发电动力系统概论- 水力发电A.doc

第二章 水力发电第一节 概述水力资源作为可再生的清洁能源，是能源资源的重要组成部分，我国水力资源丰富，在能源平衡和能源可持续发展中占有重要的地位。据统计，中国河流水能资源蕴藏量6.94亿，年发电量60800亿；技术可开发水能资源的装机容量5.42亿，年发电量24700亿；经济可开发装机容量为4.02亿，经济可开发年发电量为17500亿。全国水力资源总量，包括理论蕴藏量、技术可开发量和经济可开发量，均居世界首位。中国河流大都是从高山和高原上奔腾而下流向海洋。因而河道陡峻，落差巨大，是中国河流的突出特点。根据普查，中国主要大河流的总落差可达20003000m，有的甚至达40005000m。长江、黄河、雅鲁藏布江、澜沧江，怒江等，天然落差都高达5000m左右，形成了一系列世界上落差最大的河流。构成河流水力资源的两大要素是径流和落差，中国具有径流丰沛和落差巨大的优越自然条件。水力资源蕴藏量，系河流多年平均流量和全部落差经逐段计算的水能资源理论平均出力。水力资源蕴藏量之大小，与河川流域面积、径流量和地形高差有关。水力发电是电力工业的一大支柱，他是将水流的能量转换为电能。水力发电利用一系列的水工建筑物和水电站建筑物，集中河道的落差、形成水库，并控制和引导水流通过水轮机，将水能转变为旋转的机械能，接着由水轮机带动发电机转动从而发出电能。水电站是为开发利用水能资源，将水能转变为电能而修建的工程建筑物和机械、电气设备的综合工程设施（图2-1）。水能是自然界存在的一次能源，他可以通过水电站方便地转化为二次能源电能，所以水电既是被广泛而经济利用的常规能源，又是再生能源，是当前世界上众多能源资源中永不枯竭的优质能源。目前，在大的电力系统中，其电力生产主要依靠水电站、火电站和核电站。由于水轮发电机组启动迅速，出力调整快，运行操作灵便，因而水电是电力系统中最好的调峰、调频和事故备用电源。水电站与火电站、核电站相互补充，使得水能资源获得比较充分的利用，使得火电和核电机组得以稳定运行，其经济效益是十分显著的。水力发电不需要消耗燃料，而且水电站的运行人员也较少，其生产成本较低；在开发水电的同时还可以综合解决防洪、灌溉、供水、航运、水产养殖等方面的需要，其综合利用的效益也最高；水力发电对水体和空气都不会发生污染，而且在水电站建成后对改善气候和自然环境，发展旅游事业都大有稗益。在发展水电事业中也有一些不利因素，这主要是在修建水电站，特别是修建拥有高坝大库的水电站时，往往淹没损失较大，土建工程量也大，因而使得一次投资大，工期长，而且水力发电也要受河道中天然流量变化的影响等。 图2-1（a） 清江隔河岩水电站图2-1（b） 长江葛洲坝水电站图2-2 河段水能示意图一、水力发电的基本原理河道中的水流在重力的作用下，由高处向低处运动，从而将水流的势能转变为动能，这样水流就具有做功的能力，其高差越大，流量越多，做功的能力就越大。如图2-2所示，在河道上取任意取（m）长的河段，其上断面为1-1断面，下断面为2-2断面，河道的坡降为，其间水面降落的垂直高度（通常称为落差或水头）为H1-2（m）。设在（s）时段内有（m3）的水量通过断面，则水体所具有的能量为 （） （2-1）式中 水的重度，9810。单位时间内所作的功称为功率（水电工程中称为出力），因此河段的平均出力为 （） （2-2）式中，表示时段（s）内的平均流量（）。功率通常以表示，所以 （） （2-3）水流的能量在未被利用以前，主要分散地消耗在水流对河床的冲刷、挟带泥沙和相互的撞击上。若通过筑坝集中落差，则水轮发电机的功率与发电量在扣除引水建筑的水头损失并考虑水轮机与发电机的效率后，可按式（2-5）计算 （2-5）式中：水电站工作水头，等于水电站的毛水头（水电站上、下游水位之差）减去引水系统的水头损失，即；水轮发电机组的效率，等于水轮机效率和发电机效率的乘积，即。水电站的水头和流量是经常变化的，因此，水电站的出力也不是固定不变的。当选定发电机后，水电站的最大出力将受到发电机容量的限制。制造厂规定的机组最大工作出力称为额定出力，亦即铭牌出力。一座水电站往往安装多台机组，各机组额定出力的总和称为装机容量，他是水电站全部机组满载运行时的最大出力值，也是表示水电站规模和生产能力的一个重要指标。在实际运行过程中，水电站并不是经常以全部装机容量投入运转，其出力通常小于装机容量值。水电站某时刻的实际出力取决于该时刻水轮机的过流量、有效水头和效率，按公式（2-5）计算。二、水能的开发方式和水电站的基本型式水流之所以能使水轮发电机组旋转发电，是因为他具有对水轮机做功的本领水能，而水头和流量则是构成水能的两个基本要素。但是，天然河流的落差常常分散在很长的河段上，不便于利用；天然河道的流量也是经常变化的，洪水期很大，可能用之有余，枯水期很小，可能不足所需。为了最充分、最有效地利用天然水能，就需要用人工的方法去修建集中落差和调节流量的水工建筑物，例如筑坝形成水库、修建引水建筑物和厂房等，以构成水电站。