第2章水轮机及选择.ppt

1、第2章 水电站水力机械,2.0 水力机械 2.1 水轮机的类型和构造 2.2 水轮机的工作原理 2.3 水轮机的特性及其选择 2.4 水轮机调速设备 2.5 发电机,水电站的设备,机电设备 发电设备 水轮机（调速器） 发电机（励磁装置） 主阀 起重设备 水力机械附属设备 电气设备 升压变电设备 主变压器 高压电气设备 一次拉线 公共设备（通讯，采暖通风，机修，计算机控制） 金属结构设备（闸门与启闭设备，拦污与启闭设备，钢管）,2.0 水力机械,水轮机+发电机： 水轮发电机组 功能： 发电 水 泵+电动机： 水泵抽水机组。 功能： 输水 水 泵+水轮机： 抽水蓄能机组。 功能： 抽水蓄能,水力机

2、械,水轮机是一种水力原动机，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，是水电站动力设备之一。 水泵是水力工作机，将机械能转化为水流能量的机械。,水轮发电机组,2.1 水轮机的类型和构造,2.1.1 水轮机的类型 2.1.2 水轮机参数 2.1.3 水轮机的型号及标称直径 2.1.4 水轮机的基本构造 2.1.5 大中小型水轮机的划分,2.1.1 水轮机的主要类型,2,1,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(既利用动能也利用势能),2.1.1 水轮机的类型,反击

3、式水轮机,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。 反击式水轮机的转轮是由若干个具有空间曲面的刚性叶片组成,当水流通过整个转轮时,由于弯曲叶道迫使水流改变流动的方向和流速大小,因而将其动能和势能给叶片以反作用力,并形成旋转力矩迫使转轮转动做功。 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，即水流充满转轮室。,反击式水轮机类型(1),混流式 特征:水流径向流入转轮，轴向流出。 适用范围：H=30-700 m , 单机容量：几万kW-几十万kW 适用于高水头小流量电站。,适用水头：30500m，Hmax=734m 叶片

4、：固定 1020片 最高效率 ：94% 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）,混流式水轮机,1-座环 2-导叶 3-转轮叶片 4-导轴承 5-主轴 6-金属蜗壳 7-尾水管里衬,混流式,混流式水轮机转轮,三峡水电站 水轮机转轮 转轮直径10.07米、高5.4米 ，重497T,反击式水轮机类型(2),轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。 轴流定浆式：叶片不能随 工况的变化而转动。 轴流转浆式：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)。 适于低水头大流量机组。,轴流式,轴 流 定 浆 式 转 轮

5、,轴流式水轮机剖面图,1-蜗壳 2-座环 3-顶盖 4-导叶 5-转轮式 6-底环 7-泄水锥 8-尾水管里衬 9-主轴 10-导轴承 11-转轮叶片,轴流转浆式水轮机转轮,反击式水轮机类型（3）,斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。常用于抽水蓄能水电站。,斜流式水轮机,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,斜流式（ Deriaz turbine ）,反击式水轮机类型（4）,贯流式：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

6、到尾水管出口都是轴向的。适用于低水头、大流量的河床式和潮汐水电站。,贯流式机组分类,全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其密封困难，现在较少使用。 半贯流式:根据发电机安装位置不同,有 灯泡贯流式：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。 轴伸式贯流机组：发电机安装在外面，水轮机轴伸出到尾水管外面。 竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内。,灯泡贯流式水轮机 Bulb tubular turbine,外形象管道且 主轴卧置,轴伸式贯流机组,竖井贯流式水轮机,二. 冲击式水轮机,定义：利用水流的动能来做功的水轮机为冲击式水轮机。 特征： 由喷管和转轮组

7、成。水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。,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,冲击式水轮机的类型,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。 水斗式水轮机是冲击式水轮机中目前应用最广泛的一种机型。 斜击式：射流中心线与转轮转动平面呈斜射

8、角度。 双击式：水流穿过转轮两次作用到转轮叶片上。 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站。,水斗式,多喷嘴安装,水斗式水轮机转轮,轮叶,轮盘,单喷嘴斜击式,斜击式水轮机转轮,双击式水轮机转轮,水轮发电机组装置原理图,2.1.2 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。 由水能出力公式N=9.81QH 可知，其基本参数包括工作水头H、流量Q、出力N、效率，此外还有工作力矩M、机组转速n。,2.1.2.1 水头,（1）毛水头 Hm=EA-EC=Z上-Z下 （2）水轮机的工作水头 毛水头-水头损失=净水头(即水轮机的工作水头),2.1.2

9、.1 水头,（3）特征水头 ：表示水轮机的运行范围和运行工况。 最大工作水头Hmax：电站运行范围内水轮机水头的最大值。 最小工作水头Hmin：电站运行范围内水轮机水头的最小值。保证水轮机稳定运行的最小水头。 设计水头Hr：水轮机在最高效率点运行时的净水头。水轮机按额定转速运转时发出额定出力时对应的水头。 平均水头Hw：电站运行范围内，考虑负荷工作历时的水轮机水头的加权平均值。,2.1.2.2 水轮机引用流量(m3/s),定义：单位时间内通过水轮机的水量。 讨论 Q随H、N的变化而变化，H、N一定时，Q也一定;当H=Hr、N=N额时，Q为最大。 在Hr、nr、Nr 运行时 Qr。,2.1.2.

