水轮发电机组结构及工作原理培训讲义

水轮发电机组结构及工作原理培训讲义水轮发电机组结构及工作原理培训讲义 目目 录录 第一章第一章 水轮发电机组概述水轮发电机组概述 3 一 水轮机的主要类型及适用水头 3 二 水轮发电机组的形式 9 第二章第二章 水轮机的型号及标称直径水轮机的型号及标称直径 12 一 型号说明 12 二 水轮机的型号举例 13 三 各种水轮机转轮标称直径 D1 14 四 转轮标称直径系列 14 第三章第三章 水轮机的工作参数水轮机的工作参数 15 一 水头 H 15 二 流量 Q 16 三 转速 n 16 四 出力 P 与效率 16 第四章第四章 公司电站主机设备参数表 部分 公司电站主机设备参数表 部分 19 一 小水电厂设备参数 19 二 大水电厂设备参数 20 第五章第五章 水轮机的结构水轮机的结构 23 一 反击式水轮机的主要组成部件 23 二 混流式水轮机转轮 24 三 轴流式水轮机转轮 30 四 水轮机导水机构 33 五 混流式水轮机的引水部件 37 六 轴流式水轮机的引水部件 39 七 水轮机的泄水部件 40 八 水轮机其他部件 41 九 水轮机的辅助装置 46 第六章第六章 水轮发电机的基本结构水轮发电机的基本结构 50 一 水轮发电机的定子与转子 50 二 水轮发电机的主要附属部件 52 第一章第一章 水轮发电机组概述水轮发电机组概述 自然界有多种能源 目前已被开发利用的能源主要有热能 水能 风能和核能 水 能是一种可再生能源 水能开发具有成本低 运行管理简单 启动快 消耗少 适用于 调峰和调频 污染少等优点 水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换为电能的企业 水电站的形式主要 取决于集中水头的方式 根据集中水头方式的不同 水电站分为坝后式水电站 引水式 水电站和混合式水电站 一 水轮机的主要类型及适用水头一 水轮机的主要类型及适用水头 根据水轮机转轮所转换水流能量的特征可分为反击式水轮机和冲击式水轮机两大类 总分类图如下 1 1反击式水轮机的类型及适用水头 反击式水轮机的类型 反击式水轮机利用水流的势能和动能做功的水轮机 其转轮区内的水流在通过转轮 叶片流道时 始终是连续充满整个转轮的有压流动 并在转轮空间曲面形叶片的约束下 连续不断地改变流速的大小和方向 从而对转轮叶片产生一个反作用力 驱动转轮旋转 当水流通过水轮机后 其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能 反击式水轮机的适用水头 混流式水轮机 混流式水轮机如图 1 1 所示 水流从四周沿径向进入转轮 然后近似以轴向流出转 轮 其应用水头范围较广 约为 20 700m 结构简单 运行稳定且效率高 是应用最广 泛的一种水轮机 图 1 1 混流式水轮机 1 主轴 2 叶片 3 导叶 轴流式水轮机 轴流式水轮机如图 1 2 所示 水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动 而在转轮区内水流保持轴向流动 其应用水头约为 3 80m 轴流式水轮机在中低水头 大流量水电站中得到广泛应用 轴流式水轮机分为轴流定浆及轴流转浆两种类型 图 1 2 轴流式水轮机 1 导叶 2 叶片 3 轮毂 斜流式水轮机 斜流式水轮机如图 1 3 所示 水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动 其转轮叶片大多做成可转的形式 因此 斜流式水轮机具有较宽的高效率区 适用水头 在轴流式与混流式水轮机之间 约为 40 200m 由于其结构复杂 加工工艺要求和造价 较高 一般只在大中型水电站中使用 目前这种水轮机应用还不普遍 图 1 3 斜流式水轮机 1 蜗壳 2 导叶 3 转轮叶片 4 尾水管 贯流式水轮机 贯流式水轮机是一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机 它不设蜗壳 叶片有固定 和转动两种 根据发电装置形式的不同 分为 a 全贯流式 发电机转子直接安装在转轮叶片的外缘 目前这种机型很少使用 图 1 4 全贯流式水轮机 1 转轮叶片 2 转轮轮缘 3 发电机转子轮辋 4 发电机定子 5 6 支柱 7 轴颈 8 轮毂 9 锥形插入物 10 拉紧杆 11 导叶 12 推力轴承 13 导轴承 b 半贯流式 有轴伸式 竖井式和灯泡式等装置形式 前两种形式效率较低 一般 只用于小型水电站 灯泡式水轮机结构紧凑 稳定性好 效率较高 应用最为广泛 两 类 贯流式水轮机的适用水头为 1 25m 适用于低水头 大流量的水电站 以上三种水 轮机示意图如下 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 图 1 5 轴伸贯流式水轮机 1 转轮 2 水轮机主轴 3 尾水管 4 齿轮转动机构 5 发电机 竖井式贯流机组 S 发电机安装在竖井内 图 1 6 竖井贯流式水轮机 1 竖井 2 增速装置 3 轴承座 4 止水套 5 固定导叶 6 叶片 