第一章 緒 論

1、能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水輪機(jī),,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,第一章 緒 論,第一節(jié) 水電站與水輪機(jī)第二節(jié) 水輪機(jī)的工作參數(shù)第三節(jié) 水輪機(jī)的類型及使用范圍第四節(jié) 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)概述第五節(jié) 水輪機(jī)的牌號(hào)及裝置方式第六節(jié) 現(xiàn)代水輪機(jī)的發(fā)展,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,第一節(jié) 水電站與水輪機(jī),自然界有多種能源，目前已被開發(fā)利用的能源中主要有熱能、水能、風(fēng)能、核能和太陽能。其中水能是一種最經(jīng)濟(jì)的能源，也是一種永遠(yuǎn)消耗不盡的能源。

2、利用水能發(fā)電是最經(jīng)濟(jì)的電能轉(zhuǎn)換方式。,1.設(shè)備簡(jiǎn)單。,,2.發(fā)電成本低，運(yùn)行、維護(hù)、管理等簡(jiǎn)單。,3.啟動(dòng)快。,4.污染少。,適于調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等。,優(yōu)點(diǎn)：,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水電站：借助水工建筑物和機(jī)電設(shè)備將水能轉(zhuǎn)換為電能的生產(chǎn)部門。,壩后式水電站樞紐斷面圖,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水電站的型式,根據(jù)集中水頭的方式分為：1.壩式水電站由壩抬高上游水位形成水頭。如豐滿、葛洲壩、三峽等。,,2.引水式水電站由引

3、水管（渠）道形成水頭。如隔河巖等。,3.混合式水電站 電站的水頭一部分由壩集中，另一部分由引水道形成。如白山、龍羊峽等。,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,,,壩后式水電站樞紐橫剖面示意圖,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,,水庫；2—閘門室；3—進(jìn)水口；4—壩；5—泄水道；6—調(diào)壓室7—有壓隧道；8—壓力管道；9—廠房；10—尾水渠,,有壓引水式水電站示意圖,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水輪機(jī)：能將河流水中蘊(yùn)藏的水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的機(jī)械。水

4、輪機(jī)通過主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。水輪發(fā)電機(jī)組：水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)聯(lián)接成的整體稱為水輪發(fā)電機(jī)組，它是水電廠的最主要的動(dòng)力設(shè)備。,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,第二節(jié) 水輪機(jī)的工作參數(shù),工作水頭（H）流量（Q）轉(zhuǎn)速（n）功率（N）和效率（η）例題,水輪機(jī)作為水力原動(dòng)機(jī)將水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過程稱為水輪機(jī)的工作過程。反映工作過程特性的參數(shù)稱為水輪機(jī)工作參數(shù)。,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,一、水輪機(jī)工作水頭,水電站和水輪機(jī)的

5、水頭示意圖,水輪機(jī)工作水頭是指水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面處單位重量的水流能量之差，用H表示，單位為m 。,水電站水頭是指電站水庫上、下游水位之差，也稱電站靜水頭，用Hg表示，單位為m 。,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,,上式中H是水輪機(jī)做功的有效水頭，也稱為水輪機(jī)的凈水頭。,電站水頭和水輪機(jī)水頭的關(guān)系,列出水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面的能量方程，根據(jù)水輪機(jī)工作水頭的定義可寫出其基本表達(dá)式：,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,,同樣列水輪機(jī)出口Ⅱ-Ⅱ斷面和下游T

6、-T的能量方程,,,列上游A-A斷面和Ⅰ-Ⅰ斷面的能量方程,由上式得到,將上式代入進(jìn)口能量表達(dá)式，得到,,代入水輪機(jī)出口能量表達(dá)式，得到,,電站水頭和水輪機(jī)水頭的關(guān)系,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,由于,則,由此可見，水輪機(jī)工作水頭是電站毛水頭和引水建筑物中水頭損失之差。,水輪機(jī)工作水頭隨電站上下游水位變化而改變，工程實(shí)際中一般用如下幾個(gè)特征水頭表示水輪機(jī)工作水頭的范圍：Hmax、Hmin、Ha和Hr。,,所以,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶

7、海,特征水頭,1.最大水頭（ Hmax ），是允許水輪機(jī)運(yùn)行的最大凈水頭。它對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)有決定性的影響。2.最小水頭（Hmin），是保證水輪機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的最小凈水頭。3.加權(quán)平均水頭（Ha），是在一定期間內(nèi)（視水庫調(diào)節(jié)性能而定），所有可能出現(xiàn)的水輪機(jī)水頭的加權(quán)平均值，是水輪機(jī)在其附近運(yùn)行時(shí)間最長的凈水頭。4.設(shè)計(jì)水頭（Hr），是水輪機(jī)發(fā)出額定出力時(shí)所需要的最小凈水頭。水輪機(jī)的工作水頭，表明水輪機(jī)利用水流單位

