第一章 水轮机的类型构造及工作原理

1、水电站程永光Prof. Dr. Yongguang Cheng武汉大学水利水电学院Tel: QQ: 1005955368Em: 2022/10/112水力发电系统组成：水电站建筑物、水力机械、电器设备水库进水口引水隧洞调压室调压力管道发电机主阀尾水渠厂房水轮机2022/10/113水力发电系统组成：水电站建筑物、水力机械、电器设备2022/10/114水力发电过程能量转换：水能机械能电能2022/10/115本课程的内容分四大部分水电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利用水力资源发电的场所，是建筑物、水、机、电的综合体。进水及引水建筑物（进水口、引水隧洞、压力管道）

2、水轮机部分（能量转换的机械设备） 水电站厂房（发电和配电：主厂房、副厂房、主变压器、开关站） 水锤、调压室（非恒定流动） 第一篇 水轮机2022/10/117水轮机和发电机连轴组成发电机组发电机水轮机2022/10/118水轮机将水能转化为旋转机械能发电机水轮机蜗壳:引水导叶:调节流量转轮:能量转换尾水管:泄水第1章 水轮机的类型构造及工作原理1.1 水轮机的主要工作参数2022/10/1110水轮机的主要工作参数有5个水轮机出力水轮机工作水头水轮机流量水轮机效率水轮机转速2022/10/1111水轮机出力：水轮机传给发电机的功率水体能量扣除水轮机的能量损失设在 时段内有 的水体从1-1断面流

3、过2-2断面，因此，该段水体 所提供的能量为： 和 称为水能两个基本要素。2022/10/1112水体能量决定于流量和落差水体具有的能量（功率） 为1-2断面水面降落的垂直高度（通常称为落差或水头），单位为m 为水的容重。 =1000kgf/m3 =9810N/m3 。 为单位时间里通过1-1断面的流量 （m3/s）。 为水体所具有的作功能力（kgf.m/s）。2022/10/1113水轮机出力决定于流量和工作水头水体具有的能量（功率）工程上常用“千瓦”或“马力”来表示， 1千瓦=102kgf.m/s水流给予水轮机的功率水轮机输出功率（出力）为水轮机的效率（kg.m/s）（千瓦）2022/10

4、/1114水轮机工作水头：单位重量水体通过水轮机进出口断面的能量差值2022/10/1115工作水头不是毛水头，而是净水头为水电站上下游水位差，称为水电站毛水头为水电站引水系统水头损失 为净水头即水轮机工作水头2022/10/1116水轮机的工作水头是随上下游水位变化而变化的常选用几个特征水头来表示水轮机的运行工况和运行范围，这些特征水头由水能计算确定（1）最大水头 （2）最小水头 （3）加权平均水头 （4）设计水头 2022/10/1117水轮机流量：水流在单位时间内通过水轮机的水流体积通常用Q表示，其单位为m3/s水轮机 的引用流量主要随着水轮机的工作水头和出力的变化而变化在设计水头下水轮

5、机以额定出力工作时其过水流量最大H和Q是水力发电的两大要素， H大Q小也发不出大量电， Q大H小也发不出大量电2022/10/1118水轮机效率：水轮机的输出功率与输入功率比值水力效率: 容积效率:机械效率：水轮机效率还可表示为 效率也是水轮机的最重要参数之一，越高越好。2022/10/1119转速n：水轮机组每分钟转动的转数对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是同轴运行的，所以它们的转速相同，并需要满足同步转速的要求。即 其中：f-电流频率；我国电网f=50Hz；p-发电机的磁极对数。则：磁极对数p 3 4 5 6 7 8 9 .同步转速n 1000 750 600 500 428.6 3

6、75 333.3 .2022/10/11201.2 水轮机的主要类型水轮机有各种类型的原因是什么？水能利用的条件千差万别，最重要的特点是水头有高有低，高者水头上千米，低者数米流量有大有小，大者几千立方米每秒，小者不到一立方米每秒各种水轮机型式的出现均是为了最大限度利用水能Francis、Kaplan，Pelton等人发明了针对不同水头的水轮机2022/10/1121现代水轮机可按能量利用特征、水流特征、转轮结构特征分类水轮机按能量转换特征分为两类，即反击式和冲击式。而每一类水轮机又根据转轮区内水流的特征和转轮的结构特征又分为多种形式。能量转换特征：利用水流的势能、动能的比例。转轮内水流特征：水