7 尾水管 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 图 1 7 灯泡贯流式水轮机 1 2冲击式水轮机及适用水头 冲击式水轮机的转轮始终处于大气中 来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前 已转变成高速自由射流 该射流冲击转轮的部分轮叶 并在轮叶的约束下发生流速大小 和方向的急剧改变 从而将其动能大部分传递给轮叶 在射流冲击轮叶的整个过程中 射流内的压力基本不变 近似为大气压 水流具有与空气接触的自由表面 根据水流射 向转轮方向不同 可分为以下三种形式 冲击式 根据水流射向转轮方向划分 双击式 斜击式 切击式 或水斗式 SJ XJ QJ 水斗式水轮机 水斗式水轮机又称切击式水轮机 如图 1 8 所示 从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮 周围切线方向垂直冲击轮叶 图 1 8 水斗式水轮机 这种水轮机适用于高水头 小流量的水电站 特别是当水头超过 400m 时 混流式水 轮机已不太适用 常采用水斗式水轮机 大型水斗式水轮机的应用水头约为 300 1700m 小型水斗式水轮机的应用水头约为 40 250m 目前水斗式水轮机的最高水 头已应用到 1767m 奥地利莱塞克电站 我国天湖水电站的水斗式水轮机设计水头为 1022 4m 斜击式水轮机 斜击式水轮机如图 1 9 所示 由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗 图 1 9 斜击式水轮机转轮 水流从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶 与水斗式相比 其过流量较大 但效率较低 这种水轮机一般多用于中小型水电站 适用水头一般为 20 300m 双击式水轮机 双击式水轮机如图 1 10 所示 从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上 这种 水轮机结构简单 制造方便 但效率低 转轮叶片强度差 仅适用于单机出力不超过 1000KW 的小型水电站 其适用水头一般为 5 100m 图 1 10 带有闸板阀门的双击式水轮机 1 工作轮 2 喷嘴 3 调节闸板 4 舵轮 5 引水管 6 尾水槽 各类水轮机及其应用水头范围表 表表 1 11 1 水轮机类型及其应用水头范围水轮机类型及其应用水头范围 类型形式适应水头范围 m 混流式20 700 混流式 混流可逆式80 600 轴流转浆式3 80 轴流式 轴流定浆式3 50 斜流式40 200 斜流式 斜流可逆式40 120 贯流转浆式 反击式 贯流式 贯流定浆式 1 25 水斗式40 1700 冲击式 斜击式20 300 双击式5 100 二 水轮发电机组的形式 1 按照布置方式的不同分类 水轮发电机可分为卧式和立式两种 卧式水轮发电机适合中小型 贯流式及冲击式 水轮机 一般低 中速的大中型机组多采用立式发电机 2 按照推力轴承位置的不同分类 立式发电机又分为悬式和伞式两种 悬式发电机 推力轴承位于转子上方的发电机 它适用于转速在 100r min 以上 其 优点是推力轴承损耗小 装配方便 运转较稳定 缺点是机组高度较大 耗费钢材多 悬吊式发电机如下图所示 SF15 20 3920 悬式发电机 5 6 2 12 1 7 8 9 10 11 13 14 15 16 17 图 1 11 悬吊式水轮发电机 1 集电环 2 刷架 5 上机架 6 上挡风板 7 空冷器 8 定子 9 下挡风板 10 加热器 11 下机架 12 接地碳刷 13 制动器 14 转子 15 定子基础板 16 机械过速保护装置 17 灭火水管 伞式发电机 推力轴承位于转子下方的发电机 上下有两个导轴承分别位于上下机 架内的叫做普通伞式 有一个导轴承位于上机架中心的叫做半伞式 只有一个导轴承位 于下机架中的叫做全伞式 它适用于转速在 150r min 以下 其优点是机组高度低 可降 低厂房高度 节省钢材 缺点是推力轴承损耗大 安装 检修 维护都要不方便 图 1 12 SF140 64 13500 全伞发电机 第二章第二章 水轮机的型号及标称直径水轮机的型号及标称直径 一 型号说明一 型号说明 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 当工作水头为即 几何相似的水轮机 当工作水头为 1m 输出功 输出功 率为率为 1kW 且机械效率为且机械效率为 100 时水轮机自身的转速 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水斗式或斜击式水轮机 其表示方法为 0 1 d D 射流直径嘴数作用在每个转轮上的喷 转轮标称直径 对双击式水轮机对双击式水轮机 其表示方法为 L D1 转轮轴向长度 转轮标称直径 二 水轮机的型号举例二 水轮机的型号举例 1 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 