(河海大学)水轮机类型构造及工作原理_水电站

知识要点：水轮机的型号，反击式、冲击式、可逆式等水轮机的类型、结构以及对厂房结构布置影响。水流在转轮中的运动、基本方程、能量损失、水轮机的最优工况；水轮机的气蚀、吸出高度和安装高程。重点难点：各种类型水轮机的特点、结构及其对厂房结构布置的影响；速度三角形的概念；水轮机基本方程的物理意义；水轮机的能量损失及其最优工况。第一章水轮机类型及构造第一章水轮机类型及构造第一节水力机械的种类第二节水轮机的工作参数第三节水轮机的主要类型及其构造第四节水轮机的型号第五节水流在水轮机转轮中的运动第六节水轮机基本方程第七节水轮机的效率及最优工况第一章水轮机类型、构造及工作原理第一节水力机械的种类第一节水力机械的种类运动的水体动能势能水力机械旋转运动压力势能位置势能第一节水力机械的种类第二节水轮机的工作参数水能减少（水轮机）水能增加（水泵）水力工作机水能机械能水力原动机第一节水力机械的种类第二节水轮机的工作参数第二节水轮机的工作参数2gVpZE2AAAAA参数：水头、流量、功率、效率、转速等2DDDDDpVEZ2g2gVpZE2UUUUU一、水头Head第二节水轮机的工作参数(kw)QH81.9NN%100NN入入效率%95~90%,80max第二节水轮机的工作参数装机容量（InstalledCapacity）–发电机的输出功率ggNN第二节水轮机的工作参数水轮机可以有不同转速，但H一定时，一定的转轮直径D1有一个效率最高的转速n，通常由此转速选择相近的同步发电机转速。发电机同步转速水轮机额定转速p3000n60npf电工学中：二、转速Speedofrotation第二节水轮机的工作参数磁极对数P34567891012同步转速n(r/min)1000750600500428.6375333.3300250磁极对数P141618202224262830同步转速n(r/min)214.3187.5166.7150136.4125115.4107.1100磁极对数P323436384042444850同步转速n(r/min)93.888.283.3797571.468.262.660磁极对数与同步转速系列第二节水轮机的工作参数第三节水轮机的主要类型及其构造第三节水轮机的主要类型及其构造水流能量转换特征反击式冲击式水轮机的主要类型第三节水轮机的主要类型及其构造水轮机所获得的能量H0)2gvpz()2gvpz(H22222211110dp022221102211EE12gHvvH)pz()pz(水流动能水流势能21第三节水轮机的主要类型及其构造水轮机•混流式•轴流式•斜流式•贯流式•混流式•斜流式•轴流式•贯流式冲击式可逆式反击式轴流定浆式轴流转浆式•水斗式•双击式•斜击式全贯流式半贯流式水轮机的分类灯泡式轴伸式竖井式第三节水轮机的主要类型及其构造一、反击式水轮机Reactionturbine•Descriptionofthecontents•Descriptionofthecontents•Descriptionofthecontents动量改变（转轮作用于水产生）水流对转轮产生反作用力转轮旋转流过转轮的水流是连续的同一时间内所有转轮叶片间的流道都有水流通过水流V大小、方向改变第三节水轮机的主要类型及其构造水流特征：幅向进入转轮，轴向流出转轮适用水头：20～500m，Hmax=734m叶片：固定10~20片最高效率：94%单机容量：几十kW～几十万kW实例：最高水头734m（奥地利依斯林电站）最大单机出力716MW（美国大古力电站）max1混流式（Francisturbine、Mix-flowturbine）第三节水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机转轮第三节水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造第三节水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造第三节水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳spiralcase蜗壳spiralcase座环stayring导水机构Distributor转轮runner尾水管drafttube第三节水轮机的主要类型及其构造使水流产生圆周运动并引导水流均匀地、轴对称地进入座环。