由于天然水能存在的状况不同，开发利用的方式也各异，因此，水电站的形式也是多种多样的。根据河道地形、地质、水文等条件的不同，水电站集中落差、调节流量、引水发电的情况也不同。按照集中落差的方式，水电站的基本型式可分为坝式水电站，引水式水电站和混合式水电站。1. 坝式水电站坝式水电站的特点是在河道上修建栏河大坝抬高上游水位以集中落差，并形成水库调节流量。坝式水电站按照集中落差的大小和建筑物布置的特点又可分为坝后式水电站和河床式水电站两种。（1）坝后式水电站坝后式水电站将厂房布置在紧靠大坝下游，这种布置型式可使建筑物紧凑、工程量省、施工和运行管理方便。图2-3是丹江口（坝后式）水电站的厂坝横剖面图，由大坝所形成的水电站最大水头81.5m， 水库总库容208.86亿m3，装机容量615=900 MW。水流通过坝前进水口和坝内压力管道进入厂房，驱动水轮发电机组发电。具有混凝土坝的坝后式水电站较为常见，如我国的龙羊峡（装机容量1280MW）、安康（装机容量800 MW）等水电站。图2-3 坝后式水电站厂坝横剖面图当拦河大坝为土石坝，不能在坝身内埋管时，或由于河道狭窄布置坝后厂房有困难时，亦可在上游水库岸边修建河岸式进水口，采用压力隧洞引水，厂房可设在坝下游河岸边。这种型式的水电站称为坝后引水式水电站。如我国的黄龙滩（装机容量490 MW）、隔河岩（装机容量1200 MW）等水电站都属于这种型式的水电站。（2）河床式水电站在河道的中、下游，河道坡降比较平缓，河床也比较开阔，在这些河段上用低坝开发的水电站，往往由于水头较低，通常将水电站厂房布置在河床中，作为坝的一部分，也起挡水作用，这种型式的水电站称为河床式水电站，如图2-4所示。河床式水电站虽然应用水头不高，而引用流量却往往很大，因而水电站依然会有很大的出力。例如长江葛洲坝水电站。该水电枢纽工程采用了“一体两翼”的布置方式，即；在主流深相处布置了二江泄水闸，共27孔，前沿总长498m，可宣泄洪水流量8.39万m3s；在靠近右岸处布置了大江一号船闸，在靠近左岸处布置了三江二号及三号船闸；在航道与泄水闸之间布置了大江电厂和二江电厂，厂内共装设21台水轮发电机组，总装机容量达2715 MW。水电站的最大水头为27m，可以看出厂房主要以其上游侧挡水墙和下部大体积混凝土起挡水作用，水流直接由厂房进水口引入水轮机。为了防止泥沙在厂房前淤积，在每个机组段的下部还设有排沙底孔。这样，将电站厂房与闸坝结合起来也起挡水作用，从而大大减小了坝体工程量。我国八盘峡（最大水头19.5m，装机容量180 MW）、大化（39.7m，450 MW）等水电站部属于这种河床式水电站。图2-4 河床式水电站厂房横剖面图2. 引水式水电站在山区河道上修建水电站时，由于河道坡度陡峻，水流湍急，有些地方还可能有较大的跌水和河湾，于是往往筑一低坝取水，采用人工修建的引水建筑物（如明渠、隧洞、管道等）引水以集中落差发电，因此这种水电站称为引水式水电站。按引水建筑物中水的流态不同，引水式水电站又可分为无压引水式水电站和有压引水式水电站。（1）无压引水式水电站图2-5 无压引水式水电站布置示意图采用无压引水建筑物（如明渠，无压隧洞），用明流的方式引水以集中落差的水电站称为无压引水式水电站。如图2-5所示，在上游1处筑水闸（或低坝）以蓄高水位，利用渠道2从水库长距离引水，与自然河床产生落差，在渠道末端加深加宽形成压力前池，再通过压力管道从压力前池引水至水电站厂房4。当水电站停止工作时，渠道的来水可通过泄水道3排至河道下游。我国北京模式口水电站（最大水头31m，装机容量6）就是这种无压引水式水电站。（2）有压引水式水电站若在水间（或低坝）抬高水位之后，采用有压引水建筑物（如压力隧洞、压力水管）来集中落差时，这种水电站称为有压引水式水电站，如图2-6所示。当压力引水道很长时，为了减小其中的水击压力和改善机组运行条件，还需在靠近厂房处修建调压室。这种型式的水电站可以集中很高的落差，如我国跨流域开发的云南以礼河第三级盐水沟（最大水头620m，装机容量144 MW）和第四级小江（628m，144 MW）水电站，他们都是从上一级电站的尾水取水，水头全部靠压力引水道获得。奥地利雷扎河水电站是世界上水头最高的有压引水式电站，其工作水头高达1771 m。图2-6 有压引水式水电站布置示意图3. 混合式水电站当水电站应用的水头是由筑坝和修建压力引水道共同形成时，这种水电站称为混合式水电站。若河段的上游地势平坦宜于筑高坝形成大库、下游坡度较陡或有较大的河湾又宜于采用压力引水道集中落差时，把坝式水电站和引水式水电站的特点结合起来修建混合式电站，取得更高的落差是经济可行的。我国浙江省乌溪江上游湖南镇水电站就是这种混合式水电站，该电站坝高128m，压力引水隧洞长1100m，两者集中的最大水头为117m。为减小水击压力和改善机组运行条件，在压力引水隧洞的末端设置了调压室。在调压室以后用高压引水隧洞引水至厂房发电，电站装机容量170 MW。