(河海大学)水轮机类型、构造及工作原理 水电站

1、(河海大学)水轮机类型、构造及工作原理 水电站第一章 水轮机类型及构造第一节 水力机械的种类第二节 水轮机的工作参数第三节 水轮机的主要类型及其构造第四节 水轮机的型号第五节 水流在水轮机转轮中的运动第六节 水轮机基本方程第七节 水轮机的效率及最优工况第一章 水轮机类型、构造及工作原理第一节 水力机械的种类第一节 水力机械的种类运动的水体动 能 势 能水力机械旋转运动压力势能位置势能第一节 水力机械的种类第二节 水轮机的工作参数水能减少（水轮机）水能增加（水泵）水力工作机水 能机械能水力原动机第一节 水力机械的种类第二节 水轮机的工作参数第二节 水轮机的工作参数参数：水头、流量、功率、效率、转

2、速等一、水头 Head 第二节 水轮机的工作参数第二节 水轮机的工作参数装机容量 （Installed Capacity）发电机的输出功率第二节 水轮机的工作参数水轮机可以有不同转速，但H一定时，一定的转轮直径D1有一个效率最高的转速n，通常由此转速选择相近的同步发电机转速。同步转速同 轴 电工学中： 二、转速 Speed of rotation第二节 水轮机的工作参数磁极对数 P34567891012同步转速n(r/min)1000750600500428.6375333.3300250磁极对数 P141618202224262830同步转速n(r/min)214.3187.5166.715

3、0136.4125115.4107.1100磁极对数 P323436384042444850同步转速n(r/min)93.888.283.3797571.468.262.660 磁极对数与同步转速系列第二节 水轮机的工作参数第三节 水轮机的主要类型 及其构造第三节 水轮机的主要类型及其构造水流能量转换特征反 击 式冲 击 式 水轮机的主要类型第三节 水轮机的主要类型及其构造水轮机所获得的能量 H021第三节 水轮机的主要类型及其构造 该式表明水轮机所利用的水流能量为水流的势能Ep与动能Ed之和 Ep=0, Ed=1冲击式水轮机(只利用水流动能) 0Ep1, Ep+Ed=1 反击式水轮机(既利用

4、动能也利用势能)第三节 水轮机的主要类型及其构造水轮机 混流式 轴流式 斜流式 贯流式 混流式 斜流式 轴流式贯流式冲击式可逆式反击式轴流定浆式轴流转浆式 水斗式 双击式 斜击式全贯流式半贯流式水轮机的分类灯泡式轴伸式竖井式第三节 水轮机的主要类型及其构造一、反击式水轮机 Reaction turbine Description of the contents Description of the contents Description of the contents动量改变（转轮作用于水产生）水流对转轮产生反作用力转轮旋转 流过转轮的水流是连续的 同一时间内所有转轮叶片间的流道都有水流通过

5、 水流V大小、方向改变第三节 水轮机的主要类型及其构造水流特征：幅向进入转轮，轴向流出转轮适用水头：20500m，Hmax=734m叶片：固定 1020片最高效率 ：94%单机容量：几十kW 几十万kW实例：最高水头 734m（奥地利依斯林电站） 最大单机出力716MW （美国大古力电站）1混流式（Francis turbine、Mix-flow turbine）第三节 水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机转轮第三节 水轮机的主要类型及其构造 混流式水轮机的基本构造第三节 水轮机的主要类型及其构造 混流式水轮机的基本构造第三节 水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳 spiral

6、case蜗壳 spiral case座环 stay ring导水机构 Distributor转轮 runner尾水管 draft tube第三节 水轮机的主要类型及其构造 使水流产生圆周运动并引导水流均匀地、轴对称地进入座环。第三节 水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳 spiral case座环 stay ring导水机构 Distributor转轮 runner尾水管 draft tube座环 stay ring第三节 水轮机的主要类型及其构造组成：上环、下环及支柱组成。作用：支承水轮发电机组的重量及蜗壳上部部分混凝土的重量，并将此巨大的荷载通过支柱传给厂房基础。第三节 水轮

7、机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳 spiral case座环 stay ring导水机构 Distributor转轮 runner尾水管 draft tube导水机构 Distributor第三节 水轮机的主要类型及其构造主要为翼型活动导叶作用： 调节水轮机的流量； 引导水流按必须的方向进入 转轮形成一定的速度矩。导叶开度opening a0 (mm)： 表征导叶所处位置的特征参数 动画演示第三节 水轮机的主要类型及其构造第三节 水轮机的主要类型及其构造导叶数 Z0与水轮机直径有关导叶的主要几何参数有：主要与水轮机型式有关，水头愈高，b0/D1 愈小导叶 相对高度b0/D1应满足