8、機(jī)械能的多少，是水輪機(jī)最重要的工作參數(shù)，其大小直接影響著水電站的開發(fā)方式、機(jī)組類型以及電站的經(jīng)濟(jì)效益等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,二、流量,流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過水輪機(jī)某一既定過流斷面的水流體積，常用符號(hào)Q表示，常用的單位為m3/s。,,設(shè)計(jì)流量：在設(shè)計(jì)水頭下，水輪機(jī)以額定轉(zhuǎn)速、額定出力運(yùn)行時(shí)所對(duì)應(yīng)的水流量稱為設(shè)計(jì)流量，常用Qr表示，它是水輪機(jī)發(fā)出額定出力時(shí)所需要的最大流量。,限制流量：對(duì)應(yīng)于限制工況的水輪機(jī)流量。,能源

9、動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（主軸）在單位時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，常用符號(hào)n表示，常用單位為r/min。同步轉(zhuǎn)速。,三、轉(zhuǎn)速,四、出力與效率,由于水流通過水輪機(jī)時(shí)存在一定的能量損耗，所以水輪機(jī)出力總是小于水流出力。水輪機(jī)的輸入和輸出功率之比稱為水輪機(jī)的效率，用符號(hào)η表示，其值小于1。 η 表示水輪機(jī)對(duì)水流能量的有效利用程度。,,水輪機(jī)出力是指水輪機(jī)軸端輸出的功率，常用符號(hào)N表示，常用單位kw。額定出力。 水輪機(jī)

10、的輸入功率為單位時(shí)間內(nèi)通過水輪機(jī)的水流的總能量，即水流的出力，常用符號(hào)Ni表示，則,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,四、出力與效率（續(xù)）,,由此，水輪機(jī)的出力可寫成,水輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)軸端的出力，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩用來克服發(fā)電機(jī)的阻抗力矩，并以角速度ω旋轉(zhuǎn)。水輪機(jī)出力、旋轉(zhuǎn)力矩和角速度之間有以下關(guān)系式,,上式中,M—水輪機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)力矩，,當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出額定功率時(shí)相應(yīng)的水輪機(jī)軸功率稱為水輪機(jī)額定功率，用Nr表示。,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,

11、例1：某河床式電站在設(shè)計(jì)工況下上游水位Z上=63m，下游水位Z下=44.4m通過水輪機(jī)的流量為825m3/s，發(fā)電機(jī)效率為0.968，水輪機(jī)效率為0.86，如忽略引水建筑物中的水力損失，求水流出力、水輪機(jī)出力和機(jī)組出力。,由水流出力計(jì)算公式有,由水輪機(jī)出力計(jì)算公式有,由機(jī)組出力計(jì)算公式有,,解 由于?hA-1=0，所以有,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,解 將水輪機(jī)出口斷面取在下游端面，則由水輪機(jī)水頭計(jì)算公式有,,例2 在水輪機(jī)效率試驗(yàn)

12、時(shí)，在某一開度下測(cè)得下列數(shù)據(jù)：蝸殼進(jìn)口壓力表讀數(shù)2.26kg/cm2（22.16*103Pa），壓力表中心高程88.7m，壓力表所在處鋼管直徑D=3.35m，電站下游水位為84.9m，流量為33m3/s，發(fā)電機(jī)功率Ng=7410kw。取發(fā)電機(jī)效率為0.966，求機(jī)組效率和水輪機(jī)效率。,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,第三節(jié) 水輪機(jī)的類型及使用范圍,,由于水能資源條件的千差萬別，不同水電站所能利用的水頭和流量差別也很大，因此需要有各種類型的水

13、輪機(jī)來適應(yīng)不同水能資源條件，以便能充分和有效地利用水能資源。 根據(jù)水輪機(jī)利用能量的不同可分為：1.反擊式; 2.沖擊式,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)的水流在通過轉(zhuǎn)輪葉片流道時(shí)，始終是連續(xù)充滿整個(gè)轉(zhuǎn)輪的有壓流動(dòng)，并在轉(zhuǎn)輪空間曲面型葉片的約束下，連續(xù)不斷地改變流速的大小和方向，從而對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生一個(gè)反作用力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)水流通過水輪機(jī)后，其動(dòng)能和勢(shì)能大部分被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。,1.混流式水輪機(jī)

