第一章_水轮机类型构造.ppt

水轮机是将水流的能量转换为旋转的机械能的动力设备 它用来带动发电机工作 产生电能 水轮机和发电机连在一起称为水轮发电机组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 第一章水轮机的类型 构造及工作原理 设在T时段内有W的水体从1 1断面流过2 2断面 因此 水体W所具有的能量为 H和Q称为水能两个基本要素 第一节水轮机的工作参数一 水轮机出力 式中 H1 2 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 Q 为单位时间里通过1 1断面的流量 单位为 m3 s W水体所具有的作功能力 单位 kg m s 又工程上常用 千瓦 或 马力 来表示 1千瓦 102kg m s kg m s 千瓦 水流给予水轮机的功率 水轮机作的有效功率 水轮机输出功率 出力 为水轮机的效率 水轮机的水头 也称工作水头 即水轮机工作的净水头 定义 单位重量水体通过水轮机进出口断面的能量差值 二 水头 为了推求和 以下游水位为基准面 列上游引水道进口与水轮机进口断面 水轮机出口与下游尾水渠断面的能量方程 并忽略上游进口断面和下游尾水渠断面的流速水头的差值 并忽略B D处的水头损失 由此可以得到 则水轮机工作水头H为 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 H为净水头即水轮机工作水头 水轮机的工作水头是随上下游水位变化而变化的 为此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Hmax 2 最小水头Hmin 3 加权平均水头Hav 4 设计水头Hr 水轮机的流量是水流在单位时间内通过水轮机的体积 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 三 流量Q 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 50Hzp 发电机的磁极对数 则 磁极对数p3456789 同步转速n1000750600500428 6375333 3 r min 四 转速n 水轮机的输出功率与输入功率比值称为效率 用表示 水力效率 容积效率 机械效率 水轮机效率还可表示为 水轮机出力还可以用水轮机主轴转动力矩与角速度的乘积来表示 即 五 效率 根据水流能量转换特征分 反击式冲击式 单位重量水体在转轮进 出口的能量之差 改写此式 第二节水轮机的主要类型 水流势能 水流动能 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 反击式水轮机 若0 Ep 1 Ep Ev 1 这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为 冲击式水轮机 该图为反击式水轮机中的混流式水轮机 该图为冲击式水轮机中的水斗式水轮机 根据水流进出转轮的方向和转轮的结构特征分 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 混流 轴流 斜流 贯流式机组示意图 反击式水轮机通常由四 五 大部分组成 即蜗壳 座环 导水机构 转轮和尾水管 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 第三节水轮机的基本构造一 混流式水轮机的基本构造 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 座环加强蜗壳的刚度并传力 1 蜗壳 导叶的主要作用是根据机组负荷变化来调节水轮机的流量 以改变水轮机的出力 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 推拉杆 控制环拐臂连杆 导叶等 导叶与导叶间的距离称为开度 由调速器控制导叶开度 2 导水及调节流量部件 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 3 转轮 中高比转速混流式水轮机转轮 混流式水轮机的转轮主要由轮叶 上冠 下环和泄水锥组成 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 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 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均采用弯肘型尾水管 4 尾水管 水斗式水轮机的构造比较简单 