kW-几十万 适用范围: 单机容量:几万 几十万kW 几十万 优点:适用范围广,结构简单,运行稳定,效率高, 优点:适用范围广,结构简单,运行稳定,效率高,适用于高 水头小流量电站。 水头小流量电站。 能适应很宽的水头范围。是目前应用最广泛的水轮机之一) (能适应很宽的水头范围。是目前应用最广泛的水轮机之一)

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轴流式水轮机
水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流 而在转轮区内水流保持轴向流动。 动,而在转轮区内水流保持轴向流动。视频2

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轴流式水轮机
1)定桨式:叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。 定桨式:叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。 定桨式 特点:结构简单,效率低。适用H、 变化不大的情况 工况较稳定)。 变化不大的情况( 特点:结构简单,效率低。适用 、Q变化不大的情况(工况较稳定)。 适用范围:功率不大,水头变化不大(水头为 水头为3-50米)的小型电站。 的小型电站。 适用范围:功率不大,水头变化不大 水头为 米 的小型电站 2)转桨式: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) )转桨式: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) 适用范围:水头、流量变化大,特别是出力变化较大的大中型电站。 适用范围:水头、流量变化大,特别是出力变化较大的大中型电站。 水头为3-80米 水头为 米

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斜流式水轮机
转轮区水流斜向流入,斜向流出。 转轮区水流斜向流入,斜向流出。视频3

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斜流式水轮机
适用范围:适用于水头变幅大的电站,一般用于 适用范围:适用于水头变幅大的电站,一般用于40-200m水头范围 水头范围 特点:水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动, 特点:水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动, 运行效率高,强度高,气蚀性好, 运行效率高,强度高,气蚀性好,但制造工艺复杂 技术要求高。 技术要求高。

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水头 40—80m

60—130m

120—200m
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贯流式水轮机
水流特点:转轮区水流轴向流入,轴向流出; 水流特点:转轮区水流轴向流入,轴向流出; 结构特点:水轮机主轴装置成水平或倾斜(卧式布置) 结构特点:水轮机主轴装置成水平或倾斜(卧式布置); 不设蜗壳,水流直贯转轮; 不设蜗壳,水流直贯转轮;

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贯流式
特点:水轮机的主轴装置成水平或倾斜。 特点:水轮机的主轴装置成水平或倾斜。 不设蜗壳,水流直贯转轮。 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。 水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。 H<20m,小型河床电站 小型河床电站。 H<20m,小型河床电站。 分类: 分类: 全贯流式: 发电机转子安装在转轮外缘。 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。 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、灯泡式。 半贯流式: 轴伸式、竖井式、灯泡式。
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冲击式水轮机
定义:利用水流的动能来做功的水轮机。 定义:利用水流的动能来做功的水轮机。 工作原理:利用特殊的导水装置, 工作原理:利用特殊的导水装置,将高压水流变为 高速射流,通过射流与转轮的相互作用 高速射流, 将水流的动能传递给转轮。 将水流的动能传递给转轮。

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冲击式水轮机
水斗式:喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水 水斗式:喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水 圆周切线 斗作功。视频4 斗作功。视频4 斜击式:喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。 斜击式:喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。 圆周斜向冲击转轮上的水斗 双击式:水流两次冲击转轮。 双击式:水流两次冲击转轮。

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冲击式水轮机
类型: 类型: (1)水斗式 水斗式: (1)水斗式: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。 方向冲击转轮上的水斗作功。适用于负荷变化大而 水头变幅不大的电站。 水头变幅不大的电站。 它是唯一运用于水头在700米以上的水轮机。适用H 700米以上的水轮机 它是唯一运用于水头在700米以上的水轮机。适用H: 100~2000m;使用最广泛(高水头,小流量) 100~2000m;使用最广泛(高水头,小流量) (2)斜击式: 25斜击、 (2)斜击式:H:25-300m 斜击、双击水轮机构造简 斜击式 单,效率低 (3)双击式:H:5-80m。 多用于小型电站。 (3)双击式: 80m。 多用于小型电站。 双击式
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水斗式水轮机转轮
轮叶

