第一章-水轮机的类型构造及工作原理

水电站AAA武汉大学水利水电学院Tel:68772274，13971388746Em:[e-mail]2020/5/172水力发电系统组成：水电站建筑物、水力机械、电器设备水库进水口引水隧洞调压室调压力管道发电机主阀尾水渠厂房水轮机2020/5/173水力发电系统组成：水电站建筑物、水力机械、电器设备2020/5/174水力发电过程能量转换：水能—机械能——电能2020/5/175本课程的内容分四大部分•水电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利用水力资源发电的场所，是建筑物、水、机、电的综合体。–进水及引水建筑物（进水口、引水隧洞、压力管道）——–水轮机部分（能量转换的机械设备）——–水电站厂房（发电和配电：主厂房、副厂房、主变压器、开关站）——–水锤、调压室（非恒定流动）——第一篇水轮机2020/5/177水轮机和发电机连轴组成发电机组发电机水轮机2020/5/178水轮机—将水能转化为旋转机械能发电机水轮机蜗壳:引水导叶:调节流量转轮:能量转换尾水管:泄水第1章水轮机的类型构造及工作原理1.1水轮机的主要工作参数2020/5/1710水轮机的主要工作参数有5个水轮机出力水轮机工作水头水轮机流量水轮机效率水轮机转速2020/5/1711水轮机出力：水轮机传给发电机的功率•水体能量扣除水轮机的能量损失•设在时段内有的水体从1-1断面流过2-2断面，因此，该段水体所提供的能量为：和称为水能两个基本要素。tWHQW2020/5/1712水体能量决定于流量和落差水体具有的能量（功率）–为1-2断面水面降落的垂直高度（通常称为落差或水头），单位为m–为水的容重。=1000kg/m3。–为单位时间里通过1-1断面的流量（m3/s）。–为水体所具有的作功能力（kg.m/s）。21HQwN2020/5/1713水轮机出力决定于流量和工作水头水体具有的能量（功率）–工程上常用“千瓦”或“马力”来表示，1千瓦=102kg.m/s–水流给予水轮机的功率–水轮机输出功率（出力）–η为水轮机的效率（kg.m/s）（千瓦）2020/5/1714水轮机工作水头：单位重量水体通过水轮机进出口断面的能量差值2020/5/1715工作水头不是毛水头，而是净水头为水电站上下游水位差，称为水电站毛水头为水电站引水系统水头损失为净水头即水轮机工作水头2020/5/1716水轮机的工作水头是随上下游水位变化而变化的•常选用几个特征水头来表示水轮机的运行工况和运行范围，这些特征水头由水能计算确定（1）最大水头（2）最小水头（3）加权平均水头（4）设计水头maxHminHavHrH2020/5/1717水轮机流量：水流在单位时间内通过水轮机的水流体积–通常用Q表示，其单位为m3/s–水轮机的引用流量主要随着水轮机的工作水头和出力的变化而变化–在设计水头下水轮机以额定出力工作时其过水流量最大H和Q是水力发电的两大要素，H大Q小也发不出大量电，Q大H小也发不出大量电2020/5/1718水轮机效率：水轮机的输出功率与输入功率比值水力效率:容积效率:机械效率：水轮机效率还可表示为效率也是水轮机的最重要参数之一，越高越好。2020/5/1719转速n：水轮机组每分钟转动的转数•对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是同轴运行的，所以它们的转速相同，并需要满足同步转速的要求。即其中：f-电流频率；我国电网f=50Hz；p-发电机的磁极对数。则：磁极对数p3456789.....同步转速n1000750600500428.6375333.3.....2020/5/17201.2水轮机的主要类型•水轮机有各种类型的原因是什么？•水能利用的条件千差万别，最重要的特点是–水头有高有低，高者水头上千米，低者数米–流量有大有小，大者几千立方米每秒，小者不到一立方米每秒•各种水轮机型式的出现均是为了最大限度利用水能•Francis、Kaplan，Pelton等人发明了针对不同水头的水轮机2020/5/1721现代水轮机可按能量利用特征、水流特征、转轮结构特征分类•水轮机按能量转换特征分为两类，即反击式和冲击式。