水轮发电机结构与工作原理介绍课件

水轮发电机结构及工作原理介水轮发电机结构及工作原理介绍绍二零一四年七月水电厂生产简图：混流式剖面：水力发电示意：水力发电示意：轴流式剖面贯流式剖面贯流式剖面上游大坝蓄水具有位能，具有压力的水流经拦污栅、进水口检修闸门、工上游大坝蓄水具有位能，具有压力的水流经拦污栅、进水口检修闸门、工作闸门及发电引水钢管进入水轮机蜗壳，初步形成环流，再经座环固定导作闸门及发电引水钢管进入水轮机蜗壳，初步形成环流，再经座环固定导叶分流后均匀地进入活动导叶，活动导叶开度的大小调节转轮的水流量，叶分流后均匀地进入活动导叶，活动导叶开度的大小调节转轮的水流量，转轮在水的压力和速度作用下旋转，把水能（动能、势能）转换成机械能，转轮在水的压力和速度作用下旋转，把水能（动能、势能）转换成机械能，转轮出口水流通过尾水管排至下游；水轮机大轴把转轮的转动力矩传给及转轮出口水流通过尾水管排至下游；水轮机大轴把转轮的转动力矩传给及水轮机大轴连接的发电机转子，并带动发电机转子转动，当发电机转子绕水轮机大轴连接的发电机转子，并带动发电机转子转动，当发电机转子绕组中通以直流电，形成磁场同时由转子旋转而产生旋转磁场。发电机定子组中通以直流电，形成磁场同时由转子旋转而产生旋转磁场。发电机定子绕组因切割转子的旋转磁场，而在发电机三相定子绕组中产生交变感应电绕组因切割转子的旋转磁场，而在发电机三相定子绕组中产生交变感应电势。当发电机三相定子绕组输出回路接负载时就产生交变三相电流，此交势。当发电机三相定子绕组输出回路接负载时就产生交变三相电流，此交变电流产生的磁场在发电机定子、转子形成旋转磁场，并且定子绕组产生变电流产生的磁场在发电机定子、转子形成旋转磁场，并且定子绕组产生的旋转磁场及发电机转子的旋转磁场同向，同速，当发电机转子磁极对数的旋转磁场及发电机转子的旋转磁场同向，同速，当发电机转子磁极对数p一定时，发电机的转速一定时，发电机的转速n及电势的频率及电势的频率f有严格不变的关系，即同步关系，有严格不变的关系，即同步关系，f=pn/60；其中；其中f-同步发电机电势的频率同步发电机电势的频率(Hz);p-同步发电机的磁同步发电机的磁极对数极对数;n-同步发电机转子的转速同步发电机转子的转速(r/min)。一、一、水轮发电机组基本工作原理水轮发电机组基本工作原理1、水能转化为机械能、水能转化为机械能1）进入水轮机的水能控制）进入水轮机的水能控制P=9.81QH,根据能量守恒，要改根据能量守恒，要改 变变P，必须，必须调节进入水轮机的流量或者改变水头。因为水头调节范围较小（调节进入水轮机的流量或者改变水头。因为水头调节范围较小（431m440m),汛期留有防洪库容，水头调节范围更小（汛期留有防洪库容，水头调节范围更小（431m435m)。所以。所以一般通过调节进入水轮机的流量来改变一般通过调节进入水轮机的流量来改变P。通过改变活动导叶开度这一途。通过改变活动导叶开度这一途径来调节进水量或切断水流。导叶的操作力来自液压接力器，而液压接力径来调节进水量或切断水流。导叶的操作力来自液压接力器，而液压接力器则受调速器来控制。器则受调速器来控制。2）水电厂电能生产及送出示意图：天然水流）水电厂电能生产及送出示意图：天然水流坝坝水库水库取水口取水口压力钢压力钢管管水轮机水轮机发电机发电机输变电装置输变电装置用户用户3）流量的调节过程：调节命令（上位机）流量的调节过程：调节命令（上位机）机组现地机组现地LCU调速器电气部调速器电气部分分调速器机械部分调速器机械部分液压接力器液压接力器控制环控制环导叶拐臂导叶拐臂导叶开度改变导叶开度改变改改变进入水轮机的流量。变进入水轮机的流量。4）请写出有功功率及水头和流量的关系式。）请写出有功功率及水头和流量的关系式。5）请说出我厂设计防洪水位是多少？）请说出我厂设计防洪水位是多少？6）请简要说明进入水轮机流量调节过程？）请简要说明进入水轮机流量调节过程？2、机械能转变为电能、机械能转变为电能 水流驱动水轮机转动带动同轴发电机转动水流驱动水轮机转动带动同轴发电机转动1）发电机工作基本原理电磁感应原理，导线切割磁力线将感应电动 势，闭合导线产生交变电流。