2CJ20 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 10cm 4 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 750cm 5 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 40cm 6 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 300cm 三 各种水轮机转轮标称直径三 各种水轮机转轮标称直径 D1 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径 CJ 转轮与射流中心线相切处节圆直径 四 转轮标称直径系列四 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 84 100120140160180200225250275300 330380410450500550600650700750 8008509009501000 注 表中括号内的数字仅适用于轴流式水轮机 第三章第三章 水轮机的工作参数水轮机的工作参数 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 水轮机的基本参数 主要有工作水头 H m 流量 Q m3 s 出力 N kw 效率 机组转速 n 一 水头一 水头 H 水轮机的水头 亦称工作水头 是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量 差 如图 2 1 所示 对反击式水轮机 进口断面取在蜗壳进口处 A A 断面 出口断面取 在尾水管出口 B B 断面 图 2 1 水电站和水轮机的水头示意图 毛水头 Hg 上 下游水位差称为水电站的毛水头 Hg 其单位为 m Hg ZU ZD 反击式水轮机的工作水头 H 水轮机工作水头又称净水头 是水轮机做功的有效水头 毛水头 水头损失 净水头 H EA EB Hg hI A 冲击式水轮机的水头 H ZU ZZ hI A 其中 ZU和 ZZ分别为上游和水轮机喷嘴处的水位 特征水头 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 是允许水轮机运行的最大净水头 它对水轮机结构的强度设计 有决定性的影响 Hmax Z正 Z下 min hI A 最小工作水头 Hmin 是保证水轮机安全 稳定运行的最小水头 Hmin Z死 Z下 max hI A 设计水头 计算水头 Hr 是水轮机发额定出力时的最小净水头 加权平均水头 Ha 是在一定时期内 视水库调节性能而定 所有可能出现的水轮机 水头的加权平均值 是水轮机发出额定出力时间最长的净水头 Ha Z上 a Z下 a 二 流量二 流量 Q 单位时间内通过水轮机某一特定过流面的水流体积 常用单位为 m3 s 在设计水头下 水轮机以额 定转速 额定出力运行时所对应的水流量称为设计流量Qr Q随H N的变化 H P一定时 Q也一定 当H Hr P P额时 Q为最大 三 转速 n 水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内的旋转次数 常用符号 n 表示 常用单位为 r min 四 出力四 出力 P 与效率与效率 指水轮机轴端输出的功率 常用符号 P 表示 常用单位为 KW 水轮机的输入功率 是单位时间内通过水轮机的水流的总能量 即水流的出力 常用 符号 Pn 表示 则 Pn QH 9 81QH 由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗 所以水轮机出力 P 总是小于水流出力 Pn 水轮机出力 P 与水流出力 Pn之比称为水轮机的效率 用符号 t表示 t P Pn 由于水轮机水能在工作过程中存在能量损耗 故水轮机的效率 t 1 水轮机的出力可写成 P Pn t 9 81QH t 水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力 产生旋转力矩 M 用来克服发电机的阻抗力 矩 并以角速度 旋转 水轮机出力 P 旋转力矩 M 和角速度 之间有以下关系式 P M M2 n 60 式中 水轮机旋转角速度 rad s M 水轮机主轴输出的旋转力矩 N m n 水轮机转速 r min 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 第四章第四章 公司电站主机设备参数表 部分 公司电站主机设备参数表 部分 一 小水电厂设备参数 序号序号特性参数特性参数备备 注注 台套数 2222225 设备型号HLA351 WJ 94HLA551 WJ 62HLB12 LJ 115 CJA237 L 170 2 16 HL551 WJ 100 HLD358C LJ 156 ZDT03 LH 