第十二章第十二章 水电厂主要水工建水电厂主要水工建筑物和动力设备筑物和动力设备 第一节第一节 水电厂主要水工建筑物水电厂主要水工建筑物一、拦水建筑物一、拦水建筑物—坝坝坝是截断河流、集中落差和水量、形成水库的大型水工建筑坝是截断河流、集中落差和水量、形成水库的大型水工建筑坝是水利枢纽的工程主体，常见的坝型有土坝、混凝土重力坝是水利枢纽的工程主体，常见的坝型有土坝、混凝土重力坝、拱坝和支墩坝坝、拱坝和支墩坝 1、土坝：结构简单、地质要求较低、工作可靠、寿命较长、土坝：结构简单、地质要求较低、工作可靠、寿命较长2、混凝土重力坝：、混凝土重力坝： 用混凝土和浆砌石修筑的大体积挡水建用混凝土和浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，它主要靠自重作用维持坝体的稳定，承受迎水面的水筑物，它主要靠自重作用维持坝体的稳定，承受迎水面的水平推力和坝体自重力平推力和坝体自重力3、拱坝和支墩坝：、拱坝和支墩坝： 拱坝向迎水画呈拱形，支墩坝通常由多拱坝向迎水画呈拱形，支墩坝通常由多幅迎水斜面或小型拱画组成幅迎水斜面或小型拱画组成 混凝土重力坝混凝土重力坝土坝土坝 拱坝拱坝 支墩坝支墩坝 二、引水建筑物二、引水建筑物—引水口和引水渠道引水口和引水渠道1、引水口的布置、引水口的布置（（1）、引水口要求有足够的进水能力，即具有平顺的入口轮）、引水口要求有足够的进水能力，即具有平顺的入口轮廓、较大的断面尺寸廓、较大的断面尺寸(如隧洞的入口段，开挖成喇叭口状如隧洞的入口段，开挖成喇叭口状)；；（（2）、要保证引水水质符合要求）、要保证引水水质符合要求(如在进水口设置拦污栅、拦如在进水口设置拦污栅、拦沙和冲沙设施沙和冲沙设施)；；（（3）、要设置必要的闸门）、要设置必要的闸门(检修闸门、事故快速关断闸门检修闸门、事故快速关断闸门)，，为引水渠道的检修或事故性快速截流，提供控制引流量的手段。
为引水渠道的检修或事故性快速截流，提供控制引流量的手段大型水电厂采用水压引水方式，小型水电厂无压引水方式大型水电厂采用水压引水方式，小型水电厂无压引水方式 2、引水渠道及其附属水工建筑物、引水渠道及其附属水工建筑物（（1）无压引水渠道、压力前池和日调节池）无压引水渠道、压力前池和日调节池 （（2）有压引水渠道和调压室）有压引水渠道和调压室采用有压引水方式的水电厂，其有压引水隧洞中的水流充满采用有压引水方式的水电厂，其有压引水隧洞中的水流充满整个过水断面，并承受较大的内水压力整个过水断面，并承受较大的内水压力有压隧洞的内壁一般用水泥或钢板作衬砌，它的末端与水有压隧洞的内壁一般用水泥或钢板作衬砌，它的末端与水轮机的进水压力钢管相连接，压力钢管的末端轮机的进水压力钢管相连接，压力钢管的末端(水轮机入口水轮机入口前前)要装设蝴蝶阀，主要是因为水轮机组突然甩负荷而调速要装设蝴蝶阀，主要是因为水轮机组突然甩负荷而调速器又失灵时，避免机组飞车事故器又失灵时，避免机组飞车事故 （（2）水击现象）水击现象 在长度较大的有压引水隧道或压力水管中，由于水的惯在长度较大的有压引水隧道或压力水管中，由于水的惯性作用，当水轮机前的阀门突然开启或关闭时，隧道和管性作用，当水轮机前的阀门突然开启或关闭时，隧道和管路中的水压力会突然降低或升高，压力隧道和管路中具有路中的水压力会突然降低或升高，压力隧道和管路中具有相当流量的水体，在惯性力作用下，压力突然降低或增高相当流量的水体，在惯性力作用下，压力突然降低或增高的压力值是很大的，这种现象的压力值是很大的，这种现象叫做叫做“水击现象水击现象” 