水轮发电机组结构及工作原理培训讲义目 录第一章水轮发电机组概述3一、水轮机的主要类型及适用水头3二、水轮发电机组的形式9第二章水轮机的型号及标称直径12一、型号说明12二、水轮机的型号举例13三、各种水轮机转轮标称直径D114四、转轮标称直径系列14第三章水轮机的工作参数15一、水头15二、流量16三、转速n 16四、出力P与效率η16第四章公司电站主机设备参数表〔部分19一、小水电厂设备参数19二、大水电厂设备参数20第五章水轮机的结构23一、反击式水轮机的主要组成部件23二、混流式水轮机转轮24三、轴流式水轮机转轮30四、水轮机导水机构33五、混流式水轮机的引水部件37六、轴流式水轮机的引水部件39七、水轮机的泄水部件40八、水轮机其他部件41九、水轮机的辅助装置46第六章水轮发电机的基本结构50一、水轮发电机的定子与转子50二、水轮发电机的主要附属部件52..第一章 水轮发电机组概述自然界有多种能源,目前已被开发利用的能源主要有热能、水能、风能和核能水能是一种可再生能源,水能开发具有成本低、运行管理简单、启动快、消耗少、适用于调峰和调频、污染少等优点水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换为电能的企业。
水电站的形式主要取决于集中水头的方式,根据集中水头方式的不同,水电站分为坝后式水电站、引水式水电站和混合式水电站一、水轮机的主要类型及适用水头根据水轮机转轮所转换水流能量的特征可分为反击式水轮机和冲击式水轮机两大类,总分类图如下1.1反击式水轮机的类型及适用水头⑴反击式水轮机的类型反击式水轮机利用水流的势能和动能做功的水轮机,其转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时,始终是连续充满整个转轮的有压流动,并在转轮空间曲面形叶片的约束下,连续不断地改变流速的大小和方向,从而对转轮叶片产生一个反作用力,驱动转轮旋转当水流通过水轮机后,其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能⑵反击式水轮机的适用水头①混流式水轮机混流式水轮机如图1-1所示,水流从四周沿径向进入转轮,然后近似以轴向流出转轮,其应用水头范围较广,约为20～700m,结构简单、运行稳定且效率高,是应用最广泛的一种水轮机图1-1 混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶②轴流式水轮机轴流式水轮机如图1-2所示,水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动,而在转轮区内水流保持轴向流动,其应用水头约为3～80m轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到广泛应用,轴流式水轮机分为轴流定浆及轴流转浆两种类型。
图1-2 轴流式水轮机1—导叶；2—叶片；3—轮毂③斜流式水轮机斜流式水轮机如图1-3所示,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因此,斜流式水轮机具有较宽的高效率区,适用水头在轴流式与混流式水轮机之间,约为40～200m由于其结构复杂,加工工艺要求和造价较高,一般只在大中型水电站中使用,目前这种水轮机应用还不普遍图1-3 斜流式水轮机1—蜗壳；2—导叶；3—转轮叶片；4—尾水管④贯流式水轮机贯流式水轮机是一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机,它不设蜗壳,叶片有固定和转动两种根据发电装置形式的不同,分为：a.全贯流式〔发电机转子直接安装在转轮叶片的外缘,目前这种机型很少使用图1-4 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；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b.半贯流式〔有轴伸式、竖井式和灯泡式等装置形式,前两种形式效率较低,一般只用于小型水电站；灯泡式水轮机结构紧凑、稳定性好、效率较高,应用最为广泛两类贯流式水轮机的适用水头为1～25m,适用于低水头、大流量的水电站。
以上三种水轮机示意图如下轴伸式贯流机组：发电机安装在外面,水轮机轴伸出到尾水管外面图1-5 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—发电机竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内图1-6竖井贯流式水轮机1—竖井；2—增速装置；3—轴承座；4—止水套；5—固定导叶；6—叶片；7—尾水管灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体内,使用较广泛,机组结构紧凑,流道形状平直,水力效率高图1-7 灯泡贯流式水轮机1.2冲击式水轮机及适用水头冲击式水轮机的转轮始终处于大气中,来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已转变成高速自由射流,该射流冲击转轮的部分轮叶,并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的急剧改变,从而将其动能大部分传递给轮叶在射流冲击轮叶的整个过程中,射流内的压力基本不变,近似为大气压,水流具有与空气接触的自由表面根据水流射向转轮方向不同,可分为以下三种形式冲击式<根据水流射向转轮方向划分>⑴水斗式水轮机水斗式水轮机又称切击式水轮机如图1-8所示,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图1-8 水斗式水轮机这种水轮机适用于高水头、小流量的水电站,特别是当水头超过400m时,混流式水轮机已不太适用,常采用水斗式水轮机。
