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1、水 电 站AAA 武汉大学水利水电学院Tel: 68772274，13971388746 Em: *2水力发电系统组成：水力发电系统组成：水电站建筑物、水力水电站建筑物、水力 机械、电器设备机械、电器设备水库水库进水口进水口引水隧洞引水隧洞调压室调调压室调压力管道压力管道发电机发电机主阀主阀尾水渠尾水渠厂房厂房水轮机水轮机*3水力发电系统组成：水力发电系统组成：水电站建筑物、水力水电站建筑物、水力 机械、电器设备机械、电器设备*4水力发电过程能量转换：水力发电过程能量转换：水能水能机械能机械能 电能电能*5本课程的内容分本课程的内容分四大部分四大部分 水电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利水
2、电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利 用水力资源发电的场所，是用水力资源发电的场所，是建筑物、水、机、建筑物、水、机、 电电的综合体。的综合体。 进水及引水建筑物（进水口、引水隧洞、压力管道 ） 水轮机部分（能量转换的机械设备） 水电站厂房（发电和配电：主厂房、副厂房、主变 压器、开关站） 水锤、调压室（非恒定流动） 第一篇第一篇 水轮机水轮机*7水轮机和发电机连轴组成发电机组发电机发电机水轮机水轮机*8水轮机水轮机将水能转化为旋转机械能将水能转化为旋转机械能发电机发电机水轮机水轮机蜗壳蜗壳: :引水引水 导叶导叶: :调节流量调节流量 转轮转轮: :能量转换能量转换 尾水管尾水管: :泄水
3、泄水第第1 1章章 水轮机的类型水轮机的类型 构造及工作原理构造及工作原理1.1 1.1 水轮机的主要工作参数水轮机的主要工作参数*10水轮机的主要工作参数水轮机的主要工作参数有有5 5个个水轮机出力 水轮机工作水头 水轮机流量 水轮机效率 水轮机转速*11水轮机出力水轮机出力：水轮机传给发电机的功率水轮机传给发电机的功率 水体能量扣除水轮机的能量损失 设在 时段内有 的水体从1-1断面流过2-2断 面，因此，该段水体 所提供的能量为：和 称为水能两个基本要素。*12水体能量决定于流量和落差水体具有的能量（功率） 为1-2断面水面降落的垂直高度（通常称为落 差或水头），单位为m 为水的容重。
4、=1000kg/m3 。 为单位时间里通过1-1断面的流量 （m3/s）。 为水体所具有的作功能力（kg.m/s）。*13水轮机出力决定于流量和工作水头水体具有的能量（功率） 工程上常用“千瓦”或“马力”来表示， 1千瓦 =102kg.m/s 水流给予水轮机的功率 水轮机输出功率（出力） 为水轮机的效率（kgkg. .m/sm/s）（千瓦（千瓦 ）*14水轮机工作水头水轮机工作水头：单位重量水体通过水轮：单位重量水体通过水轮 机进出口断面的能量差值机进出口断面的能量差值*15工作水头不是毛水头，而是净水头为水电站上下游水位差，称为水电站为水电站上下游水位差，称为水电站毛水头毛水头 为水电站引水
5、系统为水电站引水系统水头损失水头损失为为净水头净水头即水轮机即水轮机工作水头工作水头*16水轮机的水轮机的工作水头工作水头是随上下游水位变是随上下游水位变 化而化而变化的变化的 常选用几个特征水头来表示水轮机的运行常选用几个特征水头来表示水轮机的运行 工况和运行范围，这些特征水头由水能计工况和运行范围，这些特征水头由水能计 算确定算确定 （1 1）最大水头）最大水头 （2 2）最小水头）最小水头 （3 3）加权平均水头）加权平均水头 （4 4）设计水头）设计水头 *17水轮机流量水轮机流量：水流在单位时间内通过水轮：水流在单位时间内通过水轮 机的水流体积机的水流体积 通常用Q表示，其单位为m3
6、/s 水轮机 的引用流量主要随着水轮机的工作 水头和出力的变化而变化 在设计水头下水轮机以额定出力工作时其 过水流量最大H H和和QQ是水力发电的两大是水力发电的两大 要素，要素， H H大大QQ小也发不出小也发不出 大量电，大量电， QQ大大H H小也发不小也发不 出大量电出大量电*18水轮机效率水轮机效率：水轮机的输出功率与输入功：水轮机的输出功率与输入功 率比值率比值水力效率水力效率 : : 容积效率容积效率: :机械效率机械效率 ：水轮机效率还可表示为水轮机效率还可表示为 效率也是水轮机的最重要效率也是水轮机的最重要 参数之一，越高越好。参数之一，越高越好。*19转速转速n n：水轮机
7、组每分钟转动的转数水轮机组每分钟转动的转数 对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是 同轴运行的，所以它们的转速相同，并需要满 足同步转速的要求。即即其中：其中：f f- -电流频率；我国电网电流频率；我国电网f f=50Hz=50Hz；p p- -发电机的发电机的 磁极对数。则：磁极对数。则：磁极对数磁极对数p p 3 4 5 6 7 8 9 . 3 4 5 6 7 8 9 .同步转速同步转速n n 1000 750 600 500 428.6 375 333.3 . 1000 750 600 500 428.6 375 333.3 .*201.2 1.2 水轮机的主要类型水轮机的主要类型
8、水轮机有各种类型的原因是什么？水轮机有各种类型的原因是什么？ 水能利用的条件千差万别，最重要的特点是水能利用的条件千差万别，最重要的特点是 水头有高有低，高者水头上千米，低者数米水头有高有低，高者水头上千米，低者数米 流量有大有小，大者几千立方米每秒，小者不到一流量有大有小，大者几千立方米每秒，小者不到一 立方米每秒立方米每秒 各种水轮机型式的出现均是各种水轮机型式的出现均是为了最大限度利用为了最大限度利用 水能水能 FrancisFrancis、KaplanKaplan，PeltonPelton等人发明了针对不等人发明了针对不同水头的水轮机同水头的水轮机*21现代水轮机可按现代水轮机可按能量