在工程上由于电枢绕组庞大，故电厂一 般采用移动磁力线去切割固定不动的电枢绕组。当定子绕组流过三相交流电流以后产生一个旋转磁极，该磁极的转速称为同步转速，旋转磁极及转子磁极产生相互作用力，二者之间的角度决定了力的大小(有功负荷大小）和性质（发电机或电动机）。发电机的转速n及电势的频率f有严格不变的关系，即同步关系，f=p*n/60。2）发电机调压过程：由电磁感应定律E=L*d/dt可知改变等式右侧任意一个参数就可以改变感应电势E，但一般L不可改变，同步发电机磁力线切割速度不可改变，所以一般通过改变磁通强度（磁力线密度）来调整电压，要改变磁通强度必先改变励磁电流强度，也就是平时改变可控硅导通角。3 3）电压调整过程：）电压调整过程：电压调整命令现地LCU可控硅导通角转子电压转子电流磁通感应电动势改变4 4）我厂机组额定转速为）我厂机组额定转速为93.75r/min93.75r/min，请计算有多少对磁极？，请计算有多少对磁极？1.混流式混流式2.轴流式轴流式低水头轴流式水轮机转轮低水头轴流式水轮机转轮高水头轴流式水轮机转轮高水头轴流式水轮机转轮3.其他其他斜斜流流式式水水轮轮机机水泵水轮机转轮水泵水轮机转轮 导导导导 水水水水 机机机机 构构构构控制环控制环导叶连杆导叶连杆活动导叶活动导叶导叶套筒导叶套筒顶盖顶盖底环底环4.发电机发电机机组转子吊装机组转子吊装水轮发电机组的型式水轮发电机组的型式按布置方式分：可分为卧式和立式两种。按布置方式分：可分为卧式和立式两种。卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击式水轮机。一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和伞按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和伞式两种。式两种。推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机，它适用于转速在100r/min以上。推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机，无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适用于转速在150r/min以下。按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种。水轮发电机的主要作用水轮发电机的主要作用 将水轮机旋转的机械能最终转换成电能，其结构将水轮机旋转的机械能最终转换成电能，其结构及性能的好坏对电站的安全、稳定、高效运行起及性能的好坏对电站的安全、稳定、高效运行起着致关重要的作用。着致关重要的作用。水轮发电机组成水轮发电机组成 主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等部件组成。冷却器、制动器等部件组成。水轮发电机定子结构水轮发电机定子结构 水轮发电机定子主要由水轮发电机定子主要由机座、铁芯和三机座、铁芯和三相绕组线圈等相绕组线圈等组成。组成。铁芯固定在机座上。铁芯固定在机座上。三相绕组线圈嵌装在铁芯的齿槽内。三相绕组线圈嵌装在铁芯的齿槽内。发电机定子机座、铁芯和三相绕组统一体统发电机定子机座、铁芯和三相绕组统一体统称为发电机的定子，也称为电枢。称为发电机的定子，也称为电枢。立轴水轮发电机定子结构立轴水轮发电机定子结构 机座机座铁心铁心线圈线圈定定定定定定子子子子子子定子铁芯定子铁芯定子绕组定子绕组出口母线出口母线中性点串联中性点串联变出口变出口定子机座定子机座空冷器空冷器空冷器支架空冷器支架暖风窗暖风窗机座机座 定子机座一般呈圆形定子机座一般呈圆形，小容量水轮发电，小容量水轮发电机多数采用铸铁整圆机座，也有采用钢机多数采用铸铁整圆机座，也有采用钢板焊接的箱形结构；容量较大的水轮发板焊接的箱形结构；容量较大的水轮发电机的机座由钢板制成的壁、环、立筋电机的机座由钢板制成的壁、环、立筋及合缝板等零件焊接组装而成。