第一章水轮机的类型构造及工作原理.ppt

第一章水轮机的类型、构造及工作原理,第一节水轮机主要类型第二节水轮机工作参数第三节水轮机的基本构造第四节水轮机型号第五节水流在反击式水轮机转轮中的运动第六节水轮机的基本方程式第七节水轮机效率及最优工况,主要内容,1,2,3,水轮发电机组的基本概念,水轮机的主要类型,水轮机的工作参数,本节课教学内容及教学要求,掌握水轮发电机组的基本概念。,掌握各水轮机的基本类型、特点及适用范围；理解反击式、冲击式水轮机的划分原则。,理解水轮机五个主要工作参数：水头、流量、转速、出力与效率的定义、表达式及其意义。,水力发电的基本原理1、水力发电：利用天然水资源中的水能，输入水轮机，让它带动发电机发电，这种发电方式就称为水力发电。2、水力发电的转换原理在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定的流量将“载能水”输送到水轮机中，使水能旋转机械能带动发电机组发电输电线路用户。,天然水能,可利用水能,旋转机械能,电能,水能,河段水流的出力从这个式子可以看出：水头和流量是构成水能的两个基本要素，它们是水电站动力特性的重要特征。,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。水轮机与发电机联接成的整体称为水轮发电机组。,水轮发电机组,第一节水轮机主要类型,一、水轮机定义水轮机是将水能转换成轴的旋转机械能的水力机械。能量转换是借助转轮叶片与水流的相互作用来实现。二、分类按水流能量的转换特征分为反击式和冲击式水轮机。1）反击式水轮机：利用水流的势能和动能做功的水轮机。反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴方向的不同分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。2、冲击式水轮机：主要利用水流的动能做功的水轮机。冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式和双击式。,一、反击式水轮机(reactionwaterturbine)定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为反击式水轮机。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，积水流充满转轮室。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。,水流在反击式水轮机转轮中的运动,混流式水轮机,在转轮区内水流径向流入转轮，轴向流出。视频1,适用范围：H=20-700m,单机容量：几万kW-几十万kW优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用于高水头小流量电站。（能适应很宽的水头范围。是目前应用最广泛的水轮机之一）,混流式水轮机,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。视频2,轴流式水轮机,1)定桨式：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。特点：结构简单，效率低。适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定）。适用范围：功率不大，水头变化不大(水头为3-50米)的小型电站。2）转桨式：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）适用范围：水头、流量变化大，特别是出力变化较大的大中型电站。水头为3-80米,轴流式水轮机,转轮区水流斜向流入，斜向流出。视频3,斜流式水轮机,斜流式水轮机适用范围：适用于水头变幅大的电站，一般用于40-200m水头范围特点：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，运行效率高，强度高，气蚀性好，但制造工艺复杂技术要求高。,水头4080m60130m120200m,水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出；结构特点：水轮机主轴装置成水平或倾斜（卧式布置）；不设蜗壳，水流直贯转轮；,贯流式水轮机,贯流式特点：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。H20m,小型河床电站。分类: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、灯泡式。,冲击式水轮机定义：利用水流的动能来做功的水轮机。工作原理：利用特殊的导水装置，将高压水流变为高速射流，通过射流与转轮的相互作用将水流的动能传递给转轮。,水斗式：喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。视频4斜击式：喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。双击式：水流两次冲击转轮。,冲击式水轮机,类型：(1)水斗式：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。适用于负荷变化大而水头变幅不大的电站。它是唯一运用于水头在700米以上的水轮机。适用H：1002000m；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。