我国狮子滩（最大水头71.5m，装机容量48 MW）、鲁布革（372m，600 MW）等水电站都是混合式水电站。4. 抽水蓄能电站抽水蓄能发电是水能利用的另一种形式，他不是开发水力资源向电力系统提供电能，而是以水体作为能量储存和释放的介质，对电网的电能供给起到重新分配和调节作用。这种电站有上游和下游两个水库，两库之间形成落差，厂房内装有可逆式机组，抽水蓄能电站的工作是由发电和抽水两种工况组成。电网中火电厂和核电厂的机组带满负荷运行时效率高、安全性好，例如大型火电厂机组出力不宜低于80，核电厂机组出力不宜低于8090，频繁地开机停机及增减负荷不利于火电厂和核电厂机组的经济性和安全性。因此在电网用电低谷时，电网上电能供大于求，这时可启动抽水蓄能水电站中的可逆式机组接受电网的电能作为电动机-水泵运行，将下水库的水抽到上水库中，将电能以水能的形式储存起来；在白天电网用电高峰时，电网上电能供不应求，这时可用上水库的水推动可逆式机组作为发电机-水轮机运行，将上水库中的水能重新转为电能，这样可以大大改善电网的电能质量，有利于电网的稳定运行。提高了火电厂、核电厂设备的利用率和经济性、安全性及电网的经济效益。我国目前已经建成和正在兴建一批大中型抽水蓄能电站，如河北省潘家口、浙江天荒坪、北京市十三陵和广州抽水蓄能电站等。5. 潮汐水电站利用海洋高低潮位差发电。潮汐水能发电是一种低水头大流量的水电站，并且要求涨潮和落潮时两个引水方向都能发电，因此需要安装双向发电的可逆式机组。三、水力发电的生产过程将河流中分散的落差形成集中的水头，并在上游形成水库，水能即蕴蓄其中。用压力水管将水流引向电站厂房，水轮发电机组先将水能转变为机械能再转变为电能，然后通过母线将电能送至变压器升高电压后，经开关站用高压输电线送往用户。水轮机、发电机和其他附属机电设备，一船都布置在发电厂房内。水电站是一个生产电能的工厂，“水能”是生产的原料，水轮发电机组是主要生产机器，“电能”是生产的产品。供给的水能越多，发电能力越大。在大、中型水电站中，水轮机一般都是和发电机同轴联结，称为水轮发电机组。图2-7是700MW（混流式）水轮发电机组结构图。图2-7 700MW水轮发电机组第二节 水轮机将水流能量转换成旋转机械能的水力机械称为水轮机，他主要利用水流的动能和压能做功，并带动发电机旋转以产生电能，是水电站的主要动力设备。水轮机和发电机构成水轮发电机组，其中水轮机是原动机。水轮机是当今原动机中效率最高、使用寿命很长的原动机。水轮机作为水电站的心脏，其运行情况的好坏决定了整个电站的经济效益，甚至关系到电力系统的稳定运行。一、水轮机的类型与应用范围1. 水轮机的基本类型为了适应各种不同的自然地理条件，更有效地利用水力资源，争取更高的动力效益，从而出现了各种不同类型的水轮机。水轮机基本类型主要是两大类，即反击式水轮机和冲击式水轮机，这种分类主要根据水流能量转换的特征来划分的。（1）反击式水轮机（转轮利用水流的压力能和动能做功的水轮机）水流流经水轮机时充满整个转轮，这时转轮的叶片受到了水流的作用力。这一作用力的产生是因为压力水流绕流过转轮叶片时，其压能和动能产生了变化（减少了），亦即水流的能量以压能和动能的形式交付水轮机转轮，其中，主要是由压能转换而获得水轮机的机械能。反击式水轮机利用水流能量的方式，决定了其转轮内的流动必然为有压流动，转轮的工作过程不能在大气中进行，它必须处在密闭的流道之中，这是反击式水轮机的主要特点。反击式水轮机的另一特点是由于转轮必须处在水流包围之中，转轮四周均可进水，因此水轮机过流量大。反击式水轮机按照转轮的结构特点又可分为混流式、轴流式和斜流式等三种形式。（2）冲击式水轮机（转轮只利用水流动能做功的水轮机）这类水轮机是靠高速水流“冲击”转轮而做功的。水流自水库、压力前池经引水钢管进入水轮机的进水管，然后通过喷嘴把其所具有的能量（水头）全部转换为动能，形成一股高速射流，射向转轮圆周的叶片上，这时水流就将其能量交给转轮，推动转轮旋转。在此类水轮机中，水并没有充满整个转轮室。从喷嘴射出的射流也是处在大气压力下的自由射流，故这种水轮机是通过水流动能的转换而获得水轮机的机械能的。根据转轮内流道水流特征和水轮机结构特征，这两大类水轮机又可分为若干种型式，主要有混流式、轴流式、斜流式、贯流式和水斗式水轮机以及可逆式水泵水轮机。根据转轮布置方式不同，水轮机的装置形式有立式和卧式两种。一般大中型机组都布置成立式。2. 各类型水轮机的特点和应用范围（1）混流式水轮机（图2-8）。在水轮机中水流由径向流入、轴向流出转轮的反击式水轮机，又称法兰西水轮机（Francis turbine）。混流式水轮机的转轮是由叶片、上冠和下环组成，叶片不能转动。由于转轮强度高，它可适用于较高的水头。这种型式的转轮设计时允许在叶片的进水高度、中片数目、叶片的安放位置以及长短等方面作较大范围的变动，以适应不同电站的需要。因此，他是反击式水轮机中适用水头范围最广和应用最多的一种机型。我国清江隔河岩300和长江三峡水电站700的水轮发电机组应用的就是这种水轮机。