因此：因此：所有水电厂在设计阶段，都要进行认真的调节保所有水电厂在设计阶段，都要进行认真的调节保证计算，获得系统最大和最小的内水压力值，研究减小水证计算，获得系统最大和最小的内水压力值，研究减小水击现象的措施，选择合理的调速器调节时间和调节规律，击现象的措施，选择合理的调速器调节时间和调节规律，以及导向叶片以及导向叶片(或阀门或阀门)的启闭历时时间和启闭方式。
的启闭历时时间和启闭方式 （（3）调压室）调压室 第二节第二节 水轮机水轮机 一、水轮机一、水轮机 的基本类型和型号的基本类型和型号1、水轮机基本类型、水轮机基本类型水轮机：将水能转换成旋转机械功的水力原动机水轮机：将水能转换成旋转机械功的水力原动机 1、冲击式、冲击式—斗叶式水轮机斗叶式水轮机适用于水头高（适用于水头高（100m~1700m）、流量相对较小）、流量相对较小的电站的电站 2、混流式水轮机、混流式水轮机水流通过导叶水流通过导叶 ，沿幅向进入转轮，然后沿轴向流出转轮沿幅向进入转轮，然后沿轴向流出转轮适用于水头范围适用于水头范围2~670m，单机容量可达几百，单机容量可达几百MW的电站 3、混流式水轮机、混流式水轮机水流进出转轮的方向始终为轴向分为转浆式和定浆式水流进出转轮的方向始终为轴向分为转浆式和定浆式 适用水头范围为适用水头范围为2~88m，单机出力可达几百，单机出力可达几百MW的机组 4、贯流式水轮机、贯流式水轮机转轮与轴流式水轮机的转轮一样，但整个机组为卧式或斜式转轮与轴流式水轮机的转轮一样，但整个机组为卧式或斜式 适用水头范围为适用水头范围为25m一下，单机出力可达几十一下，单机出力可达几十MW的机组。
的机组全贯流式水轮机全贯流式水轮机灯泡贯流式水轮机灯泡贯流式水轮机 5、斜流式水轮机、斜流式水轮机它的叶轮轮叶轴线与叶轮主铀的轴线斜交，进出叶轮的水流与叶它的叶轮轮叶轴线与叶轮主铀的轴线斜交，进出叶轮的水流与叶轮主轴线斜交转轮可做成转桨式或定桨式、轮主轴线斜交转轮可做成转桨式或定桨式、适用水头范围在适用水头范围在4040~200m200m可作为可逆机组用于抽水蓄能电厂可作为可逆机组用于抽水蓄能电厂 2、水轮机的装置方式、水轮机的装置方式水轮发电机组的主轴布置方式目前水轮发电机组的主轴布置方式目前2种：卧式和立式种：卧式和立式3、水轮机的型号、水轮机的型号（（1）水轮机的比转速）水轮机的比转速比转速：当有效水头比转速：当有效水头H=1m，水轮机出力，水轮机出力P=1kW时，与原时，与原型水轮机按一定相似关系建立起来的模型水轮机所具有的型水轮机按一定相似关系建立起来的模型水轮机所具有的转速反击式水轮机：反击式水轮机： 冲击式水轮机：冲击式水轮机：比转速越大，机组过流量越大比转速越大，机组过流量越大 （（2）水轮机的型号）水轮机的型号我国生产的水轮机型号由三部分代码组成：我国生产的水轮机型号由三部分代码组成：第一部分第一部分由汉语拼音字头和阿拉伯数字表示由汉语拼音字头和阿拉伯数字表示：：指水轮指水轮机的型式和水轮机的比转速；机的型式和水轮机的比转速；第二部分第二部分由两个汉语拼音字母组成，其中第一个字母由两个汉语拼音字母组成，其中第一个字母表示水轮机主轴装置型式，第二个字母表示水轮机引表示水轮机主轴装置型式，第二个字母表示水轮机引水室的特征；水室的特征；第三部分第三部分表示水轮机转轮的标称直径表示水轮机转轮的标称直径(cm)。
