水轮机 第一章 绪论(12)

1、坝式水电站（分河床式和坝后式）坝式水电站（分河床式和坝后式）引水式水电站（分有压和无压引水式）引水式水电站（分有压和无压引水式）混合式水电站混合式水电站 坝式水电站坝式水电站 在河流上拦河筑坝壅高水位，形成发电在河流上拦河筑坝壅高水位，形成发电水头，一般修建在坡降较缓或流量较大的河水头，一般修建在坡降较缓或流量较大的河流上。流上。如：三峡水电站、葛洲坝水电站、新安江水如：三峡水电站、葛洲坝水电站、新安江水电站、二滩水电站、小湾水电站、景洪水电电站、二滩水电站、小湾水电站、景洪水电站、漫湾水电站、溪洛渡水电站、阿海水电站、漫湾水电站、溪洛渡水电站、阿海水电站等。站等。 葛洲坝水电站葛洲坝水电站大

2、朝山水电站大朝山水电站景洪水电站景洪水电站坝式水电站的特点：坝式水电站的特点： 依靠坝的高度取得水头，同时形成调节依靠坝的高度取得水头，同时形成调节径流的水库；径流的水库； 调节性能好，适合担任调频、调峰和事调节性能好，适合担任调频、调峰和事故备用等；故备用等； 具有防洪、航运、灌溉、供水等综合利具有防洪、航运、灌溉、供水等综合利用效益；用效益； 建筑物布置集中，有利于运行管理；建筑物布置集中，有利于运行管理；河床式河床式厂房与坝一样起挡水作用，承受厂房与坝一样起挡水作用，承受水的压力。如：葛洲坝水电站水的压力。如：葛洲坝水电站坝后式坝后式厂房本身不起挡水作用，只有大厂房本身不起挡水作用，只有

3、大坝承受水的压力。如：三峡水电站坝承受水的压力。如：三峡水电站 引水式水电站引水式水电站 用渠道、隧洞、管道等引水建筑物，集中用渠道、隧洞、管道等引水建筑物，集中天然河道落差，形成发电水头，一般修建在坡天然河道落差，形成发电水头，一般修建在坡降较陡的河流上。如降较陡的河流上。如:天生桥水电站天生桥水电站 有压引水式有压引水式采用压力隧洞或压力管道引采用压力隧洞或压力管道引水，水的流动是有压的流动。水，水的流动是有压的流动。 无压引水式无压引水式采用明渠或无压隧洞明流引采用明渠或无压隧洞明流引水，水的流动是无压的流动。水，水的流动是无压的流动。 引水式电站的特点：引水式电站的特点： 利用河流天然

4、条件，形成较高的发电水头；利用河流天然条件，形成较高的发电水头； 一般无调节性能或只有日、周调节水库（调一般无调节性能或只有日、周调节水库（调节性能差），只适合担任基荷运行；节性能差），只适合担任基荷运行； 水库淹没损失和移民数量很少；水库淹没损失和移民数量很少； 一般有压引水式较无压引水式经济一般有压引水式较无压引水式经济 混合式水电站混合式水电站 由挡水建筑物和引水系统共同形成发电水由挡水建筑物和引水系统共同形成发电水头。如：鲁布革水电站头。如：鲁布革水电站 拦河大坝形成水库，以获得集中的水能。拦河大坝形成水库，以获得集中的水能。 转化水能为电能。转化水能为电能。 水能通过水轮机，转变为旋

5、转机械能，再通水能通过水轮机，转变为旋转机械能，再通过发电机转变为电能。过发电机转变为电能。 输配电能。输配电能。 概念概念 水力机械水力机械在液体和固体机械之间进行机在液体和固体机械之间进行机械能转换的机械。械能转换的机械。 分类分类 水力原动机水力原动机将水流机械能转换成固体机将水流机械能转换成固体机械能的动力机械。例如：水轮机械能的动力机械。例如：水轮机 水力工作机水力工作机将固体机械能转换成液体机将固体机械能转换成液体机械能的机械。例如：水泵械能的机械。例如：水泵 可逆式水力机械可逆式水力机械既能作为水轮机工作，既能作为水轮机工作，又能作为水泵工作的机械。例如：可逆式水轮又能作为水泵工

