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1、第三章第三章 水轮机结构及运行与维护水轮机结构及运行与维护 概述概述 发电厂是把各种一次能源转换成电能的发电厂是把各种一次能源转换成电能的 场所。根据能源的不同有火电厂、水电厂场所。根据能源的不同有火电厂、水电厂 、核电厂等。、核电厂等。 水力发电水力发电:利用水流中蕴藏的水能来生产利用水流中蕴藏的水能来生产 电能。电能。 在天然河流上，修建水工建筑物，集中在天然河流上，修建水工建筑物，集中 水头，通过一定方式将水头，通过一定方式将“载能水载能水”输送到输送到 水轮机中，使：水轮机中，使： 水能水能旋转机械能旋转机械能带动发电机组发电带动发电机组发电 输电线路输电线路用户用户 水电站系统的组成
2、水电站系统的组成 水电站主要由水工建筑物、水轮发电机组和电气设水电站主要由水工建筑物、水轮发电机组和电气设 备组成。备组成。 水工建筑物主要用来控制和支配水流，由挡水建筑水工建筑物主要用来控制和支配水流，由挡水建筑 物、泄水建筑物、引水建筑物、发电厂房组成。物、泄水建筑物、引水建筑物、发电厂房组成。 水轮发电机组用于水力发电，将水工建筑物所引入水轮发电机组用于水力发电，将水工建筑物所引入 的水能直接转换成电能，由水轮机、发电机、辅助的水能直接转换成电能，由水轮机、发电机、辅助 控制设备等组成。控制设备等组成。 电气设备分为一次设备和二次设备，一次设备包括电气设备分为一次设备和二次设备，一次设备
3、包括 发电机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、电发电机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、电 力电缆等，主要用来完成发电、变电、输电和电能力电缆等，主要用来完成发电、变电、输电和电能 控制等任务。二次设备包括机组的励磁装置、同期控制等任务。二次设备包括机组的励磁装置、同期 装置、继电保护装置、测量仪表、控制开关、控制装置、继电保护装置、测量仪表、控制开关、控制 电缆等，用来完成对水轮发电机组等一次设备进行电缆等，用来完成对水轮发电机组等一次设备进行 测量、调节控制、保护和信号作用。测量、调节控制、保护和信号作用。 水力发电的几个要素水力发电的几个要素 N 水电站装机容量或水轮机的功率水电站装
4、机容量或水轮机的功率 Q 通过水轮机的流量通过水轮机的流量 H 水轮机的水头水轮机的水头 水轮机的效率水轮机的效率 QHN81. 9 水力发电的特点水力发电的特点 优点：优点： 不耗燃料，成本低廉不耗燃料，成本低廉 水火互济，调峰灵活水火互济，调峰灵活 综合利用，多方得益综合利用，多方得益 取之不尽，用之不竭取之不尽，用之不竭 环境优美，能源洁净环境优美，能源洁净 缺点：缺点： 受自然条件限制；受自然条件限制； 一次性投资大，工期长；一次性投资大，工期长； 事故后果严重；事故后果严重； 大型工程对环境、生态影响较大。大型工程对环境、生态影响较大。 水水 轮轮 发发 电电 机机 组组 水轮机是一
5、种将水轮机是一种将水水 能转换为旋转机械能能转换为旋转机械能 的水力机械的水力机械。用于带用于带 动发电机发出电能动发电机发出电能。 水轮机是水电站中最水轮机是水电站中最 主要动力设备之一，主要动力设备之一， 影响电站的投资、制影响电站的投资、制 造、运输、安装、安造、运输、安装、安 全运行、经济效益。全运行、经济效益。 一、一、 水轮机水轮机 水轮机的主要类型及其构造水轮机的主要类型及其构造 水轮机 冲击式 反击式 混流式 轴流式 斜流式 贯流式 水斗式 双击式 斜击式 轴流定浆式 轴流转浆式 全贯流式 半贯流式 灯泡式 轴伸式 竖井式 水轮机 冲击式 反击式 混流式 轴流式 斜流式 贯流式
6、 水斗式 双击式 斜击式 轴流定浆式 轴流转浆式 全贯流式 半贯流式 灯泡式 轴伸式 竖井式 一、主要类型一、主要类型 (一一)、反击式水轮机反击式水轮机 定义：定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机利用水流的势能和动能做功的水轮机 特征：特征：转轮的叶片为空转轮的叶片为空 间扭曲面，流过转轮的间扭曲面，流过转轮的 水流是连续的，而且在水流是连续的，而且在 同一时间内，所有转轮同一时间内，所有转轮 叶片之间的流道都有水叶片之间的流道都有水 流通过，水流充满转轮流通过，水流充满转轮 室。室。 反击式水轮机原理反击式水轮机原理 水流通过转轮叶片时，水流流速的大小水流通过转轮叶片时，水流流速的大小
7、、方向均发生变化，因此动量也发生了、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，作用与改变，水流产生反作用力，作用与 每个转轮叶片，使转每个转轮叶片，使转 轮产生旋转力矩，从轮产生旋转力矩，从 而做功。而做功。 1. 混流式：混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。水流径向流入转轮，轴向流出。 适用范围：适用范围：H=30-450 m , 最高水头已接近最高水头已接近700米，单机容米，单机容 量：几百量：几百kW几十万几十万kW。 特点：特点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适 用高水头小流量电站。用高水头小流量电站。 三峡水电站即
8、采用了这种水轮机，单机容量三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万万kW。是。是 世界上单机容量最大的机组。世界上单机容量最大的机组。 混流式水轮机混流式水轮机 2. 轴流式：轴流式： 特点：特点：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平 行于主轴。行于主轴。 适用适用于大流量、低水头。一般水头在于大流量、低水头。一般水头在50m以下。以下。 轴流定浆式：轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。高效率区较叶片不能随工况的变化而转动。高效率区较 小，适用于水头变化不大的小型电站。小，适用于水头变化不大的小型电站。 轴流转浆式：轴流转浆式：叶片能