,冲击式水轮机,水斗式水轮机转轮,轮叶,轮盘,可逆式水轮机可逆式水轮机：又称水泵水轮机、发电电动机。它既可作水轮机运行，又可作水泵运行，主要用于抽水蓄能电站。可逆式水轮机也分为混流式、斜流式和轴流式3种。其中以混流式应用最广,因为它的应用水头范围广（30600米）。世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊纳巴什塔电站,水头为600.3米，水泵扬程为623.1米，单机功率为315兆瓦。,总结：水轮机的分类,利用水流的势能和动能进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。,利用水流的动能进行工作；转轮露在空气中。,小结,第二节水轮机的工作参数1、水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量转换为转轮机械能过程中的一些特性数据。2、水轮机的基本工作参数主要有水头、流量、转速、出力、效率。,工作水头(workinghead)1、水电站的毛水头(静水头)Hg=Z上-Z下2、水轮机的工作水头(净水头)H=Hg-hA-B(即毛水头-水头损失=净水头)hA-B：水电站引水建筑物中的水力损失3、特征水头(characteristichead)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。,工作水头（净水头）,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。,最大工作水头Hmax：Hmax=Z正Z下minhA-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:Hmin=Z死Z下maxhA-BZ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:Ha=Z上aZ下a即上下游平均水位差。,流量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。设计流量Qr：当H=Hr、N=N额时的最大流量。转速转速：水轮机转轮在单位时间内的旋转次数。r/min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。发电机的同步转速=水轮机的额定转速=机组的额定转速,出力,1、水流出力NN=9.81QHg2、水轮机输入功率(通过水轮机的水流出力)水流传给水轮机的能量3、水轮机输出功率（水轮机出力）N=Nwt4、机组出力(单机容量)机组的最大出力5、水电站装机容量水电站发出的最大出力,是各台机组容量的总和,思考题,2、水轮机的过流部件有哪些？,观看视频并思考以下问题：,1、水电厂电能生产流程图？,3、水轮机的输出功率与水头H、流量Q有关，那么混流式水轮机如何调节流量？,天然水流坝水库取水口有压隧洞压力钢管水轮机发电机输变电装置用户。,水电厂电能生产流程图,有压引水式水电站示意图,1水库；2闸门室；3进水口；4坝；5泄水道；6调压室；7有压隧道；8压力管道；9厂房；10尾水渠,水轮机主要由引水机构、导水机构、转轮和泄水机构组成。(1)引水机构（引水室(蜗壳)、座环）：引导水流均匀、轴对称进入导水机构；形成一定速度环量。(2)导水机构（导叶及控制设备)：调节流量、形成环量、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)泄水机构(尾水管)：回收能量、排水至下游。此外还有主轴、轴承等非过流部件。,第三节水轮机的基本构造,反击式水轮机的主要构造,上游水库压力水管蜗壳座环导水机构（导叶）转轮尾水管下游。,水流流动方向,三门峡水电站水轮机蜗壳,蜗壳(Volute),(一)功用使水流产生圆周运动，并引导水流均匀、轴对称地进入座环。设置在尾水管末端。,蜗壳(Volute),(二)型式金属蜗壳和混凝土蜗壳。,蜗壳(Volute),三峡右岸电站12根直径12.8米的特大型压力引水钢管，和大坝下方的发电厂房12台水轮发电机组。,三峡电站的一台机组蜗壳，由高强度钢板卷制焊接而成，与大坝引水管相连，蜗壳中间是座环及固定导叶。,焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。,组成：位于导叶的外围。由上、下环和立柱组成。功用：支撑件和安装基准件。承受发电机组轴向荷载并传到下部基础；支承活动导叶；使水流以一定方向、轴对称进入导水机构断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。,座环（Stayring）,座环（Stayring）,固定导叶与活动导叶,三峡水轮机座环，重达300多吨，竖立的是座环固定导叶，内侧安装活动导叶，座环中间安装水轮机转轮。,蜗壳分节,座环,蝶形边,功用：引导水流按一定方向进入转轮；形成与改变进入转轮的速度环量；根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力；关机时截断水流。,导水机构（distributor）,组成：导叶和传动机构。导叶：导水机构的主体，由导叶体和导叶轴两部分组成。上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。传动机构：由控制环、连杆、转臂三部分组成，用于传递接力器操作力矩，使导叶转动，改变导叶开度以改变流量。导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。