6、作的机械。例如：可逆式水轮机机 水轮机水轮机将水流能量转换成旋转机械将水流能量转换成旋转机械能的动力机械。能的动力机械。 发电机发电机把旋转机械能转换为电能的把旋转机械能转换为电能的机械。机械。 一、工作水头一、工作水头水电站水轮机装置如图所示水电站水轮机装置如图所示 取水轮机取水轮机 进口断面处（蜗壳进口）为进口断面处（蜗壳进口）为: 断面断面 出口断面处（尾水管出口）为出口断面处（尾水管出口）为:断面断面 则水轮机所利用的能量为则水轮机所利用的能量为 )2()2(2222221111gvpZgvpZE21EEE gH)2()2(2222221111gvpZgvpZH关于水头的几个概念关于水

7、头的几个概念: 水轮机工作水头水轮机工作水头 是指水轮机进口和出口处单位重量水流的是指水轮机进口和出口处单位重量水流的能量差值。能量差值。HEH 水电站毛水头水电站毛水头 是指电站上下游水位之差。是指电站上下游水位之差。同时电站毛水头与水轮机工作水头的关系为：同时电站毛水头与水轮机工作水头的关系为：引hHHggH下上gH 水轮机设计水头水轮机设计水头 水轮机按额定转速运行时发出额定出力所必水轮机按额定转速运行时发出额定出力所必需的最小水头。需的最小水头。 水轮机最大水头水轮机最大水头 水轮机运行中允许的最大工作水头。水轮机运行中允许的最大工作水头。 水轮机最小水头水轮机最小水头 保证水轮机稳定

8、运行的最小工作水头。保证水轮机稳定运行的最小工作水头。minHmaxHrH 水轮机加权平均水头水轮机加权平均水头 在电站运行范围内，考虑负荷和工作历在电站运行范围内，考虑负荷和工作历时的水轮机水头的加权平均值。时的水轮机水头的加权平均值。v按电能加权按电能加权 v按时间加权按时间加权iiiiicpPTPTHHiiicpTHTHcpH 概念：单位时间内通过水轮机的概念：单位时间内通过水轮机的水流体积水流体积称称为流量为流量,用用 表示，单位为表示，单位为 公式：公式： -过流断面的面积过流断面的面积,单位单位 -过流断面的平均流速过流断面的平均流速,单位单位 sm3FvtFLtVQF2mvsmQ

9、 概念概念:是指水轮机在单位时间内旋转的次数，是指水轮机在单位时间内旋转的次数，用用 表示，单位表示，单位 。 公式：一般水轮机主轴与发电机主轴采用直公式：一般水轮机主轴与发电机主轴采用直接联接时，应满足下列关系式接联接时，应满足下列关系式 v 电流频率电流频率 发电机的磁极对数发电机的磁极对数pfn60fpnminr 概念：单位时间内概念：单位时间内水轮机主轴所输出的功率水轮机主轴所输出的功率称称为水轮机的出力。用为水轮机的出力。用 表示，单位表示，单位 。 公式：具有一定水头和流量的水流通过水轮机公式：具有一定水头和流量的水流通过水轮机时，水流的出力为时，水流的出力为:QHtWHtEP81