HL200-LJ-250 ZZ500-LH-10202QJ150-W-120/2*10二、水轮机的基本结构二、水轮机的基本结构1、反击式水轮机的主要组成构件、反击式水轮机的主要组成构件 组成：水轮机室、导水机构、转轮和泄水机构组成：水轮机室、导水机构、转轮和泄水机构 1、水轮机室、水轮机室作用：以较小的水头损失、经济合理的尺寸，将水流轴对作用：以较小的水头损失、经济合理的尺寸，将水流轴对称地引导、汇集，注入转轮称地引导、汇集，注入转轮蜗壳的作用：是使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、蜗壳的作用：是使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机轴对称地进入水轮机 完全蜗壳（金属蜗壳）：最大包角完全蜗壳（金属蜗壳）：最大包角345°不完全蜗壳（混凝土蜗壳）：包角不完全蜗壳（混凝土蜗壳）：包角180°~225° 2、导水机构、导水机构作用：使水流沿着有利的方向进入水轮机的转轮，并调节进作用：使水流沿着有利的方向进入水轮机的转轮，并调节进入转轮的流量使水轮机的出力与外界负荷变化的要求相适应入转轮的流量使水轮机的出力与外界负荷变化的要求相适应关闭导水机构，可使水轮机停止运行。
关闭导水机构，可使水轮机停止运行组成：导叶、顶盖、底环及传动机构组成：导叶、顶盖、底环及传动机构 3、转轮：将水能转变为机械能的核心部件、转轮：将水能转变为机械能的核心部件 4、泄水机构、泄水机构—尾水管尾水管大中型水电厂的水轮机尾水管为弯曲形由直管段、弯曲段、大中型水电厂的水轮机尾水管为弯曲形由直管段、弯曲段、扩散段组成扩散段组成作用作用（（1 1）） 将转轮出口的水流引向下游将转轮出口的水流引向下游 （（2 2）回收尾水管淹没部分水头的能量回收尾水管淹没部分水头的能量 （（3 3）回收部分动能，提高水轮机的运行效率回收部分动能，提高水轮机的运行效率 （二）冲击式水轮机的主要组成部分（二）冲击式水轮机的主要组成部分组成：组成： 转轮、喷嘴、针阀、偏流器、主轴和机壳转轮、喷嘴、针阀、偏流器、主轴和机壳 三、水轮机的汽蚀现象和安装高程三、水轮机的汽蚀现象和安装高程1、水轮机的汽蚀现象、水轮机的汽蚀现象这种过程发生在水轮机金属部件附近，撞击会造成金届表这种过程发生在水轮机金属部件附近，撞击会造成金届表面海绵状机械破坏，这些现象，总称为水轮机的汽蚀现象面海绵状机械破坏，这些现象，总称为水轮机的汽蚀现象为了限制汽蚀现象的产生和发展，常采用的措施有为了限制汽蚀现象的产生和发展，常采用的措施有：：避免水轮机组长时间在低负荷下运行或适当地补入空气破避免水轮机组长时间在低负荷下运行或适当地补入空气破坏真空；改进和完善转轮轮叶形和提高转轮及轮叶的表面坏真空；改进和完善转轮轮叶形和提高转轮及轮叶的表面粗造度，减少局部低压区出现的可能性；选用硬度大、抗粗造度，减少局部低压区出现的可能性；选用硬度大、抗汽蚀性能好的转轮和轮叶全属材料；合理确定水轮机的吸汽蚀性能好的转轮和轮叶全属材料；合理确定水轮机的吸出高度出高度Hs. 