300 制造厂家杭州大路 杭州大路东风东风厂宜宾富源 德阳东方 浙江金轮 水轮机型式卧式混流式卧式混流式混流式冲击式卧式混流式混流式轴流定桨式 额定出力 MW 6 51 58 583 218 752 5 额定转速 r min 10001000600428 6600600150 飞逸速度 r min 1737178112067711200r min1090314 额定流量 m3 s 3 53 58 343 28 4m3 s9 3749 1 额定水头 m 2106011931345 9m2196 4 水 轮 机 转轮直径 mm 9406201150170010051560300 设备型号 SFW J6300 6 1730 SFW J1500 6 1480 SF8500 10 2600 SF8000 14 2860 SFW3200 10 1730SF18 10 3250 SF J2500 40 4250 额定出力 MW 6 31 58 583 2182 5 额定转速 rpm 10001000600428 6600600150 发 电 机 冷却方式空冷管道通风空冷空冷空冷空冷器风冷 风冷 二 大水电厂设备参数 1 1 公司各电厂主要机电设备台帐汇总表公司各电厂主要机电设备台帐汇总表 水轮机水轮机 序序 号号 特性参特性参 数数 1 台套数 5 保安机组 439633443 4 34 1 设备型 号 HL295 LJ 830 HLA 551 LJ 210 HLA855 LJ 505 HL PO5 0 LJ 525 HK IRP 1 5 GZA684 WP 690 6 9 HK 1RT GZ WP 630 K89 4 a GZ 113 WP 640 GZ WP 630 HL PO50 LJ 630 HLF 196 AO LJ 660 ZZ LH 580 HLNTP LJ 504 1 制造厂 家 VOITH 哈 电 哈电哈电 富春江 富士 日立公司 日立 哈电 ELIN 公司 澳地利 东芝水 电 浙富 水电 浙富 股份 阿尔 斯通 富春江 水电 ALSTOM 东电 2 水轮机 型式 混流式混流式混流式混流式 灯泡 贯流式 灯泡 贯流式 灯泡 贯流 式 灯泡 贯流式 灯泡 贯流式 灯泡 贯流式 混流式 混流 式 轴流 转浆式 混流可 逆式 3 额定出 力 MW 24815 5MW 256 5 82 530 9546 421 0618 0520 51519 07142 9 204 151 5G 306 4 最大出 力 MW 290 256 5 92 531 8548 1921 0619 122 7820 97142 9 226 851 5P 306 5 额定转 68 18272166 710078 9136 4757583 393 7593 7588 2115 4300 序序 号号 特性参特性参 数数 速 rpm 6 飞逸速 度 rpm 140560315200185 4 314 协联 370 非协联 225207 190 协 联 273188 176 4 315465 7 额定流 量 m3 s 62839 4225243 77403252 24361312330 86351 5352 57 422 32 270 4 G 118 3 P 106 8 额定水 头 m 44 545128398 5206 86 556 86 144 54 20 7295 9 最高水 头 m 60 160 1 156 5 44 6813 227 3108 59 79 553 2 59 7 5 25 29335 10 最低水 头 m 36 236 29734 672 28 433 03 03 539 43 8 5 12 9272 8 11 额定油 压 MPa 6 02 5 6 3 6 36 06 46 06 06 36 36 3 6 3 6 36 3 12 设计效 率 90 85 9593 793 59894 0894 593 2790 5593 9 91 5 8 94 12 G 98 4 P 98 5 13 转轮直 径 8300mm21005050mm5250mm6900mm5460mm 6300m m 6300mm6400mm6300mm6300mm 6600 mm 5800mm5040mm 备 注 2 2 公司各电厂主要机电设备台帐汇总表公司各电厂主要机电设备台帐汇总表 发电机发电机 1 台套数5 保安机组 439633443434 1 设备型号 SF240 88 17290 SF15 22 4250 SF250 36 10200 SF80 60 10400 TFFZBLW RD SFG45 44 5850 SV628 80 155 SV588 80 195 SFWG19 9 72 6850 SFWG18 5 64 6400 SF140 64 13500 SF200 68 15250 SF50 52 9610 SFD300 20 700 2 制造厂家哈电 哈电 哈电富士富春江日本日立哈电 ALSTOMELIN澳地利东芝水电浙江富春江 浙富 股份 哈电浙江富春江 ALSTOM 东 电 3 额定出力 MW 240 17 