10、3 转 速,概念：水轮机单位时间内旋转的次数称为水轮机的转数，用n表示，单位为r/min。 额定转速：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。并与发电机的同步转速相等。,2.1.2.4 出力与效率,出力(水轮机的输出功率)N 指水轮机轴传给发电机轴的功率。 水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量) 水轮机的输出功率 效率 =Nout/Nin 一般=80%95%,工作力矩和转速,水轮机的出力表达式 其中，M主轴力矩; 水轮机旋转角速度； n 转速，n=3000/p ， p 发电机磁极对数。,2.1.3 水轮机的型号及标称直径,反击式水轮机的型号 水轮机型式 + 转轮型号(比转数

11、)+主轴布置型式 + 水轮机室特征 + 转轮标称直径(cm) 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 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,反击式水轮机的型号,水轮机的型号及标称直径,冲击式水轮机的型号 同轴安装的转轮数 + 水轮机型号 + 转轮型号(比转数)+ 主轴布置型式 + 转轮标称直径(cm)+ 每个转轮上喷嘴数 + 设计射流直径(cm) 2CJ30 W 120/210 转轮型号为30，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上两个转轮，转轮直径为120cm,每个转轮两个喷嘴，设计射流

12、直径为10cm。,冲击式水轮机的型号,水轮机的型号及标称直径,水轮机型式的代号,水轮机的型号及标称直径,主轴布置形式和结构特征的代号,关于转轮直径D1的规定,反击式水轮机转轮标称直径系列(单位:cm),练 习,（1）HL220-WJ-71 （2）ZZ560-LH-1130 （3）GD600-WP-250 （4）2CJ22-W-120/210 （5）SJ40-W-50/40,答 案,1.混流式水轮机，转轮型号是220，卧轴，金属蜗壳，转轮直径为71cm 2.表示轴流转浆式水轮机，转轮型号560，立轴，混凝土蜗壳，转轮标称直径为1130cm 3.贯流定桨式水轮机，转轮型号为600，卧轴，灯泡式水轮

13、机室，转轮标称直径250cm 4.表示水斗式(冲击式)水轮机，同一轴上装有2个转轮，卧轴布置，转轮标称直径为120cm，每个转轮有2个喷嘴，喷嘴设计射流直径为10cm 5.表示双击式水轮机，转轮型号40，卧轴布置，转轮标称直径为50cm，转轮轴向长度为40cm。,2.1.4 水轮机基本构造,2.1.4.1.反击式水轮机的过流部件 (1) 进水(引水)部件蜗壳：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮。 (2) 导水机构（导叶及控制设备)：控制工况 (3) 工作机构：转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。 (4) 泄水部件(尾水管):回收能量、排水至下游。,组成反击式水轮机的

14、部件 引水机构（蜗壳）：将水流引入转轮前的导水机构并形成一定的旋转量。 导水机构（活动导叶及其传动机构）：引导水流按一定方向进入转轮，并通过改变导叶开度来改变流量，调整出力；此外还可用来截断水流，以便进行检修与调相运行，开、停机. 工作机构（转轮）：将水流能量转变为旋转机械能。 泄水机构（尾水管）：引导水流流至下游,并能回收转轮出口水流中的剩余能量。 非过流部件（主轴、润滑、密封等）：将转轮机械能传递给发电机转子。,混流式水轮机基本构造图,水流蜗壳座环导叶转轮尾水管下游,1导叶底环 2导叶 3顶盖 4控制环 5减压孔 6上冠 7导轴承 8连轴器 9主轴 10套筒 11蜗壳 12座环 13座环下

15、环 14转轮下环 15叶片,引水部件,水轮机的引水部件又称引水室。 作用：引导水流均匀、平顺、轴对称地进入水轮机的导水机构，并使水流在进入导叶前形成一定的环流，以提高水轮机的效率和运行稳定性。,引水式类型,开敞式：槽中水流有自由水面 封闭式：槽中水流无自由水面,开敞式引水室 压力槽式 罐式,金属蜗壳,金属蜗壳和混凝土蜗壳,(1)蜗壳的功用及型式,功用：蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。 型式 金属蜗壳：当H40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机 混凝土蜗壳：适用于低水头大流量的水轮机，当H40m时应用。,(2)蜗壳断面尺寸的拟

16、定,主要参数 A、断面形状：,（a）圆形断面； （b）梯形断面,混凝土蜗壳进口断面形式,(2)蜗壳断面尺寸的拟定,主要参数 B 、蜗壳的包角0：蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角。 a、金属蜗壳：0=340350,常取345 b、混凝土蜗壳：0=180270,一般取180,(2)蜗壳断面尺寸的拟定,主要参数 C 、蜗壳进口断面的平均流速Vc a、金属蜗壳： K流速系数,见下页； H水轮机水头，一般以额定水头Hr计算。 b、混凝土蜗壳：查下下帧图,金属蜗壳进口断面的平均流速流速系数,混凝土蜗壳进口断面的平均流速Vc,（3）蜗壳的水力计算,水力计算的目的 确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳

17、单线图，为厂房设计提供依据。,（3）蜗壳的水力计算,金属蜗壳的水力计算 计算假设 径向分速度相等 圆周分速度变化规律选其一 等流速：各断面沿圆周方向的切向流速Vu不变，且等于蜗壳进口断面的平均流速Vc。即VuVc常数 等流速矩：水流的流速矩不变，即VuR常数,（3）蜗壳的水力计算,金属蜗壳的水力计算 a）对于进口断面 断面的面积 断面的半径 从轴中心线到蜗壳边缘的半径 b）对于中间任一断面,（3）蜗壳的水力计算,金属蜗壳的水力计算 由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为： (a) 确定0 和Vc ； (b) 求Ac、max、Rmax； (c) 由i 确定Ai、i、Ri。,金属蜗壳的单线图,座环

18、,（3）蜗壳的水力计算,混凝土蜗壳的水力计算（刘启钊P34-35） (1) 求进口断面积Ac ； (2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其AAc (3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表示,并画出1、2、3.等中间断面。 (4) 测算出各断面的面积，绘出A = f(R)关系曲线。 (5) 按 绘出F = f()直线。 (6) 根据、i确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。,（3）蜗壳的水力计算,混凝土蜗壳的水力计算图,混凝土蜗壳单线图,组成：上环、下环及支柱（固定导叶）组成。 位置：位于蜗壳与导叶之间，即活动导叶以外。 作用：支承水轮发电机组的重量及

19、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。,座环,水轮机座环 1上环；2下环；3固定导叶,2.导水部件,作用：引导水流以一定的方向进入转轮，形成一定的速度矩，并根据机组负荷的变化调节水轮机的流量以达到改变水轮机功率的目的。,导叶,转臂,连杆,控制环,接力器,导水机构,拐臂,控制环,导叶,连杆,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 a0 (mm) 表征导叶所处位置的特征参数。指两导叶之间内切圆的直径。,导叶的主要几何参数,座环,活动导叶,控制环,导水机构与座环的相对位置,翼型导叶,3.工作部件转轮,水能机械

20、能,减压孔 1轮毂 2翼型扭曲叶片(1221片) 3下环 4、5止漏环(迷宫环) 6泄水锥,1,混流式（Kaplan /axial-flow turbine ）,混流式转轮剖面图,a）适用于低水头； b）适用于中水头； c）适用于高水头,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 ）,（a）转桨式 （b）定桨式 1轮毂； 2转轮叶片 ； 3泄水锥,轴流式转轮,立轴式水轮机（vertical turbine with fixed

21、blades）,轴流定桨式水轮机转轮,轴流转浆式水轮机转轮（runner of Kaplan turbine ）,轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似,轴流式水轮机叶片操作机构,轴流式水轮机的特点,安放角,轴流式水轮机的特点,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,3,斜流式（ Deriaz turbine ）,斜流式转轮 1刮板接力器；2操作盘；3转臂；4桨叶,斜流式转轮实物,斜流式水轮机的特点,水流特征：从流道进口到尾水管出口 均沿轴向（没有蜗壳） 适用水头：140m 叶片：

22、定浆或转浆 单机容量：几kW几万kW 效率：9092%,4,贯流式（ Tubular turbine ）,灯泡贯流式水轮机 Bulb tubular turbine,外形象管道且 主轴卧置,4.泄水部件尾水管,尾水管的作用是引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。,尾水管作用,尾水管作用,尾水管作用 汇集转轮出口水流，并引导排至下游； 利用了静力真空Hs势能（当Hs 为正时）； 以动力真空的方式回收了转轮出口水流的大部分动能。 尾水管动能恢复系数 尾水管产生的静力真空 取决于水轮机安装高度，故 能量利用程度用动能回收程度 来衡量。,4.泄水部件尾水管,尾水管的型式 直锥形尾水管：结构简单，

23、水力损失小，效率高80%-85%，但尾水管较长，适用于小型水电站 弯管直锥形尾水管：水力损失大，效率较低40%-60% ，常用于小型卧轴混流式水轮机 弯肘形尾水管：水力性能好，效率75%-80% ，适用于大中型立式机组水轮机（贯流除外）,尾水管尺寸选择,初设可选择定型化资料，见下帧。 实际设计由水轮机制造厂家依据模型试验与分析确定提供。,尾水管定型资料,D1,h1,h2根据转轮定。 当水头H150m，或流速大于6m/s时，要设金属里衬。 尾水管长度L=(3.5-4.5）D1.,尾水管定型资料,（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

24、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,适用水头： 小型：40250m 大型：400 1000m Hmax = 1767m 单机容量：几十千kW 十几万kW 实例：磨房沟水电站12500kW/单机,冲击式水轮机主要过流部件,以水斗式水轮机为代表，冲击式水轮机的主要过流部件有转轮、喷管、折向器、机壳,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