第三节水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳spiralcase座环stayring导水机构Distributor转轮runner尾水管drafttube座环stayring第三节水轮机的主要类型及其构造组成：上环、下环及支柱组成。作用：支承水轮发电机组的重量及蜗壳上部部分混凝土的重量，并将此巨大的荷载通过支柱传给厂房基础。第三节水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳spiralcase座环stayring导水机构Distributor转轮runner尾水管drafttube导水机构Distributor第三节水轮机的主要类型及其构造主要为翼型活动导叶作用：①调节水轮机的流量；②引导水流按必须的方向进入转轮形成一定的速度矩。导叶开度openinga0(mm)：表征导叶所处位置的特征参数动画演示第三节水轮机的主要类型及其构造第三节水轮机的主要类型及其构造导叶数Z0与水轮机直径有关导叶的主要几何参数有：主要与水轮机型式有关，水头愈高，b0/D1愈小导叶相对高度b0/D1应满足导叶在最大可能开度时，不碰到固定导叶及转轮导叶轴分布圆直径D0第三节水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳spiralcase座环stayring导水机构Distributor转轮runner尾水管drafttube转轮runner第三节水轮机的主要类型及其构造减压孔补气装置泄水锥翼型扭曲叶片(12~21片)止漏环(迷宫环)第三节水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳spiralcase座环stayring导水机构Distributor转轮runner尾水管drafttube尾水管drafttube第三节水轮机的主要类型及其构造将通过转轮做完功的水流排入下游河道，并回收转轮出口水流的部分能量。第三节水轮机的主要类型及其构造水流特征：水流流过转轮时始终是沿轴向的适用水头：2~70m叶片：定浆或转浆单机容量：几十kW~十几万可kW实例：葛洲坝水电站17万kW/单机2轴流式（Kaplan/axial-flowturbine）第三节水轮机的主要类型及其构造轴流式水轮机叶片安放角第三节水轮机的主要类型及其构造立轴式水轮机（verticalturbinewithfixedblades）轴流定桨式水轮机转轮第三节水轮机的主要类型及其构造轴流转浆式水轮机转轮（runnerofKaplanturbine）第三节水轮机的主要类型及其构造轴流式水轮机的特点1轴流式水轮机的叶片：沿轮毂四周均匀分布的空间扭曲的翼形曲面体，叶片数一般为4-8片，叶片数愈多，适用水头愈大。2叶片的安放角φ：一般在-15°~+20°之间，φ＞0°叶片往开启方向转动，φ＜0°反之。安放角第三节水轮机的主要类型及其构造3叶片转动的操作机构安装在轮毂内4轮毂比（轮毂直径dg与转轮直径D1的比值）：0.33~0.555水轮机转轮室内壁经常承受很大的脉动水压力。轴流式水轮机的特点第三节水轮机的主要类型及其构造脉动水压力和水流的漏损存在的问题第三节水轮机的主要类型及其构造水流特征：从流道进口到尾水管出口均沿轴向（没有蜗壳）适用水头：1~40m叶片：定浆或转浆单机容量：几kW~几万kW效率：90~92%3贯流式（Tubularturbine）第三节水轮机的主要类型及其构造灯泡贯流式水轮机Bulbtubularturbine水流基本沿轴向、不转弯外形象管道且主轴卧置第三节水轮机的主要类型及其构造水流特征：水流方向与主轴斜交，斜向水流适用水头：20～200m叶片：转浆8～12片单机容量：几千kW～十几万kW实例：小浪底15万kW/单机4斜流式（Deriazturbine）第三节水轮机的主要类型及其构造1叶片转动轴线与水轮机主轴成45～60°的锥角，叶片数8~12片。