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1、水 轮 机Hydraulic Turbine,第一章 绪论,掌握水轮机工作参数熟悉水轮机类型和结构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
2、，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、。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,各型水轮机的特点,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
4、，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
5、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,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。,反击式水轮机的构造,1.引水室 引导水流均匀、轴对称进入导水机构；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：由上、下环和立柱组成，承受发电机组轴向荷载并传给基础；支承活动导叶。
6、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)；引导水流按一定方向进入转轮；形成与改变进入转轮的速度环量；调节Q调节出力P；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）回收能量；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
7、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,引水室型式,主轴布置型式,水轮机的牌号及装置形式,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,HL240LJ410 混流式水轮机，型号240（比转速），立轴金属蜗壳，转轮直径为410cm；ZZ440LH430 轴流转浆式水轮机，
8、型号440（比转速），立轴混凝土蜗壳，转轮直径430cm 2CJ30W120/210 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10cmSJ60W120/100 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 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
9、。,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
10、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,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
11、程的物理意义,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=HVm提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。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
12、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
13、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，用表示。,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。,对不同的 规定如下,对不同形
14、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,立轴轴流式和斜流式水轮机(如下图),、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=0.380.46；转轮标称直径，,卧轴混流式和贯流式水轮机,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.,