10、. 9水流Pkw水轮机水轮机水流水轮机QHPP81. 9 发电机的出力（或机组的出力）为发电机的出力（或机组的出力）为:发电机水轮机机组发电机水轮机发电机水轮机水流发电机水轮机发电机QHPPP81.9水轮机的出力为水轮机的出力为: : 水轮机出力、旋转力矩和角速度之间有以水轮机出力、旋转力矩和角速度之间有以下关系式下关系式: :式中式中: : 水轮机旋转角速度，水轮机旋转角速度，rad/srad/s； 水轮机主轴输出的旋转力矩，水轮机主轴输出的旋转力矩，N Nm m； 水轮机转速，水轮机转速，r/minr/min。602nMMPMn一、水轮机类型一、水轮机类型 分类分类)()()()()()(

11、)()()()()()()SJXJCJGZGDGLXZXDXLZZZDZLHL双击式斜击式切击式（水斗式）冲击式贯流转桨式贯流定桨式贯流式斜流转桨式斜流定桨式斜流式轴流转桨式轴流定桨式轴流式混流式（反击式分为两大类分为两大类 两类水轮机特点两类水轮机特点 反击式水轮机：反击式水轮机： 利用水流的势能与动能做功（反击式水利用水流的势能与动能做功（反击式水轮机的定义）。轮机的定义）。 水流充满水轮机的整个流道，水流是有水流充满水轮机的整个流道，水流是有压，从转轮进口至出口，水流压力逐渐降低。压，从转轮进口至出口，水流压力逐渐降低。 水流在叶片流道内改变流速的大小和方水流在叶片流道内改变流速的大小和

12、方向，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩，从而向，对转轮产生反作用力，形成旋转力矩，从而驱动转轮旋转。驱动转轮旋转。 结构由引水部件、导水机构、转轮和尾结构由引水部件、导水机构、转轮和尾水管组成。水管组成。 冲击式水轮机冲击式水轮机 利用水流的动能做功（冲击式水轮机的利用水流的动能做功（冲击式水轮机的定义）。定义）。 水流不充满水轮机的整个流道，转轮只水流不充满水轮机的整个流道，转轮只是部分进水，水流是无压的，从转轮进口至出口，是部分进水，水流是无压的，从转轮进口至出口，水流压力保持不变。水流压力保持不变。 水流在进入转轮之前，先经过喷嘴形成水流在进入转轮之前，先经过喷嘴形成高速自由射流，该射流

13、冲击到转轮的部分叶片，高速自由射流，该射流冲击到转轮的部分叶片，并在叶片的约束下，流速大小和方向发生急剧改并在叶片的约束下，流速大小和方向发生急剧改变，驱动转轮旋转。变，驱动转轮旋转。 结构由喷嘴、喷针、转轮、折向器和机结构由喷嘴、喷针、转轮、折向器和机壳组成。壳组成。二、各类型水轮机的特点及应用范围二、各类型水轮机的特点及应用范围 混流式水轮机混流式水轮机 概念：概念： 混流式水轮机的水流自径向进入转混流式水轮机的水流自径向进入转轮，轴向流出转轮。轮，轴向流出转轮。 特点特点 转轮体由上冠、叶片、下环连成一个整转轮体由上冠、叶片、下环连成一个整体。体。结构简单、紧凑，具有较高的强度，运结构简

14、单、紧凑，具有较高的强度，运行可靠，效率高，应用水头范围广，是世界行可靠，效率高，应用水头范围广，是世界上采用最多的一种水轮机。上采用最多的一种水轮机。 在中国，混流式水轮机约占全部水轮机在中国，混流式水轮机约占全部水轮机容量的容量的80%以上。以上。 应用范围：一般适用于应用范围：一般适用于2070020700米水头范围米水头范围的大、中、小型水电站。的大、中、小型水电站。如：使用最大水头如：使用最大水头672672米（奥地利）；单机容米（奥地利）；单机容量最大量最大71.671.6万万kWkW（美国大古力）；效率最高（美国大古力）；效率最高96.8%96.8%（美国大古力）；转轮直径最大（