混流式水轮机的另一个应用领域是抽水蓄能电站，在这种电站中，水轮机在用电低峰时段以“泵”的状态工作将下游水库中水抽送到高位水库去，而在用电高峰时段则由高位水库向低位水库放水，水轮机用作发电机的动力源工作。由于抽水蓄能电站的应用水头提高，蓄能经济性也越好。所以上、下游水位的落差大多在数百米，最高的可达600700米，正是混流式水轮机的工作水头范围。混流式水轮机的特点：应用水头范围广，一般用于50700m；结构简单，运行可靠；运行效率高。图2-8 混流式水轮机结构图1-控制环；2-导轴承；3-压力平衡管；4-蜗壳（金属）；5-座环；6-主轴密封；7-无叶片区；8-固定导叶；9-转轮上冠；10-活动导叶；11-转轮下环；12-基础环；13-补气系统；14-转轮；15-泄水锥；16-尾水管（2）轴流式水轮机。水流轴向进、出转轮的反击式水轮机。应用水头范围：370m。轴流式水轮机在整体布置上与混流式水轮机大体相仿，只是转轮位于流道的轴流区段，与导叶出口距离稍远一点。根据转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流定桨式水轮机：转轮叶片不可调的（或停机可调的）轴流式水轮机。其特点是：结构简单；偏离设计工况时效率会急剧下降。这种水轮机一般用于功率不大及水头变化幅度较小的电站。轴流转桨式水轮机：转轮叶片可与导叶协联调节的轴流式水轮机，又称卡普兰（Kaplan）式水轮机。转桨式水轮机效率的变化较为平缓，在大中型轴流式水轮机中得到了广泛的应用。轴流转桨式水轮机特点：由于实现了叶片与导叶的双重调节，其高效率区范围宽广；结构较复杂，因此需有转动叶片的操作机构。图2-9 轴流转桨式水轮机结构图1-座环；2-顶环；3-顶盖；4-轴承座；5-导轴承；6-升油管；7-转动油盆；8-支承盖；9-密封环；10-底环；11-转轮室；12-叶片；13-轮毂；14-轮毂端盖；15-放油阀；16-泄水锥；17-尾水管里衬；18-主轴连接螺栓；19-操作油管；20-真空破坏阀；21-密封；22、23-止漏环图2-9所示是叶片安放角可调节的“转桨式”水轮机，整个调节驱功机构都在轮鼓内，所以结构比较复杂。但与叶片不可调的“定桨式”相比，可以获得较宽的高效工作区，因此大型机组采用转桨式还是合理的。由于转桨式水轮机导叶和水轮叶片都是可调环节，二者必须按一定的“协联”关系联动调节才可获得满意的效果。我国长江葛洲坝水电站中170和125的水轮发电机组应用的就是这种水轮机。（3）斜流式水轮机。轴面水流以倾斜于主轴的方向进、出转轮的反击式水轮机。应用水头范围：40200m。斜流式水轮机的特点：实现了转轮叶片与导叶的双重调节，有高的效率区；由于叶片轴线和水轮机轴线斜交，因而与轴流式相比能装设较多的叶片（轴流48片，斜流式812片），提高了应用水头；结构较复杂。（4）贯流式水轮机贯流式水轮机没有蜗壳，并将引水管、导水机构、转轮、尾水管都布置在一条直线上，水流沿轴线方向通过机组，因而得名“贯流式”。贯流式水轮机适用于325米水头，很适合于开发分散水力资源的个小型水电站建设使用。根据贯流式水轮机和其发电机传动方式的不同，可分为全贯流式和半贯流式两类。目前广泛采用的是灯泡贯流式（如图2-10所示）。贯流式水轮机的特点是：效率高（进水呈直线，出水为直锥形尾水管）；过流能力大，比速高；结构紧凑；制造要求高，运行、检修不便。图2-10 灯泡贯流式水轮发电机组示意图1-灯泡体；2-发电机；3-增速齿轮；4-固定导叶；5-活动导叶；6-转轮（5）水斗式水轮机水斗式水轮机冲击式水轮机的主要机种，又称培尔顿（Pelton）水轮机，其结构简图如图2-11所示。应用水头范围：4001770m。特点：应用水头较高；结构简单；不受空蚀条件限制。图2-11 水斗式水轮机结构图1-进水管；2-喷管；3-转轮；4-外调节机构；5-副喷嘴；6-机壳由压力水管引来的高压水流通过喷嘴冲击转轮的水斗，转轮旋转，带动发电机运行工作。喷针的前、后移动可以改变锥形的喷针体与喷嘴间环形流道的有效过流面积，调节水体流量进而调节转轮上的驱动力矩。射流折向器用来紧急偏转射流方向，使其部分或全部引向旁侧，使斗轮在突然甩负荷时不致由于射流的继续强力作用而飞逸旋转。由喷嘴流出的射流是在大气边界条件下与转轮水斗间实现能量交换的，因此冲击式水轮机中的流动是无压流动，这是与反击式水轮机不同的。对于冲击式水轮机的一个转轮可以同时在圆周方向上布置多个喷嘴，改变工作喷嘴的数目也可以调节机组的出力，因此冲击式水轮机有很大的调节灵活性。对于工作水头很高，使用反击式水轮机解决汽蚀问题难度过大的，或者水力资源流量较小，使用反击式水轮机不甚合理时，都可以使用冲击式水轮机作为工作机型进行水电建设。同时，内于冲击式水轮机结构比较简单，维护、检修也比较方便，工作可靠，这些对高水头电站的建设都是很有利的优点。