8、导叶在最大可能开度时，不碰到固定导叶及转轮导叶轴 分布圆直径D0第三节 水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳 spiral case座环 stay ring导水机构 Distributor转轮 runner尾水管 draft tube转轮 runner第三节 水轮机的主要类型及其构造 减压孔 补气装置 泄水锥 翼型扭曲叶片 (1221片) 止漏环(迷宫环) 第三节 水轮机的主要类型及其构造混流式水轮机的基本构造蜗壳 spiral case座环 stay ring导水机构 Distributor转轮 runner尾水管 draft tube尾水管 draft tube第三节 水轮机

9、的主要类型及其构造 将通过转轮做完功的水流排入下游河道，并回收转轮出口水流的部分能量。 第三节 水轮机的主要类型及其构造水流特征：水流流过转轮时始终是沿轴向的适用水头：270m叶片：定浆或转浆单机容量：几十kW十几万可kW实例：葛洲坝水电站17万kW/单机2轴流式（Kaplan /axial-flow turbine ）第三节 水轮机的主要类型及其构造轴流式水轮机叶片安放角第三节 水轮机的主要类型及其构造立轴式水轮机（vertical turbine with fixed blades）轴流定桨式水轮机转轮第三节 水轮机的主要类型及其构造轴流转浆式水轮机转轮（runner of Kaplan

10、turbine ）第三节 水轮机的主要类型及其构造轴流式水轮机的特点1轴流式水轮机的叶片：沿轮毂四周均匀分布的空间扭曲的翼形曲面体，叶片数一般为 4-8片，叶片数愈多，适用水头愈大。2 叶片的安放角：一般在-15+20之间，0叶片往开启方向转动，0反之。安放角第三节 水轮机的主要类型及其构造3叶片转动的操作机构安装在轮毂内4轮毂比（轮毂直径dg 与转轮直径 D1 的比值）： 0.330.555水轮机转轮室内壁经常承受很大的脉动水压力。轴流式水轮机的特点第三节 水轮机的主要类型及其构造脉动水压力和水流的漏损存在的问题第三节 水轮机的主要类型及其构造水流特征：从流道进口到尾水管出口 均沿轴向（没有

11、蜗壳）适用水头：140m叶片：定浆或转浆单机容量：几kW几万kW效率：9092%3贯流式（ Tubular turbine ）第三节 水轮机的主要类型及其构造灯泡贯流式水轮机 Bulb tubular turbine水流基本沿轴向、不转弯 外形象管道且 主轴卧置第三节 水轮机的主要类型及其构造水流特征：水流方向与主轴斜交， 斜向水流适用水头：20200m叶片：转浆 812片单机容量：几千kW十几万kW实例：小浪底 15万kW/单机4斜流式（ Deriaz turbine ）第三节 水轮机的主要类型及其构造1叶片转动轴线与水轮机主轴成45 60的锥角，叶片数 812片。2转轮叶片操作机构注 意当

12、由于轴向水推力和温度变化等引起水轮机轴向位移时，其叶片不得与转轮室内壁接触。斜流式水轮机的特点：第三节 水轮机的主要类型及其构造二、冲击式水轮机 Impulse turbine水流特征：水流以自由射流的水柱冲击转轮，利用水流动能使转轮旋转。型式： 水斗式（Pelton Turbine ） 双击式（ Cross flow turbine） 斜击式（Turgo turbine）水斗式水轮机第三节 水轮机的主要类型及其构造管帽转 轮斜击式转轮进水示意图针阀轮叶斜击式水轮机转轮第三节 水轮机的主要类型及其构造 适用水头：小型：40250m大型：400 1000mHmax = 1767m 单机容量：几十

13、千kW 十几万kW 实例：磨房沟水电站12500kW/单机第三节 水轮机的主要类型及其构造喷嘴前折流板：避免因喷针快速移动导致在压力钢管内产生过高得水锤压力。右下侧导流板：防止水流飞溅而造成附加损失。特点：可设多个喷嘴和多个转轮。 大中型：立式布置；中小型：卧式布置。流量调节：喷针和喷嘴构成的针阀31转轮由轮盘及沿轮盘圆周均匀分布的勺形戽斗组成2第三节 水轮机的主要类型及其构造冲击式水轮机卧轴水斗式水轮机vertical Pelton turbine 立轴水斗式水轮机 horizontal Pelton turbine第三节 水轮机的主要类型及其构造 发电：水轮机运行 抽水：水泵运行 适用水头

14、： 混流式：30600m 斜流式、轴流式 实例：密云，1.1/1.5万kW三、可逆式水轮机（水泵水轮机）Reversible turbine Pumped turbine中水头：15150m低水头：520m第三节 水轮机的主要类型及其构造大型中型小型主轴布置方式 出力3万kW 转轮直径 3m的轴流式 2.25m的混流式 出力3万kW 转轮直径 3m的轴流式 2.25m的混流式 出力1万kW 转轮直径 1.4m的轴流式 1.0m的混流式 卧式：D1 1m 立式：D1 1m四、大中小型水轮机的划分第三节 水轮机的主要类型及其构造第四节 水轮机的型号第四节 水轮机的型号Z轴伸式X虹吸式S竖井式G罐式

