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1、1水泵水轮机简介一、 水轮机分类二、 水轮机结构三、 水泵水轮机各部件的配合四、 水泵水轮机五、 问题及补充1、水轮机分类根据转轮内水流运动的特征和转轮转换水流能量形式的不同，水轮机可分为冲击式和反击式。1.1 冲击式又分水斗式、斜击式、双击式。将水的动能转换为机械动能。借助特殊的导水装置（如喷嘴） ，把高压水流变为高速的自由射流，通过射流与转轮的相互作用，将水流能量传递给转轮。转轮不是整周进水，因此过流量较小。1.2 反击式又分混流式、轴流式、斜流式、贯流式。将水的压能、势能转换为机械动能。水流充满整个水轮机的流道，整个流道是有压封闭系统，水流是有压流动，水流沿着转轮外圆整周进水，从转轮的进
2、口至出口水流压力逐渐减小。冲击式混流式1.2.1 混流式：水流由径向进入转轮，然后沿轴向流出。由美国人法兰西斯发明，所以又称法兰西斯式。2混流式水轮机的转轮由上冠、下环、叶片和泄水锥组成，混流式转轮叶片是固定不动的，混流式结构紧湊，运行可靠，效率高，能适应很宽的水头范围，是目前应用最广泛的水轮机之一。轴流式水流在导叶与转轮之间的流动方向由径向转为轴向，经过转轮区域时水流是轴向流进又轴向流出。轴流转桨式由捷克人卡普兰在 1916 年提出的，所以又称卡普兰式。1.2.2 轴流式水轮机的转轮由转轮体（即轮毂） 、叶片和泄水锥组成，叶片数少于混流式，叶片轴线与水轮机轴线垂直。在同样直径与水头时，它的过
3、流能力比混流式大，气蚀性能较混流式差。轴流转桨式适用于水头变化较大，特别是出力变化较大的电站。广泛用于低水头、大容量的电站。2、水泵水轮机结构以混流式水轮机为例有以下主要部件：蜗壳、座环、导水机构、转轮、尾水管、主轴、水导轴承。2.1 蜗壳：以最小的水力损失把水流引向转轮前的导水机构，并使水流能均匀而轴对称地进入导水机构，同时让水流具有一定的速度环量。根据使用水头和单机容量不同，蜗壳的制作材料有金属和混凝土，金属蜗壳的截面形状为圆形，蜗壳的外形像蜗牛壳，从蜗壳进口到鼻端又像一个断面逐渐收缩的管子。蜗壳内侧是敞开的，由座环支承。水流在蜗壳内一方面沿着导水机构作圆周运动，另一方面又向着水轮机轴心作
4、径向运动，使得水流能够均匀而轴对称地进入导水机构。蜗壳见下图32.2 座环：用来承受发电机组的轴向载荷，并把载荷传递给混凝土基础。混流式水轮机的座环一般由上环、下环和固定导叶组成，固定导叶横截面形状与活动导叶一样为翼型，从而保证水流绕支柱流动时水力损失最小。座环2.3 导水机构：导水机构主要作用：1、使水流进入转轮之前形成旋转并改变水流的入射角度；2、通过改变导叶的位置，改变水轮机流量来调整水轮机出力；3、停机时（包括正常情况与事故情况） ，用来截断水流。导水机构由顶盖、底环、导叶、导叶轴套、导叶接力器、连杆机构等组成。2.3.1 顶盖用螺栓把合在座环上方，覆盖导叶和转轮的上方。主要作用有：1
5、、与底环一起形成过水流道并承受相应的流体压力；2、固定和支撑活动导叶及其连杆机构；3、支撑水导轴承、主轴密封等。4顶盖2.3.2 底环用螺栓把合在座环上，用来安装导叶的下轴套，并与顶盖一起形成过水流道。底环2.3.3 导叶均匀布置在座环与转轮之间的环形空间内，导叶的轴颈通过轴套支承在顶盖和底环上，并能绕自身的轴线旋转。当电网负荷变化时，通过传动机构转动导叶，即改变了导叶的开度，使得水轮机的流量和出力发生相应的变化。当导叶首尾相接时，此时导叶开度为零，关闭了水流进入转轮的通道。导叶2.4 转轮：将水的压能与势能转换成转轮的旋转机械动能，通过水轮机主轴传递给发电机主轴。转轮通过上冠与水轮机轴连接，
