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：30～500m，Hmax=734m 叶片：固定 10~20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,,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：20～200m 叶片：转浆 8～12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=9.81ηQH 可知，其基本参数包括工作水头H、流量Q、出力N、效率η，此外还有工作力矩M、机组转速n2.1.2.1 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),2.1.2.1 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—— Qr2.1.2.3 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 η=Nout/Nin 一般η=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; ω——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)+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—— 120/2×10 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-120/2×10 （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40cm2.1.4 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)蜗壳断面尺寸的拟定,①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,①主要参数 B 、蜗壳的包角φ0：蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角 a、金属蜗壳：φ0=340º～350º,常取345º b、混凝土蜗壳：φ0=180º～270º,一般取180º,,(2)蜗壳断面尺寸的拟定,①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，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据3）蜗壳的水力计算,①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。