而每一类水轮机又根据转轮区内水流的特征和转轮的结构特征又分为多种形式。•能量转换特征：利用水流的势能、动能的比例。•转轮内水流特征：水流方向与主轴关系（垂直、平行、斜交）。•转轮的结构特征：桨叶固定、转动，转轮的高、扁等。2020/5/1722能量转换特征分类：反击式和冲击式–单位重量水体在转轮进、出口的能量之差：–可变换为水流势能水流动能2020/5/1723冲击式：只利用动能反击式：既利用动能也利用势能–势能占总能量的比例–动能占总能量比例–水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和–若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机–若0＜Ep1，Ep＋Ev=1，这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为反击式水轮机2020/5/1724反击式：水流方向和流速大小受叶片约束而改变,从而对叶片一个反作用力混流式水轮机（Francis）2020/5/1725冲击式：转轮处在大气中，高速射流冲击转轮•冲击式水轮机（Pelton）2020/5/1726水流特征、转轮结构特征和工作方式分类反击式混流式轴流式斜流式贯流式轴流定桨式轴流转桨式冲击式水斗式（切击式）斜击式双击式可逆式混流式轴流式斜流式贯流式2020/5/1727反击式（ReactionHydraulicTurbine）混流式：幅向进流，轴向出流1－主轴；2－叶片；3－导叶；4－蜗壳；5－尾水管12345radiaxialturbine，Francisturbine2020/5/1728反击式（ReactionHydraulicTurbine）轴流式：轴向进流，轴向出流axialflowturbine,Kaplanturbine1－导叶；2－叶片；3－轮毂4－蜗壳；5－尾水管1234452020/5/1729反击式（ReactionHydraulicTurbine）斜流式：斜向进流，斜向出流diagonalflowturbine12341－蜗壳；2－导叶；3－叶片；4－尾水管可转动叶片2020/5/1730反击式（ReactionHydraulicTurbine）贯流式：机组在流道中间，周围过水throughflowturbinebulbturbine1－导叶；2－转轮；3－发电机；4－灯泡1234122020/5/1731反击式（ReactionHydraulicTurbine）throughflowturbine2020/5/1732冲击式（impulseturbine）inclinedjetturbine（a）水斗式；（b）斜击式；（c）双击式冲击式水轮机：高速射流在空气中冲击转轮BankiturbinePeltonturbine2020/5/1733冲击式（impulseturbine）inclinedjetturbinecrossflowturbine,BankiturbinePeltonturbine2020/5/1734可逆式:既是水轮机又是水泵(Reversible)PumpTurbine混流式：30~40~600~700m斜流式：150m以下，水头变幅较大轴流式：少惯流式：潮汐电站，水头15~20m可逆式2020/5/1735各型水轮机适用不同水头范围对应不同转轮形状2020/5/17361.3水轮机的基本构造•反击式水轮机通常由四大部分组成–进水部件：蜗壳和座环–导水部件：导叶及其传动机构–工作部件：转轮–泄水部件：尾水管•这四大部分对于不同类型的水轮机各不完全相同，有着自身的特点2020/5/1737引水部件—蜗壳和座环•蜗壳（和座环）–蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部结构力的作用。