【2017年整理】水轮机类型及工作参数

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1、第一节水轮机的主要类型自然界有多种能源，其中有很多式可以开发利用的，目前已被利用的能源中主要有热能、水能、风能和核能。其中水能是一种最经济的能源，水能的开发利用已受到越来越多的关注。我国有着丰富的水力资源，对水能的开发利用已受到社会的广泛关注，对水能最重要的开发形式就是兴建各种各样的水电站。水轮机作为将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机，是水电站中最重要的组成部分。根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。一、反击式水轮机反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮

2、叶片流道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。1.混流式水轮机如图 1-1 所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。混流式水轮机应用水头范围较广，约为 20700m ，结构简单，运行稳定且效率高，是现代应用最广泛的一种水轮机。图 1-1 混流式水轮机1主轴；2叶片；3导叶2轴流式水轮机如图 1-2 所示，水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动，轴流式水轮机的应用水头约为

3、380m。轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。根据其转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式水轮机两种。轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定不动的，因而结构简单、造价较低，但它在偏离设计工况运行时效率会急剧下降，因此，这种水轮机一般用于水头较低、出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动，从而扩大了高效率区的范围，提高了运行的稳定性。但是，这种水轮机需要有一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。图 1-2 轴流式水轮机1导叶；2叶片；3轮毂3斜流式水轮机如

4、图 1-3 所示，水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。斜流式水轮机的转轮叶片大多做成可转动的形式，具有较宽的高效率区，适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为 40200m。它是在 50 年代初为了提高轴流式水轮机适用水头而在轴流转桨式水轮机基础上改进提出的新机型，其结构形式及性能特征与轴流转桨式水轮机类似，但由于其倾斜桨叶操作机构的结构特别复杂，加工工艺要求和造价均较高，所以一般只在大中型水电站中使用，目前这种水轮机应用还不普遍。图 1-3 斜流式水轮机1蜗壳；2导叶；3转轮叶片；4尾水管4贯流式水轮机贯流式水轮机是一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机，它不设引水蜗壳，叶片可做成固定

5、的和可转动的两种。根据其发电机装置形式的不同，分为全贯流式和半贯流式两类。全贯流式水轮机（如图 1-4）的发电机转子直接安装在转轮叶片的外缘。它的优点是流道平直、过流量大、效率高。但由于转轮叶片外缘的线速度大、周线长，因而旋转密封困难。目前这种机型已很少使用。半贯流式水轮机有轴伸式、竖井式和灯泡式等装置形式，如图 1-5、图 1-6、图 1-7 所示，其中轴伸式和竖井式结构简单、维护方便，但效率较低，一般只用于小型水电站。目前广泛使用的是灯泡贯流式水轮机，其结构紧凑、稳定性好、效率较高，其发电机布置在被水绕流的钢制灯泡体内，水轮机与发电机可直接联接，也可通过增速装置联接。图 1-4 全贯流式水

6、轮机1转轮叶片；2转轮轮缘；3发电机转子轮辋；4发电机定子；5、6支柱；7轴颈；8轮毂；9锥形插入物；10拉紧杆；11导叶；12推力轴承；13导轴承图 1-5 轴伸贯流式水轮机1转轮；2水轮机主轴；3尾水管；4齿轮转动机构；5发电机图 1-6 灯泡贯流式水轮机1转轮叶片；2导叶；3发电机定子；4发电机转子；5灯泡体图 1-7 竖井贯流式水轮机贯流式水轮机的适用水头为 125m ，适用于低水头、大流量的水电站。由于其卧轴式布置及流道形式简单，所以土建工程量少，施工简便，因而在开发平原地区河道和沿海地区潮汐等水力资源中得到较为广泛的应用。目前我国自行研制的最大的灯泡贯流式水轮机转轮直径为 5.5m

7、，单机出力为 15MW。二、冲击式水轮机冲击式水轮机的转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已转变成高速自由射流，该射流冲击转轮的部分轮叶，并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的改变，从而将其动能大部分传递给轮叶，驱动转轮旋转。在射流冲击轮叶的整个过程中，射流内的压力基本不变，近似为大气压。冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为水斗式、斜击式和双击式三种。1水斗式水轮机水斗式水轮机，亦称切击式水轮机，如图 1-8 所示。从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮圆周切线方向垂直冲击轮叶。这种水轮机适用于高水头、小流量的水电站，特别是当水头超过 400m 时，由于结构强度和气蚀等条件的

8、限制，混流式水轮机已不太适用，则常采用水斗式水轮机。大型水斗式水轮机的应用水头约为 3001700m，小型水斗式水轮机的应用水头约为 40250m。目前水斗式水轮机的最高水头已用到 1767m（奥地利莱塞克电站） ，我国天湖水电站的水斗式水轮机设计水头为 1022.4m。图 1-8 水斗式水轮机2斜击式水轮机如图 1-9 所示，从喷嘴出来的自由射流沿着与转轮旋转平面成一角度的方向，从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。与水斗式相比，其过流量较大，但效率较低，因此这种水轮机一般多用于中小型水电站，适用水头一般为 20300m。图 1-9 斜击式转轮转轮；(b)斜击式转轮进水示意图管帽；2针阀；