轮盘

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可逆式水轮机
可逆式水轮机:又称水泵水轮机、发电电动机。 可逆式水轮机:又称水泵水轮机、发电电动机。它既可 作水轮机运行,又可作水泵运行,主要用于抽水蓄能电 作水轮机运行,又可作水泵运行,主要用于抽水蓄能电 可逆式水轮机也分为混流式、斜流式和轴流式3 站。可逆式水轮机也分为混流式、斜流式和轴流式 种。其中以混流式应用最广,因为它的应用水头范围广 其中以混流式应用最广 因为它的应用水头范围广 (30~600米)。 ~ 米 世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊 纳巴什塔电站,水头为 水头为600.3米,水泵扬程为 纳巴什塔电站 水头为 米 水泵扬程为623.1米, 米 单机功率为315兆瓦。 兆瓦。 单机功率为 兆瓦
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总结:水轮机的分类
利用水流的势能和动能进行工作; 利用水流的势能和动能进行工作; 混流式 转轮完全淹没在密闭的水体中。 转轮完全淹没在密闭的水体中。

轴流定浆式 轴流转浆式

轴流式 反击式 斜流式 全贯流式 贯流式 水轮机 水斗式 冲击式 双击式 半贯流式 轴伸式 竖井式 灯泡式

利用水流的动能进行工作; 利用水流的动能进行工作; 斜击式 四川农业大学水建系 。 转轮露在空气中。 转轮露在空气中

小结

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第二节 水轮机的工作参数
1、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。 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、流量、转速、 2、水轮机的基本工作参数主要有水头、流量、转速、出 力、效率。 效率。

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工作水头(working head) 工作水头
1、 水电站的毛水头 静水头 水电站的毛水头(静水头 静水头) Hg=Z上-Z下 2 、水轮机的工作水头 净水头 水轮机的工作水头(净水头 水轮机的工作水头 净水头) H=Hg - hA-B (即毛水头 - 水头损失=净水头) hA-B:水电站引水建筑物中的水力损失 3 、特征水头(characteristic head) 特征水头
水轮机的工作水头随上下游水位而变化,因此提出特征水头的 概念,用于表示水轮机的运行工况和运行范围。

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工作水头(净水头) 工作水头(净水头)
如图所示,A-A为引水道进口,B-B为水轮机进口,C-C为 尾水管出口,D-D为尾水渠。

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最大工作水头Hmax: Hmax=Z正—Z下min—hA-B 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。 最小工作水头Hmin: Hmin=Z死—Z下max—hA-B 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。 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确 定。 平均水头: Ha=Z上a—Z下a 即上下游平均水位差。
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流量
单位时间内通过水轮机的水量Q(m3/s)。 Q=f(H,N),Q随H、N的变化而变化,H、N一定时,Q也一定。 设计流量Q 设计流量 r:当H=Hr、N=N额时的最大流量。

转速
转速: 转速:水轮机转轮在单位时间内的旋转次数。r/min 额定转速n:一般我国所用的电流频率为50赫兹,所以在正常 额定转速 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。 发电机的同步转速=水轮机的额定转速=机组的额定转速

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出力
1、水流出力N N=9.81QHg 、水流出力 2、水轮机输入功率 (通过水轮机的水流出力 、 通过水轮机的水流出力) 通过水轮机的水流出力 N w = γ QH = 9 .81QH 水流传给水轮机的能量 3、水轮机输出功率(水轮机出力) 3、水轮机输出功率(水轮机出力) N=Nw×ηt 4、机组出力(单机容量 、机组出力 单机容量 单机容量)
N g = 9.81ηQH
机组的最大出力

η =ηt ×ηg

5、水电站装机容量 、
水电站发出的最大出力,是各台机组容量的总和
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思 考 题
观看视频并思考以下问题: 观看视频并思考以下问题: 视频并思考以下问题 1、水电厂电能生产流程图? 水电厂电能生产流程图? 2、水轮机的过流部件有哪些? 水轮机的过流部件有哪些? 3、水轮机的输出功率与水头H、流量Q有关, 水轮机的输出功率与水头H 流量Q有关, 那么混流式水轮机如何调节流量? 那么混流式水轮机如何调节流量?

