SDZ-1水力机械

1、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,第一篇 水轮机,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，是水电站动力设备之一。,第一章 水轮机的类型、构造及工作原理,1.1 水轮机的工作参数 水轮发电机组装置原理图,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。,一、水头(head),1.毛水头(nominal productiv

2、e head) HM=EU-ED=ZU-ZD 2.水轮机的工作水头 毛水头 - 水头损失=净水头 HG=EA- EB=HM - hI-A,3.特征水头(characteristic head) 表示水轮机的运行范围和运行工况。 最大工作水头： Hmax=Z正-Z下min-hI-A 最小工作水头： Hmin=Z死-Z下max-hI-A 设计水头(计算水头) Hr： 水轮机发额定出力时的最小水头。 平均水头： Hav =Z上av-Z下av,二、流量(m3/s)(flow quantity),单位时间内通过水轮机的水量 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

3、 在Hr、nr、Nr 运行时 Qr,三、出力与效率(output and efficiency),1.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)为： 水轮机的输出功率： 2. 效率： =N/Nw 一般=80%95%,四、工作力矩和转速,水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达 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 数额定转速n：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。,1.2 水轮机的主要类型,一、反击式水轮机 (reaction water tur

4、bine) 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，流过转轮的水流式连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都由水流通过，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。,类型,1.混流式：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 适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。,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

5、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)。,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。,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。水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。H20m,小型河床电站。,二、冲击式水轮机(Inpulse water tubine),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

6、分，而不是全部,类型,水斗: 特点是由喷泉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： 双击式： 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站,冲击式水轮机结构,水斗式水轮机转轮,轮叶,轮盘,水轮机的类型,反击式水轮机的主要组成部件： (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) 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。,第三节 水轮机的基本构造,一、 混流式水轮机基本构造

7、,水流蜗壳座环导叶转轮尾水管下游,蜗壳,蜗壳的作用是使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机。,座环,位于导水叶的外围。由上、下环和立柱组成。 作用：水轮机的骨架，承受机墩及传来的荷载，并传到下部基础；支承活动导叶； 断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。,导水机构,作用： 根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力引导水流按切向进入转轮，形成速度矩； 组成： 导水叶及其轴、调速器、接力器 导水叶：导水机构的主体，上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。 作用：改变导叶开度以改变流量。 导叶转动是通过调速成器 和接力器来实现的。 导叶参数：导叶数、高度、开度,

8、导叶的主要几何参数,（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。,转轮,水能 机械能 组成：轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥,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。,二、 轴流式水轮机的构造,1. 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，尺寸较小。 (2) 轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站,转轮叶片可以转动（双调），H、N变化时，

9、水轮机具有较高的效率。,2.转轮构造,轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似 组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构,叶片 ：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘薄以承受水流作用的抟矩。 叶片数目：与H大小有关，一般为48片； 叶片转角：最优工况时=0，0，叶片开始启动，+200 轮毂：外部连接叶片，内部安装转动机构。 转动机构：安装在轮毂内，由调速器控制，调整导叶角度。,三、斜击式水轮机构造,主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水管、主轴、导轴承等。 与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与主轴成4560的夹角。,斜击式水轮机构造,四、灯泡贯流式水轮机,实际上是卧轴安装的轴流式

10、水轮机，发电机安装在灯泡体内。,五、冲击式水轮机构造(水斗式),1. 水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、机壳、尾水槽,转轮,组成：轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。 连接方式： 螺拴、整体铸造、焊接。,喷管,组成：喷嘴、喷管体、导水叶栅、针阀、喷杆、 操作机构 针阀： 控制水轮机的过水流量，以行程表示。,折流板 使针阀缓慢关闭，降低水击压力，使水流偏离水斗，避免机组转速升高。 机壳 把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。 引水板 防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失,2、水斗水轮机的装置方式,(1) 卧轴：中小型水轮机。单喷嘴、双喷嘴、单转轮、双转轮。 (2) 立轴：大型水轮机。,

11、1-4 水轮机的型号及标称直径,反击式水轮机的型号 （由三部分组成） 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,冲击式水轮机的型号 2CJ30W 120/210 转轮型号为20，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，设计射流直径为10cm。,各种水轮机转轮标称直径D1,HL：转轮叶片进口边上最大直径 ZL、XL：转轮叶片轴心线相交处的转轮室直径 CJ：转轮与射流中心线相切处节圆直径,第五节 水流在反击式水

12、轮机转轮中的运动,一、复杂的空间非恒定流,水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流 1) 水头、流量在不断变化 2) 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。,二、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。,三、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） 水流随转轮旋转牵连流速 水流沿叶片流动的相对流速 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。,第六节 水

13、轮机工作的基本方程式,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。,二、水轮机的基本方程,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。,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。,第七节 水轮机的效率及最

14、优工况,一、水轮机的效率(efficiency) 水轮机的能量损失导致N Ns ，效率1 效率是由水力效率 、流量效率、机械效率组成 1. 水力损失(head loss)及水力效率 蜗壳、导叶、转轮、尾水管 沿程损失 旋涡、 脱流、 撞击 局部损失 水轮机的水力效率为,2. 流量损失及流量效率（容积效率）,水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为q，此部分流量不经过转轮作功，称漏损。 容积效率：,3.机械损失和机械效率,水轮机的输入功率：Ne 输出功率: N=Ne -Nm 机械效率： m=N/Ne 水轮机的总效率 =HVm 提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。根据模型试验得到。,二、水轮机的最优工况,水轮机的最优工况是指最高的工况。 一般情况下，对起主要作用的是水力损失，流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，在水力损失中撞击和涡流损失最大。,1、叶片进口设计,撞击损失主要发生在转轮叶片进口处。 当1(W1，U)= e1 时，则为无撞击进口工况。,2、叶片出口设计,涡流损失主要发生在转轮叶