（6）可逆式水泵水轮机水泵水轮机既可作为水轮机，又可作为水泵使用，主要应用于抽水蓄能电站，有混流式、轴流式和斜流式三种，其中混流式应用最为广泛。其结构与同类水轮机相似。二、水轮机的基本构造1. 反击式水轮机按水流经过的途径，一般反击式水轮机具有四大过流部件，即引水部件、导水机构、转轮和尾水管，其功能如下：（1）引水部件：由蜗壳和座环组成，将水流均匀而轴对称地引入转轮前的导水机构，并使水流具有一定的速度环量。当水头低于40m时，采用混凝土蜗壳，为施工方便蜗壳各断面做成梯形。当水头高于40m时，采用钢板或铸钢蜗壳。金属蜗壳的断面为圆形。座环承担机组的轴向载荷，并把载荷传递给混凝土基础。（2）导水机构：导水机构设置在转轮之前，为水流建立转轮进口所需的环量；在运行中能随时调节流量以适应负荷的变动；在停机时能截断水流进入转轮。因此，导水机构在水轮机中起着导向、调节和关机的作用。导水机构由导叶及导叶传动机构组成，导叶传动机构包括转臂、连杆、控制环等部件。导叶传动机构由接力器推动，接力器运动受调速器控制（3）转轮：转轮是水轮机中最重主要的过流部件。水流通过导水机构获得必要的水流方向和速度后进入转轮，转轮叶片之间的通道称为流道，水流经过流道时，叶片迫使水流按其形状改变流速的大小和方向，使水流动量改变。同时水流反过来将给叶片一个反作用力，此力的合力对转轮轴心产生一个力矩，推动转轮旋转，从而将水流能量转换为旋转机械能。转轮通过上冠与主轴相连，上冠下部装有泄水锥，用来引导水流均匀流出转轮。为减少漏流量，在上冠与顶盖之间，下环与基础环之间装有迷宫环（止漏装置）。为了减少轴向水推力，在上冠上设有减压孔。（4）尾水管：反击式水轮机的尾水管不但是一个过流部件，同时亦是一个回收水流能量的机构。尾水管可以使转轮出口的水流动能以及高出下游水面的那一段位能得到利用。反击式水轮机的非过流部件主要有主轴和轴承。主轴将转轮的机械能以旋转力矩的形式传递给发电机转子。轴承用来承受水轮机轴上的载荷（径向力和轴向力），并传给基础。2. 冲击式（水斗式）水轮机冲击式（水斗式）水轮机的主要部件有：（1）喷嘴、喷针及其控制机构：喷嘴和喷针构成水斗式水轮机的导水机构，喷嘴的功用是将水流能量全部转换成动能，然后喷射到转轮上，并通过喷针的往复移动，改变流量，调节出力，直至全部截断水流停机。喷针控制机构是一个简单的接力器，可根据功率的变化而移动喷针以调节流量。（2）转轮：用来将水流的动能转换成水轮机轴上的旋转机械能。而转轮是在转盘的四周固定有一系列等距排列的斗叶。（3）折向器：位于喷嘴与转轮之间，并能阻隔射流，用来解决减负荷时，机组转速上升过高和突然关闭引起的引水管道压力上升过高。（4）机壳：用来将工作完了的水流引向下游，防止飞溅到主厂房，并用来撑水轮机轴承。三、水轮机的工作参数水轮机的工作参数是用来表明水轮机本身的性能特点及其所处的工作状态的特征值。最基本的工作参数有：水头H、流量Q、转速n、功率P和效率。1. 水头水轮机水头指水轮机做功用的有效水头，为水轮机进、出口断面的总单位能量差，也称为净水头。图2-12 水电站和水轮机的水头水电站毛水头并非完全为水轮机所利用，因为水流在进入水轮机之前流经引水建筑物时损失掉一部分水头。这样，真正作用在水轮机上的水头应该是水轮机进口断面-和尾水管出口断面-的单位重量水流的能量差值（图2-12），即水轮机工作水头为 （2-6）式中，为相对于基准面的单位位能（m）；为水的重度（9810）；为单位压能（m）；为过水断面平均流速（m3/s）；为单位动能（m）。水轮机的水头随着水电站的上、下游水位的变化而改变，一般通过特征水头来表示，定义如下：最大水头电站最大水头减去一台机空载运行时引水系统所有水头损失后的水轮机水头；最小水头电站最小水头减去水轮机输出允许功率时引水系统所有水头损失后的水轮机水头；额定水头水轮机在额定转速下，输出额定功率时所需的最小水头。2. 流量单位时间内通过水轮机进口测量断面的水的体积，用符号Q（m3/s）表示 常用的水轮机流量的定义：额定流水轮机在额定水头、额定转速下输出额定功率所需的流量；水轮机空载流量水轮机在额定转速下空载运行时的流量。3. 转速水轮机转轮单位时间内旋转的次数，称水轮机转速（r/min）。一般情况下，水轮机的主轴与发电机主轴是直接联接的，所以水轮机的转速与发电机的转速相同并符合标准同步转速。常用的水轮机转速的定义：额定转速水轮机按电站设计选定的稳态同步转速；飞逸转速轴端负荷力矩为零时水轮机可能达到的最高稳态转速。4. 功率和效率水轮机输入功率为通过水轮机的水流所具有的水力功率，按下式计算（）=（） （2-7）通过水轮机的水流的出力并不能全部被水轮机利用，这是因为有一小部分能量被消耗于水力损失、容积损失和机械损失等，所以水轮机从主轴端输出的机械功率小于。水轮机功率与其输入功率的比值称为水轮机的效率，即 （2-8）效率是表明水轮机对水流能量的有效利用程度，是一个无量纲的物理量，用百分数（%）表示。根据效率定义及式（2-7），水轮机功率计算公式为 （） （2-9）以上、等参数统称为水轮机的“基本工作参数”。