9、随工况的变化而转动，进行双重调节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（导叶开度、叶片角度)。适用于大型水电站。适用于大型水电站。 轴流式水轮机轴流式水轮机 轴流转浆式水轮机转轮轴流转浆式水轮机转轮 3. 斜流式：斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变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。化而转动，高效率区广。 4. 贯流式：贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳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，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水管出口都是轴 向的。向的。H20m，小型河床
10、电站。，小型河床电站。 贯流式机组分类贯流式机组分类 全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮全贯流式：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。外缘，其密封困难，现在较少使用。 半贯流式：半贯流式： 灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯灯泡贯流式：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，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。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，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。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竖井式贯流机组：发电机安装在竖井
11、内 。 灯泡式水轮机组灯泡式水轮机组 轴伸式贯流机组轴伸式贯流机组 竖井贯流式水轮机竖井贯流式水轮机 (二二)、冲击式水轮机、冲击式水轮机 定义：定义：利用水流的动能来做功的水轮机利用水流的动能来做功的水轮机 特征：特征：由喷管和转轮组成。由喷管和转轮组成。 水流以自由水流的形式冲击转轮，利用水流动能水流以自由水流的形式冲击转轮，利用水流动能 产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流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。不适宜调只冲击着转轮的一部分，而不是全部。不适宜调 峰运行。峰运行。 适用：水头高，流量小，多用于适用：水头高，流量小，多用于400m
12、以上，最高以上，最高 接近接近2000m。 冲击式水轮机运行中冲击式水轮机运行中 单喷嘴运行中单喷嘴运行中 水斗水斗: 特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向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。冲击转轮上的水斗作功。 目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广 泛的一种机型。泛的一种机型。 斜击式：斜击式： 由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮 上的水斗。上的水斗。 双击式：双击式：水流两次冲击转轮。水流两次冲击转轮。 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于
13、小型 电站电站。 水斗式水轮机转轮水斗式水轮机转轮 轮叶轮叶 轮盘轮盘 斜击式水轮机转轮斜击式水轮机转轮 双击式水轮机转轮双击式水轮机转轮 定义：定义：反映水轮机工作状况特性值的一些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。参数，称水轮机的基本参数。 由水能出力公式由水能出力公式: N=9.81QH 可知，可知， 基本参数包括：基本参数包括：工作水头工作水头H、流量流量Q、出力出力 N、效率效率，工作力矩工作力矩M、机组转速机组转速n。 衡量水轮机性能好坏有两个重要参数，一个衡量水轮机性能好坏有两个重要参数，一个 是是 效率效率 ，另一个是，另一个是 汽蚀汽蚀系数系数。 二、水
14、轮机参数二、水轮机参数 工作水头工作水头H：水电站上游水位与下游水轮机尾：水电站上游水位与下游水轮机尾 水位水位(冲击式为冲击式为水轮机喷嘴处水轮机喷嘴处)的差值与引水建的差值与引水建 筑物水头损失的差。筑物水头损失的差。 流量流量Q：单位时间内通过水轮机的水量单位时间内通过水轮机的水量 Q 。 出力出力N： 指水轮机轴传给发电机轴的功率。指水轮机轴传给发电机轴的功率。 效率效率：指水轮机主轴输出的机械能与输入水：指水轮机主轴输出的机械能与输入水 轮机的水能之比。轮机的水能之比。 =N/Nw ， 一般一般 =80%95%。 汽蚀系数汽蚀系数 ：动力真空的相对值为汽蚀系数：动力真空的相对值为汽蚀
15、系数 。 工作力矩和转速工作力矩和转速 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主轴力矩主轴力矩; 水轮机旋转角速度，水轮机旋转角速度， n 转速，转速，n=60f/p=3000/p p 发电机磁极对发电机磁极对 f=np/60 额定转速额定转速n：正常情况下机组的转速保持为固定转速，：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。该转速称为额定转速，并与发电机的同步转速相等。 飞逸转速飞逸转速nR：水轮发电机水轮发电机组组所能承受的最高的转子转所能承受的最高的转子转 速称为飞逸转速。速称为飞逸转速。一般规定非逸
16、时间不得超过一般规定非逸时间不得超过2分钟。分钟。 QH n MMN 81. 9 60 2 1、反击式水轮机的主要组成部件：、反击式水轮机的主要组成部件： (1) 进水进水(引水引水)部件部件蜗壳：蜗壳：使水流均匀旋转，以最小水头使水流均匀旋转，以最小水头 损失送入转轮室。损失送入转轮室。 (2) 导水机构（导叶及控制设备导水机构（导叶及控制设备)：控制工况。控制工况。 (3) 转轮（工作核心转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能能量转换，决定水轮机的尺寸、性能 、结构。、结构。 (4) 泄水部件泄水部件(尾水管尾水管)：回收能量、排水至下游。回收能量、排水至下游。 2、冲击式水轮机的主要组成部件：、冲击式水轮机的主要组成部件：喷管，转轮，折流器，喷管，转轮，折流器， 机壳，射流制动器机壳，射