65 25080304521 0618 519 918 514020050 G 300 P 320 4 最大出力 MW 280 20 30 2509031 5847 3721 0619 522 120 5614021050 G 300 P 325 5 额定转速 rpm 68 18 272 166 710078 9136 4757583 393 7593 7588 2115 4300 6 定子额定电流 A 9775 970 4 101833718 8173626051286 710721218 81130 38553 58146 043234 510713 7 转子额定电流 A 1906 484 1540918791830 610947185605601297 91610871 G 1661 P 1476 8 出口电压 kV 15 75 10 5 15 7513 810 510 510 510 5010 510 510 515 7510 518 9 功率因数 cos 0 9 0 85 0 90 90 950 950 90 950 90 滞后 0 90 滞后 0 90 滞后 0 9 滞后 0 85 滞后 G 0 9 P 0 975 10 冷却方式空冷空冷空冷空冷空冷空冷空冷轴向空冷空冷空冷空冷空冷空冷空冷 11 接线方式4YY4Y4Y单 Y双星形YY1YY4Y4Y2Y4Y 12 设计效率 98 5398 69 98 1198 98 53 95 6896 69 97 3897 0698 5998 5 98 02 G 98 72 P 98 84 13 备注 第五章第五章 水轮机的结构水轮机的结构 水能主要以压能的形态由转轮转换成机械能 这是反击式水轮机水力作用的基本特征 反 击式水轮机的工作过程是 有压水流由压力钢管经蜗壳引入导水机构 进入转轮并将其能 量传递给转轮 促使转轮转动 再由主轴以旋转力矩的形式将机械能传递给发电机 最后水 流经尾水管排向下游 一 反击式水轮机的主要组成部件 反击式水轮机主要由引水部件 导水部件 工作部件和排水部件四部分组成 1 引水部件 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 导水部件 导水机构 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 导叶 直接调节流量的过流部件 其水力性直接影响水轮机的工作效率 底环 安放导叶下轴套的底部圆环 顶盖 安装导叶上部轴套的场所 防止水流外溢 轴流式机组还可起引导水流平 稳转弯的作用 卧式机组中又叫后环 导叶转动机构 作用是用以转动导叶 调节导叶开度达到调节流量的目的 主要 由接力器 推拉杆 控制环 连杆和拐臂组成 3 工作部件 转轮 水轮机将水能转换为刚性机械能的核心部件 能量转换 决定 水轮机的尺寸 性能 结构 反击式水轮机转轮分为 混流式 通过导水机构的水流径向流入转轮 从转轮扭曲形叶片之间的流道进口 向出口流动 水流到达流道出口时 由于扭曲形流道改变了水流的前进方向 水流给转 轮一个反作用力 使转轮转动的旋转力矩 将水能转换为机械能 轴流式 通过导水机构的水流进入转轮叶片之间的流道进口时 水流轴向流进 又从出口轴向流出转轮 进入尾水管 轴流式与混流式转轮概念上的区别 轴流式水轮机 水流沿轴向流入 轴向流出 而混流式机组水流沿径向流入 轴向流出转轮 4 排水部件 泄水锥及尾水管 回收能量 排水至下游 泄水锥 螺旋焊接在轮毂下方 用于引导由轮叶间流道出来的水流顺利变成轴向 减少涡流 避免水流互相碰撞及向上旋转造成的水力损失 从而提高转换效率 尾水管 其性能好坏对水轮机能量转换和气蚀特性有明显影响 尾水管的作用有 将转轮出口的水流引向下游 为检修水轮机提供条件 充分利用上游水位至转轮高程处的水头 充分利用出口的水流能量增加机组出力 尾水管的类型 直锥型 结构简单 应用早 弯肘型 开挖工程最少 节能投资 一般用于小电站 曲膝型 水流损失较大 能量回收率低 一般用于卧式机组和小电站 反击式水轮机除了上述的四大主要部件外 属于水轮机本身的主要部件还有 主轴 轴承 密封装置及附属部分 本次主要针对混流式和轴流式水轮机的结构进行讨论 二 混流式水轮机转轮 转轮是将水能转换为机械能的核心部件 转轮各过流部分应满足水力设计的型线要 求 有足够的强度和刚度 另外 制造转轮的材料应具备抗空蚀损坏 耐泥沙磨损的性 能 混流式水轮机适用的水头范围广 由于应用水头和流量的不同 其转轮的形状也各 不相同 如图 5 1 所示 图 a 应用于水头较低 流量较大的转轮 图 b 应用于高水 头 小流量的转轮 a 低水头 b 高水头 图 5 1 混流式水轮机转轮 不管什么形状的混流式水轮机 其转轮基本上由上冠 下环 叶片 上下止漏装置 泄水锥和减压装置组成 图 5 2 为混流式转轮结构示意图 图 5 2 混流式水轮机转轮示意图 1 减压装置 2 6 止漏环 3 上冠 4 叶片 5 泄水锥 7 下环 1 转轮上冠 转轮上冠的作用第一是支承叶片 第二是与下环构成过流通道 上冠形似圆锥体 其上部中间为上冠法兰 此法兰的上面与主轴相连 