25、式布置。,轮叶,轮盘,水斗式水轮机转轮,转轮结构,喷管结构图 1接力器；2针阀杆；3弯管；4喷嘴； 5喷嘴口；6折向器；7转轴；8针阀；9导水栅,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,2.1.5 大中小型水轮机的划分,2.2 水轮机的工作原理,2.2 水轮机的工作原理,2.2.1 水轮机的基本方程式 2.2.2 水轮机的能量损失及效率 2.2.3 水轮机的汽蚀,2.2.1 水轮机的基本方程式,2.2.1.1水流在转轮中的运动 1）水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流 水头、流量在不

26、断变化 叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。,水轮机的基本方程式,水流在转轮中的运动 2）恒定流状态 水轮机在某一工作状况时 (H、Q、N、不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动是恒定流。水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。,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,混流式水轮机转轮内的流面和轴面,水流

27、质点绝对速度 V 的分解,对于轴流式，U1=U2=U，Vr=0,A,Vu,U,W,V,Vm,水轮机的基本方程式,水流在转轮中的运动 3）水流运动是空间三元流 水流运动规律用速度三角形表达 水流绝对流速（相对于地球） 水流质点随转轮作旋转运动，牵连运动（圆周运动） 水流从转轮进口沿叶片流道到转轮出口的运动（相对运动） 用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。转轮进口和出口的速度三角形是研究水轮机工作的重点。,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,2.2.1.2 水轮机基本方程,水轮机的基本方程式,动量矩方程 单位时间内水流

28、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。,水轮机的基本方程式,水轮机的基本方程式 在稳定工况下(n、Q、H均不变)，转轮内的水流运动是相对的恒定流，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。,水轮机的基本方程式,方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。 水流传给转轮的能量与水流在转轮进出口之间的动量矩的变化相平衡。没有这种动量矩的改变，转轮就不可能获得水流能量而做功。,水力损失,流量损失,机械损失,水轮机能量

29、损失,2.2.2 水轮机的能量损失及效率,2.2.2 .1 能量损失及效率分类,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,水轮机的效率,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,机械损失和机械效率,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）,水轮机的能量损失及效率,水轮机的总效率 提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦损失。根据模型试验得到。 水轮机的最优工况是指最高的工况。,容积损失,机械损失,水力损失,出力 N Nmax,100%,D1、n、H一定情况下，改变Q时，水轮机效

30、率与出力的关系,2.2.2.2 水轮机的能量损失大小,2.2.2.3 水轮机的最优工况,2.2.2.4 反击式水轮机最优工况条件,无撞击进口：不至于发生水力碰撞、脱流，水力损失最小,V2最小 也最小 Vu2=0，水流出转轮后没有旋转可使尾水管中摩损减小。,法向出口：绝对速度V2的垂直于圆周速度U2的方向。,水轮机最优工况(反击式）,转轮出口的速度三角形比较,高水头水轮机，最优的转轮出流应为法向，但对中、低水头水轮机，取2 略小于90。 实际运行中，水轮机运行工况范围均有一定限制。 若 ，可能会产生脱流, 出口角 90为宜。 转桨式水轮机高效区宽的原因就是在非额定工况下，可调节叶片的安放角，尽可

31、能实现无撞击进口和法向出口。,需要说明的问题,2.2.2.5 水轮机最优工况(水斗式）条件,水斗式水轮机基本方程式 水斗式效率最高条件 最优速度比u/v1=0.5;实际采用0.42-0.48. 斗叶出水角2=0，即cos 2=1.实际2=30-40,2.2.2.6 提高水轮机效率的途径,2.2.3 水轮机的汽蚀,汽蚀现象 气蚀概念与机理 汽蚀造成的危害 水轮机空化类型 水轮机的汽蚀系数 防止汽蚀措施,2.2.3.1水轮机的汽蚀现象,隔河岩1号水轮机转轮空蚀,气蚀破坏,2.2.3.2 汽化的概念与机理,气蚀及气蚀压力的概念 液体发生气化是由气压和水温决定的。 水在一定压力下加温引起的汽化为沸腾；

32、 环境温度不变压力降低引起的汽化叫汽化。 在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的汽化压力(Pb),水轮机汽蚀定义,水在通过水轮机流道时，由于各处的速度和压力不同，在低压区会产生水的汽化，出现气泡。当含气泡的水流到高压区时，气泡又会溃灭。汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生破坏的现象，称水轮机的汽蚀。,由于流道的变化，会引起各处压力的变化。在高流速处会产生压力降低，低于汽化压力时会汽化。汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。 大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到

33、严重破坏 机械破坏，称为疲劳剥蚀。 汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部温度升高(可达到300)，汽泡的氧原子与金属发生氧化反应，造成腐蚀， 化学腐蚀。 由于温度升高，产生电解作用化学腐蚀。,气蚀的机理,2.2.3.3 水轮机的汽蚀危害,汽蚀造成的危害 使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。 降低机组出力与效率。增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。 机组产生振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。 缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消耗钢材、延长工期；增加运行成本。,2.2.3.4 水轮机的汽蚀类型,翼形（叶片）汽蚀：