7、流方向与主轴关系（垂直、平行 、斜交）。转轮的结构特征：桨叶固定、转动，转轮的高、扁等。2022/10/1122能量转换特征分类：反击式和冲击式单位重量水体在转轮进、出口的能量之差：可变换为水流势能水流动能2022/10/1123冲击式：只利用动能反击式：既利用动能也利用势能势能占总能量的比例动能占总能量比例水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机若0Ep1，EpEv=1，这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为反击式水轮机2022/10/1124反击式：水流方向和流速大小受叶片约束而改变,从而对叶片一个反作用力混流式水轮机（Fra

8、ncis）2022/10/1125冲击式：转轮处在大气中，高速射流冲击转轮冲击式水轮机（Pelton）2022/10/1126水流特征、转轮结构特征和工作方式分类反击式混流式轴流式斜流式贯流式轴流定桨式轴流转桨式冲击式水斗式（切击式）斜击式双击式可逆式混流式轴流式斜流式贯流式2022/10/1127反击式（Reaction Hydraulic Turbine）混流式：幅向进流，轴向出流1主轴；2叶片；3导叶；4蜗壳；5尾水管12345radiaxial turbine，Francis turbine2022/10/1128反击式（Reaction Hydraulic Turbine）轴流式：轴

9、向进流，轴向出流axial flow turbine, Kaplan turbine1导叶；2叶片；3轮毂4蜗壳；5尾水管1234452022/10/1129反击式（Reaction Hydraulic Turbine）斜流式：斜向进流，斜向出流diagonal flow turbine12341蜗壳；2导叶；3叶片；4尾水管可转动叶片2022/10/1130反击式（Reaction Hydraulic Turbine）贯流式：机组在流道中间，周围过水through flow turbinebulb turbine1导叶；2转轮；3发电机；4灯泡1234122022/10/1131反击式（Re

10、action Hydraulic Turbine）through flow turbine2022/10/1132冲击式（impulse turbine）inclined jet turbine （a）水斗式； （b）斜击式； （c）双击式冲击式水轮机：高速射流在空气中冲击转轮Banki turbinePelton turbine2022/10/1133冲击式（impulse turbine）inclined jet turbine crossflow turbine, Banki turbinePelton turbine2022/10/1134可逆式:既是水轮机又是水泵(Reversibl

11、e) Pump Turbine混流式：3040600700m斜流式：150m以下，水头变幅较大轴流式：少惯流式：潮汐电站，水头1520m可逆式2022/10/1135各型水轮机适用不同水头范围对应不同转轮形状2022/10/11361.3 水轮机的基本构造反击式水轮机通常由四大部分组成进水部件：蜗壳 和座环导水部件：导叶及其传动机构工作部件：转轮泄水部件：尾水管 这四大部分对于不同类型的水轮机各不完全相同，有着自身的特点2022/10/1137引水部件蜗壳和座环蜗壳（和座环）蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部结构力的作用。2022/10/1

12、138引水部件蜗壳和座环蜗壳（和座环）蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部结构力的作用。座环2022/10/1139导水部件导叶及其传动机构导叶及传动机构导叶的主要作用是根据机组负荷变化来调节水轮机流量以改变水轮机出力，并引导水流按一定的方向进入转轮，形成一定的速度矩。包括的部件有：导叶、推拉杆、控制环、拐臂和连杆等2022/10/1140导水部件导叶及其传动机构导叶及传动机构导叶与导叶间的距离称为开度，开度的变化导致流量变化，进而改变出力。导叶开度由调速器控制。小开度（小流量）大开度（大流量）2022/10/1141工作部件转轮是水轮机的核

13、心转轮转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心部分。2022/10/1142工作部件转轮是水轮机的核心转轮转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心部分。三峡左案9号机组吊装2022/10/1143泄水部件尾水管断面沿程扩散尾水管尾水管除了引导转轮流出的水流泄入下游外，其主要的作用是回收位能和动能，它对水轮机效率影响很大，特别是对于低水头的情况。这部分内容后面详细论述大中型电站立式机组一般采用弯肘型尾水管2022/10/1144泄水部件尾水管断面沿程扩散2022