2020/5/1738引水部件—蜗壳和座环•蜗壳（和座环）–蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部结构力的作用。座环2020/5/1739导水部件—导叶及其传动机构•导叶及传动机构–导叶的主要作用是根据机组负荷变化来调节水轮机流量以改变水轮机出力，并引导水流按一定的方向进入转轮，形成一定的速度矩。–包括的部件有：导叶、推拉杆、控制环、拐臂和连杆等2020/5/1740导水部件—导叶及其传动机构•导叶及传动机构导叶与导叶间的距离称为开度，开度的变化导致流量变化，进而改变出力。导叶开度由调速器控制。小开度（小流量）大开度（大流量）2020/5/1741工作部件—转轮是水轮机的核心•转轮–转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心部分。2020/5/1742工作部件—转轮是水轮机的核心•转轮–转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心部分。三峡左案9号机组吊装2020/5/1743泄水部件—尾水管断面沿程扩散•尾水管–尾水管除了引导转轮流出的水流泄入下游外，其主要的作用是回收位能和动能，它对水轮机效率影响很大，特别是对于低水头的情况。这部分内容后面详细论述大中型电站立式机组一般采用弯肘型尾水管2020/5/1744泄水部件—尾水管断面沿程扩散2020/5/1745工作部件转轮有不同的形状中高比转速混流式水轮机转轮•混流式水轮机转轮组成：轮叶、上冠、下环和泄水锥•上冠的外形与圆台体相似，在其下端固定着泄水锥，用于引导水流顺利地形成轴向流动，以消除顺利漩涡。轮叶的上端与上冠相固定，下端与下环相固定。三者连成一个整体，叶片呈扭曲状，其断面为翼形，叶片数目通常是10～20片，均匀分布在上冠与下环之间低比转速混流式水轮机转轮2020/5/1746工作部件转轮有不同的形状轴流式水轮机转轮•轴流式水轮机的转轮是由轮毂、轮叶和泄水锥三部分组成。在轮毂四周按悬臂方式安装轮叶，轮叶是扭曲面。边缘薄，根部厚，外形类似螺旋桨。轮叶数目按工作水头大小而定，工作水头较低，轮叶数较少；反之，较多。一般为3～8片2020/5/1747水斗式水轮机主要由喷嘴、针阀、转轮和折向器组成•喷嘴的作用是引导压力水流均匀流动，在喷嘴处收缩转换为仅有动能的自由射流；针阀的作用是控制流量的大小，适应出力大小的需要。2020/5/1748水斗式水轮机的构造2020/5/1749反击式和冲击式水轮机的差别类型项目反击式冲击式能量转换势能（主要）+动能动能构造特点有蜗壳、尾水管，利用导叶调节流量无蜗壳、无尾水管，利用针阀调节流量工作水头上、下游水位差扣掉引水道中水头损失上游水位与喷嘴出口高程差扣掉引水道中水头损失布置方式大中型均为立轴，转轮可装在下游水位以上或以下立轴、卧轴均可，转轮必须装在下游最高水位以上水头范围混流轴流H=30-700m，H=3-80m水斗H=100-2000m2020/5/1750这些转轮分别是哪种水轮机的？2020/5/17511.4水轮机的型号•水轮机的牌号就是水轮机的姓名，其目的是为了统一产品规格，提高产品质量，便于选择使用。•表明水轮机性能有两个主要参数：转轮直径D1和水轮机的比转速ns，所以在水轮机牌号上不仅要表明是什么类型的水轮机，而且要表示它的转轮直径和比转速。•我国统一规定的水轮机牌号由三部分代号组成。–第一部分代表水轮机类型和转轮型号；–第二部分表示水轮机主轴的布置型式及水轮机室特征；–第三部分表示水轮机转轮标称直径D1。•比如：HL240-LJ-140，即混流式，比转速ns=240，立轴金属蜗壳，转轮直径D1=140cm。2020/5/17522020/5/1753水轮机型号中标称直径对不同水轮机有不同规定1.5水流在反击式水轮机中的运动2020/5/1755水流在转轮中的运动是三维复合运动相对运动、牵连运动和绝对运动叶片表面：三维扭曲面叶道：三维扭曲空间转轮：绕主轴旋转所以水流在反击式水轮机转轮中的运动是一个复杂的三维空间的复合运动2020/5/175