N = N wη = 9.81QH η
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水电厂电能生产流程图
天然水流—坝 水库 取水口—有压隧洞 压力钢管—水轮 水库—取水口 有压隧洞—压力钢管 天然水流 坝—水库 取水口 有压隧洞 压力钢管 水轮 发电机—输变电装置 用户。 机—发电机 输变电装置 用户。 发电机 输变电装置—用户

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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; 水库; 闸门室; 进水口; 泄水道; 水库 闸门室 进水口 坝 泄水道 6—调压室;7—有压隧道;8—压力管道;9—厂房;10—尾水渠 调压室; 有压隧道; 压力管道; 厂房; 调压室 有压隧道 压力管道 厂房 尾水渠
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第三节 水轮机的基本构造
水轮机主要由引水机构、导水机构、转轮和泄水机构组成。 水轮机主要由引水机构、导水机构、转轮和泄水机构组成。 引水机构 组成 (1) 引水机构(引水室 蜗壳 、座环): ①引导水流均匀、 引水机构(引水室(蜗壳 蜗壳) 座环) 引导水流均匀、 轴对称进入导水机构; 形成一定速度环量。 轴对称进入导水机构; ②形成一定速度环量。 (2) 导水机构(导叶及控制设备):调节流量、形成环量、控 导水机构(导叶及控制设备 :调节流量、形成环量、 制工况。 制工况。 (3) 转轮(工作核心 :能量转换,决定水轮机的尺寸、性能、 转轮(工作核心):能量转换,决定水轮机的尺寸、性能、 结构。 结构。 (4) 泄水机构 尾水管 :回收能量、排水至下游。 泄水机构(尾水管 回收能量、排水至下游。 尾水管): 此外还有主轴、轴承等非过流部件。 此外还有主轴、轴承等非过流部件。
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反击式水轮机的主要构造

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水流流动方向
上游水库 压力水管 水机构(导叶) 水机构(导叶) 转轮 蜗壳 尾水管 座环 导 下游。 下游。

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蜗 壳 (Volute)

三门峡水电站水轮机蜗壳
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蜗 壳 (Volute)
(一) 功用 使水流产生圆周运动,并引导水流均匀、 使水流产生圆周运动,并引导水流均匀、轴对称 地进入座环。设置在尾水管末端。 地进入座环。设置在尾水管末端。

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蜗 壳 (Volute)
(二) 型式 金属蜗壳和混凝土蜗壳。 金属蜗壳和混凝土蜗壳。

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三峡右岸电站12根直径12.8米的特大型压力引 三峡右岸电站12根直径12.8米的特大型压力引 12根直径12.8 水钢管,和大坝下方的发电厂房12 12台水轮发电 水钢管,和大坝下方的发电厂房12台水轮发电 机组。 机组。

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三峡电站的一台机组蜗壳, 三峡电站的一台机组蜗壳,由高强度钢板卷制焊 接而成,与大坝引水管相连, 接而成,与大坝引水管相连,蜗壳中间是座环及 固定导叶。 固定导叶。

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焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。 焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。

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座环( 座环(Stay ring) )
组成:位于导叶的外围。由上、下环和立柱组成。 组成:位于导叶的外围。由上、下环和立柱组成。 功用:支撑件和安装基准件。 承受发电机组轴向荷载 功用:支撑件和安装基准件。 ①承受发电机组轴向荷载 并传到下部基础; 支承活动导叶; 并传到下部基础; ②支承活动导叶;③使水流以一定方 向、轴对称进入导水机构 断面设计:流线形,保证强度、刚度。 断面设计:流线形,保证强度、刚度。数目为活动导叶 的一半。 的一半。

