多种水轮发电机组结构原理

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1、水轮发电机组结构及工作原理,主讲：王高理 2016年10月18日,水轮发电机,1,水轮发电机组概述,本次培训内容,2,水轮机的型号及标称直径,3,水轮机的工作参数,4,公司电厂主机参数,5,水轮机基本结构,6,水轮发电机基本结构,第一章 水轮机发电机组概述,坝后式水电站,水电站的分类,引水式水电站,水电站的分类,混合式水电站,水轮发电机组,水轮机是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。 水轮机与发电机联接成的整体称为水轮发电机组。,水轮发电机组,水轮机的主要类型,水轮机的分类,利用水流的势能和动能进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。,利用水流的动能进行工作；转轮露在空气中

2、。,水流在反击式水轮机转轮中的运动,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,反击式水轮机,混流式水轮机 水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。 应用水头范围较广，约为20700m ，结构简单、运行稳定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。,1主轴；2叶片；3导叶,反击式（Reaction Hydraulic Turbine）,混流式：幅向进流，轴向出流,1主轴；2叶片；3导叶；4蜗壳；5尾水管,1,2,3,4,5,radiaxial turbine，Francis turbine,反击式水轮机,轴流式水轮机 水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而

3、在转轮区内水流保持轴向流动。 应用水头约为380m，在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。,1导叶；2叶片；3轮毂,反击式（Reaction Hydraulic Turbine）,轴流式：轴向进流，轴向出流,axial flow turbine, Kaplan turbine,1导叶；2叶片；3轮毂4蜗壳；5尾水管,1,2,3,4,4,5,反击式水轮机,斜流式水轮机 水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动，其转轮叶片大多做成可转的形式。 适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40200m。,1蜗壳；2导叶；3转轮叶片；4尾水管,反击式（Reaction Hydraulic Turb

4、ine）,斜流式：斜向进流，斜向出流,diagonal flow turbine,1,2,3,4,1蜗壳；2导叶；3叶片；4尾水管,可转动叶片,反击式水轮机,贯流式水轮机 一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机，它不设饮水蜗壳，叶片可做成固定的和可转动的两种。 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。 根据其发电装置形式的不同，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，目前已很少使用。,全贯流式水轮机,1转轮叶片；2转轮轮缘；3发电机转子轮辋

5、；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,半贯流式水轮机 半贯流式水轮机有轴伸式、竖井式和灯泡式等装置形式 。 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。 灯泡贯流式水轮机，其结构紧凑、稳定性好、效率较高 ，使用广泛。,反击式水轮机,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,竖井贯流式水轮机,反击式（Reaction Hydraulic Turbine）,灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体,through flow turbinebulb turbine,1导叶；

6、2转轮；3发电机；4灯泡,1,2,3,4,1,2,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 turbine,Pelton turbine,冲击式水轮机,水斗式水轮机 亦称切击式水轮机，从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮周围切线方向垂直冲击轮叶。 适用于高水头、小流量的水电站，特别是当水头超过400m时，常采用水斗式水轮机。 大型水斗式水轮机的应用水头约3001700m，小型水斗式水轮机的应用水头约为40250m。,水斗式水轮机,1转轮叶片；2导叶；3发电机定子

7、；4发电机转子；5灯泡体,冲击式水轮机,斜击式水轮机 从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。 多用于中小型水电站，适用水头为20300m。,（a）转轮；（b）斜击式转轮进水示意图 1管帽；2针阀；3轮叶,冲击式水轮机,双击式水轮机 从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。 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。,1工作轮；2喷嘴；3调节闸板； 4舵轮；5引水管； 6尾水槽,小结,1、悬挂式发电机: 推力轴承位于转子上方的发电机，它适用于转速在100r/min以上。其优点是推力轴承损耗小，装配方便，运转较稳定；缺点是机组高度较大，耗费钢材多。,水轮发电机组

8、的形式,悬式发电机,2、伞式发电机,推力轴承位于转子下方，设在下机架上传力方式：机组转动部分重量推力头 镜板推力轴瓦下机架机座基础 上机架：只支撑上导轴承和励磁机定子。类型：1. 普通伞式： 有上、下导轴承 2. 半伞式: 有上导轴承，无下导轴承 3. 全伞式: 无上导轴承，有下导轴承,高压油膜,(1) 普通伞式,有上、下导轴承,(2) 半伞式,有上导，无下导。发电机通常将上机架埋入发电机层地板以下。,(3) 全伞式,无上导，有下导。转动部分重量推力轴承支撑结构顶盖座环,第二章 水轮机的型号及标称直径,一、反击式水轮机的型号,二、冲击式水轮机的型号,举例,关于转轮直径D1的规定,第三章 水轮机

9、的工作参数,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,水轮机的主要工作参数有5个,一、水头 Head,水轮机流量：水流在单位时间内通过水轮机的水流体积,通常用Q表示，其单位为m3/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和Q是水力发电的两大要素， H大Q小也发不出大量电， Q大H小也发不出大量电,转速n：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。,磁极对数p 3 4 5 6 7 8 9 .同步转速n 1000 750 600