14、/10/1145工作部件转轮有不同的形状中高比转速混流式水轮机转轮混流式水轮机转轮组成：轮叶、上冠、下环和泄水锥上冠的外形与圆台体相似，在其下端固定着泄水锥，用于引导水流顺利地形成轴向流动，以消除顺利漩涡。轮叶的上端与上冠相固定，下端与下环相固定。三者连成一个整体，叶片呈扭曲状，其断面为翼形，叶片数目通常是1020片，均匀分布在上冠与下环之间低比转速混流式水轮机转轮2022/10/1146工作部件转轮有不同的形状轴流式水轮机转轮轴流式水轮机的转轮是由轮毂、轮叶和泄水锥三部分组成。在轮毂四周按悬臂方式安装轮叶，轮叶是扭曲面。边缘薄，根部厚，外形类似螺旋桨。轮叶数目按工作水头大小而定，工作水头较低

15、，轮叶数较少；反之，较多。一般为38片2022/10/1147水斗式水轮机主要由喷嘴、针阀、转轮和折向器组成喷嘴的作用是引导压力水流均匀流动，在喷嘴处收缩转换为仅有动能的自由射流；针阀的作用是控制流量的大小，适应出力大小的需要。2022/10/1148水斗式水轮机的构造2022/10/1149反击式和冲击式水轮机的差别 类型项目反击式冲击式能量转换势能（主要）+动能动能构造特点有蜗壳、尾水管，利用导叶调节流量无蜗壳、无尾水管，利用 针阀调节流量工作水头上、下游水位差扣掉引水道中水头损失上游水位与喷嘴出口高程差扣掉引水道中水头损失布置方式大中型均为立轴，转轮可装在下游水位以上或以下立轴、卧轴均可

16、，转轮必须装在下游最高水位以上水头范围 混流 轴流H=30-700m，H=3-80m水斗H=100-2000m2022/10/1150这些转轮分别是哪种水轮机的？2022/10/11511.4 水轮机的型号水轮机的牌号就是水轮机的姓名，其目的是为了统一产品规格，提高产品质量，便于选择使用。表明水轮机性能有两个主要参数：转轮直径D1和水轮机的比转速ns，所以在水轮机牌号上不仅要表明是什么类型的水轮机，而且要表示它的转轮直径和比转速。我国统一规定的水轮机牌号由三部分代号组成。第一部分代表水轮机类型和转轮型号；第二部分表示水轮机主轴的布置型式及水轮机室特征；第三部分表示水轮机转轮标称直径D1。 比如

17、：HL240-LJ-140，即混流式，比转速ns=240，立轴金属蜗壳，转轮直径D1=140cm。2022/10/11522022/10/1153水轮机型号中标称直径对不同水轮机有不同规定1.5 水流在反击式水轮机中的运动2022/10/1155水流在转轮中的运动是三维复合运动相对运动、牵连运动和绝对运动叶片表面：三维扭曲面叶道：三维扭曲空间转轮：绕主轴旋转所以水流在反击式水轮机转轮中的运动是一个复杂的三维空间的复合运动2022/10/1156分析水流在水轮机中的运动要作假定为了研究问题的方便，工程上一般作如下假定： 假定叶片无限多、无限薄。这样可以认为转轮中的水流运动是均匀、轴对称的。显然在

18、此假定下，流线也就和骨线的形状完全一致。（叶片翼形断面的中心线称为骨线）假定水流在进入转轮之前的运动是均匀的、轴对称的。假定水轮机在所研究的工况下保持稳定运行，即水轮机的特征参数（H、Q、N、n）保持不变，从而水流在水轮机各过流部件中的运动均为恒定流动。忽略水流的粘性：可认为这些流面之间是互不干扰的。2022/10/1157流面:水流轨迹线所在的喇叭形曲面轴面:通过轴线的平面轴面:转轮的旋转中心线与经过考察点的径向线所构成的平面。流面:某一流线线饶主轴旋转而成的回旋曲面。整个流道中有无数个这样的流面。水流质点运动:沿着喇叭形空间曲面(流面)而作螺旋型曲线运动,其轨迹是流面上的螺旋线。2022/

19、10/1158水流质点速度可分解,绝对速度为相对速度和牵连速度之和（速度三角形）水流质点的速度分解为相对速度W、牵连速度U和绝对速度V，构成速度三角形。速度三角形的形状、大小可以由它的两个边和夹角唯一确定。绝对速度是牵连速度和相对速度的矢量和沿流面展开图2022/10/1159进口速度三角形的形状、大小和参数1为V1与U1的夹角，称为V1的方向角。1为W1与U1的夹角，称为W1的方向角。牵连速度U1绝对速度V1大小：方向：切于圆周大小：方向：沿导叶端部切线方向2022/10/1160速度三角形形状和大小取决于直径、转速、水头和开度从上面的讨论可以知道：进口速度三角形的形状、大小取决于4个参数的