,导水机构（distributor）,导水机构（distributor）,接力器示意图,视频06,接力器用于操作控制环的转动。接力器的基本部件:接力器缸和活塞。,（1）导叶数Z0：与D1有关，一般1624。（2）导叶相对高度b0/D1：HL：0.10.39;ZL:0.350.45（3）导叶轴分布圆直径D0一般D0=1.131.16D1(4)导叶开度a0：两导叶之间的垂直距离，最大开度为amax。,导叶的主要几何参数,功用：水能机械能。组成：主要部件：上冠、叶片、下环、泄水锥。辅助部件：止漏环、减压孔。,转轮（Runner）,混流式,轴流式,转轮（Runner）,装于湖北宜昌葛洲坝水利枢纽、世界最大尺寸的轴流转桨式水轮机转轮（直径11.3m，17.55万kW)。,斜流式,装于云南会泽毛家村水电站、中国最大容量的斜流式水轮机（0.88万kW）模型试验转轮。,三峡右岸70万千瓦水轮机转轮。该转轮由上冠、下环和15块叶片组焊而成。其外径10.44米，高5.2米，总重量445吨。,转轮叶片数控加工,加工的叶片需要用激光跟踪仪精确测量曲面数据。,转轮叶片为防止变形，需要十几个工人同时焊接，焊接耗时3个多月。,转轮发运至三峡工地,功用引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。,尾水管（drafttube）,型式：直锥形用于小型水轮机；弯锥形用于卧轴水轮机；弯肘形（大中型电站）。,直锥形,弯锥形,尾水管（drafttube）,组成：进口直锥段、肘管、出口扩散段。,尾水管（drafttube）,尾水管内的真空涡带,龙滩水电站尾水管施工,本节小结,1、引水机构：蜗壳（金属、混凝土蜗壳）引导水流均匀、轴对称进入导水机构；形成一定速度环量。座环组成：由上、下环和立柱组成；作用：承受发电机组轴向荷载并传给基础；支承活动导叶。2、导水机构组成：导叶及其轴、导叶的控制机构（调速器、接力器、转臂、连杆、控制环)；功用：调节流量；形成环量；关机时截断水流。,本节小结,3、转轮（工作核心）作用：能量转换。4、泄水机构（弯肘型尾水管）组成：进口直锥段、肘管、出口扩散段。作用：回收能量；排水至下游。5、主轴作用：将转轮机械能传递给发电机。,案例,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,开度,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,CompleteFrancisTurbineFlowSimulationusingFLUENT,水力机械计算流体动力学,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。,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，且机组尺寸较小，降低投资。(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。(3)轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站,组成：叶片、轮毂、泄水锥、转动机构,转轮构造,第四节水轮机的型号各种水轮机的标称直径规定：混流式（HL）：下环与叶片进水边的交点对应的直径。斜流和轴流式：叶片轴线与转轮室交点处圆断面的直径。冲击式：转轮与射流中心线相切的节圆直径。,2、水轮机的型号,如为可逆式机组则在第一部分水轮机型式代号后面加N,水轮机型号示例：1HL220-LJ-250表示转轮型号为220的混流式水轮机，立轴、金属蜗壳，转轮直径为250cm。2ZZ560-LH-500表示转轮型号为560的轴流转桨式水轮机，立轴、混凝土蜗壳，转轮直径为500cm。3GD600-WP-300表示转轮型号为600的贯流定桨式水轮机，卧轴、灯泡式引水，转轮直径为300cm。42CJ20-W-120/210表示转轮型号为20的水斗式水轮机，一根轴上装有2个转轮，卧轴、转轮直径为120cm，每个转轮具有2个喷嘴，射流直径为10cm。,练习HL180-LJ-550ZZ560-LH-1130GZ440-WP-750XLN200-LJ-300CJ20-L-170/215,第五节水流在转轮中的运动原理：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。,水流在转轮中的运动相对运动：水流质点沿着轮叶的流动，w表示牵连运动：水流质点随转轮的旋转运动，u表示绝对运动：水流质点对大地的运动，v表示绝对速度v与圆周速度u的夹角为相对速度w与圆周速度u的夹角为,速度三角形,水流绝对流速（相对于地球）,水流随转轮旋转牵连流速,水流沿叶片流动的相对流速,第六节水轮机基本方程式,一、动量矩定理单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。即：其中M为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。,在稳定工况下(n、Q、H均不变)，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：所以，水轮机的基本方程为：该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。,上列方程式说明了单位重量水流的有效出力是和转轮进、出口速度矩的改变相平衡的，所以速度矩的变化是转轮作功的主要依据。,水轮机的基本方程式还可以用环量来表示。转轮的速度环量，可以看作是速度Vu沿圆周所做的功。将式两端各乘以2后得,进