2、水轮机的安装高程、水轮机的安装高程允许吸出高度：允许吸出高度：安装高程：安装高程： 第三节第三节 水轮机工作原理及效率水轮机工作原理及效率一、水轮机工作原理一、水轮机工作原理 水流流经转轮的叶道时，受叶轮叶形和流道断面的约束，水水流流经转轮的叶道时，受叶轮叶形和流道断面的约束，水流运动方向和流速大小不断发生变化，于是转轮在水流反作用流运动方向和流速大小不断发生变化，于是转轮在水流反作用力作用下绕轴旋转做功，将水能转变成机械能。
力作用下绕轴旋转做功，将水能转变成机械能 理想工况下水流流经反击式水轮机的转轮流道理想工况下水流流经反击式水轮机的转轮流道 时，其势时，其势能的降落与动能的变化之和转换成流水反作用于转轮的旋转能的降落与动能的变化之和转换成流水反作用于转轮的旋转机械功冲击式水轮机只是利用水流动能做功的水力原动机冲击式水轮机只是利用水流动能做功的水力原动机 二、水轮机的基本方程二、水轮机的基本方程 1、水轮机的转速、水轮机的转速水轮机的转速水轮机的转速n(r/min)是表明水轮机工作状态的参数之一是表明水轮机工作状态的参数之一大中型水轮发电机组的水轮机与发电机直接相连接，发大中型水轮发电机组的水轮机与发电机直接相连接，发电机的定子具有一定的磁极对数为保证发电机电压和电机的定子具有一定的磁极对数为保证发电机电压和频率的稳定，水轮发电机组的转速必须保持是一个标准频率的稳定，水轮发电机组的转速必须保持是一个标准的常数，称为水轮发电机组的工作转速机组在正常工的常数，称为水轮发电机组的工作转速机组在正常工作情况下，其转速基本保持不变作情况下，其转速基本保持不变 三、水轮机的能量损失及效率三、水轮机的能量损失及效率1、水力损失和水力效率、水力损失和水力效率从水轮机的引水室入口断而至尾水管出口断面之间，过流从水轮机的引水室入口断而至尾水管出口断面之间，过流部件的沿程阻力、局部撞击、涡流、脱流等可能存在的损部件的沿程阻力、局部撞击、涡流、脱流等可能存在的损失所引起的水头降落，称为水轮机的水力损失。
它随过流失所引起的水头降落，称为水轮机的水力损失它随过流流速的增加流速的增加(水轮机的出力增大水轮机的出力增大)而增加 2、容积损失和容积效率、容积损失和容积效率3、机械损失和机械效率、机械损失和机械效率 4、水轮机发电机组的实际出力、水轮机发电机组的实际出力水轮机轴端输出功率：水轮机轴端输出功率： 水轮发电机组发电功率：水轮发电机组发电功率： ηt为水轮发电机组的总效率对于大中型水轮发电机组，为水轮发电机组的总效率对于大中型水轮发电机组， ηt一般为一般为0.82~0.87；对于小型水轮发电机组，；对于小型水轮发电机组， ηt一般一般为为0.66~0.76. 第四节第四节 水电厂的主要辅助设备水电厂的主要辅助设备 一、水电厂的油系统设备一、水电厂的油系统设备 汽轮机油（透平油）系统和绝缘油系统两种汽轮机油（透平油）系统和绝缘油系统两种 （（1）） 汽轮机油供给机组各轴承的润滑、散热和调节系统汽轮机油供给机组各轴承的润滑、散热和调节系统操作、传递能量所用的压力油操作、传递能量所用的压力油2）绝缘油供给电气设备，如变压器、油开关等用作绝缘、）绝缘油供给电气设备，如变压器、油开关等用作绝缘、散热及消弧的油，叫做绝缘油散热及消弧的油，叫做绝缘油 两独立的油系统中的主要设备是储油罐，用作接受和储存两独立的油系统中的主要设备是储油罐，用作接受和储存油，每个系统最少应有两个储油罐油，每个系统最少应有两个储油罐 ，一个储存净油，一个，一个储存净油，一个储存污油。