34、转轮叶片背面出口处产生的空化，与叶片形状、工况有关。是反击式水轮机主要空化形式。 间隙汽蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生空化。 空腔汽蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生空化破坏，造成尾水管振动。 局部汽蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空化。,汽蚀类型图示,尾水管内的真空涡带,尾水管内的真空涡带,2.2.3.5 水轮机的汽蚀系数,水轮机的汽蚀系数 影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡量水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言，其标志为汽蚀系数。 汽蚀系数是水轮机汽蚀特征的一个标

35、志，越大，水轮机越容易破坏 ，气蚀性能越差。,叶片上压力最低点K,5,5,2.2.3.6 防汽蚀措施,防止汽蚀措施 反击式水轮机发生汽蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了P(最低压力点的压力)Pb（水的汽化压力）的情况。因此防止汽蚀的措施是限制p的降低，使PPb。 设计制造方面： 合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗空化钢衬(不锈钢)。 工程措施：合理选择安装高程；采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。 运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度；必要时在尾水管补气。,尾水管补气,水轮机的吸出高度概念 水轮机的吸出高度的推导 水轮机吸出高度规定,2.2.4 水轮机的吸出高度,2.2.4 .1水

36、轮机的吸出高度概念,吸出高度是指在水轮机中所规定的汽蚀基准面与尾水位的高差，常用Hs表示。,水轮机的吸出高度,吸出高度有正、负之分 ： 当下游水面高程低于叶片最低压力点高程时，吸出高度为正； 当下游水面高程高于叶片最低压力点高程时，吸出高度为负。,2.2.4 .2水轮机的吸出高度的推导,吸出高计算,吸出高计算公式 由模型试验得到；是真机的修正值，查下帧图。 K =1.1-1.35 m是模型气蚀系数，可从模型综合特性曲线上查得。,空化系数修正值图,2.2.4 .3 水轮机吸出高度规定,不同型式水轮机的吸出高度 1）立轴轴流式水轮机：Hs为下游水面至转轮叶片中心线的距离； 2）立轴混流式水轮机：H

37、s为下游水面至导叶下环平面的垂直距离；,水轮机吸出高度的规定,不同型式水轮机的吸出高度 3）立轴斜流式水轮机：Hs为下游水面至转轮叶片旋转轴线与转轮室内表面相交点的垂直距离； 4）卧轴混流式、贯流式水轮机：Hs为下游水面至转轮叶片最高点的距离,2.2.5 水轮机的安装高度,水轮机的安装高程是指水轮机的标高所在的海拔高程。,水轮机的安装高度规定,立轴HL：导叶中心平面高程 Za=w+Hs+b0/2 立轴ZL：导叶中心平面高程 Za=w+Hs+xD1 卧轴HL和GL：轴中心高程 Za=w+Hs-D1/2 w ：水电站设计尾水位, 选用水电站最低尾水位。根据下游水位流量曲线确定。 b0 ：水轮机导叶

38、高度； D1：转轮直径 X见下帧表,轴流式水轮机高度系数,确定设计尾水位w的水轮机过流量,水轮机的安装高度,水斗式水轮机安装高程（喷嘴中心高程） 立轴 Za=w+hp 卧轴 Za=w+hp+D1/2 其中hp为排出高度，=（0.1-0.15）D1。 见上上帧图。,2.3 水轮机的特性及其选型,2.3.1 水轮机特性概念 2.3.2 水轮机的相似律和单位参数 2.3.3 水轮机模型试验 2.3.4水轮机的特性曲线 2.3.5 水轮机的选择,2.3.1 水轮机特性概念,水轮机特性 水轮机在不同工况下运行时，各运行参数(H，Q，n，P，)及这些参数之间的关系，称水轮机的特性。 研究方法 由于水轮机水

39、流条件复杂,理论研究有假设,影响结果; 复杂的过流没有精确的计算方法.,研究水轮机特性靠理论与实验相结合的方法。,研究方法,模型试验 原型(真机)试验：尺寸大，试验困难，不经济。 模型试验：制作快，费用低，实验方便(D : 250460mm，H ：26m) 试验研究问题 怎么做水轮机模型才能模拟原型水轮机？ 原、模型水轮机相似条件问题 水轮机模型的试验结果如何应用于原型水轮机？ 原、模型水轮机相似定律问题,2.3.2 水轮机相似条件及相似公式,相似条件 相似定律 单位参数 水轮机的比转速,2.3.2.1 水轮机的相似条件（similarity of turbine）,水轮机的相似条件,各对应点

40、的速度三角形相似,两台几何相似水轮机过流通道内所有对应点的水流质点所受到的作用力均是同名力(压力、惯性力、重力、摩擦力等)，且各同名力方向相同、大小成比例。 两台水轮机相似，不但要保证上述三个相似条件成立，而且还要保证其边界条件、起始条件的相似。,动力相似,3,水轮机的相似条件,说明,轮系:指几何相似的大大小小的一套水轮机系列. 同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。 同一轮系水轮机，保持运动相似的工作状况相似工况。 相似是相对的。,2.3.2.2 相似定律（similarity criterion）,水轮机的相似定律 水轮机在相似工况下运行时，其各工作参数（如：水头H、流量Q、转速n等