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座环( 座环(Stay ring) )

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固定导叶与活动导叶

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三峡水轮机座环,重达300多吨,竖立的是座环固定导叶, 三峡水轮机座环,重达300多吨,竖立的是座环固定导叶, 300多吨 内侧安装活动导叶,座环中间安装水轮机转轮。 内侧安装活动导叶,座环中间安装水轮机转轮。

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座环

蝶形边

蜗壳分节

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导水机构( 导水机构(distributor )
功用: 功用: 引导水流按一定方向进入转轮; 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; 形成与改变进入转轮的速度环量; 根据机组负荷变化,调节水轮机流量,改变出力; ③根据机组负荷变化,调节水轮机流量,改变出力; 关机时截断水流。 ④关机时截断水流。

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导水机构( 导水机构(distributor )
组成:导叶和传动机构。 组成:导叶和传动机构。 导叶:导水机构的主体, 导叶体和导叶轴两部分组成 两部分组成。 导叶:导水机构的主体,由导叶体和导叶轴两部分组成。 上下端分别固定在底环和顶盖上,为流线形。 上下端分别固定在底环和顶盖上,为流线形。 传动机构: 控制环、连杆、转臂三部分组成 三部分组成, 传动机构:由控制环、连杆、转臂三部分组成,用于传递 接力器操作力矩,使导叶转动,改变导叶开度以改变流量。 接力器操作力矩,使导叶转动,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。 导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。

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导水机构( 导水机构(distributor )

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接力器示意图
接力器用于操作控制环的转动。 接力器用于操作控制环的转动。 接力器的基本部件:接力器缸和活塞。 接力器的基本部件:接力器缸和活塞。
视频06

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导叶的主要几何参数
有关,一般16~24。 (1)导叶数 0:与D1有关,一般 )导叶数Z 。 (2)导叶相对高度 0/D1: )导叶相对高度b HL:0.1~0.39; : ZL:0.35~0.45

(3)导叶轴分布圆直径 0 一般 )导叶轴分布圆直径D D0=1.13~1.16D1 (4) 导叶开度 0:两导叶之间的垂直距离,最大 导叶开度a 两导叶之间的垂直距离, 开度为amax。 开度为
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转轮( 转轮(Runner) )
功用:水能 机械能。 功用: 机械能。 组成:主要部件:上冠、叶片、下环、泄水锥。 组成:主要部件:上冠、叶片、下环、泄水锥。 辅助部件:止漏环、减压孔。 辅助部件:止漏环、减压孔。

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转轮( 转轮(Runner) )

混流式
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轴流式

装于湖北宜昌葛洲坝水利枢纽、 装于湖北宜昌葛洲坝水利枢纽、世界最大尺寸的轴流转桨 式水轮机转轮(直径11.3m 17.55万kW)。 11.3m, 式水轮机转轮(直径11.3m,17.55万kW)。

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斜流式

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装于云南会泽毛家村水电站、 装于云南会泽毛家村水电站、中国最大容量的斜流式水 轮机(0.88万kW)模型试验转轮。 轮机(0.88万kW)模型试验转轮。

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三峡右岸70万千瓦水轮机转轮。该转轮由上冠、下环和15块 三峡右岸70万千瓦水轮机转轮。该转轮由上冠、下环和15块 70万千瓦水轮机转轮 15 叶片组焊而成。其外径10.44 10.44米 5.2米 总重量445 445吨 叶片组焊而成。其外径10.44米,高5.2米,总重量445吨 。

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转轮叶片数控加工

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加工的叶片需要用激光跟踪仪精确测量曲面数据。 加工的叶片需要用激光跟踪仪精确测量曲面数据。

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转轮叶片为防止变形, 转轮叶片为防止变形,需要十几个工人同 时焊接,焊接耗时3个多月。 时焊接,焊接耗时3个多月。

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转轮发运至三峡工地

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尾水管 (draft tube) )
功用 引导水流进入下游河道, 引导水流进入下游河道,并回收部分动能和 势能。 势能。