15、美国大古力）；转轮直径最大9.99.9米米（美国大古力）。（美国大古力）。例如：例如：二滩水电站单机容量二滩水电站单机容量5555万万kWkW，最高水头为，最高水头为189189米，转轮直径米，转轮直径6.3676.367米。米。 三峡水电站单机容量三峡水电站单机容量7070万万kWkW，最高水头为，最高水头为175175米，转轮直径米，转轮直径9.839.83米，最高效率米，最高效率96.26%96.26%，转轮重，转轮重448448吨，水轮机重吨，水轮机重33233323吨吨。额定流量。额定流量995.6995.6 鲁布革水电站单机容量鲁布革水电站单机容量1515万万kWkW，最高水头为，

16、最高水头为372372米，转轮直径米，转轮直径3.443.44米，最高效率米，最高效率94.6%94.6%，转轮，转轮重重2727吨，水轮机重吨，水轮机重308308吨。额定流量吨。额定流量53.553.5sm3sm3 轴流式水轮机轴流式水轮机 轴流式水轮机的水流自轴向进入转轮，轴向轴流式水轮机的水流自轴向进入转轮，轴向流出转轮。转轮形似螺旋桨。流出转轮。转轮形似螺旋桨。 根据叶片能否转动，又分为定桨式和转桨式。根据叶片能否转动，又分为定桨式和转桨式。 轴流定桨式水轮机的转轮叶片固定不动，轴流定桨式水轮机的转轮叶片固定不动， 特点：转轮叶片不能转动，结构简单，造价特点：转轮叶片不能转动，结构简

17、单，造价较低，调节性能较差，高效率区较窄。在偏离最较低，调节性能较差，高效率区较窄。在偏离最优工况运行时，叶片角度不能适合水流的情况，优工况运行时，叶片角度不能适合水流的情况，效率会急剧下降。效率会急剧下降。 应用范围：应用范围：轴流定桨式水轮机一般适用于轴流定桨式水轮机一般适用于350米水头范围，水头和负荷变化较小的水电站。米水头范围，水头和负荷变化较小的水电站。 轴流转桨式水轮机的转轮叶片可绕轮叶轴线轴流转桨式水轮机的转轮叶片可绕轮叶轴线转动，需要一套转动叶片的操作机构。转动，需要一套转动叶片的操作机构。 特点：转轮叶片可以转动，叶片和导叶可实特点：转轮叶片可以转动，叶片和导叶可实现双重调

18、节，调节性能好，高效率区较宽，但现双重调节，调节性能好，高效率区较宽，但结构相对复杂，造价高。水轮机运行时，可根结构相对复杂，造价高。水轮机运行时，可根据水头及负荷变化的情况，及时调整转轮叶片据水头及负荷变化的情况，及时调整转轮叶片的角度，使叶片始终保持一个符合水流的空间的角度，使叶片始终保持一个符合水流的空间位置，实现了导叶与转轮叶片双重调节，扩大位置，实现了导叶与转轮叶片双重调节，扩大了高效率区的范围。了高效率区的范围。 应用范围：应用范围：轴流转桨式水轮机轴流转桨式水轮机一般适用于一般适用于380380米水头米水头范围，水头和负荷变化较大的水电站。范围，水头和负荷变化较大的水电站。例如：

19、葛洲坝水电站单机容量例如：葛洲坝水电站单机容量17.517.5万万kWkW，最高，最高水头为水头为2727米。水头范围为米。水头范围为278.3278.3米，转轮直径米，转轮直径为为11.311.3米，最高效率米，最高效率92.5%92.5%，转轮重，转轮重468468吨，水吨，水轮机重轮机重21502150吨，额定流量吨，额定流量11301130 目前，使用水头最高目前，使用水头最高8888米（意大利，那门米（意大利，那门比亚水电站）；单机最大出力比亚水电站）；单机最大出力2323万万kWkW（原苏联（原苏联）；转轮直径最大）；转轮直径最大11.311.3米（葛洲坝水电站）。米（葛洲坝水电站