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 二 水斗式水轮机基本构造 反击式和冲击式水轮机的差别 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 第四节水轮机的型号 水轮机的标称直径 一由于转轮的叶道形状复杂 而转轮本身在旋转 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运动 是一种复合运动 每种运动相应的水流质点速度分别称为相对速度W 牵连速度U和绝对速度V 于是在该点构成一个速度三角形 第五节水流在反击式水轮机中的运动 为了研究问题的方便 工程上一般作如下假定 1 假定叶片无限多 无限薄 这样可以认为转轮中的水流运动是均匀 轴对称的 显然在此假定下 流线也就和骨线的形状完全一致 叶片翼形断面的中心线称为骨线 2 假定水流在进入转轮之前的运动是均匀的 轴对称的 3 假定水轮机在所研究的工况下保持稳定运行 即水轮机的特征参数 H Q N n 保持不变 从而水流在水轮机各过流部件中的运动均为恒定流动 4 忽略水流的粘性 可认为这些流面之间是互不干扰的 转轮的旋转中心线与经过考察点的径向线所构成的平面 某一流线线饶主轴旋转而成的回旋曲面 整个流道中有无数个这样的流面 速度三角形的形状 大小可以由它的两个边和夹角唯一确定 绝对速度 牵连速度 相对速度之间的关系为 矢量和 1为V1与U1的夹角 称为V1的方向角 1为W1与U1的夹角 称为W1的方向角 以进口速度三角形为例 讨论一下速度三角形的形状 大小取决于什么参数的变化 牵连速度U1 绝对速度V1 大小 方向 切于圆周 大小 方向 沿导叶端部切线方向 从上面的讨论可以知道 进口速度三角形的形状 大小取决于4个参数的变化 即 同理可以导出 出口速度三角形的形状 大小也取决于这4个参数的变化 即 对于某一个水轮机一定的进口速度三角形对应一定的出口速度三角形 速度三角形的合成与分解由于转轮中水流的流态十分复杂 所以上述的函数关系通常不可能由纯理论导出 也不可能用解析式来表达 而是由试验得出 用各种各样的水轮机特性曲线表达各个参数之间的函数关系 绝对速度由相对速度和牵连速度合成 为了研究问题的方便 可以将这些速度向不同平面和坐标轴分解 沿转轮圆周切线方向的速度 通过轴心 即径向速度 与水轮机主轴平行的速度 对水轮机主轴产生速度矩 对水轮机主轴均不产生速度矩 对速度分解的目的是为了讨论水轮机基本方程时应用动量矩定律 水轮机的基本方程是描述水轮机转轮内能量转换的数学方程式 它是水轮机转轮设计和运行的理论依据 利用动量矩定律可以导出水轮机的基本方程 动量矩定律 单位时间内转轮流道上全部水流的质量对水轮机主轴的动量矩变化等于作用在该质量上所有外力对同一轴的力矩总和 用公式表示为 第六节水轮机的基本方程 转轮流道内所有水流质量的动量矩总和 其中m Vu r分别表示任一水流质点的质量 圆周速度和所处位置的半径 作用在转轮流道内全部水流质点上的外力矩总和 基本方程的推导 公式左边为单位时间内水流质量对水轮机主轴的动量矩变化 实际为水流质量在转轮出口与进口间的动量矩的差值 在水轮机流道内取一微小流束 t时刻 微小流束在1 2的位置 t dt时刻 微小流束流到1 2 的位置 又整个流道内水体的动量矩变化为 公式右边为作用在该质量上全部外力对同一轴的力矩总和 外力矩有 1 转轮叶片对水流的作用力矩2 重力矩 重力的合力与主轴重合 对主轴不产生矩3 压力矩 压力对主轴而言是对称的 故也不产生矩4 摩擦力矩 数值很小可忽略 摩擦力所产生的水头损失将在水轮机水力效率中体现 又根据作用力与反作用力定律 水流对转轮的作用力矩M与转轮对水流的作用力矩在数值上相等而方向相反 即 则 所以 又 该式给出了水流对转轮的作用力矩与水流本身的动量矩变化之间的关系 即水流能量转换为旋转机械能的平衡关系式 它说明水流在转轮中进行能量交换是由转轮进出口速度矩的改变来实现的 又水轮机的有效功率可表示为 则上述方程可改写为 在上述方程中 消去得到水轮机基本方程 分析如下 水流能量的交换是通过环量的变化来实现 要使该转换的效率高 则需要大 即 从进口速度三角形可以看出 实际上不可能 水流无法进入转轮 失去意义 所以只能要求进口无撞击 即 实际中是可行的 通常称为法向出口 偏离最优的进出口条件 效率则可能很低 甚至水轮机空转 没有出力 该图为无撞击进口 也称为切向进口 和法向出口 一 水轮机的效率水轮机将水能转变为水轮机的旋转机械能的过程中 存在着水力损失 容积损失和机械损失 三种能量损失 其对应的效率称之为水力效率 容积效率和机械效率 现代水轮机的最高效率可达0 90 0 95 第七节水轮机的效率及最优工况 从图可以看到 容积效率和机械效率比较小 并