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第一篇  水力机械第一章   绪 论 动能            水轮                           发电机     水流能量                                    机械能                  电能势能            水泵                           电动机  水   水轮机+发电机 ————> 水轮发电机组功能：发电轮   水  泵+电动机 ————> 水泵抽水机组功能：输水机   水 泵+水轮机 ————> 抽水蓄能机组功能：抽水蓄能 本篇重要内容：水轮机(turbine)水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一研究的目的是充分利用水能资源，为厂房布置设计作准备第一章  水轮机的主要类型、构造及其工作原理§1.1 水轮机的工作参数(working parameters)一、基本概念水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流便把自己的能量传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转作功水流流经水轮机时，水流能量发生改变的过程——水轮机的工作过程。

反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数由水能出力公式:  N=9.81QHη 可知，其基本参数包括：工作水头H、流量Q、出力N、效率η，此外还有工作力矩M、机组转速n二、工作水头(working head)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为尾水渠根据能量方程可以推导出：1、 水电站的毛水头(nominal productive head)Hm=EA-EC=ZA+HA=Z上—Z下2 、水轮机的工作水头(working head)HG=EB - ED=HM - hA-B   毛水头 - 水头损失=净水头(即水轮机的工作水头)3 、特征水头(characteristic head)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特征水头一般由水能规划计算确定最大工作水头：               Hmax=Z正—Z下min—hA-BZ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=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:           HCP=Z上CP—Z下CP            即上下游平均水位差三、流量(flow quantity)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，当H=Hr、N=N额时，Q为最大四、出力与效率(output and efficiency)1 出力N：  指水轮机轴传给发电机轴的功率(输出功率)            水轮机的输入功率(水流传给水轮机的能量)为：(kW)            水轮机的输出功率：2 效率：    η=N0/NI×100%一般η=80%~95%η<100%的原因：水流通过水轮机时，存在水头损失、水量损失、机械损失等各种能量损失五、工作力矩和转速(working moment and rotational speed)水轮机的出力使主轴旋转做功，因此出力也可以用旋转机械运动公式来表达：               M——主轴力矩，用来克服发电机对主轴产生的阻力矩；ω——水轮机旋转角速度，n ——转速，rpm(revolution per minute)，n=3000/pp ——发电机磁极对数额定转速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。

 §1.2 水轮机的主要类型水轮机主要利用水能做功，将水能转换为旋转机械能列转轮进出口能量方程：         即Ep+Ec=1根据水流作用原理分：    冲击式：Ep=0       EC=1   完全利用水流动能；    反击式：0

改变叶片转角时需要停机进行 结构简单，效率低适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定）， H：3~50m (b)、轴流转浆式：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）适用水头流量的变化，高效率区广，大中型电站多采用 H：3~80m葛洲坝：17万kW、12.5万kW，Hr=27m） (3)、斜流式：水流经过转轮时是斜向的转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广   H=40~120m     (4)、贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜不设蜗壳，水流直贯转轮水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的H<20m,小型河床电站全贯流式： 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、灯炮式贯流式二、       冲击式水轮机(Inpulse water tubine)1、        特征： 由喷管和转轮组成水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部2、        类型：(1)、水斗式：特点是由喷泉嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。

  适用H：100~2000m；使用最广泛（高水头，小流量）2)、斜击式：H：25~300m    斜击、双击水轮机构造简单，效率低，(3)、双击式：H：5~80m      多用于小型电站    小结§1-3  水轮机的基本构造(Turbine structure)反击式水轮机的主要组成部件：(1)、进水（引水）部件—蜗壳：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮2)、导水机构（导叶及控制设备）：控制工况(3)、转轮（工作核心）：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构4)、泄水部件——尾水管：回收能量、排水至下游一、       混流式水轮机水流 ——> 蜗壳——>座环——>导叶 ——>转轮——>尾水管——>下游　  1、蜗壳蜗壳的作用是使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机2、座环：位于导水叶的外围由上、下环和立柱组成          作用：水轮机的骨架，承受机墩及伟来的荷载，并伟到下部基础；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：作用： 根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力；           引导水流按切向进入转轮，形成速度矩；组成： 导水叶及其轴、调速器、接力器（转臂、连杆、控制环)1)、导水叶：导水机构的主体，上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。

    作用：改变导叶开度以改变流量    导叶转动是通过调速成器和接力器来实现的    导叶参数：导叶数、高度、开度 (2)、调速器 (3)、接力器4、转轮：  水能——>机械能      组成：轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥 5、尾水管尾水管的作用是引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能二、       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1、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，尺寸较小2)、转轮叶片可以转动（双调），H、N变化时，水轮机具有较高的效率2、转轮构造：（轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站）组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构叶片 ：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘薄以承受水流作用的抟矩叶片数目：与H大小有关，一般为4~8片；叶片转角Φ：最优工况时Φ=0，Φ>0，叶片开始启动，Φ<0向关闭方向转动            -150>Φ<+200轮毂：外部连接叶片，内部安装转动机构转动机构：安装在轮毂内，由调速器控制，高速导叶角度三、斜击式水轮机构造                   主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水管、主轴、导轴承等，与高水头轴流转浆式水轮机基本相同与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与主轴成45°~60°的夹角。

四、灯泡贯流式水轮机实际上是卧轴安装的轴流式水轮机，发电机安装在灯泡体内(红色的为转子)五、冲击式水轮机构造(水斗式)                               1、水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、机壳、尾水槽水流——>喷管——>折流板——>转轮——>机壳——>尾水槽(1)、转轮  组成：轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）连接方式：  螺拴、整体铸造、焊接2)、喷管 组成：喷嘴、喷管体、导水叶栅、喷针头、喷杆、操作机构针阀： 控制水轮机的过水流量，以行程表示3)、折流板 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4)、机壳    把水斗中排出的水引导入尾水槽内一般为铸钢件5)、引水板    防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失2、水斗水轮机的装置方式(1)、卧轴：中小型水轮机单喷嘴、双喷嘴、单转轮、双转轮2)、立轴：大型水轮机§1-4  水轮机的型号及标称直径一、      反击式水轮机的型号(由三部分组成)              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，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm二、       冲击式水轮机的型号         2CJ30——W—— 120/2×10三、      各种水轮机转轮标称直径D1 (图1-29)      HL：转轮叶片进口边上最大直径ZL、XL：转轮叶片轴心线相交处的转轮室直。