20、）。sm3 水斗式水轮机（切击式）水斗式水轮机（切击式） 概念：水斗式水轮机由喷嘴出来的概念：水斗式水轮机由喷嘴出来的射流沿射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗圆周切线方向冲击转轮上的水斗而做功。而做功。 适用范围大型为适用范围大型为3002000米；小型为米；小型为40250米的高水头、小流量的水电站。米的高水头、小流量的水电站。例如：例如： 云南元江依萨河水电站，单机容量云南元江依萨河水电站，单机容量1.3万万kW，最高水头为，最高水头为1770米，转轮直径为米，转轮直径为1.6米。米。 目前，使用水头最高目前，使用水头最高1771米（奥地利，莱米（奥地利，莱塞克水电站）；单机最大出力塞克水

21、电站）；单机最大出力31.5万万kW（挪威（挪威，西西马水电站）；喷嘴数最多为，西西马水电站）；喷嘴数最多为6个。个。表表1-1 1-1 水轮机类型及应用水头范围水轮机类型及应用水头范围类类 型型型型 式式 适应水头范围（适应水头范围（m m） 反反 击击 式式混流式混流式混混 流流 式式2020700700混流可逆式混流可逆式8080600600轴流式轴流式轴流转桨式轴流转桨式3 38080轴流定桨式轴流定桨式3 35050斜流式斜流式斜斜 流流 式式4040200200斜流可逆式斜流可逆式4040120120贯流式贯流式贯流转桨式贯流转桨式2 23030贯流定桨式贯流定桨式 冲冲 击击 式

22、式 水斗式水斗式30030020002000斜击式斜击式2020300300双击式双击式5 5100100一、水轮机牌号一、水轮机牌号由三部分组成，每一部分之间用由三部分组成，每一部分之间用“”分开。分开。第一部分表示水轮机的类型（用第一个汉语拼音的两第一部分表示水轮机的类型（用第一个汉语拼音的两个大写字母表示）和转轮型号（用阿拉伯数字表个大写字母表示）和转轮型号（用阿拉伯数字表示）。示）。第二部分由两个汉语拼音字母组成表示水轮机水轮机第二部分由两个汉语拼音字母组成表示水轮机水轮机装置形式，前一个字母表示水轮机主轴的布置形式，装置形式，前一个字母表示水轮机主轴的布置形式，后一个字母表示引水室的

23、特征。后一个字母表示引水室的特征。第三部分用阿拉伯数字表示水轮机转轮标准直径，单第三部分用阿拉伯数字表示水轮机转轮标准直径，单位为厘米。位为厘米。表表1-2 1-2 水轮机型号的代表符号水轮机型号的代表符号水 轮 机 型 式代 表 符 号主 轴 布 置 型 式及 引 水 室 特 征代表符号混 流 式HL立 轴L轴 流 转 桨 式ZZ卧 轴W轴 流 定 桨 式ZD金 属 蜗 壳J斜 流 式XL混 凝 土 蜗 壳H冲 击（水斗）式CJ灯 泡 式P贯 流 转 桨 式GZ明 槽 式M贯 流 定 桨 式GD罐 式G可 逆 式N竖 井 式S双 击 式SJ虹 吸 式X斜 击 式XJ轴 伸 式Z水轮机牌号应注

24、意以下几点：水轮机牌号应注意以下几点： 各种水轮机标准直径所表示的意思不同。各种水轮机标准直径所表示的意思不同。 转轮的型号并非序号，而是表示水轮机的转轮的型号并非序号，而是表示水轮机的特征比转速，即效率为特征比转速，即效率为88%88%的比转速。入型谱的的比转速。入型谱的转轮型号为比转速数值，未入型谱的转轮为各转轮型号为比转速数值，未入型谱的转轮为各单位自己的编号。单位自己的编号。 可逆式水轮机的表示与反击式相同，仅在可逆式水轮机的表示与反击式相同，仅在机型字母后加机型字母后加“N N”。 对于冲击式水轮机，第三部分的表示如下：对于冲击式水轮机，第三部分的表示如下：水斗式或斜击式：水斗式或斜