大型水斗式水轮机的应用水头约为300～1700m,小型水斗式水轮机的应用水头约为40～250m目前水斗式水轮机的最高水头已应用到1767m〔奥地利莱塞克电站,我国天湖水电站的水斗式水轮机设计水头为1022.4m⑵斜击式水轮机斜击式水轮机如图1-9所示,由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗图1-9 斜击式水轮机转轮水流从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶与水斗式相比,其过流量较大,但效率较低,这种水轮机一般多用于中小型水电站,适用水头一般为20～300m⑶双击式水轮机双击式水轮机如图1-10所示,从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上这种水轮机结构简单、制造方便,但效率低、转轮叶片强度差,仅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5～100m图1-10 带有闸板阀门的双击式水轮机1—工作轮；2—喷嘴；3—调节闸板；4—舵轮；5—引水管；6—尾水槽各类水轮机及其应用水头范围表表1-1 水轮机类型及其应用水头范围类型形式适应水头范围〔m反击式混流式混流式20～700混流可逆式80～600轴流式轴流转浆式3～80轴流定浆式3～50斜流式斜流式40～200斜流可逆式40～120贯流式贯流转浆式1～25贯流定浆式冲击式水斗式40～1700斜击式20～300双击式5～100二、水轮发电机组的形式1、按照布置方式的不同分类水轮发电机可分为卧式和立式两种。
卧式水轮发电机适合中小型、贯流式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2、按照推力轴承位置的不同分类立式发电机又分为悬式和伞式两种悬式发电机：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,耗费钢材多悬吊式发电机如下图所示〔SF15-20/3920悬式发电机图1-11 悬吊式水轮发电机1—集电环；2—刷架；5—上机架；6—上挡风板；7—空冷器；8—定子；9—下挡风板；10—加热器；11—下机架；12—接地碳刷；13—制动器；14—转子；15—定子基础板；16—机械过速保护装置；17—灭火水管伞式发电机：推力轴承位于转子下方的发电机上下有两个导轴承分别位于上下机架内的叫做普通伞式有一个导轴承位于上机架中心的叫做半伞式；只有一个导轴承位于下机架中的叫做全伞式它适用于转速在150r/min以下其优点是机组高度低,可降低厂房高度,节省钢材；缺点是推力轴承损耗大,安装、检修、维护都要不方便图1-12 SF140-64/13500全伞发电机第二章水轮机的型号及标称直径一、型号说明水轮机的型号由三部分组成,每一部分用短横线"—"隔开。
第一部分由汉语拼音字母与阿拉伯数字组成,其中拼音字母表示水轮机型式,阿拉伯数字表示转轮型号,入型谱的转轮的型号为比转速数值<比转速：保持水轮机形状与运行工况相似,改变其尺寸大小,在单位水头下发出单位出力所具有的水轮机转速>,未入型谱的转轮的型号为各单位自己的编号,旧型号为模型转轮的编号；可逆式水轮机在水轮机型式后加"N"表示第二部分由两个汉语拼音字母组成,分别表示水轮机主轴布置形式和引水室的特征；第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其它必要的数据水轮机型号中常见的代表符号如表所示对于冲击式水轮机,上述第三部分应表示为：转轮标称直径/每个转轮上的喷嘴数×射流直径比转速：保持水轮机形状与运行工况相似,改变其尺寸大小,在单位水头下发出单位出力所具有的水轮机转动的速度 <即：几何相似的水轮机,当工作水头为1m,输出功率为1kW且机械效率为100%时水轮机自身的转速比转数可以作为机器分类、系列化和相似设计的依据比转数小反映机器的流量小,全压<或扬程、水头>高；反之,比转数大则机器的流量大,全压〔或扬程、水头低前者适合离心式,后者适合轴流式,混流式〔斜流式介于两者之间,所以可用比转数大小划分机器类型。
在设计机器时先按给定的参数计算比转数,再根据比转数大小决定机器类型比转数大小也反映叶轮的形状[比转数与叶轮形状的关系]为不同类型泵的比转数与叶轮形状的关系比转数越大叶轮外径就越小,而宽度越大反之,比转数越小,则叶轮外径越大,宽度越小在一定流量和全压〔或扬程、水头下,比转数与机器转速成正比提高转速可减小叶轮外径,增加宽度；而降低转速,则须增加叶轮外径,减小宽度型号第三部分的说明对反击式水轮机：表示转轮的标称直径水斗式或斜击式水轮机,其表示方法为：对双击式水轮机,其表示方法为：二、水轮机的型号举例 <1> HL240 —— LJ —— 410混流式水轮机,型号240〔比转速>,立轴,金属蜗壳,转轮直径为410cm<2> ZZ440 ——LH —— 430轴流转浆式水轮机,型号440,立轴,混凝土蜗壳,转轮直径430cm<3> 2CJ20——W—— 120/2×10 转轮型号为20,水斗式水轮机,卧轴,一根轴上装设两个转轮,转轮直径为120cm, 每个转轮两个喷嘴,设计射流直径为10cm<4> GZ440—WP—750表示贯流转浆式水轮机,转轮型号440,卧轴,灯泡式机组,转轮标称直径750cm。
<5> SJ40—W—50/40：表示双击式水轮机,转轮型号40,卧轴布置,转轮标称直径50cm,转轮轴向长度40cm<6> XLN—LJ—300：表示斜流可逆式水泵水轮机,转轮型号200,立轴布置,金属蜗壳,转轮标称直径300cm三、各种水轮机转轮标称直径D1HL：转轮叶片进口边上最大直径ZL、XL：转轮叶片轴心线相交处的转轮室直径CJ：转轮与射流中心线相切处节圆直径四、转轮标称直径系列反击式水轮机转轮标称直径系列253035<40>42506071<80>841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009。