及合缝板等零件焊接组装而成。机座应有足够的刚度，同时还应能适应机座应有足够的刚度，同时还应能适应铁心的热变形。铁心的热变形。铁芯铁芯 定子铁芯是定子的一个重要部件，由扇形冲定子铁芯是定子的一个重要部件，由扇形冲片、通风槽片、定位筋、齿压板，拉紧螺杆片、通风槽片、定位筋、齿压板，拉紧螺杆及固定片等零部件装压而成。及固定片等零部件装压而成。定子铁芯的作用是：定子铁芯的作用是：作为磁路的主要组成部作为磁路的主要组成部分，分，为发电机提供磁阻很小的磁路，以通过为发电机提供磁阻很小的磁路，以通过发电机所需要的磁通，发电机所需要的磁通，并用以固定绕组并用以固定绕组。绕组绕组三相绕组由绝缘导线绕制而成，均匀地分布三相绕组由绝缘导线绕制而成，均匀地分布于铁芯内圆齿槽中。于铁芯内圆齿槽中。三相绕组接成三相绕组接成Y形，它的作用是当转子磁极旋形，它的作用是当转子磁极旋转时，定子绕组切割磁力线而感应出电势。转时，定子绕组切割磁力线而感应出电势。定子叠片加固定子叠片加固水轮发电机的转子是转换能量和传递转矩的水轮发电机的转子是转换能量和传递转矩的主要部件，一般由主要部件，一般由主轴、转子支架、磁轭、主轴、转子支架、磁轭、磁极磁极等等部件组成。部件组成。立轴水轮发电机转子结构立轴水轮发电机转子结构 转转转转转转子子子子子子转子支架转子支架磁轭磁轭磁极磁极顶轴顶轴集电环组件集电环组件转子引线转子引线主轴主轴 主轴的作用是用来传递扭矩，应具有一定的强主轴的作用是用来传递扭矩，应具有一定的强度和刚度。度和刚度。主轴一般由主轴一般由35号、号、40号、号、45号或号或20SiMn等钢整等钢整锻而成。锻而成。小容量水轮发电机一般采用整锻实心轴，也有小容量水轮发电机一般采用整锻实心轴，也有的采用无缝钢管作为轴；大、中型容量的发电的采用无缝钢管作为轴；大、中型容量的发电机采用整锻空心轴。机采用整锻空心轴。磁极磁极 磁极是提供励磁磁场的磁感应部件磁极是提供励磁磁场的磁感应部件，由磁极铁，由磁极铁芯，线圈，上、下托板，极身绝缘，阻尼绕组芯，线圈，上、下托板，极身绝缘，阻尼绕组及钢垫板等零部件组成。及钢垫板等零部件组成。磁极铁芯分实心和叠片两种结构。磁极铁芯分实心和叠片两种结构。中、小容量高转速水轮发电机的转子，常采用中、小容量高转速水轮发电机的转子，常采用实心磁极结构，整体锻造或铸造而成。转速大实心磁极结构，整体锻造或铸造而成。转速大于或等于于或等于750rmin的小型水轮发电机，常采用的小型水轮发电机，常采用磁极铁芯连同转子的磁轭及主轴整体锻造加工。磁极铁芯连同转子的磁轭及主轴整体锻造加工。磁极固定方式通常采用螺钉、磁极固定方式通常采用螺钉、T尾和鸽尾结构。尾和鸽尾结构。磁轭及转子支架磁轭及转子支架 磁轭的作用是磁轭的作用是构成磁路并固定磁极构成磁路并固定磁极。转子支架的作用是转子支架的作用是固定磁轭固定磁轭。对于定子铁芯外径小于对于定子铁芯外径小于325cm的中小容量的的中小容量的水轮发电机，磁轭可用铸钢或整圆的厚钢水轮发电机，磁轭可用铸钢或整圆的厚钢板制造，不需要专门的转子支架。板制造，不需要专门的转子支架。对于定子铁芯外径较大的水轮发电机，磁对于定子铁芯外径较大的水轮发电机，磁轭通过转子支架和主轴连成一体。轭通过转子支架和主轴连成一体。磁轭的外缘加工有磁轭的外缘加工有T尾、鹇尾槽或螺孔，用尾、鹇尾槽或螺孔，用以固定磁极。以固定磁极。机架是立轴水轮发电机安置推力轴承、导机架是立轴水轮发电机安置推力轴承、导轴承、制动器及水轮机受油器的支撑部件，轴承、制动器及水轮机受油器的支撑部件，是水轮发电机较为重要的结构件。是水轮发电机较为重要的结构件。机架由中心体和支臂组成，一般采用钢板机架由中心体和支臂组成，一般采用钢板焊接结构，中心体为圆盘形式，支臂大多焊接结构，中心体为圆盘形式，支臂大多为工字梁形式。为工字梁形式。机架按其所处的位置分为上、下机架，按机架按其所处的位置分为上、下机架，按承载性质分为负荷机架和非负荷机架承载性质分为负荷机架和非负荷机架。推力轴承的组成和作用推力轴承的组成和作用 推力轴承是应用液体润滑承载