20、变化。即同理可以导出：出口速度三角形的形状、大小也取决于这4个参数的变化。即对于某一水轮机，在某一工况下运行时，有一定的进口速度三角形及与之对应一定的出口速度三角形。U2W2V22022/10/1161速度三角形的合成与分解绝对速度由相对速度和牵连速度合成，为了研究问题的方便，可以将这些速度向不同平面(轴面、流面切面、圆周切面)和坐标轴(轴向、径向、切向)分解。速度分解的目的是为了讨论水轮机基本方程时应用动量矩定律。Z流面轴面圆周面ruz2022/10/1162速度三角形在流面的切面上的分解流面上的任一点的速度三角形均在流面的该点切面上，可分解为Z流面轴面圆周面ruzVm：为流面上绝对速度的轴

21、面分量Wm：为流面上相对速度的轴面分量流面的切面上的速度分解2022/10/1163速度三角形空间分解:只有Vu对主轴有速度矩沿转轮圆周切线方向的速度通过轴心，即径向速度与水轮机主轴平行的速度对水轮机主轴产生速度矩对水轮机主轴均不产生速度矩圆周分速度轴面分速度圆周分速度径向分速度轴向分速度Z流面轴面圆周面ruz轴面速度分量VUW2022/10/11641.6 水轮机的基本方程水轮机的基本方程（Basic Equation）是描述水轮机转轮内能量转换的数学方程式，它是水轮机转轮设计和运行的理论依据。利用动量矩定律可以导出水轮机的基本方程。动量矩定律：单位时间内转轮流道内全部水流的质量对水轮机主轴

22、的动量矩变化等于作用在该质量上所有外力对同一轴的力矩总和。用公式表示为：2022/10/1165水轮机基本方程可由动量矩定理推导出来转轮流道内所有水流质量的动量矩总和，其中m、Vu、r分别表示任一水流质点的质量、圆周速度和所处位置的半径。作用在转轮流道内全部水流质点上的外力矩总和。公式左边为单位时间内水流质量对水轮机主轴的动量矩变化。实际为水流质量在转轮出口与进口间的动量矩的差值。2022/10/1166微小流束的动量矩变化率在水轮机流道内取一微小流束t时刻：微小流束在1-2的位置；t+dt时刻：微小流束流到1-2的位置。112211222022/10/1167整个流道的动量矩变化对微小流束在

23、整个流道求和，得整个流道内水体的动量矩变化通过水轮机转轮的有效流量水轮机出口断面圆周分速度水轮机进口断面圆周分速度水轮机出口断面矩速度水轮机进口断面矩速度2022/10/1168外力对轴的力矩总和公式右边为作用在该质量上全部外力对同一轴的力矩总和外力矩有：转轮叶片对水流的作用力矩重力矩：重力的合力与主轴重合，对主轴不产生矩压力矩：上冠下环对水流的压力，对主轴而言是对称的，合力与主轴平行，故也不产生矩摩擦力矩：数值很小可忽略，摩擦力所产生的水头损失将在水轮机水力效率中体现。2022/10/1169外力对主轴的力矩总和等于叶片对水流的作用力矩又根据作用力与反作用力定律，水流对转轮的作用力矩M与转轮

24、对水流的作用力矩 在数值上相等而方向相反。即故基本方程为 则所以又重力矩压力矩摩擦力矩叶片作用力矩2022/10/1170水流在转轮中进行能量交换是由转轮进出口速度矩的改变来实现的 该式给出了水流对转轮的作用力矩与水流本身的动量矩变化之间的关系水流能量转换为旋转机械能的平衡关系式。它说明水流在转轮中进行能量交换是由转轮进出口速度矩的改变来实现的。又，水轮机的有效功率可表示为：2022/10/1171在上述方程中，消去 得到水轮机基本方程：Vu1速度环量2022/10/1172 水流能量的交换是通过环量的变化来实现，要使该转换的效率 高，则需要 大， 小。进口要求 ，但由速度三角形可以看出，这种情况实际上不可能，水流无法进入转轮，失去意义。所以只能要求进口无撞击， 即由基本方程推导最优工况进口三角形无撞击条件2022/10/1173由基本方程推导最优工况进口三角