其下面固定有泄水锥 在上冠上固 定有均匀分布的叶片 在上冠法兰的外围开有几个减压孔 在其外侧面装有减压装置 2 转轮叶片 叶片的作用是直接将水能转换为机械能 叶片断面形状为翼形 叶片数目为 10 24 片 叶片的形状 数目及制造叶片的材料 均对水轮机的效率及水轮机抗空蚀 耐磨损 的性能产生很大影响 叶片上端与上冠相连 下端与下环连成一整体 3 转轮下环 转轮下环的作用 增加转轮的强度和刚度 与上冠形成过流通道 4 泄水锥 泄水锥的作用是引导由叶片出来的水流顺利地变成轴向 避免水流互相撞击和向上 旋转所造成的水力损失 从而保证水轮机的效率 其外形呈倒锥体 它的结构型式有铸 造和钢板焊接两种 里面空心 下面开口 以便排除通过止漏环的漏水及橡胶导轴承的 润滑水 有的转轮将泄水控开在泄水锥的外侧 还作为主轴的中心补气和有的转轮的顶 盖补气通道之用 5 止漏装置 止漏装置的作用是用来减小转动部分与固定部分之间的漏水损失 止漏装置分为固定部分和转动部分 为防止水流向上和向下漏出 水轮机一般装有 上 下两道止漏环 上止漏环的固定部分装在顶盖上 其转动部分装在上冠上 下止漏 环的固定部分一般装在底环上 转动部分装在转轮的下环上 目前广泛采用的止漏环结 构型式有间隙式 迷宫式 梳齿式和阶梯式四种 如图 5 3 所示 图 5 3 止漏装置型式示意图 a 间隙式 b 迷宫式 c 梳齿式 d 阶梯式迷宫 1 止漏环的材料和固定方式 止漏环的材料一般采用 ZG30 或 A3 钢板 泥沙较多的电站采用不锈钢 止漏环的固定方式有直接车制和红套固定两种 对一些水质干净 转轮尺寸较小的 转轮 可以直接在上冠和下环上车制迷宫环 一般在整铸转轮上为考虑折卸方便 采用 红套固定 2 止漏环型式的选择 使用水头 200 H m 型谱内所列各型号混流式转轮一般都采用间隙式或迷宫式止漏 环 它止漏效果差 但其与转轮的同心度高 制造 安装方便 抗磨损性能较好 在含 泥沙较多的电站采用间隙式止漏环 迷宫式止漏环 与转轮的同心度高 制造 安装较 方便 在清水电站采用迷宫式止漏环较多 如图 b 所示迷宫式止漏环 当水从间隙中 流过时 由于局部阻力加大 使压力降低 当水流到达沟槽部位时又突然扩大 进入下 一个间隙时又突然收缩 这种反复扩大 收缩的结果减低了水流压力 使漏水量大大减 少 使用水头 200 H m 的混流式水轮机 常采用梳齿式止漏环 它的转动环和固定环的 截面为梳齿状 两个环的截面形成交错配合 图 c 所示这种型式的止漏装置 当水流经 过梳齿时 转了许多直角弯 增加了水流阻力 使漏水量减少 梳齿式止漏环的间隙为 2 1 mm 平面间隙 hh 1 为允许抬机的高度 一般取 10 15mm 其缺点是止漏环 与转轮的同心度不易保证 间隙测量困难 安装不便 它一般与间隙式止漏环配合使用 阶梯式止漏环也多用于水头 200 H m 的水电站见图 d 其止漏效果好 因它具有 迷宫式及梳齿式止漏环的作用 另外 这种止漏环与转轮的同心度好 安装测量比较方 便 6 减压装置 减压装置的作用是减小转轮上的轴向水推力 其形状为环形减压板 分别装在顶盖 下面和上冠的上面 水流经过混流式转轮时会产生轴向力 设计水轮机时 除了要知道水轮机转轮和主 轴的重量外 还要知道轴向水推力 根据混流式特点 总的轴向水推力为 4321 NFFFFFE 式中 1 F 转轮流道内水流作用产生的推力 2 F 作用于转轮上冠因水压力产生的水推力 3 F 作用于下环因水压力产生的推力 4 F 浮力 在实际设计中 往往用经验公式来计算作用于转轮的轴向推力 对混流式水轮机有 max 2 1 3 4 1081 9 HDKFt N 式中系数K与水轮机型号有关 其值可参考表 2 6 表表 水轮机轴向力系数水轮机轴向力系数K与水轮机型号的关系与水轮机型号的关系 混流式水轮机转轮重量可按下式近似计算 3 11 10 025 0 5 0 DDWR t 分瓣结构的转轮重量按 2 3 结果增加 10 主轴重量 S W 的近似计算 高水头混流式水轮机可取 RS WW 中水头混流式水轮机 可取 RS WW 5 04 0 较低水头或大机组取小值 对发电机与水轮机同一轴的机组 混流式可取 RS WW 8 07 0 水轮机总的轴向推力 1081 9 3 SRt WWFF N 在高水头混流式水轮机中 为了降低机组推力轴承的负荷 在结构上主要采用减小 作用在上冠外面轴向水推力的措施 常用的减压装置结构形式有两种 如图 5 4 所示 图 a 为引水板和泄水孔的减压方 式 图 b 为顶盖排水管的转轮泄水孔的减压方式 图 5 4 a 型式中 上下环形引水板分别装在顶盖下方和上冠的上面 当漏水进入顶 盖引水板与上冠引水板之间的间隙c时 由于转轮旋转受离心力的作用 漏水被逸至顶盖 引水板上 经泄水孔排至尾水管 此型式的减压效果与引水板面积 间隙E和的大小及 泄水孔的直径d有关 一般认为引水板和泄水孔面积越大 间隙E和c越小 减压效果越 显著 泄水孔最好开成顺水流方向倾斜 30 20 在图 5 4 b 型式中 顶盖和尾水管内有数条排水管相连 使上冠上面的漏水一部分 经排水管泄至尾水管 另一部分经转轮上的泄水孔排入尾水管 