41、）之间的固定关系。 相似定律内容 转速相似定律 流量相似定律 出力相似定律,转速相似定律,任意点流速与有效水头 HH 的关系为,水流在转轮进口的圆周速度U1可写成,流量相似定律,通过水轮机转轮的有效流量,2,水轮机出力为,出力相似定律,相似定律及应用问题?,2.3.2.3 单位参数,单位参数表达式,重要说明,说明,2.3.2.4水轮机的效率换算及单位参数修正,修正的原因：推导单位参数时假定原型与模型水轮机的总效率和各分效率相等，但实际是原型水轮机总效率高于模型水轮机的总效率。 效率修正主要是最优效率值的修正，而水轮机最优工况下运行时，水力损失主要是沿程损失，局部损失所占比例不大。,水轮机的效率

42、换算及单位参数修正,根据水电站现场试验和长期使用经验，效率修正公式,已知 Mmax pmax 公式中 M应取最大值 对于混流式水轮机，最优效率点是唯一的。 轴流转桨式， Mmax= m（），每一个 Mmax 效率修正时应分别对待,说 明,考虑模型、原形水轮机制造工艺上的影响，再扣除一个值，故效率修正值为 大型水轮机： =12% 中小型水轮机：=24% 以上是对最优工况下的值的修正,对于任意工况，按经验 混流式：,转桨式：由于mmax= m（），故每个应分别修正在 不同的角下， 值也不同,单位转数和单位流量的修正,单位转速的修正值,原形水轮机的单位转速,在实际应用中， 在单位流量中所占比例很小，

43、一般不进行修正。 对单位转速，若 时，也可忽略，不进行修正。,特殊情况,2.3.2.4 水轮机的比转速(Specific speed),单位转速公式 单位出力公式 上二式消去D1得 因为同一系列水轮机在相似工况时上式左边两单位参数均为常数，故右端也为常数，定义为比转速。,水轮机的比转速(Specific speed),比转速 同一轮系水轮机，当其工作水头H=1m，出力N=1kW时，所具有的转速。 用单位转速和单位流量表示 用水头H和流量Q等工作参数表示,关于比转速的讨论,相似水轮机，工况相似，ns相同，不同的ns 反映不同轮系水轮机特征。 当H一定时： ns Nn。比转速增加，单位流量增加，b

44、0/D1增大，转轮叶片数目减少。机组尺寸缩小，投资减少，因此提高比转速可以降低造价。 当H和N一定时，ns，汽蚀系数越大。要减小汽蚀系数，增加厂房开挖深度和土建投资。高比转速的水轮机,气蚀条件是限制其应用水头范围的主要因素。,由于ns随工况变化而变化，所以通常规定采用设计工况或最优工况下的比转速作为水轮机分类的特征参数。,水斗式 ns =1070,混流式ns =60350,斜流式ns =200450,轴流式ns = 400900,贯流式ns =6001100,现代各型水轮机的比转速范围,水轮机的比转速,2.3.3 水轮机模型试验,目的：保证水轮机在工作范围内高效率、稳定运行。研究水轮机在各种工

45、况下的能量特性、空蚀特性等。 任务：水轮机模型试验是按一定比例将原形水轮机缩小为模型水轮机，并采用较低的模型水头HM和较小的QM 进行试验，测出各工况下的工作参数，然后通过相似公式换算和修正得出该轮系的综合参数。 类型：能量试验、空蚀试验、飞逸试验、轴向水推力试验等。,反击式水轮机能量试验台,能量试验目的：确定水轮机各工况下效率。,试验成果表,试验方法 在不同导叶开度下改变负荷（工况），测出HM，QM，nM，NM，求出效率，单位流量和单位转速。,模型水轮机的水流输入功率,则模型水轮机效率,单位转速,单位流量,能量试验数据记录计算表,水轮机特性曲线概念与类型 线型特性曲线 综合特性曲线,2.3.

46、4 水轮机的特性曲线,2.3.4.1 水轮机特性曲线概念与类型,概念 表示水轮机各参数之间关系的曲线。 类型 线型特性曲线：反映2-3个参数之间的关系曲线 综合特性曲线：表示多个参数之间的关系，能较完整地描述水轮机各运行工况的特性。 模型综合特性曲线 运转综合特性曲线,2.3.4.2 线型特性曲线（原型机）,工作特性曲线(正常工作状态) 表示D1，n，H一定时,-N（效率特性曲线）、-Q、Q-N（流量特性曲线）间关系。 水头特性曲线 表示D1，n和a0一定时，-H 、N-H之间的关系。 转速特性曲线 表示D1,H和a0一定时，Q-n、N-n、-n之间的关系。,工作特性曲线,水轮机工作特性曲线