15、M明槽式P灯炮式H混凝土蜗壳J金属蜗壳代号型式引水室特征GD贯流定浆式N可逆式GZ贯流转浆式ZD轴流定浆式ZZ轴流转浆式XL斜流式HL混流式代号型式水轮机型号HL200LJ500 一、反击式水轮机的型号转轮型号（用比转速表示）W卧轴L立轴代号型式主轴布置型式转轮标称直径（厘米）第四节 水轮机的型号二、冲击式水轮机的型号设计射流直径（厘米）每个转轮上的喷嘴数转轮标称直径（厘米）主轴布置型式2 CJ 20 W - 120 / 210转轮型号水轮机型号一根轴上装的转轮数第四节 水轮机的型号 关于转轮直径D1的规定混流式转轮进口边的最大直径轴流式转轮室的最大直径斜流式转轮叶片的转动轴线和转轮室相交点的

16、圆的直径冲击式切于喷嘴流出的射流中心线的圆周直径第四节 水轮机的型号反击式水轮机转轮标称直径系列(单位:cm)253035(40)42506071(80)841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000第四节 水轮机的型号XLN200-LJ-300转轮型号为200（比转速）的斜流可逆式水轮机，立轴，金属蜗壳引水，转轮标称直径300厘米GD600-WP-250转轮型号为600（比转速）的贯流定桨式水轮机，卧轴，灯泡式引水，转轮标称直径250厘米CJ26-W-125/112.1一根轴上只装一

17、个转轮的冲击式水轮机，转轮型号26（比转速），卧轴，转轮直径125厘米，单喷嘴设计射流直径12.1厘米举例第四节 水轮机的型号第五节 水流在水轮机转轮中的运动第五节 水流在水轮机转轮中的运动 恒定流：任一流体的物理量（如V）不随时间变化 非恒定流：V=V (t) 水轮机内的水流运动 H=H（t），Q=Q（t） V=V（x, y, z, t）第五节 水流在水轮机转轮中的运动 稳定工况H、Q、n 不变 蜗壳、导叶、尾水管中为恒定流转轮中的流动 相对于旋转坐标：恒定流，流线与迹线重合 相对于绝对坐标：非恒定流第五节 水流在水轮机转轮中的运动假设水流从导叶流出时是轴对称的 进入转轮的水流也是轴对称的水

18、流在转轮中流速的合成相对运动: 水从转轮进口沿着叶片流道至转轮出口牵连运动: 水流质点同时和转轮一起旋转的圆周运动绝对运动相对运动 牵连运动(圆周运动) 绝对运动 第五节 水流在水轮机转轮中的运动混流式水轮机转轮内的流面和轴面水流质点绝对速度 V 的分解对于轴流式，U1=U2=U，Vr=0AVuUWVVm第五节 水流在水轮机转轮中的运动第六节 水轮机基本方程第六节 水轮机基本方程原理: 动量矩定律 单位时间内水流对水轮机的动量矩的改变=作用在该水流上的外力对同一轴的力矩水轮机基本方程 转轮所获得的能量水流的能量第六节 水轮机基本方程 取流面上一微小流束,列出动量矩方程外力对转轴的力矩第六节 水

19、轮机基本方程第六节 水轮机基本方程方 程 实 质水流能量转换为转轮旋转能量的能量平衡方程既适用于反击式水轮机，也适用于冲击式水轮机没有水流动量矩的改变，转轮就不可能获得水流的能量做功第六节 水轮机基本方程第七节 水轮机的效率及 最优工况第七节 水轮机的效率及最优工况水力损失流量损失机械损失水轮机能量损失第七节 水轮机的效率及最优工况水力损失及水力效率1水流流经蜗壳、导叶、转轮和尾水管产生的沿程损失以及漩涡、脱流、撞击产生的局部损失一、水轮机的效率第七节 水轮机的效率及最优工况流量损失及流量效率（容积效率）2部分水流通过间隙直接进入尾水管而不经过转轮做功第七节 水轮机的效率及最优工况机械损失和机械效率3转轮部分表面和空气产生机械摩擦（盘状摩擦、风损以及轴承处的摩擦）第七节 水轮机的效率及最优工况容积损失机械损失沿程局部出口水力损失出力 NNmax100%效率撞击损失涡流损失N maxD1、n、H一定情况下，改变Q时，水轮机效率与出力的关系 第七节 水轮机的效率及最优工况二、水轮机的最优工况 最优工况 效率最高的工况 起决定作用的是水头损失 进口水流的撞击损失和出口涡流损失，则最优工况为撞击损失和涡流损失均最小的工况。第七节 水轮机的效率及最优工况 水轮机最优工况 无撞击进口：不至于发生水力碰撞、脱流，水力损失最小 第七节 水轮机的效率及最优工况V2最小 也最小Vu2=