水轮机结构与原理(+笔记).doc

水 轮 机水轮机 + 发电机： 水轮发电机组 功能： 发电水 泵 + 电动机： 水泵抽水机组 功能： 输水水 泵 + 水轮机： 抽水蓄能机组 功能： 抽水蓄能水轮发电机组：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第一节 水轮机的工作参数水轮发电机组装置原理图定义：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=9.81ηQH 可知，基本参数：工作水头H(m)、流量Q(m3/s)、出力N(kw)、效率η，工作力矩M、机组转速n一、水头(head)：作用于水轮机的单位水体所具有的能量，或单位重量的水体所具有的势能，更简单的说就是上下游的水位差，也叫落差142米1. 毛水头(nominal productive head) HM=EU-ED=ZU - ZD 2. 反击式水轮机的工作水头毛水头 - 水头损失=净水头HG=EA- EB=HM - hI-A 3. 冲击式水轮机的水头HG=ZU- ZZ - hI-A其中ZU和ZZ分别为上游和水轮机喷嘴处的水位4. 特征水头(characteristic head)表示水轮机的运行范围和运行工况的几个典型水头。

最大工作水头： Hmax=Z正-Z下min-hI-A最小工作水头： Hmin=Z死-Z下max-hI-A设计水头(计算水头) Hr：水轮机发额定出力时的最小水头平均水头： Hav =Z上av-Z下av二、流量(m3/s)(flow quantity)：单位时间内通过水轮机的水量Q单机12.2m3/sQ随H、N的变化：H、N一定时， Q也一定；当H=Hr、N=N额时，Q为最大在Hr、nr、Nr 运行时，所需流量Q最大，称为设计流量Qr三、出力 (output and)：水轮机主轴输出的机械效率N(KW)：指水轮机轴传给发电机轴的功率水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量),即水流效率，与a.作用于水轮机的有效水头；b.单位时间通过水轮机的水量，即流量Q；c.水体容重γ成正比其公式为：γ指水体容重（即单位容积水所具有的重力，比重）：水的比重=1000kg/m3、G=9.8N/Kg γ=9800N/m3， 水轮机的输出功率：四、效率(efficiency)：输入水轮机的水能与水轮机主轴输出的机械能之比，又叫水轮机的机械效率、能量转换效率η η=N/Nw，一般η=80%~95%水轮机的损失：1、容积损失：进入水轮机的流量Q，有部分会从水轮机固定部分与转动部分的缝隙及其他缝隙中漏失而造成损失；2、水力损失：作用于水轮机的工作水头H中，在水流进出水轮机的过流部件时为克服沿程摩擦局部阻力而消耗一部分能量；3、机械损失：在能量转换过程中，水轮机还必须克服主轴轴承的摩擦，及其他部分与固定部分之间的摩擦，造成出力损失。

五、(工作力矩和)转速：水轮机每分钟的转动周数n=3000/p(p为磁极对数)600转水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达式中 M——主轴力矩；ω——水轮机旋转角速度， n ——转速，n=3000/p； p ——发电机磁极对数额定转速n：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，并与发电机的同步转速相等第二节 水轮机的主要类型及其构造一、主要类型(一)、反击式水轮机 (reaction water turbine) ：利用水流的压力能转化为机械能定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机特征：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，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，水流充满转轮室原理：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，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功1. 混流式（HL）混流式水轮机特征：水流流经转轮叶片时，从径向流入，而从轴向流出适用范围：H=30-450m , 最高水头已接近700m，单机容量：几万kW-几十万kW特点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。

三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW是世界上单机容量最大的机组2. 轴流式特征：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴适用：大流量、低水头一般水头在50m以下分类：(1) 轴流定浆式(ZD)：叶片不能随工况的变化而转动高效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站2) 轴流转浆式(ZZ)：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)适用于大型水电站轴流转浆式水轮机转轮3. 斜流式(XL)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 4. 贯流式：用于水头较低特征：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适用：H<20m，小型河床电站贯流式机组分类：(1) 全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其密封困难，现在较少使用 贯流定浆式(GD) 贯流转桨式(GZ)(2) 半贯流式：灯泡贯流式(P)：发电机组安装在密闭的灯泡体内，使用较广泛，机组结构紧凑，流道形状平直，水力效率高轴伸式贯流机组(Z)：发电机安装在外面，水轮机轴伸出到尾水管外面竖井式贯流机组(S)：发电机安装在竖井内二)、冲击式水轮机(Inpulse water tubine)定义：利用水流的动能来做功的水轮机特征：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的方向、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，而不是全部不适宜调峰运行(讨论：为什么？)适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m单喷嘴冲击式水轮机运行中分类：水斗式（切击式）CJ（QJ）: 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目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站 水斗式水轮机斜击式（XJ）：由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗斜击式水轮机转轮双击式（SJ）：水流两次冲击转轮双击式水轮机转轮水轮机总分类图二、水轮机的型号及标称直径 HLD2-LJ-11301、型号说明根据我国“水轮机型号编制规则”规定，水轮机的型号由三部分组成，每一部分用短横线“—”隔开第一部分由汉语拼音字母与阿拉伯数字组成，其中拼音字母表示水轮机型式，阿拉伯数字表示转轮型号，入型谱的转轮的型号为比转速数值(比转速：保持水轮机形状与运行工况相似，改变其尺寸大小，在单位水头下发出单位出力所具有的水轮机转速)，未入型谱的转轮的型号为各单位自己的编号，旧型号为模型转轮的编号；可逆式水轮机在水轮机型式后加“N”表示。