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尾水管 (draft tube) )
型式: 型式: 直锥形——用于小型水轮机; 用于小型水轮机; 直锥形 用于小型水轮机 弯锥形——用于卧轴水轮机; 用于卧轴水轮机; 弯锥形 用于卧轴水轮机 弯肘形——(大中型电站)。 弯肘形 (大中型电站)。

直锥形
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弯锥形

尾水管 (draft tube) )
组成:进口直锥段、肘管、出口扩散段。 组成 进口直锥段、肘管、出口扩散段。 进口直锥段

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尾水管内的真空涡带

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龙滩水电站尾水管施工

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本节小结
1、引水机构: 引水机构: ①蜗壳(金属、混凝土蜗壳) 蜗壳(金属、混凝土蜗壳) 引导水流均匀、轴对称进入导水机构;形成一定速度环量。 引导水流均匀、轴对称进入导水机构;形成一定速度环量。 ②座环 组成:由上、下环和立柱组成; 组成:由上、下环和立柱组成; 作用:承受发电机组轴向荷载并传给基础; 支承活动导叶。 作用:承受发电机组轴向荷载并传给基础; 支承活动导叶。 2、导水机构 组成:导叶及其轴、导叶的控制机构(调速器、接力器、转臂、 组成:导叶及其轴、导叶的控制机构(调速器、接力器、转臂、 连杆、控制环) 连杆、控制环) ; 功用: 调节流量; 形成环量; 关机时截断水流。 功用:①调节流量;②形成环量;③关机时截断水流。
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本节小结
3、转轮(工作核心) 转轮(工作核心) 作用:能量转换。 作用:能量转换。 4、泄水机构(弯肘型尾水管) 泄水机构(弯肘型尾水管) 组成:进口直锥段、肘管、出口扩散段。 组成 进口直锥段、肘管、出口扩散段。 进口直锥段 作用: 回收能量; 排水至下游。 作用:①回收能量;②排水至下游。 5、主轴 作用:将转轮机械能传递给发电机。 作用:将转轮机械能传递给发电机。

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案例

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Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT

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开度

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水 力 机 械 计 算 流 体 动 力 学

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轴流式水轮机的构造
轴流式水轮机除了转轮外,其它部件均与混流式相似。 轴流式水轮机除了转轮外,其它部件均与混流式相似。

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轴流式水轮机特点
(1)转速高,当H,N相同时,是混流式的2倍,且机组尺 转速高, 相同时,是混流式的2 寸较小,降低投资。 寸较小,降低投资。 (2)转轮叶片可以转动(双调),H (2)转轮叶片可以转动(双调),H、N变化时,水轮机具 转轮叶片可以转动 ), 变化时, 有较高的效率。 有较高的效率。 (3)轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站 3)轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站 轴流转浆式多用于低水头大流量

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转轮构造
组成:叶片、轮毂、泄水锥、 组成:叶片、轮毂、泄水锥、转动机构

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第四节 水轮机的型号
各种水轮机的标称直径规定: 各种水轮机的标称直径规定: 混流式(HL):下环与叶片进水边的交点对应的直径。 ):下环与叶片进水边的交点对应的直径 混流式(HL):下环与叶片进水边的交点对应的直径。 斜流和轴流式:叶片轴线与转轮室交点处圆断面的直径。 斜流和轴流式:叶片轴线与转轮室交点处圆断面的直径。 冲击式:转轮与射流中心线相切的节圆直径。 冲击式:转轮与射流中心线相切的节圆直径。