6、上冠下部装有泄水锥，用来引导水流均匀流出转5轮，减少水力漩涡，提高水轮机效率。2.5 尾水管：尾水管位于转轮的下方，作用是引导进出转轮的水流，改善水流形态，提高水轮机效率。水流从转轮出来，经过尾水管排至下游。尾水管由锥管段、肘管段和扩散段组成。尾水管2.6 主轴：将水轮机转轮的旋转机械能传递给发电机。2.7 水导轴承的作用：1、承受机组在各种工况下运行时通过水轮机轴传过来的径向力；2、维持已调好的轴线。3、水轮机各部件的配合3.1 各部件的配合座环：座环与蜗壳连接，重量全部作用于混凝土顶盖：位于座环上方，与座环连接，重量全部靠座环支撑底环：位于座环下方，与座环连接，重量全部靠座环拉吊，与底环下
7、方的混凝土不存在受力关系，此混凝土为二期填充用混凝土水轮机：与水轮机轴用螺栓把合，水轮机轴与中间轴连接，层层递进，重量传至下机架，最后作用于混凝土水导轴承：固定于顶盖内上部主轴密封：固定于顶盖内下部。主轴密封的抗磨环与水轮机轴固定，随机组旋转。主轴密封其他部件固定，与顶盖连接。主轴密封的活动环并不活动，不随机组旋转，只是可以上下调节。导叶：导叶穿过整个顶盖，上轴套位于顶盖内上部，中轴套位于顶盖内下部，下轴套位于底环内接力器：连接于导叶上部，其液压锁定位于顶盖内上部63.2 转轮、底环3.3 顶盖、转轮、底环、导叶73.4 转轮、主轴密封、水轮机轴、水导轴承3.5 水导轴承、主轴密封图 1 水导
8、轴承 图 2 主轴密封8图 3 主轴密封密封环3.6 水泵水轮发电机组全图94、水泵水轮机既可作为水轮机运行又能作为水泵运行的水机称做水泵水轮机。混流式水泵水轮机水头应用范围为 50600m，最高已达 701m。当水头超过700m 时，采用多级水泵水轮机。惠蓄电厂水泵水轮机为单级、竖轴、混流可逆式。A 厂水泵水轮机#1 机法国造、#2 机和#3 机巴西造、#4 机中国造。惠蓄电厂安装 8300MW 可逆式机组，单机容量（发电工况）300MW，总装机容量 2400 MW。可逆式机组由水泵水轮机与电动发电机两者组合而成。转轮顺时针旋转做水轮机运行，逆时针旋转做水泵运行。能量转换基本过程是：水能（水
9、泵水轮机）机械能（电动发电机）电能。5、问题及补充5.1、水泵水轮机的性能参数 水头、转速、效率、吸出高度、安装高度、空化空蚀5.2、水泵水轮发电机组各部件的配合及受力 详见第三节5.3、水泵水轮机各管路布置 两根水环排水管（一楼锥管人孔左侧墙壁上两根）一根导叶下轴套漏水收集环管一根机坑排水管（排于集水廊道）一根主轴密封内环排水管两根平衡管一根导叶漏油收集管（在顶盖内有接口）一根转轮上部回水排气管（一楼锥管人孔右侧墙壁上，很高位置，相对细管）一根转轮下部回水排气管（一楼锥管人孔右侧墙壁上，相对较低位置，相对粗管）一根主轴密封排气管一根上迷宫环供水管（管路埋于混凝土，进口在二楼水车室外面墙壁上的
10、两根管）一根下迷宫环供水管（同上）一根顶盖水泵排水管一根压水进气管（埋于混凝土，进口在一楼锥管人孔右侧）一根压水进气保持管一根蜗壳排水管（与球阀阀芯排水管，上游压力钢管排水管汇合，排于尾水管出口 1）一根蜗壳压力释放管（排于尾水管出口 2）10一根蜗壳排气管（与球阀接力器排水管汇合，排于集水廊道）5.4、尾水管充排水操作（进入尾水管） 1）三防防转：机组 LOCK、球阀系统关闭、调速器系统关闭防水：关闭与水道相连通的水阀防气：关闭与水道相连通的气阀2）排水四操作：打开蜗壳排气阀、打开蜗壳排水阀、打开尾水管排气阀、打开尾水管排水阀2A）充水五操作：关闭蜗壳排水阀、关闭尾水管排水阀、打开尾闸旁通手