25、击式：双击式：双击式：01dD设计射流直径嘴数作用在每个转轮上的喷转轮标准直径LD转轮轴向长度转轮标准直径1 若同一轴上装有一个以上转轮，在牌号的若同一轴上装有一个以上转轮，在牌号的第一部分前加转轮数目。第一部分前加转轮数目。 未列入水轮机型谱的转轮，则采用带有厂未列入水轮机型谱的转轮，则采用带有厂家代号和序号来表示。家代号和序号来表示。如：如：A代表哈尔滨电机厂代表哈尔滨电机厂 D代表东方电机厂代表东方电机厂 T代表天津发电设备厂代表天津发电设备厂 J代表金华水轮机厂代表金华水轮机厂例如：例如： HL180LJ550 ZZ560LH1130（葛洲坝）（葛洲坝） HLA339LJ147（腊庄）

26、（腊庄） HL262LJ983（三峡）（三峡） HLA41LJ190（西洱河一级）（西洱河一级） XL003LJ160（以礼河毛家村）（以礼河毛家村） XLN200LJ320 CJA237L160/29.5（元江依萨河）（元江依萨河） 2CJ22W120/210二、水轮机的标准直径（见课本二、水轮机的标准直径（见课本18页）页） 混流式水轮机的标准直径混流式水轮机的标准直径 指转轮叶片进口边上的最大直径。指转轮叶片进口边上的最大直径。 轴流式水轮机的标准直径轴流式水轮机的标准直径 指转轮叶片轴线与转轮室相交处的转轮室的指转轮叶片轴线与转轮室相交处的转轮室的内径。内径。 斜流式水轮机的标准直径斜

27、流式水轮机的标准直径 与轴流式相同。与轴流式相同。 冲击式水轮机的标准直径冲击式水轮机的标准直径 指转轮与射流中心线相切的节园直径。指转轮与射流中心线相切的节园直径。1D1D1D1D三、水轮机装置形式三、水轮机装置形式 是指水轮机主轴的布置方式和引水室型式相是指水轮机主轴的布置方式和引水室型式相结合的总体。结合的总体。 立轴布置与蜗壳型式立轴布置与蜗壳型式 为了减小厂房面积，大中型机组一般采用立为了减小厂房面积，大中型机组一般采用立轴布置方式。对于中高水头的混流式机组，采用轴布置方式。对于中高水头的混流式机组，采用立轴、金属蜗壳装置型式，对于低水头的轴流式立轴、金属蜗壳装置型式，对于低水头的轴

28、流式机组，采用立轴、混凝土蜗壳型式。机组，采用立轴、混凝土蜗壳型式。 卧轴布置与金属蜗壳型式卧轴布置与金属蜗壳型式 为了减小厂房高度，对于小型机组，主轴为了减小厂房高度，对于小型机组，主轴可以采用卧式布置。中、高水头的机组采用金可以采用卧式布置。中、高水头的机组采用金属蜗壳引水。属蜗壳引水。 冲击式水轮机装置型式冲击式水轮机装置型式 斜击式和双击式一般采用卧轴布置方式斜击式和双击式一般采用卧轴布置方式一、水轮机的发展历史一、水轮机的发展历史 公元前公元前2世纪，在希腊出现了用浸在水中的水轮来世纪，在希腊出现了用浸在水中的水轮来带动水磨。带动水磨。 公元公元37年，我国出现了利用水排带动鼓风设备进行年，我国出现了利用水排带动鼓风设备进行炼铁。炼铁。 1827年开始出现水轮机。年开始出现水轮机。 18471849年间英国人法兰西斯发明了混流式水轮年间英国人法兰西斯发明了混流式水轮机。机。 1880年出现了水斗式水轮机。年出现了水斗式水轮机。 1912191