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2、水轮机的型号

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如为可逆式机组则在第一部分水轮机型式代号后面加N 如为可逆式机组则在第一部分水轮机型式代号后面加
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水轮机型号示例: 水轮机型号示例:
1.HL220-LJ-250 HL220-LJ表示转轮型号为220的混流式水轮机,立轴、金属蜗壳,转轮直径为250cm 220的混流式水轮机 250cm。 表示转轮型号为220的混流式水轮机,立轴、金属蜗壳,转轮直径为250cm。 2.ZZ560-LH-500 ZZ560-LH表示转轮型号为560的轴流转桨式水轮机,立轴、混凝土蜗壳, 560的轴流转桨式水轮机 表示转轮型号为560的轴流转桨式水轮机,立轴、混凝土蜗壳,转轮直径为 500cm。 500cm。 3.GD600-WP-300 GD600-WP表示转轮型号为600的贯流定桨式水轮机,卧轴、灯泡式引水, 600的贯流定桨式水轮机 表示转轮型号为600的贯流定桨式水轮机,卧轴、灯泡式引水,转轮直径为 300cm。 300cm。 4.2CJ20-W-120/2×10 2CJ20- 120/2× 表示转轮型号为20的水斗式水轮机,一根轴上装有2个转轮,卧轴、 20的水斗式水轮机 表示转轮型号为20的水斗式水轮机,一根轴上装有2个转轮,卧轴、转轮直 径为120cm 每个转轮具有2个喷嘴,射流直径为10cm 120cm, 10cm。 径为120cm,每个转轮具有2个喷嘴,射流直径为10cm。

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练 习
HL180-LJ-550 ZZ560-LH-1130 GZ440-WP-750 XLN200-LJ-300 CJ20-L-170/2×15

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第五节 水流在转轮中的运动
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, 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, 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 使转轮产生旋转力矩,从而做功。 片,使转轮产生旋转力矩,从而做功。

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水流在转轮中的运动
相对运动: 相对运动:水流质点沿着轮叶的流动 ,w表示 表示 牵连运动:水流质点随转轮的旋转运动, 表示 牵连运动:水流质点随转轮的旋转运动, u表示 绝对运动:水流质点对大地的运动, 表示 绝对运动:水流质点对大地的运动,v表示 绝对速度v与圆周速度 的夹角为α 与圆周速度u的夹角为 绝对速度 与圆周速度 的夹角为α 相对速度w与圆周速度 的夹角为β 与圆周速度u的夹角为 相对速度 与圆周速度 的夹角为β

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速度三角形

V = U +W
V ——水流绝对流速(相对于地球) W ——水流随转轮旋转牵连流速
U
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——水流沿叶片流动的相对流速

第六节 水轮机基本方程式
一、动量矩定理 单位时间内水流对转轮的动量矩改变, 单位时间内水流对转轮的动量矩改变,应等于作用在该水流上 的外力的力矩总和。 的外力的力矩总和。即:
g 其中M为水流对转轮的力矩,方程右端为水流本身速度矩的变化。 其中M为水流对转轮的力矩,方程右端为水流本身速度矩的变化。 M =

γQ e

( V u 1 r1 ? V u 2 r2 )

该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。 该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。

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在稳定工况下(n、Q、H均不变),转轮内的水流运动时相对的恒定流,因此转 在稳定工况下(n、 均不变) 转轮内的水流运动时相对的恒定流, (n 轮的出力为: 轮的出力为:

N e = M? =

γQe
g

(Vu1 r1 ? Vu 2 r2 )? =

γQe
g

(U1Vu1 ? U 2Vu 2 )

N e = γQe Hη s

所以,水轮机的基本方程为: 所以,水轮机的基本方程为:

1 HηH = ( 1Vu1 ?U2Vu2) U g ? Hη H = (Vu1r1 ? Vu 2 r2)
g
该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。 该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。

上列方程式说明了单位重量水流的有效出力是和转轮进、 上列方程式说明了单位重量水流的有效出力是和转轮进、出口速度 矩的改变相平衡的, 矩的改变相平衡的,所以速度矩的变化是转轮作功的主要依据 。
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水轮机的基本方程式还可以用环量来表示。转轮的速度环量, 水轮机的基本方程式还可以用环量来表示。转轮的速度环量, 可以看作是速度V 沿圆周所做的功。 可以看作是速度 u 沿圆周所做的功 。 将式两端各乘以 2π后 后 得