11、动阀、打开尾闸旁通电动阀、待蜗壳排气阀出水后关闭蜗壳排气阀5.5、怎样实现发电机运行（四步）1）辅机开启（技术供水系统、高压注油系统、调速器系统、机械刹车系统、厂用电系统、循环油系统）2）开球阀开导叶（球阀系统、调速器系统）3）待转速升高后励磁（同期装置、励磁系统）4）合 GCB 发电5.6、怎样实现电动机运行（四步）1）辅机开启2）启动 SFC 给定子提供频率可控的交流电、励磁给转子提供直流电（SFC 系统、励磁系统）问题：SFC 与定子怎么连接？励磁与转子怎么连接？3）待转速升高后合 GCB4）开球阀开导叶抽水5.7、蓄能机组在电网中的作用 调峰、填谷、调频、调相问题：什么是调相？5.8、
12、蓄能机组的发展历史抽水蓄能电站可以利用电力系统低谷负荷时富裕的电力把水抽到上水库，将电能以水的势能储存起来，高峰负荷时发电，起到调峰填谷的作用，大大改善了电力系统的运行条件，另外还有事故备用的作用。因此，抽水蓄能电站可以提高整个电力系统运行的可靠性、经济性，改善系统调节性能，平时还可作调相机运行，向系统提供无功功率，改善电能质11量。最早的抽水蓄能机组采用专门的抽水机组和发电机组，即所谓四机式机组，水轮机与发电机、水泵与电动机完全分开布置，而管路系统和输配电设备则为公用。四机式机组的水轮机和水泵均可根据自身的条件确定型式、台数和转速，因而可以保证各自的效率最高，但由于设备多、占地多、投资高，目
13、前几乎不采用。后来发展到将一台水泵和一台水轮机均和同一台电机相连，该电机可作同步发电机运行，又可作同步电动机运作，形成三机式机组，即水泵、水轮机和电动发电机三者联轴运行。发电时，由水轮机带动电动发电机作发电机组运行；抽水时，由电动发电机以电动机方式运行带动水泵抽水，两种方式其旋转方向相同。三机式的优点是机组转换运行方式快，不必专设起动设备。三机式机组根据布置方式的不同又可分为卧式和立式布置两种。对于卧式布置，一般水轮机和水泵分别装在电动发电机的两端。大型的三机式机组一般为立式布置，其水轮机和水泵可以布置在发电机的同一侧，由于水泵所需要的淹没深度比水轮机的大，所以水泵总是在最下面。另一种布置方式
14、，将水轮机倒装在电动发电机的上方，水泵还是在最下面。三机式机组的主要优点是抽水蓄能的效率比可逆式水泵水轮机（二机式）高，这是因为三机式机组的水泵和水轮机都是按各自的参数分别设计的，能最大限度地保证在高效区工作。另一个突出的优点是水泵工况下起动非常方便和迅速，因为三机式机组的流道布置能使泵和水轮机的旋转方向一致，这样可以用水轮机来起动泵，而无需其他起动设备。但三机式机组投资高，不但因为三机式方案比二机式方案多一台水力机械，而且水泵和水轮机都需要单独的蜗壳、尾水管和进水阀门；又为了使机组在水泵和水轮机工作时以同一方向旋转，水轮机和水泵蜗壳需要彼此转向相反，造成机组平面宽度增大，导致机械设备和土建投资均要增加。加之，在水泵运行时需要压缩空气保持水轮机转轮处于排空状态，而在水轮机运行时，需要保持水泵转轮处于排空状态，既增加了设备，又提高了运行费用，也影响了整个电站的效益。从 20 世纪 40、50 年代起，开始出现可以双向运转的可逆式机组。转轮正转为水轮机运行方式，反转为水泵运行方式。电动发电机既可作为发电机，也可以作为电动机。这种形式的机组就是由可逆式水泵水轮机和同步发电电动机构成的二机式机组。由于一机两用，动力设备少、结构简单紧凑、厂房和设备投资大为减少，造价较低，所以成为目前多数蓄能电站的选用方案。