自转轮泄水孔排入尾水 管的漏水有的直接排至尾水管 见图 5 4 b 所示 有的经泄水锥内腔排入尾水管 见图 5 4 c 所示 经转轮上的泄水孔排入尾水管 使转轮上面的压力降低 从而减轻作用在转 轮上的轴向力推力 但如图 5 4 b 所示的方式可能在泄水锥的过流表面上产生空蚀损坏 和磨损 而图 5 4 c 所示的方式又有可能影响补气的效果 图 5 4 减压装置图 7 转轮的结构型式 由于混流式水轮机的转轮应用水头和尺寸大小不同 它们的构造型式 制作材料及 加工方法均不同 混流式转轮的结构型式主要是指上冠 叶片和下环三部分的构造型式 基本上分为 整铸转轮 铸焊转轮 组合转轮三种 1 整铸转轮 整铸转轮是指上冠 叶片和下环整体铸造而成的转轮 如图 5 5 所示就是整体转轮 这种结构在中小型机组中广泛采用 低水头的中小型混流式转轮材料采用优质铸铁 HT20 40 或球墨铸铁整铸 高水头的中小型转轮和低水头的大型转轮 则采用 ZG30 整铸 对高水头的水轮机转轮 为提高其强度和抗空蚀损坏 耐泥沙磨损的性能 采用了不锈 钢材料 有些采用普通碳钢的转轮 在其容易空蚀和磨损的过流部位 例如在叶片表面 和下环内侧 堆焊抗空蚀耐磨损的材料 图 5 5 整铸转轮图 整铸转轮当尺寸不大时 它的生产周期短 成本较低 且有足够的强度 所以广泛 采用 缺点是容易产生铸造缺陷 铸造质量不易保证 尤其当转轮尺寸大时 需要铸造 设备的能力也大 2 铸焊转轮 在混流式转轮制造中 目前广泛采用焊接结构 如图 5 6 所示就是其中的一种结构 形式 转轮的上冠 叶片和下环三部分单独铸造后 经过一定的生产工艺流程 焊接而 成 这 图 5 6 铸焊转轮图 1 上冠 2 叶片 3 下环 4 焊缝 种焊接结构具有良好的技术经济效果 可对不同部位采用不同的钢种 例如对上冠 和下环采用普通铸钢而叶片采用不锈钢 这样做既提供了转轮的抗空蚀能力 又节省了 镍铬等金属 铸焊结构转轮 由于铸件小 形状较简单 容易保证铸造质量 同时降低了对铸造 能力的要求 但铸焊结构转轮焊接工作量大 对焊接工艺要求高 要确保每条焊缝的质 量 避免和消除焊接温度应力等 大型混流式转轮除采用手工焊外 还采用叶片与上冠电渣焊 下环与叶片手工焊的 结构型式 目前已成功地制成了叶片与上冠 下环全部采用管极熔嘴全电渣焊的大型转 轮 3 组合转轮 当转轮直径大于 5 5m 时 因受铁路运输的限制 或因铸造能力不足 必须把转轮分 半制作 运到现场再组合成整体 根据转轮各部分的组合连接方式不同 也分几种型式 我国主要采用上冠螺栓连接 下环焊接结构 在上冠连接处有轴向和径向的定位销 如图 5 7 所示 图 5 7 组合转轮图 1 组合螺栓 2 组合定位螺栓 3 定位销 4 下部分剖面 5 上部分剖面 6 临时组合发兰 7 下环分瓣面 三 轴流式水轮机转轮 轴流式水轮机也是反击式水轮机的一种 由于水流进入转轮和离开转轮均是轴向的 故称为轴流式水轮机 轴流式水轮机的转轮按照浆叶能否转动分为定浆式和转浆式两种 定浆式转轮结构简单 容易制造 适用于工况变化比较小的带基本负荷的电站 轴流转 浆式转轮的叶片可以转动 平均效率较混流式水轮机高 在负荷和水头变化时 效率变 化不大 并且转浆式水轮机稳定性能好 有较高的出力 图 5 8 为轴流转浆式水轮机的结 构图 它的工作过程与混流式水轮机基本相同 水流经压力钢管 蜗壳 座环 导叶 转轮和尾 图 5 8 轴流转浆式水轮机剖面图 水管到下游 与混流式水轮机不同的是负荷变化时 它不但调节导叶转动 同时还调节 转轮叶片 使其与导叶转动保持某种协联关系 以保持水轮机在高效率区运行 轴流转 将式水轮机在我国应用较普遍 发展很快 我国生产的轴流转浆式水轮机最大单机容量 为 17 5 万 KW 最大直径 11 3m 应用最高水头达 78m 轴流式水轮机转轮位于转轮室内 其转轮主要由转轮体 叶片 泄水锥等部件组成 轴流转浆式水轮机转轮还有一套叶片操作机构和密封装置 转轮体上部与主轴连接 下部连接泄水锥 在转轮体的四周放置悬臂式叶片 在转 浆式水轮机的转轮体内部装有叶片转动机构 在叶片与转轮体之间安装着转轮密封装置 用来止油和止水 图图 5 9 轴流转桨式水轮机转轮轴流转桨式水轮机转轮 1 外油管 2 内油管 3 溢油管 4 主轴法兰连接螺栓 5 活塞 6 活塞环 7 轮毂 8 泄水锥连接螺栓 9 放油阀 10 密封 11 叶片枢轴 12 卡环 13 圆柱销 14 转臂 15 销轴 16 连杆 17 键 18 操作架 19 分半卡环 20 端盖 21 泄水锥 22 螺栓 23 导向键 24 圆销 1 转轮体 轴流式水轮机的转轮体的主要作用是装置转轮叶片和布置转桨操作机构 转轮体又 称轮毂 根据外形 可分为圆柱形和球形两种 圆柱形转轮体制造简单 因转轮体与叶 片之间间隙随转角不同而改变 在中间位置时最大间隙可达几十毫米 故漏水量大 影 响水轮机效率 已逐渐淘汰 球形转轮体制造复杂 但因外形为球形 使其间隙在不同 转角下都保持不大于 2 5mm 故漏水量小 水轮机效率高 有利于转桨操作机构的布置 应用广泛 2 叶片 是水流能量转换的主要部件 呈空间扭曲状 断面为翼型 