Γ1 进口速度环量,主要由导水机构所形成 进口速度环量, Γ2 为出口速度环量,所以转轮的输出功率主要 为出口速度环量,

决定于转轮进、出口的环量变化。 决定于转轮进、出口的环量变化。

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第七节 水轮机效率及最优工况
一、水轮机的效率

水轮机将水流的输入功率转变为旋转轴的输出机械功率, 水轮机将水流的输入功率转变为旋转轴的输出机械功率,在这个能 量转换过程中存在有各种损失,其中包括有水力沿程损失和局部损 量转换过程中存在有各种损失,其中包括有水力沿程损失和局部损 失、漏水容积损失和摩擦机械损失等。因而使得水轮机的输出功率 漏水容积损失和摩擦机械损失等 总是小于水流的输入功率, 总是小于水流的输入功率,水轮机输出功率与水流输入功率之比称 为水轮机效率,常用表示。 水轮机效率,常用表示。 水轮机总效率是由水力效率、 水轮机总效率是由水力效率、容积效率和机械效率组成的

H ? ∑ ?H He ηH = × 100 % = H H
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1. 水力损失及水力效率
蜗壳、导叶、转轮、 蜗壳、导叶、转轮、尾水管 —— 沿程损失 旋涡、 脱流、 —— 局部损失 旋涡、 脱流、 撞击 水轮机的水力效率为

He γQ ( H ? ∑ ? H ) ηH = × 100 % = γQH H
水轮机效率表示考虑了水轮机水头损失后的水流有效功 率 γQ He与水轮机输入功率 γQH 的比值,也等于水轮机 的比值, 有效工作水头与工作水头的比值

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2. 容积损失及容积效率
水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为 q,此部分流量不经过转轮作功,称漏损。 ,此部分流量不经过转轮作功,称漏损。

容积效率: 容积效率:

γ (Q?∑q)He Qe ηV = = γQH Q e

容积效率表示考虑了水轮机水头损失和流量损失后的水流 有效功率 γQeHe 与仅考虑了水轮机水头损失后的水流有效 e 的比值, 功率 γQH 的比值,也等于水轮机有效过流量与水轮机总 过量的比值
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3.机械损失和机械效率 3.机械损失和机械效率
水轮机的输入功率:Ne= γQe H e 输出功率: 机械效率: N=Ne -?Nm ηm=N/Ne

机械效率表示水轮机的轴功率N与考虑了水轮机水头损失和流 机械效率表示水轮机的轴功率 与考虑了水轮机水头损失和流 量损失后的有效功率 γQeHe 的比值

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

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二、水轮机的最优工况
1)定义 水轮机在不同的工况运行,其中效率最高的工况为最优 定义:水轮机在不同的工况运行 定义 水轮机在不同的工况运行, 2)无撞击进口:转轮进口的水流方向角 转轮轮叶的进口角,则不 转轮轮叶的进口角, )无撞击进口:转轮进口的水流方向角=转轮轮叶的进口角 发生撞击和脱流现象, 发生撞击和脱流现象,进口损失最小

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3)最优出流方向
转轮出口的水流方向α 转轮出口的水流方向α2=90 °

涡流损失主要发生在转轮叶片出口处。 涡流损失主要发生在转轮叶片出口处。当V2⊥U2时,即 =90° 水流平行主轴, =0,为法向出口, α2=90°,水流平行主轴,Vu2=0,为法向出口,无涡流 损失。 损失。
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4)总结 同时满足β 同时满足 1= βe1、α2=90°(V2⊥U2)时,进口无撞击, ° 时 进口无撞击, 出口无涡损, 最高,称为水轮机的最优工况。 出口无涡损,η最高,称为水轮机的最优工况。一 略小于90 90° 效率较高, 般α2略小于90°时,效率较高,出力 N=(85~90)%Nr,运行稳定,汽蚀性能好。 r 运行稳定,汽蚀性能好。

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