9、3轮叶；3双击式水轮机如图 1-10 所示，从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。这种水轮机结构简单、制作方便，但效率低、转轮叶片强度差，仅适用于单机出力不超过 1000kW 的小型水电站，其适用水头一般为 5100m。图 1-10 带有闸板阀门的双击式水轮机1工作轮；2喷嘴；3调节闸板；4舵轮；5 引水管；6尾水槽各种类型水轮机及应用水头范围如表 1-1 所示。表 1-1 水轮机类型及应用水头范围类 型 型 式 适应水头范围（m）混 流 式 40700混流式混流可逆式 80600轴流转桨式 390轴流式轴流定桨式 350斜 流 式 40200斜流式斜流可逆式 40120贯流转桨式反 击

10、式贯流式 贯流定桨式 230水斗式 3001700斜击式 20300冲 击 式 双击式 5100第二节 水轮机的工作参数水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量转换为转轮机械能过程中的一些特性数据。水轮机的基本工作参数主要有水头 H、流量 Q、出力 P、效率 、转速 n。一、水头 H水轮机的水头（亦称工作水头）是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量差，单位为 m。对反击式水轮机进口断面取在蜗壳进口处-断面，出口取在尾水管出口 -断面。列出水轮机进、出口断面的能量方程，如图 1-11 所示，根据水轮机工作水头的定义可写出其基本表达式：图 1-11 水电站和水轮机的水头示意图 gVPZ

11、gVPZEH 22（1-1）式中 单位重量水体的能量，m；Z相对某一基准的位置高度，m；P相对压力，N/m 2或 Pa；V断面平均流速，m/s；断面动能不均匀系数；水的重度，其值为 9810N/m3；g重力加速度，m/s 2。式（1-1）中，计算常取 gV2,1称为某截面的水流单位动能，即比动能（m） ； P称为某截面的水流单位压力势能，即比压能（m） ； Z称为某截面的水流单位位置势能，即比位能（m） 。 g2、 P与 Z的三项之和为某水流截面水的总比能。水轮机水头 H又称净水头，是水轮机做功的有效水头。上游水库的水流经过进水口拦污栅、闸门和压力水管进入水轮机，水流通过水轮机做功后，由尾水管

12、排至下游。上、下游水位差值称为水电站的毛水头 g，其单位为 m。水轮机的工作水头又可表示为h （1-2）式中 gH水电站毛水头，m；h水电站引水建筑物中的水力损失，m。从式（1-2）可知，水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变，常用取几个特征水头表示水轮机水头的范围。特征水头包括最大水头 maxH、最小水头 min、加权平均水头 a、设计水头 r等，这些特征水头由水能计算给出。1最大水头 max，是允许水轮机运行的最大净水头。它对水轮机结构的强度设计有决性的影响。2最小水头 inH，是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。3加权平均水头 a，是在一定期间内（视水库调节性能而定） ，所有可

13、能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。4.设计水头 r，是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。水轮机的水头，表明水轮机利用水流单位机械能的多少，是水轮机最重要的基本工作参数，其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。二、流量 Q水轮机的流量是单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，常用符号 Q表示，常用的单位为 m3/s。在设计水头下，水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应的水流量称为设计流量 ，它是水轮机发出额定出力时所需要的最大流量。三、转速 n水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内的旋转的次数，常用符号 n表示，

14、常用单位为 r/min。四、出力 P与效率 水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号 P表示，常用单位 kW。水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号 n表示，则 QHn81.9(KW) （1-3）由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗，所以水轮机出力 总是小于水流出力nP。水轮机的输入和输出功率之比称为水轮机的效率，用符号 t表示。 ntP（1-4）由于水轮机在工作过程中存在能量损耗，故水轮机的效率 t rH时，水轮机的出力限制线由发电机的额定容量确定。3等吸出高度线的绘制绘制转桨式水轮机的等 s线的原理与混流式水轮机相同，以各水头所对应的单位转速 Mn1值作水平线与模型综合特性曲线的等 线相交，记下交点的 1Q与 值。由各点的计算出相应的吸出高度 s，由各交点的 1Q值利用上面作出的 = )(Pf辅助曲线可确定相应的出力 P，然后可作出各水头下的 sH= )(Pf曲线，在此基础上可作出等 sH线，其方法与绘制混流式水轮机的等 s线相同。第六节 调速器进水阀：几台机共用一根钢管引水发电时，每台水轮机前都应装设进水阀。水头 200m 以下通常用蝶阀，分为立式和卧式。水头在 200m 以上 800m 以下通常采用球阀，球阀通常为卧式。