在水轮机不同的工作状态下，这些参数的数值会发生变化，但各参数的变化遵循一定的变化规律（用水轮机特性曲线表示）。在正常工作状态下，很少变化，可以通过水轮机的调节机构加以控制，只有水头和功率取决于外部因素。水头的大小取决于水电站上、下游水位的变化，功率大小取决于电力系统的要求。因此，水头和功率构成了水轮机的主要工作条件，成为水轮机的主要工作参数，流量按式（2-7）随水头和功率的变化而变化。四、水轮机转轮进、出口水流速度三角形水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着弯曲的转轮叶片流动（相对运动），另一方面又随转轮旋转（牵连运动）。因此，转轮中水流的绝对运动可看成这两种运动的合成。若用速度关系表示，则绝对速度是相对速度与圆周速度的矢量和，即 （2-10）、和之间的关系由速度三角形或速度平行四边形确定（图2-13）。图2-13 水流运动速度三角形图2-14 混流式转轮进、出口速度三角形水轮机转轮获得水流能量的大小，主要取决于水流流经转轮进、出口时运动状态的变化。转轮进、出口速度三角形表征了转轮中水流的运动状态，并与水轮机工作参数转轮直径密切相关。图2-14表示了混流式转轮水流进、出口速度三角形。五、水轮机基本方程式对反击式水轮机，压力水流以一定的速度和方向流进转轮时，由于空间扭曲的转轮叶片所形成的叶道对水流产生约束，迫使水流不断地改变其运动的速度和方向，因而水流给叶片以反作用力驱使转轮旋转做功。水轮机的基本方程式给出了流体通过转轮时流体扭转变化与流体传递到转轮的力矩关系，下面用动量矩定理来说明。把动量矩定理应用于水轮机可表述为：单位时间内水流质量对水轮机轴线的动量矩变化，等于作用在该水流质量上的外力对同一水轮机轴线的力矩。进入转轮中的水流可看作是均匀对称的流动，因此可取整个转轮的水流来进行分析。水流质量的动量矩与水流的速度成正比，转轮中水流的绝对速度可以分解为三个正交分量，即圆周分量、轴面分量和径向分量，其中通过轴心，与主轴平行，两者都不对主轴产生速度矩，根据动量矩定理得出 （2-11）式中：时间内通过水轮机转轮的水体质量，当进入转轮的有效流量为时，则有；半径；作用在水体质量上所有外力对主轴力矩的总和。当水轮机在稳定运行时，转轮中的水流运动可假定为恒定流动，速度矩不随时间变化；根据水流连续性定理，进入转轮和流出转轮的流量不变，均为有效流量。因此，单位时间内水流流进转轮的动量矩为，流出转轮的动量矩为，整个转轮流道水流质量总的动量矩变化为 （2-12）上述的水流动量矩变化是由时段内作用在水流上的外力对水轮机旋转轴线的力矩引起。下面三种外力并不产生这种力矩：（1）重力：因重力的合力与轴线重合或相交；（2）上冠、下环的内表面对水流压力：因这些表面为旋转面，故压力与轴线相交；（3）转轮外的水流在转轮进、出口处对所考虑的水流的压力：若假定水流是轴对称流动，则水压力的合力通过水轮机轴线。在上述条件下，水流通过转轮时动量矩的变化仅由叶片的作用力矩引起，即，因此有而水流对转轮叶片的作用力矩则为 （2-13）式（2-13）给出了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的基本平衡关系式，他说明了水流在转轮中交换能量是由于速度矩的改变，而转换能量的大小则取决于水流在转轮进、出口处速度的大小，也取决于转轮流道的形状和叶片的翼型。为了应用上的方便，用功率的形式表达，则水流传递给转轮的功率为 （2-14）式中 转轮旋转角速度。已知水流通过水轮机的有效功率为 （2-15）式中 水轮机的水力效率。将上式（2-15）代入式（2-14）得 （2-16）或写为 （2-17）式（2-16）、（2-17）均称为水轮机的基本方程式，只是表达形式有所不同。当水轮机旋转角速度保持恒定时，上列方程式说明了单位重量水流的有效出力和水流在转轮进、出口速度矩的改变相平衡，所以水流速度矩的变化是转轮做功的依据。水轮机的基本方程式左边参数表示作用于水轮机转轮上的单位重量水流所具有的有效水能，也就是单位重量水流所能传给转轮的有效能量。方程右边参数则表示转轮进、出口处水流速度矩的变化（即水流本身运动状态得变化）。因此，水轮机基本方程式给出了水轮机能量参数与运动参数的关系。由水轮机的基本方程式可见，水流对转轮做功的必要条件是当他通过转轮时，其速度矩发生变化。如转轮进、出口速度矩变化得不充分，则水流对转轮作用力矩（能量）就要减少，水流的能量就得不到充分利用，表现为很低的水力效率。为了有效地利用水头充分地进行能量转换，过流部件设计时，应保证使水流速度矩产生按基本方程式规定的变化。为此，转轮的作用是控制出口水流的速度矩的大小，迫使进口水流速度矩在流道中发生变化，以此实行能量转换。至于转轮进口水流速度矩则是由其前面的过流部件来形成。导水机构的作用之一就是形成这个速度矩。