2转轮叶片操作机构注意当由于轴向水推力和温度变化等引起水轮机轴向位移时，其叶片不得与转轮室内壁接触。斜流式水轮机的特点：第三节水轮机的主要类型及其构造二、冲击式水轮机Impulseturbine水流特征：水流以自由射流的水柱冲击转轮，利用水流动能使转轮旋转。型式：水斗式（PeltonTurbine）双击式（Crossflowturbine）斜击式（Turgoturbine）水斗式水轮机第三节水轮机的主要类型及其构造管帽转轮斜击式转轮进水示意图针阀轮叶斜击式水轮机转轮第三节水轮机的主要类型及其构造适用水头：小型：40~250m大型：400~1000mHmax=1767m单机容量：几十千kW~十几万kW实例：磨房沟水电站12500kW/单机第三节水轮机的主要类型及其构造喷嘴前折流板：避免因喷针快速移动导致在压力钢管内产生过高得水锤压力。右下侧导流板：防止水流飞溅而造成附加损失。特点：可设多个喷嘴和多个转轮。大中型：立式布置；中小型：卧式布置。流量调节：喷针和喷嘴构成的针阀31转轮由轮盘及沿轮盘圆周均匀分布的勺形戽斗组成2第三节水轮机的主要类型及其构造冲击式水轮机卧轴水斗式水轮机verticalPeltonturbine立轴水斗式水轮机horizontalPeltonturbine第三节水轮机的主要类型及其构造发电：水轮机运行抽水：水泵运行适用水头：混流式：30~600m斜流式、轴流式实例：密云，1.1/1.5万kW三、可逆式水轮机（水泵水轮机）ReversibleturbinePumpedturbine•中水头：15~150m•低水头：5~20m第三节水轮机的主要类型及其构造大型中型小型主轴布置方式▪出力＞3万kW▪转轮直径＞3m的轴流式＞2.25m的混流式▪出力＜3万kW▪转轮直径＜3m的轴流式＜2.25m的混流式▪出力＜1万kW▪转轮直径＜1.4m的轴流式＜1.0m的混流式▪卧式：D1＜1m▪立式：D1＞1m四、大中小型水轮机的划分第三节水轮机的主要类型及其构造第四节水轮机的型号第四节水轮机的型号Z轴伸式X虹吸式S竖井式G罐式M明槽式P灯炮式H混凝土蜗壳J金属蜗壳代号型式引水室特征GD贯流定浆式N可逆式GZ贯流转浆式ZD轴流定浆式ZZ轴流转浆式XL斜流式HL混流式代号型式水轮机型号HL200LJ500一、反击式水轮机的型号转轮型号（用比转速表示）W卧轴L立轴代号型式主轴布置型式转轮标称直径（厘米）第四节水轮机的型号二、冲击式水轮机的型号设计射流直径（厘米）每个转轮上的喷嘴数转轮标称直径（厘米）主轴布置型式2CJ20–W-120/2×10转轮型号水轮机型号一根轴上装的转轮数第四节水轮机的型号关于转轮直径D1的规定混流式转轮进口边的最大直径轴流式转轮室的最大直径斜流式转轮叶片的转动轴线和转轮室相交点的圆的直径冲击式切于喷嘴流出的射流中心线的圆周直径第四节水轮机的型号反击式水轮机转轮标称直径系列(单位:cm)253035(40)42506071(80)841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000第四节水轮机的型号XLN200-LJ-300转轮型号为200（比转速）的斜流可逆式水轮机，立轴，金属蜗壳引水，转轮标称直径300厘米GD600-WP-250转轮型号为600（比转速）的贯流定桨式水轮机，卧轴，灯泡式引水，转轮标称直径250厘米CJ26-W-125/1×12.1一根轴上只装一个转轮的冲击式水轮机，转轮型号26（比转速），卧轴，转轮直径125厘米，单喷嘴设计射流直径12.1厘米第四节水轮机的型号第五节水流在水轮机转轮中的运动第五节水流在水轮机转轮中的运动恒定流：任一流体的物理量（如V）不随时间变化非恒定流：V=V(t)水轮机