47、（a）出力特性曲线；（b）流量特性曲线；（c）开度特性曲线,关键点,当功率为零时，流量不为零，此处的流量称为空载流量，对应的导叶开度称为空载开度。水轮机空载流量一般较小，水流作用于转轮的力矩仅够克服阻力维持转轮以额定转速旋转，而没有功率输出。 效率最高点对应的流量为水轮机的最优流量。 功率曲线最高处的功率，称为极限功率，对应的流量称为极限流量 .,以 为纵坐标，以 为横坐标而绘制的几组等值曲线 等效率线 导叶（或喷针）等开度a0 线 等气蚀系数线 混流式水轮机的出力限制线 转桨式水轮机转轮等转角线,2.3.4.3 模型综合特性曲线,水轮机特性曲线,水轮机的综合特性曲线是由水轮机模型试验资料整理

48、后绘制而成的，在水轮机有关手册或制造厂产品目录中可获得，每一个轮系都有一套对应的主要综合特性曲线。,混流式水轮机的模型综合特性曲线,解读,等效率曲线：越往内圈，效率越高，最内圈的效率（=91%），其几何中心点即为最优工况点，由图上查得% （为最内圈的效率加1%）； 最优单位参数有：最优单位转速=72.0r/min，最优单位流量=1100L/s, 汽蚀系数=0.2； 限制工况：作72.0r/min 的平线，与5%出力限制线相交于一点，此点即为限制工况点，该工况点的参数可由图上查得 =1240 L/s, =90.4%， =0.2。,n1,n1A,Q1A,Q1,85%,87%,86%,A,c,b,a

49、,Q1(l/s),Q1A,%,单位出力,（也称 5%出力储备线或 95%出力限制线）,出力限制线,因水力流态紊乱，效率降低而发生出力下降 。,水轮机的5%出力限制线是怎么一回事？ 假设水轮机以最大出力运行（B点工况） 模型、原形水轮机性能差异也要求水轮机运行有一定限制。 水轮机出力储备应视具体情况而定 轴流转桨 3% N1max 混流式 5% N1max,沿n1的方向伸长了 高效率区很窄（N变化急剧降低） 沿Q1的方向压缩了 适用于一定荷载情况下工作最为有利（满荷）,轴流定桨式水轮机综合特性曲线的特点,轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线,轴流转浆式水轮机的模型综合特性曲线,ZZ440模型综合曲

50、线,ZZ440轴流转浆式水轮机,有等转角（）线 ； 没有5%出力限制线，这是因为其最大出力主要受汽蚀条件的限制，其限制工况为汽蚀系数； 等效率曲线最内圈的效率（=88%），其几何中心点即为最优工况点，由图上查得：=89% （为最内圈的效率加1%）；其最优单位参数有：最优单位转速115r/min，最优单位流量800L/s, 汽蚀系数0.3；,该型水轮机的限制工况为汽蚀系数 =0.72（由表28查得）：在图上作 =115r/min的平线，与 =0.72的等值线相交，此点即为该水轮机模型的限制工况，其参数亦可由图上查得： =1650L/s, =82%， =0.72。,轴流转桨式水轮机综合特性曲线,特

51、点： 转轮叶片装置角可以变化 作法： 对每一个角，类似于轴流定桨式特性曲线 将各角的特性曲线绘在同一图上 在其上各角下的相应等效率线的包络线就是总的等效率线 其效率曲线区域宽广，能很好地适应水头及出力的变化,等效率线,冲击式水轮机的模型综合特性曲线,冲击式水轮机解读,等效率曲线宽而扁，说明对负荷适应性好，在相当大开度下仍不会出项单位流量增加而出力减小的情况，故不标出力限制线。 冲击式水轮机转轮在大气压下工作，其气蚀无法用气蚀系数表达，故不标注等气蚀系数线。 冲击式水轮机过流量与转速无关，只与喷嘴开度有关，故等开度线为垂直虚线。,说明,一个轮系水轮机有一份模型综合特性曲线。 模型综合特性曲线来源

52、 水轮机手册 水轮机制造厂,水轮机的综合特性曲线是由水轮机模型试验资料整理后绘制而成的，在水轮机有关手册或制造厂产品目录中可获得，每一个轮系都有一套对应的主要综合特性曲线。,概念 在转轮直径 D1 和转速 n 为常数时，原型水轮机主要运行参数(水头、出力、效率、吸出高等）之间关系曲线。常以水头 H 和出力 N 为纵、横坐标绘制而成。 作用 由于它包括了水轮机的整个运行区域，可用于检查所选水轮机是否正确，也可指导水轮机的合理运行。,2.3.4.4 运转特性曲线,运转特性曲线,运转特性曲线内容 等吸出高度Hs 线 等效率线 出力限制线 运转特性曲线来源 是根据同系列模型水轮机的主要综合特性曲线换算