六、水轮机内的能量平衡与水力效率水轮机和其他所有运动机械一样，存在着能量损失，进入水轮机的水流出力总是大于水轮机的轴功率，两者的差值就是水轮机工作过程中产生的能量损失。一般按能量损失特性将其分解成为下列几种损失：水力损失、容积损失和机械摩擦损失。相应于各类损失的效率分别称为容积效率、水力效率和机械效率。1. 水力损失与水力效率水流通过水轮机时的能量减值不会全部转换成水轮机的输出功率,其中有一部分消耗于克服各种水力阻力而形成水头损失。这些水头损失包括从蜗壳进口断面开始经蜗壳、座环、导水机构、转轮、尾水管直至出口断面所有过流部件的沿程摩擦损失和局部阻力损失。水流从尾水管流出时的速度水头称出口损失，也包括在水力损失中。沿程摩擦损失与流速及过流部件的表面粗糙度有关。而局部损失除与流速分布有关外，更主要取决于各过流部件流线形状及水轮机的运行工况。设水轮机的工作水头为,通过水轮机的水头损失为,则水轮机的有效水头是。水轮机水力效率为水轮机有效水头与工作水头之比，即 （2-18）在水轮机的各种损失中，以水力损失为最大。2. 容积损失与容积效率进入水轮机的流量不可能全部进入转轮做功，其中有一小部分流量会从水轮机的旋转部分与固定部分之间的环隙（如混流式水轮机的止漏环间隙和轴流式水轮机浆叶与转轮室之间的间隙）中漏损了，这部分流量没有对转轮做功，所以称为容积损失。容积效率等于进入转轮有效流量与进入水轮机的流量之比，即 （2-19）由于水轮机转动部分与固定部分之间的间隙是一定的，当水头一定时，容积效率随流量增大而增大；而流量一定时，由于随着水头的变化，流量与漏水量基本上是按比例同时变化，故容积效率几乎不变。3. 机械效率在扣除水力损失和容积损失后，水流作用在转轮上的有效功率为 （2-20）但上述有效功率不能全部被转换为水轮机轴功率输出，其中有一部分功率消耗在各种机械损失上，如轴承及轴封处的摩擦损失。对混流式水轮机还存在着不属于过流部分的外表面（如上冠背面）与周围水流之间的摩擦损失，这种损失称为轮盘损失。由此得出水轮机的机械效率为水轮机主轴输出功率与水流有效功率之比 （2-21）当水轮机转速不变时，机械损失几乎不变。所以，当水轮机空载时，轴端输出功率为零，机械效率。随着水轮机出力增大，也逐渐提高。当出力达最大值时，机械效率也达最大值。近代大型水轮机的机械效率可达9899%。综上所述，水轮机的轴端输出功率为，水轮机的总效率为 （2-22）即水轮机的效率等于其容积效率、水力效率和机构效率的乘积，它是评价水轮机的能量性能的基本依据。现代大型水轮机的总效率可高达95%。七、水轮机运行的最优工况水轮机在运行中，其工作水头、流量、出力等参数总是不断地变化着，因此，转轮流道中的水流流态也是不断地改变的。相应于这些不同的运行工况的速度三角形也就不同。在各种工况中，只有当进口水流相对速度方向与叶片（中线）相切并且转轮出口水流为法向出口（或略带正环量）的工况下，转轮内的水流状态较理想，转轮流道中的水力损失最小，基本上没有脱流或旋涡等现象，水轮机在此工况运行时效率最高，称为最优工况。最优工况形成水轮机最高效率，其决定性作用是流道中的水力损失，而水力损失的大小又主要取决于转轮进水方向（即的夹角）和转轮的出流方向（即的夹角）。下面结合图2-14分析这两个基本条件及其影响。1. 最优水流进口条件叶片进口安放角是指在进口叶片中线与该点圆周切线的夹角。而水流相对速度与圆周切线的夹角称水流进口角，以表示。当转轮进口水流相对速度的方向与叶片剖面中线在进口处的切线方向一致时，称“无撞击进口”。此时，水流角等于叶片进口安放角，即，水流对叶片不发生撞击和脱流，其绕流是平顺的，水力损失小。如果转轮进口的相对速度与叶片剖面中线在进口处的切线方向不一致时，这时叶片进口区会出现脱流和旋涡区，从而产生撞击损失。一般说来，冲角越大，撞击损失也越大。实际设计时往往采用不大的正冲角，这样虽造成一定的水力损失，但却显著改善了大流量情况区的水力性能。2. 最优水流出口条件当转轮出口流速垂直于，即时，绝对速度的圆周分量，水流离开转轮时没有旋转并沿轴向流出，不产生涡流损失，且尾水管出口水流动能损失最小，从而提高了水轮机的水力效率，是最优的转轮出流，称为“法向出口”。上述的分析对高水头混流式水轮机是正确的。但对中、低水头混流式水轮机及轴流式水轮机，取转轮出口处水流方向略具正环量，即角略小于，略大于零，更有利于减少水力损失，提高水轮机效率。无撞击进口和法向出口的速度三角形如图2-14中的实线所示。转桨式水轮机最显著的特点就是转轮叶片可以随着工况的改变而转动相应的某一角度，使转轮进口处比较接近无撞击，出口处比较接近最优出流，因而能够在相当宽广的水头和流量变化范围内获得高效率并保证机组稳定运行。八、水轮机的空化与空蚀1. 空化与空蚀现象空化发生在水轮机流道中局部压力下降到临界压力（一般接近汽化压力）时，水中气核发展成为气泡，气泡中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。当这些气泡进入压力较低的区域时，就发育成长为较大的气泡，当气泡随水流运动到压力较高区域，气泡将迅速凝缩并溃灭。