14、2.軸流式水輪機(jī)3.斜流式水輪機(jī)4.貫流式水輪機(jī),一、反擊式水輪機(jī),,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水流從四周沿徑向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，然后近似以軸向流出轉(zhuǎn)輪。混流式水輪機(jī)應(yīng)用水頭范圍較廣，約為20～700m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定且效率高，適應(yīng)水頭范圍廣，是應(yīng)用最廣泛的一種水輪機(jī)。,1.混流式水輪機(jī),,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水流在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間由徑向流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動(dòng)，而在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流保持軸向流動(dòng)，軸流式水輪機(jī)的應(yīng)用水頭約為3～80m。軸

15、流式水輪機(jī)在中低水頭、大流量水電站中得到了廣泛應(yīng)用。 根據(jù)其轉(zhuǎn)輪葉片在運(yùn)行中能否轉(zhuǎn)動(dòng)，又可分為軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)兩種。,2.軸流式水輪機(jī)(1),,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,軸流定槳式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片是固定不動(dòng)的，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，但它在偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)效率會(huì)急劇下降，因此，這種水輪機(jī)一般用于水頭較低、出力較小以及水頭變化幅度較小的水電站。,2.軸流式水輪機(jī)(2),,軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片可以根據(jù)運(yùn)行工況的

16、改變而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而擴(kuò)大了高效率區(qū)的范圍，提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。但是，這種水輪機(jī)需要有一個(gè)操作葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)較高，一般用于水頭、出力均有較大變化幅度的大中型水電站。,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水流在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)沿著與主軸成某一角度的方向流動(dòng)。斜流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片大多做成可轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，具有較寬的高效率區(qū)，適用水頭在軸流式與混流式水輪機(jī)之間，約為40～200m。它是在50年代初為了提高軸流式水輪機(jī)適用水頭而在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)

17、基礎(chǔ)上改進(jìn)提出的新機(jī)型，其結(jié)構(gòu)形式及性能特征與軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)類似，但由于其傾斜的槳葉操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，加工工藝要求和造價(jià)均較高，所以一般只在大中型水電站中使用，目前這種水輪機(jī)應(yīng)用還不普遍。,3.斜流式水輪機(jī),,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,貫流式水輪機(jī)是一種流道近似為直筒狀的臥軸式水輪機(jī)，它不設(shè)引水蝸殼，葉片可做成固定的和可轉(zhuǎn)動(dòng)的兩種。 貫流式水輪機(jī)的適用水頭為1～25m，適用于低水頭、大流量的水電站。由于其臥軸式布置及流道

18、形式簡(jiǎn)單，所以土建工程量少，施工簡(jiǎn)便，因而在開發(fā)平原地區(qū)河道和沿海地區(qū)潮汐等水力資源中得到較為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)其發(fā)電機(jī)裝置形式的不同，分為全貫流式和半貫流式兩類。,4.貫流式水輪機(jī)(1),,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,全貫流式水輪機(jī)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接安裝在轉(zhuǎn)輪葉片的外緣。它的優(yōu)點(diǎn)是流道平直、過流量大、效率高。但由于轉(zhuǎn)輪葉片外緣的線速度大、周線長，因而旋轉(zhuǎn)密封困難。目前這種機(jī)型已很少使用。,全貫流式水輪機(jī),4.貫流式水輪機(jī)(2),,能源動(dòng)

19、力工程學(xué)院 何寶海,半貫流式水輪機(jī)有軸伸式、豎井式和燈泡式等裝置形式，其中軸伸式和豎井式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，但效率較低，一般只用于小型水電站。目前廣泛使用的是燈泡貫流式水輪機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、效率較高，其發(fā)電機(jī)布置在被水繞流的鋼制燈泡體內(nèi)，水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)可直接聯(lián)接，也可通過增速裝置聯(lián)接。,軸伸貫流式水輪機(jī),豎井貫流式水輪機(jī),燈泡貫流式水輪機(jī),4.貫流式水輪機(jī)(3),,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,二、沖擊式水輪機(jī),沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)

20、輪始終處于大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進(jìn)入水輪機(jī)之前已轉(zhuǎn)變成高速自由射流，該射流沖擊轉(zhuǎn)輪的部分輪葉，并在輪葉的約束下發(fā)生流速大小和方向的改變，從而將其動(dòng)能大部分傳遞給輪葉，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。在射流沖擊輪葉的整個(gè)過程中，射流內(nèi)的壓力基本不變，近似為大氣壓。,沖擊式水輪機(jī)按射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式不同可分為：1.水斗式2.斜擊式3.雙擊式,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水斗式水輪機(jī)，亦稱切擊式水輪機(jī)。從噴嘴出來的高速自由射流沿轉(zhuǎn)輪圓周切