第二部分由两个汉语拼音字母组成，分别表示水轮机主轴布置形式和引水室的特征；第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其它必要的数据水轮机型号中常见的代表符号如表所示对于冲击式水轮机，上述第三部分应表示为：转轮标称直径(cm)/每个转轮上的喷嘴数×射流直径(cm)比转速：保持水轮机形状与运行工况相似，改变其尺寸大小，在单位水头下发出单位出力所具有的水轮机转动的速度 (即：几何相似的水轮机，当工作水头为1m，输出功率为1kW且机械效率为100%时水轮机自身的转速比转数可以作为机器分类、系列化和相似设计的依据比转数小反映机器的流量小，全压(或扬程、水头)高；反之,比转数大则机器的流量大,全压（或扬程、水头）低前者适合离心式,后者适合轴流式,混流式（斜流式）介于两者之间，所以可用比转数大小划分机器类型在设计机器时先按给定的参数计算比转数，再根据比转数大小决定机器类型 　　比转数大小也反映叶轮的形状[比转数与叶轮形状的关系]为不同类型泵的比转数与叶轮形状的关系比转数越大叶轮外径就越小，而宽度越大反之，比转数越小，则叶轮外径越大，宽度越小在一定流量和全压（或扬程、水头）下，比转数与机器转速成正比提高转速可减小叶轮外径，增加宽度；而降低转速，则须增加叶轮外径，减小宽度。

型号第三部分的说明对反击式水轮机：表示转轮的标称直径水斗式或斜击式水轮机，其表示方法为：对双击式水轮机，其表示方法为：2、水轮机的型号举例HLD2-LJ-1130：混流式(东方电机第二代转轮)立式金属蜗壳，转轮直径1130cm1) 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(2) 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 (3) 2CJ30——W—— 120/2×10 转轮型号为20，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上装设两个转轮，转轮直径为120cm, 每个转轮两个喷嘴，设计射流直径为10cm4) GZ440—WP—750表示贯流转浆式水轮机，转轮型号440，卧轴，灯泡式机组，转轮标称直径750cm5) SJ40—W—50/40：表示双击式水轮机，转轮型号40，卧轴布置，转轮标称直径50cm，转轮轴向长度40cm6) XLN—LJ—300：表示斜流可逆式水泵水轮机，转轮型号200，立轴布置，金属蜗壳，转轮标称直径300cm3、各种水轮机转轮标称直径D1HL：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径CJ：转轮与射流中心线相切处节圆直径4、转轮标称直径系列反击式水轮机转轮标称直径系列(cm)253035(40)42506071(80)841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000     第三节 水轮机的基本构造反击式水轮机的主要组成部件： (1) 进水(引水)部件引水室—蜗壳：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮。

引水室蜗壳式：以沿水流方向过水断面的面积逐渐减小的蜗形流道，紧紧围住导水机构，使水流进入导水机构具有一定的旋转环量，并基本保证水流的对称、均匀性，从而提高效率贯流式：灯泡贯流引水室为贯流式引水室，是水流从进口引进后，直 接贯流过水轮机，水流方向不转弯，引水室中的水流呈均匀轴对称状，水力损失很小，水流利用率高蜗壳座环：水轮机过流部件，也是水轮机承重部件，是水轮机的支柱，支撑水轮机的固定导水叶(导叶)，其作用是合理分配流量，及导流，使水流有方向、均匀地进入转轮1.金属蜗壳：适用于水头在35m以上水流相对较小（精致合理，能承受较大压力，结构紧密，安装方便）2. 混凝土蜗壳：适用于水头低于40m (2) 导水机构（导叶及控制设备)：控制工况改变进入转轮的水流环量，根据机组所带负荷的变化情况随时调节水轮机的引用流量，以改变机组出力的大小，并进行开、停机操作①导叶：直接调节。