因此，空化包括了气泡的积聚、流动、分裂到溃灭的整个过程。空化过程可以发生在液体内部，也可以发生在固体边界上。空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。空化、空蚀导致的不良后果主要有：损坏水轮机过流部件表面，甚至导致金属材料局部脱落；当空化、空蚀发展到破坏正常水流流动的程度时，水力损失会急剧增加，水轮机效率和出力大幅度下降；水轮机在空化、空蚀状态下运行时，其过流部件易发生低频率、大振幅的压力脉动和噪声，甚至危及机组及厂房。2. 空蚀机理空泡溃灭产生的机械作用是发生空蚀的主要原因。包括冲击波模式：破坏由空泡溃灭时从空泡中心辐射出来的冲击压力波产生；射流模式：空蚀由微型射流造成。空泡溃灭时将发生变形，这些变形随压力梯度及靠近边界面而增大，这种变形促成了流速很大的微型液体射流，射流在溃灭结束前的瞬间穿透空泡的内部，如果溃灭离边界相当近，则该种射流会射向固体边界造成空蚀。冲击压力波模式和射流模式提供了在固体边界上蚀坑的形成过程，由空蚀试验观察可知，空蚀在边界上不是全面均匀分布的，而是集中在某些位置。当开始形成第一个蚀坑后，在一定条件下，其发展速度比别处更大，蚀坑越来越大，越来越深，最后导致材料破碎而被水流冲走。除此之外，热力学作用和电化作用也被用来解释空蚀现象。热力学作用论认为，当空泡高速受压后，汽相高速凝结，从而放出大量的热，足以使金属融化造成损坏。电化作用论认为：空泡遗灭时对固体边界的冲击，一方面，使冲击点温度升高，并与邻近的非冲击点（冷端）形成热电偶产生电流；另一方面，在冲击点处其金属材料局部受力迫使金属晶格变位，而周围的晶体阻止它的变位，从而产生电流，将起到电解作用而使固体材料破坏。空蚀机理是一个十分复杂的间题，它与化学腐蚀、泥沙磨损等相互促进，使材料加速破坏。3. 水轮机空蚀类型水轮机中按空化和空蚀发生的部位通常可分为以下四种类型。（1）翼型空蚀。反击式水轮机叶片正面为正压，背面为负压。往往在叶片背面靠近出口的区域压力达到最低值，当该区域绝对压力低于环境温度下的汽化压力，就可能发生翼型空蚀。叶片设计不良或运行工况不好时，都会扩大该低压区，导致大面积的翼型空化。翼型空蚀是反击式水轮机主要的空蚀类型，其空蚀区位于叶片的不同部位，这与转轮型号及运行工况有关。在大多数的情况下，空蚀区分布在叶片背面下部偏向出水边部位。（2）间隙空蚀。间隙空蚀是当水流通过狭小通道或间隙时引起局部流速升高，压力下降到一定程度时所发生的一种空蚀形式，转桨式水轮机多数以间隙空蚀最为突出，主要发生在转轮叶片外缘与转轮室之间以及叶片根部与转轮体之间的间隙附近区域。对于混流式水轮机，主要在导叶上下端面、立面密封及迷宫密封环处。水斗式水轮机在小开度时，在喷嘴和喷针之间也会发生间隙空蚀。（3）局部空蚀。局部空化主要是由于过流面上局部地方的某些不规则的凸凹引起了旋涡，而旋涡中心的压力下降到汽化压力而产生的。转桨式水轮机局部空化、空蚀往往发生在转轮室连接的不平滑的台阶处或局部凹陷处的后方；或在凹入或突出的叶片固定螺钉或密封螺钉处；或在由于螺钉脱落后所形成孔眼处的后方。（4）空腔空蚀。空腔空化是与上述三种空化明显不同的、反击式水轮机所特有的一种旋涡空化，它发生在转轮下方的空腔区域。由于反击式水轮机在非设计工况运行时，转轮出口水流存在一定的圆周速度分量，在该圆周速度分量的作用下，在转轮后产生涡带，涡带中心形成很大的负压，低于汽化压力。这种涡带一般以低于水轮机转速频率在尾水管中旋转，并周期性地碰击尾水管边壁，造成振动和噪音，也可能在尾水管进口边壁引起空蚀。转轮下部空腔空化的主要特征是水轮机轴向振动增加，尾水管上部剧烈的压力脉动导致尾水管壁强烈振动，并产生强烈的噪声。当尾水管的低频压力脉动与机组或过水系统的自振频率一致时，则会引起共振，造成机组或厂房的振动、机组出力的严重波动等，严重威胁着机组的安全运行。4. 水轮机空化系数和电站吸出高度转轮翼型空蚀主要发生在叶片背面靠近出口的区域，因为这些区域压力最低。根据转轮叶片正、背面压力分布并应用伯努利方程，可以分析和推导出表征水轮机空化性能的水轮机空化系数和电站空化系数。 （2-23）式中：转轮叶片背面压力最低点的相对流速；转轮叶片出口的相对流速；转轮出口的流速；尾水管恢复系数。 （2-24）式中：大气压强（m）；相应温度下的汽化压力（m）；吸出高度（m）。是动力真空值的相对值，是一个无因次量，他与转轮翼型和水轮机的工况以及尾水管的性能有关。几何相似的水轮机，在相似工况下其值相同。由于影响空化系数的因素十分复杂，理论计算或直接测量均有很大困难，工程上一般通过模型试验间接求得。当下游水面为大气压力时，电站空化系数仅取决于转轮相对于下游水面的相对高度，与水轮机本身和水轮机的运行工况均无关，只是空化起始点的表征值。当转轮叶片最低压力点的压力降至相应温度下的汽化压力时，水轮机的空化处于临界状态，此时。当时，转轮中最低压力点的