10、500 428.6 375 333.3 .,出力P与效率 水轮机的出力是指水轮机轴端输出的功率，常用符号P表示，单位为KW。 水轮机出力P与水流出力Pn之比称为水轮机的效率，用符号t表示。,水力效率: 容积效率:机械效率：,水轮机效率还可表示为,第四章 公司电站主机设备参数表（部分）,一、小水电厂设备参数(点击)二、大水电厂设备参数(点击),第五章 水轮机的结构,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 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,引水部件蜗壳和座环,蜗壳以沿水流方向过水断面的面积逐渐减小的蜗形

11、流道，紧紧围住导水机构，使水流进入导水机构具有一定的旋转环量 。并基本保证水流的对称、均匀性，从而提高效率。,三峡电站的一台机组蜗壳，由高强度钢板卷制焊接而成，与大坝引水管相连，蜗壳中间是座环及固定导叶。,焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。,引水部件蜗壳和座环,座环水轮机过流部件，也是水轮机承重部件，是水轮机的支柱，支撑水轮机的固定导水叶(导叶)，其作用是合理分配流量，及导流，使水流有方向、均匀地进入转轮。,座环,蜗壳分节,座环,蝶形边,功用： 引导水流按一定方向进入转轮； 形成与改变进入转轮的速度环量； 根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力； 关机时截断水流。,导水机构（dist

12、ributor ）,组成：导叶和传动机构。 导叶：导水机构的主体，由导叶体和导叶轴两部分组成。上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。 传动机构：由控制环、连杆、转臂三部分组成，用于传递接力器操作力矩，使导叶转动，改变导叶开度以改变流量。 导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。,导水机构（distributor ）,导水机构（distributor ）,接力器示意图,接力器用于操作控制环的转动。接力器的基本部件:接力器缸和活塞。,工作部件转轮是水轮机的核心,转轮转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心部分。,功用 引导水流进入

13、下游河道，并回收部分动能和势能。,尾水管 （draft tube）,型式： 直锥形用于小型水轮机； 弯锥形用于卧轴水轮机； 弯肘形（大中型电站）。,直锥形,弯锥形,尾水管 （draft tube）,组成：进口直锥段、肘管、出口扩散段。,尾水管 （draft tube）,龙滩水电站尾水管施工,上冠 下环 泄水锥 翼型扭曲叶片 (1221片) 止漏环(迷宫环) 减压装置,混流式水轮机转轮,轴流式水轮机转轮,轴流式水轮机的转轮是由轮毂、轮叶和泄水锥三部分组成。在轮毂四周按悬臂方式安装轮叶，轮叶是扭曲面。边缘薄，根部厚，外形类似螺旋桨。轮叶数目按工作水头大小而定，工作水头较低，轮叶数较少；反之，较多。

14、一般为38片,水轮机导水机构,圆柱式导水机构。这种结构的导水机构制造方便，能保证水轮机有足够高的效率，因而获得了广泛采用。,图5-13 径向式导水机构示意图,图5-14 圆锥式导水机构示意图,导水机构的组成,目前在混流式和轴流式水轮机中，普遍采用圆柱式导水机构，如圆柱式导水机构示意图。它位于蜗壳座环内圈，主要组成部分有顶盖、底环、控制环、导叶、导叶套筒、导叶传动机构（包括导叶臂、连杆、连接板）和接力器等部件组成。,1）导叶。导叶是导水机构的主要组成部件，均匀分布于转轮的外围、底环和顶盖之间。导叶的断面形状为翼型，首端较厚，尾端较薄，这样即可以保证强度又可以减少水力损失。导叶一般由导叶体和导叶轴

15、组成，有三种结构型式：第一种是整体铸造，如图 5-16(a)所示，为了减轻导叶重量，通常做成中空导叶，壁厚由强度计算或铸造工艺可行性确定。第二种是铸焊导叶，如图5-16 (b)所示，导叶体和轴分别铸，然后再焊接在一起。第三种是焊接导叶，如图5-16 (c)所示，导叶体都用钢板压制后，再焊接成型，最后与导叶轴焊成整体。,导水机构环形部件,导水机构的环形部件有底环、控制环、顶盖和支持盖，它们受力比较复杂，制造要求比较高。底环。是一个扁平的环形部件，位于导叶下方，安装在座环或基础环上，它与顶盖或支持盖形成流道，并用来安装导叶下轴套。底环的结构如图5-17所示。大多数底环都采用ZG270-500铸钢铸

16、造，大型机组中因受运输条件限制，可分为两半或更多瓣组合。在制造安装时，要注意底环上的导叶轴孔应与顶盖上相应的导叶轴孔同心，为此，中小型机组通常采用,控制环。是传递接力器作用力，并通过传动机构转动导叶的环形部件。为了减少摩擦和转动灵活，在控制环的底面和侧面装有抗磨板。如图5-18所示，控制环可采用ZG270-500铸钢铸造或Q235钢板焊接结构，大型的控制环受运输限制，也可设计成分瓣结构。控制环上部有耳环与推拉杆相连接，下部与叉头或耳柄相连，通过它使每个导叶传动机构同步动作，开启或关闭导叶。根据耳环数目和布置不同，控制环可分为单耳式、双耳交叉式、双耳平行式和无耳式。大中型多采用双耳平行式，当采用环形接力器时，则采用无耳式。,