53、和修正得来。,混流式运转特性曲线,水轮机出力限制线,发电机出力限制线,Hr,发电机额定出力Nr,出力限制线(运转特性曲线）,出力限制线表示水轮机在不同水头下实际允许发出的最大出力。 由于水轮机与发电机配套运行，所以水轮机最大出力受到发电机额定出力和水轮机5%出力储备线（水头大于Hr时，效率急剧下降）的双重限制。 发电机的出力与水头无关，在一定功率因素下，它额定出力为常数。,轴流定桨式运转特性曲线,轴流转桨式运转特性曲线,相关说明,2.3.5 水轮机的选择,水轮机选型设计的内容 机组台数及单机容量的选择 水轮机型号选择 反击式水轮机的主要参数选择 选型计算算例,2.3.5.1 水轮机选型设计的内

54、容,(1) 确定机组台数及单机容量 (2) 选择水轮机型式（型号）及装置方式 (3) 确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、 (4) 绘制水轮机运转特性曲线 (5) 估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择 (6) 根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。,2.3.5.2 机组台数及单机容量的选择,（1）机组台数与工程建设费用的关系 (工程量、安装维护、接线、运输)。在大多数情况下，机组台数增多将增加工程建设费用。 （2）机组台数与设备制造、运输

55、及安装的关系。一般希望选用较大容量的机组。 （3）机组台数与电站运行效率的关系。台数多,平均效率高. （4）机组台数与运行、维护的关系。不宜选择过多的机组台数。 （5）机组台数与电气主接线的关系。现行水电站电气主接线采用扩大单元方式较多，故机组台数为偶数有利。由于运行方式机动性和厂用电可靠性的要求，全厂机组台数一般不宜少于两台。,以上每一因素都包含相互对立又相互联系的两个方面，选择时抓住主要因素。 我国已建大中型电站中，台数一般为2，4，6，8等偶数，中型电站以4台为多。,水轮机的选型,已知N单、各种特征水头（Hmax、Hmin、Hav、Hr）选择的两种方法 根据水轮机系列型谱选择,起主要作用

56、的是水头，每一类型的水轮机都有一定的水头使用范围 上限水头：根据水轮机结构强度及汽蚀特性限制 下限水头：考虑经济方面等因素 反击式水轮机转轮暂行系列型谱,第六节 水轮机的选型,采用套用机组和通用机型 要求设备系列化、标准化、通用化 水轮发电设备制造和已建电站的运行情况,选型时，在设计水头接近，经济技术指标相当的情况下，除特殊情况外，均应按已有的通用机型进行选择和制造（可节省设计工作量，并尽早供货，提前发电）,水轮机的选型,（一）用系列应用范围图选择水轮机的主要参数,应用范围总图：在HN图上，把各个型号水轮机的最优工作范围绘出,2.3.5.4 反击式水轮机的主要参数选择,水轮机的选型,水轮机的选

57、型,根据相似公式计算出原形水轮机的主要参数（ D1、n ) 把已选定的原形水轮机参数反过来换算成模型参数 将模型参数放置到模型主要综合特性曲线上，检验所选水轮机工作条件是否合理（即检验高效区）,（二）用主要综合特性曲线选择水轮机的主要参数,水轮机的选型,选择计算点n1, D1 D1，n 计算点选择原则： 在可能的条件下，选取大的Q1 ,以使转轮直径最小 在保证效率的前提下，使机组具有较高的转速,步 骤,水轮机的选型,水轮机出力 N 若发电机出力 Ng，则须换算成水轮机出力 N,水轮机转轮直径D1的计算,第六节 水轮机的选型,H应采用设计水头，即 Hr 若H=Hmax， 则 D1=D1min，只

58、有在大于设计水头时，水轮机才能发出所要求的额定出力 若H=Hmin， 则 D1=D1max，但D1很大，设备、厂房投资增加 若H=Hr, 保证水轮机发出额定出力的最小水头。 Hr与平均水头Hav的关系,水头 H,第六节 水轮机的选型,水轮机单位流量Q1 混流式：Q1应选在最高效率区相应的出力限制线上或靠近出力限制线稍左一点 轴流转桨式：工况限制点由汽蚀性能和效率控制,应比较分析确定一个合理的Q1,第六节 水轮机的选型,水轮机效率,表1-2（p18）,第六节 水轮机的选型,反击式水轮机转轮标称直径系列(单位:cm),水轮机的选型,水轮机转轮直径D1 采用上面计算后所得的转轮标准直径 水轮机水头H 采用加权平均水头最为合适，我们希望水轮机经常工作的水头运行时效率最高 若没有加权平均水头，也可用设计水头Hr代入,2,水轮机转速的计算,第六节 水轮机的选型,磁极对数与同步转速系列,第六节 水轮机的选型,水轮机单位转速n1 n1选最优工况或稍高一些的单位转速值 注意：上面计算D1、n都是采用综合特性曲线上的n1、Q1值，由于原型、模型水轮机效率的不同，因此，在求得D1、n后，要进一步计算水轮机的出力N，吸出高Hs等参数时，必须对模型的效率值进行修正，再对n1、Q1值修正。,第六节 水轮机的选型,D1、n确定后,工作范围的检验,在模型综合特性曲线上，作n1=n1max, n1=n1mi