布置在水电厂厂房内单独的储油室内储存污油布置在水电厂厂房内单独的储油室内 油处理室里有滤油机、油泵等油处理设备油处理室里有滤油机、油泵等油处理设备 二、水电厂的水系统设备二、水电厂的水系统设备水系统分为排水系统和供水系统水系统分为排水系统和供水系统（（1）） 供水系统：主要是供机组生产用水，包括发电机空供水系统：主要是供机组生产用水，包括发电机空气冷却器、推力轴承和导轴承的油冷却器、油压装置冷却气冷却器、推力轴承和导轴承的油冷却器、油压装置冷却器和水冷式空气压缩机冷却器的冷却用水，水轮机导轴承器和水冷式空气压缩机冷却器的冷却用水，水轮机导轴承的润滑用水等的润滑用水等 供水系统对水量、水温、水质、水压有一定的要求供水系统对水量、水温、水质、水压有一定的要求2）排水系统：渗漏排水和检修排水）排水系统：渗漏排水和检修排水 1）生产用水（冷却用水等）：靠自流排到下游）生产用水（冷却用水等）：靠自流排到下游 2）检修排水（蜗壳、尾水管））检修排水（蜗壳、尾水管） 3）厂房、机组的渗漏水：排到集水井）厂房、机组的渗漏水：排到集水井 第五节第五节 水轮机转速调节和运行水轮机转速调节和运行一、水轮机的转速调节一、水轮机的转速调节 1．水轮机转速调节的任务．水轮机转速调节的任务 为保证电网供电质量，要求交流电的电压和频率波动保持在为保证电网供电质量，要求交流电的电压和频率波动保持在规定波动范围之内，因此水轮发电机的出力与所担负的电力负规定波动范围之内，因此水轮发电机的出力与所担负的电力负荷应相适应，水轮发电机组应稳定地在工作转速下运行。
荷应相适应，水轮发电机组应稳定地在工作转速下运行水轮发电机组的转速调节任务：水轮发电机组的转速调节任务：为使水轮发电机组出力为使水轮发电机组出力与外界电负荷变比相适应而调节流量与外界电负荷变比相适应而调节流量Q，就要有调节设备，就要有调节设备随时改变转轮入口导水机构开度随时改变转轮入口导水机构开度α从而改变进入水轮机从而改变进入水轮机转轮的水流量，保持水轮机组转速基本稳定转轮的水流量，保持水轮机组转速基本稳定 2、水轮机的调速器和调节原理、水轮机的调速器和调节原理 二、水轮发电机组的启动和停机二、水轮发电机组的启动和停机1、水轮发电机组的正常启动、水轮发电机组的正常启动 辅助系统、设备的状态（断路器断开、制动闸落下）完好辅助系统、设备的状态（断路器断开、制动闸落下）完好→开调速器空载开调速器空载→升速到升速到80%nr投励磁装置投励磁装置→升速到升速到95%nr投准同期装置投准同期装置→合断路器合断路器→开调速器开度开调速器开度2、水轮发电机组的正常停机、水轮发电机组的正常停机 停机令停机令→减负荷、关导叶开度减负荷、关导叶开度→断断路器断断路器→转速下降到转速下降到30%nr左右投制动装置左右投制动装置 →停机后关辅助系统。
停机后关辅助系统3、水轮发电机组的事故工况下紧急停机、水轮发电机组的事故工况下紧急停机 导叶无法正常关闭（调速器故障、导叶轴销折断）导叶无法正常关闭（调速器故障、导叶轴销折断）→转转速上升到速上升到140%nr，关阀门或快速闸门关阀门或快速闸门。