21、線方向垂直沖擊輪葉。這種水輪機(jī)適用于高水頭、小流量的水電站，特別是當(dāng)水頭超過400m時(shí)，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣蝕等條件的限制，混流式水輪機(jī)已不太適用，則常采用水斗式水輪機(jī)。,1.水斗式,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,從噴嘴出來的自由射流沿著與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面成一角度的方向，從轉(zhuǎn)輪的一側(cè)進(jìn)入輪葉再從另一側(cè)流出輪葉。與水斗式相比，其過流量較大，但效率較低，因此這種水輪機(jī)一般多用于中小型水電站，適用水頭一般為20～300m。,2.斜擊式,,能源動(dòng)力工程

22、學(xué)院 何寶海,從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊在轉(zhuǎn)輪葉片上。這種水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，但效率低、轉(zhuǎn)輪葉片強(qiáng)度差，僅適用于單機(jī)出力不超過1000kW的小型水電站，其適用水頭一般為5～100m。,3.雙擊式,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,,,水輪機(jī)類型及應(yīng)用水頭范圍,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,反擊式水輪機(jī)通常由四大部件組成：即引水、導(dǎo)水、轉(zhuǎn)輪及泄水部件。這四大部件對(duì)于不同類型的水輪機(jī)，又不完全相同，有著自身的特點(diǎn) 。,第四節(jié) 水輪機(jī)結(jié)

23、構(gòu)概述,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,一、引水部件,引水室（蝸殼）的作用：以最小的損失均勻軸對(duì)稱地把水流引入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，并使水流具有一定的旋轉(zhuǎn)（環(huán)量）。,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,一、引水部件（2）,座環(huán)的作用：承受水輪發(fā)電機(jī)組的重量，蝸殼上部部分混凝土重量以及水壓力，并將其傳遞基礎(chǔ)混凝土。在結(jié)構(gòu)上它要求有足夠的強(qiáng)度和剛度。,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,二、導(dǎo)水部件,作用：主要是形成和改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流環(huán)量；并通過改變導(dǎo)葉位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)

24、導(dǎo)葉出口水流速度大小和方向的改變，達(dá)到控制流量調(diào)整出力的目的。,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,三、泄水部件,反擊式水輪機(jī)尾水管作用如下：1.將轉(zhuǎn)輪出口處的水流引向下游；2.利用下游水面至轉(zhuǎn)輪出口處的高程差，形成轉(zhuǎn)輪出口處的靜力真空；3.利用轉(zhuǎn)輪出口的水流動(dòng)能，將其轉(zhuǎn)換成為轉(zhuǎn)輪出口處的動(dòng)力真空。,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,根據(jù)我國“水輪機(jī)型號(hào)編制規(guī)則”規(guī)定，水輪機(jī)的型號(hào)由三部分組成，每一部分用短橫線“—”隔開。第一部分：由漢語

25、拼音字母與阿拉伯?dāng)?shù)字組成，其中拼音字母表示水輪機(jī)型式，阿拉伯?dāng)?shù)字表示轉(zhuǎn)輪型號(hào)，入型譜的轉(zhuǎn)輪的型號(hào)為特征比轉(zhuǎn)速值，未入型譜的轉(zhuǎn)輪的型號(hào)為各單位自己的編號(hào)，舊型號(hào)為模型轉(zhuǎn)輪的編號(hào)；可逆式水輪機(jī)在水輪機(jī)型式后加“N”表示。第二部分：由兩個(gè)漢語拼音字母組成，分別表示水輪機(jī)主軸布置形式和引水室的特征；第三部分：以cm表示的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑。水輪機(jī)型號(hào)中常見的代表符號(hào)如下表所示。對(duì)于沖擊式水輪機(jī)，上述第三部分應(yīng)表示為：轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑（cm）

26、/每個(gè)轉(zhuǎn)輪上的噴嘴數(shù)×射流直徑（cm）。示例。,第五節(jié) 水輪機(jī)的牌號(hào)及裝置方式,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,代號(hào)表,,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)輪直徑）的有關(guān)規(guī)定,,1．混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑是指其轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊的最大直徑；2．軸流式、斜流式和貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑是指與轉(zhuǎn)輪葉片軸線相交處的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)徑；3．沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑是指轉(zhuǎn)輪與射流中心線相切處的節(jié)圓直徑。,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,

27、,注：表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字僅適用于軸流式水輪機(jī)。,反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑系列 單位：cm,能源動(dòng)力工程學(xué)院 何寶海,水輪機(jī)型號(hào)示例,1.HL200-LJ-550，表示轉(zhuǎn)輪型號(hào)為200的混流式水輪機(jī)，立軸、金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為550cm。2.ZZ560-LH-800，表示轉(zhuǎn)輪型號(hào)為560的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，立軸、混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為500cm。3. ZZ560a-LH-1130，表示轉(zhuǎn)輪型號(hào)為560改進(jìn)型的軸流轉(zhuǎn)槳