悬臂固定在转轮体上 根据工作水头大小 轴流式水轮机的叶片数目一般为 3 8 片 转轮叶片由叶片本体和枢 轴两部分组成 对于尺寸大的转轮 通常把叶片本体和枢轴分开成两部分 这样有利于 铸造 加工和安装检修 也便于生产过程两部分采用不同的材料和加工方法 3 叶片操作机构 叶片操作机构安装在转轮体内 它是由调速器来控制的 其作用是用来改变叶片的 转角 使之与导叶开度相适应 即协联关系 从而保证水轮机效率在任一工况下变化不 大 图图 5 10 叶片操作机构示意图叶片操作机构示意图 1 叶片 2 叶片转轴 3 4 轴承 5 转臂 6 连杆 7 操 作架 8 接力器活塞 9 操作轴 叶片操作机构的型式很多 常见的有带操作架和不带操作架两种操作机构 带操作 架的又有直连杆和斜连杆两种形式 利用一个操作架同时转动所有叶片的 称为带操作 架操作机构 如图 5 10 所示 带操作架操作机构由转轮接力器 操作轴 操作架 连杆 转臂等组成 其工作过程是 当压力油进入接力器活塞 8 的上腔时 便推动活塞下移 操作轴 9 随活塞一起下移 同时带动操作架 7 向下运动 与操作架相连的各连杆 6 也向 下移动 连杆拉着转臂 5 顺时针转动 由于转臂和叶片转轴 2 固定在一起 所以转轴 2 连带叶片 1 就顺时针转动 使叶片转角加大 反之 当压力油进入接力器活塞 8 的下腔 时 活塞向上移动 叶片逆时针转动 叶片转角减小 4 泄水锥 泄水锥的外形尺寸由模型试验给定 中小型机组大多采用 ZG270 500 铸造 大型机 组则多采用钢板焊接 根据结构和制造的需要 还可把泄水锥分成二节 图 5 11 所示为 泄水锥与转轮体的连接结构 在泄水锥体上部周圈开有槽口 用螺钉将泄水锥 5 与转轮 体 1 联接 螺钉头应和锥体点焊防松 装配后槽口外壁用护板 4 封焊 4 1 2 3 5 图图 5 115 11 泄水锥连接结构图泄水锥连接结构图 1 转轮体 2 螺钉 3 保险垫 4 护盖 5 泄水锥 四 水轮机导水机构 1 导水机构的型式 反击式水轮机导水机构的作用是形成和改变进入转轮水流的环量 保证水轮机具有 良好的水力特性 调节水轮机流量 改变机组出力 机组停机时 用于截断水流 水轮 机导水机构按其导叶轴线布置可分为三种型式 1 圆柱式导水机构 如 5 12 图所示为导叶轴线布置在圆柱面的结构示意图 这种 结构的导水机构制造方便 能保证水轮机有足够高的效率 因而获得了广泛采用 a b 图图 5 125 12 圆柱式导水机构示意图圆柱式导水机构示意图 1 顶盖 2 套筒 3 止推压板 4 连接板 5 导叶臂 6 端盖 7 调节螺钉 8 分半键 9 剪断销 10 连杆 11 推拉杆 12 控制环 13 支座 14 底环 15 导叶 2 径向式导水机构 如图 5 13 图所示为导叶轴线与机组轴线垂直的径向式导水 机构示意图 这种导水机构一般用于贯流式水轮机中 3 圆锥式导水机构 如图 5 14 图所示为导叶轴线与水轮机轴线成一锥角布置的 圆锥式导水机构示意图 由于导叶布置在圆锥面上 所以结构和制造都比较复杂 一般 应用于灯泡式或斜流式水轮机上 图 5 13 径向式导水机构示意图径向式导水机构示意图 图 5 14 圆锥式导水机构示意图圆锥式导水机构示意图 2 导水机构的组成 目前在混流式和轴流式水轮机中 普遍采用圆柱式导水机构 如圆柱式导水机构示 意图 它位于蜗壳座环内圈 主要组成部分有顶盖 底环 控制环 导叶 导叶套筒 导叶传动机构 包括导叶臂 连杆 连接板 和接力器等部件组成 导水机构的工作原理 如图 5 15 所示 图中示出两个直缸式接力器的工作情况 图 示所在位置是导叶正处于中间开度 当接力器腔体内接受调速器系统送来的压力油后 便可控制接力器的推拉杆 改变导叶的开度 达到调节流量的目的 图 5 15 导水机构工作原理图 1 导叶 2 导叶臂 3 连杆 4 控制环 5 接力器 1 导叶 导叶是导水机构的主要组成部件 均匀分布于转轮的外围 底环和顶盖 之间 导叶的断面形状为翼型 首端较厚 尾端较薄 这样即可以保证强度又可以减少 水力损失 导叶一般由导叶体和导叶轴组成 有三种结构型式 第一种是整体铸造 如 图 5 16 a 所示 为了减轻导叶重量 通常做成中空导叶 壁厚由强度计算或铸造工艺 可行性确定 第二种是铸焊导叶 如图 5 16 b 所示 导叶体和轴分别铸 然后再焊接 在一起 第三种是焊接导叶 如图 5 16 c 所示 导叶体都用钢板压制后 再焊接成型 最后与导叶轴焊成整体 铸造导叶材料一般采用 ZG270 500 或 ZG20SiMn 焊接导叶一般 用钢板制造 对中 高水头的电站 导叶可采用尾部铺焊不锈钢材料 提高抗空蚀能力 对于含泥沙量较大的电站 还可在导叶头部堆焊抗磨材料 1 2 3 4 3 2 1 4 3 4 1 a b c 图 5 16 导叶结构示意图导叶结构示意图 a 整铸导叶 b 铸焊导叶 c 焊接导叶 1 上轴颈 2 中轴颈 3 导叶体 4 下轴颈 导水机构环形部件 导水机构的环形部件有底环 控制环 顶盖和支持盖 它们受力比较复杂 制造要 求比较高 下面分别介绍这些环形部件的作用和结构特点 a b 图 5 17