9、利用特征能量利用特征、水流特征水流特征 、转轮结构特征转轮结构特征分类分类 水轮机按水轮机按能量转换特征能量转换特征分为两类，即分为两类，即反击式反击式和和 冲击式冲击式。而每一类水轮机又根据。而每一类水轮机又根据转轮区内水流转轮区内水流 的特征的特征和和转轮的结构特征转轮的结构特征又分为多种形式。又分为多种形式。 能量转换特征：能量转换特征：利用水流的势能、动能的比例利用水流的势能、动能的比例 。 转轮内水流特征：转轮内水流特征：水流方向与主轴关系（垂直水流方向与主轴关系（垂直 、平行、平行 、斜交）、斜交）。 转轮的结构特征：转轮的结构特征：桨叶固定、转动，转轮的高桨叶固定、转动，转轮的高
10、 、扁等。、扁等。*22能量转换特征分类：能量转换特征分类：反击式反击式和和冲击式冲击式 单位重量水体在转轮进、出口的能量之差： 可变换为水流势能水流势能水流动能水流动能*23冲击式：只利用动能 反击式：既利用动能也利用势能 势能占总能量的比例 动能占总能量比例 水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和 若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机 若0Ep1，EpEv=1，这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为反击式水轮机*24反击式：水流方向和流速大小受叶片约束 而改变,从而对叶片一个反作用力混流式水轮机 （Francis）*25冲击式：转轮处在大气中，高速射流冲击 转
11、轮 冲击式水轮机（ Pelton）*26水流特征、转轮结构特征和工作方式分类水流特征、转轮结构特征和工作方式分类反击式反击式混流式混流式轴流式轴流式斜流式斜流式贯流式贯流式轴流定桨式轴流定桨式 轴流转桨式轴流转桨式冲击式冲击式水斗式（切击式）水斗式（切击式） 斜击式斜击式 双击式双击式 可逆式可逆式混流式混流式轴流式轴流式斜流式斜流式贯流式贯流式*27反击式（Reaction Hydraulic Turbine）混流式：混流式：幅向进流，轴向出流幅向进流，轴向出流1主轴；2叶片；3导叶； 4蜗壳；5尾水管12345radiaxial turbine，Francis turbine*28反击式（
12、Reaction Hydraulic Turbine）轴流式：轴流式：轴向进流，轴向出流轴向进流，轴向出流axial flow turbine, Kaplan turbine1导叶；2叶片；3轮毂 4蜗壳；5尾水管12 3445*29反击式（Reaction Hydraulic Turbine）斜流式：斜流式：斜向进流，斜向出流斜向进流，斜向出流diagonal flow turbine12341蜗壳；2导叶； 3叶片；4尾水管可转动叶片*30反击式（Reaction Hydraulic Turbine）贯流式：贯流式：机组在流道中间，周围过水机组在流道中间，周围过水through flow
13、turbine bulb turbine1导叶；2转轮； 3发电机；4灯泡123412*31反击式（Reaction Hydraulic Turbine）through flow turbine*32冲击式（impulse turbine）inclined jet turbine （a）水斗式； （b）斜击式； （c）双击式冲击式水轮机：高速射流在空气中冲击转轮Banki turbinePelton turbine*33冲击式（impulse turbine）inclined jet turbine crossflow turbine, Banki turbinePelton turbine*
14、34可逆式可逆式: :既是水轮机又是水泵既是水轮机又是水泵(Reversible) Pump Turbine混流式混流式：3040600700m3040600700m 斜流式斜流式：150m150m以下，水头变幅较大以下，水头变幅较大 轴流式轴流式：少少 惯流式惯流式：潮汐电站，水头潮汐电站，水头1520m1520m可可 逆逆 式式*35各型水轮机适用各型水轮机适用不同水头范围不同水头范围对应对应不同转不同转 轮形状轮形状*361.3 1.3 水轮机的基本构造水轮机的基本构造 反击式水轮机通常由四大部分组成 进水部件：蜗壳 和座环 导水部件：导叶及其传动机构 工作部件：转轮 泄水部件：尾水管
15、这四大部分对于不同类型的水轮机各不完 全相同，有着自身的特点*37引水部件蜗壳和座环 蜗壳（和座环）蜗壳（和座环） 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。*38引水部件蜗壳和座环 蜗壳（和座环）蜗壳（和座环） 蜗壳的作用主要是使水流以较小的水力损失均匀对 称地流入转轮；座环起加强蜗壳的刚度并传递上部 结构力的作用。座环*39导水部件导叶及其传动机构 导叶及传动机构导叶及传动机构 导叶的主要作用是根据机组负荷变化来调节水轮机流量以 改变水轮机出力，并引导水流按一定的方向进入转轮，形 成一定的速度矩。 包括的部件有：导叶、推拉杆、控制环、拐臂和连杆等*40导水部件导叶及其传动机构 导叶及传动机构导叶及传动机构导叶与导叶间的距离称为导叶与导叶间的距离称为开度开度，开度开度的变化的变化 导致导致流量流量变化，进而改变变化，进而改变出力出力。导叶开度由。导叶开度由 调速器
