水轮机基本知识问答.docx
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水轮机基本知识问答
水轮机基本知识问答
1．什么是水轮机？
答：
一种将水能（包括水流的位能、压能和动能）转变为旋转机械能的动力机械。
它和发电机共同构成水轮发电机组。
2．水轮机的主要工作参数工作水头H、流量Q、出力N、效率
、转速n是怎样定义的？
答：
⑴水轮机工作水头H，是指水轮机进口断面（通常指涡壳进口断面）与水轮机出口断面（通常指尾水管出口断面）的单位能量差，单位为m。
它的大小表征水轮机利用水流单位能量的多少，影响水电站的开发方式、机组类型和经济效益。
它有如下几个特征水头值：
①水轮机的设计水头
，是水轮机按额定转速运转时发出额定出力所必需的最小水头。
②水轮机的最大水头
，是水轮机运行中允许的最大工作水头。
③水轮机的最小水头
，是保证水轮机稳定运行的最小工作水头。
⑵水轮机流量，是指单位时间内通过水轮机的水流体积,单位为
。
⑶①水流出力
，是指具有一定水头和流量的水流输入给水轮机的功率，
=
。
②水轮机出力N，是指单位时间内水轮机主轴所输出的功率，单位为
。
③水轮机效率
，是指水轮机对水能的有效利用率，
=
。
⑷水轮机转速
，是指水轮机在单位时间内旋转的次数，单位为
。
3．水利机标称直径
是怎样规定的？
答：
⑴混流式水轮机
是指转轮机叶片进水边的最大直径。
⑵轴流式和斜流式水轮机
是指叶片旋转中心线与转轮室表面相交处的转轮室内径。
⑶水斗式水轮机
是指转轮与射流中心线相切处的节圆直径。
4．水轮机分为几大类型？
反击式水轮机又分为几种型式？
其相应的特点怎样？
答：
根据水流能量转换的特征不同，把水轮机分为两大基本类型：
1反击式水轮机：
利用水流的势能（位能和压能）和动能的水轮机。
⑵冲击式水轮机：
只利用水流动能的水轮机。
反击式水轮机按水流流经转轮的方向及结构特征不同，又分为
⑴混流式水轮机（代表符号
）：
水流径向进入转轮，经旋转改变方向，然后转为轴向流出。
一般应用在中高水头电站。
2轴流式水轮机（代表符号
）：
水流进入和流出这种水轮机的转轮时，都是轴向的。
根据叶片在运转中能否转动，又分为：
①轴流定浆式水轮机（代表符号
）：
转轮叶片固定不动。
一般应用于水头和负荷变化幅度较小的低水头电站。
②轴流转浆式水轮机（代表符号
）：
其叶片可绕轮叶轴线旋转，根据负荷变化导叶与轮叶可以按一定协联关系而饶自身轴转动，以适应水流情况，保持效率变化不大。
一般应用在负荷变化较大的低水头电站。
⑶斜流式水轮机（代表符号
）：
水流流经转轮叶片时是倾斜与轴线某一角度的方向，叶片可以转动，在水头和负荷变化较大时，也能保持较高效率。
一般应用在抽水蓄能电站中。
⑷贯流式水轮机（代表符号
）：
一种流道呈直线状的卧轴水轮机，水流经水轮机时，是沿轴向“直贯”通过。
其结构和特性与轴流式相近，一般应用在潮汐电站中。
5．反击式水轮机的主要过流部件有哪些？
它们又分为哪些类型？
答：
反击式水轮机的主要过流部件有四个：
⑴引水部件（引水室）：
引导并集中水流流入转轮的部件。
它按其特征又分为涡壳式（有金属涡壳和混疑土涡壳之分。
一般在水头大于40m采用金属涡壳，小于40m采用混疑土涡壳）、明槽式、罐式、灯泡式、竖井式、虹吸式、、轴伸式，常用的为前三种，后四种一般应用在贯流式水轮机中。
⑵导水部件：
使流入转轮的水流具有所需要的速度方向和大小的导向部件。
其按导叶轴的位置和水流流经导叶的方向不同又分为三种型式：
①径向式导水部件：
导叶轴位于同一个圆柱面上，水流流经导叶的方向是径向的。
一般应用在混流式和轴流式水轮机中。
②轴向式导水部件：
导叶轴位于圆盘上，水流流经导叶的方向是轴向的。
一般应用在贯流式水轮机中。
③斜向式导水部件：
导叶轴位于圆锥面上，水流流经导叶的方向是倾斜主轴方向。
一般应用在贯流式和斜流式水轮机中。
⑶工作部件：
把引入转轮的水流的水能转换为转动刚体机械能的能量部件。
其按水流流经转轮轮叶的方向不同又分为三种型式：
1混流式转轮。
2轴流式转轮，它又分为轴流定浆式转轮和轴流转浆式转轮。
3斜流式转轮。
⑷尾水管：
将转轮流出的水流引向下游，并利用其余能的泄水部件。
其按结构形状分为两类：
1直锥形尾水管：
一般应用在小型水电站中。
2弯肘形尾水管：
一般应用在大型水电站中。
6．水轮机型号编制规则是怎样的？
答：
⑴水轮机产品型号由三部分组成，各部分之间用“-”分开。
⑵型号的第一部分，由水轮机型式及转轮型号组成。
①水轮机型式用两个汉语拼音字母表示，其型式代号见表6-1；在水轮机型式代表符号后加“
”表示可逆式水力机械。
②转轮型号用阿拉伯数表示，它代表该水轮机转轮的特征比转速。
⑶型号第二部分，由两个汉语拼音字母组成，前一个表示主轴布置形式，见表6-2；后一个表示引水室结构特征，见表6-3。
⑷型号第三部分，由水轮机标称直径
（以cm表示）组成；对水斗式水轮机，型号第三部分表示为：
；水斗式水轮机有时在同一轴上装有一个以上转轮，转轮的数目表示在水轮机符号的前面。
表6-1水轮机型式代号
水轮机型式代号
代号
混流式
HL
轴流式
ZL
轴流定浆式
ZD
轴流转浆式
ZZ
切击式（水斗式）
QJ
双击式
SJ
斜击式
XJ
贯流转浆式
GZ
贯流定浆式
GD
表6-2主轴布置形式代号
主轴布置形式
代号
立轴
L
卧轴
W
表6-3引水室代号
引水室特征
代号
金属涡壳
J
混疑土涡壳
H
灯泡式
P
明槽式
M
罐式
G
竖井式
S
虹吸式
H
轴伸式
Z
7．混流式水轮机通流部件有哪些？
它们相互位置关系如何？
答：
按水流流经部件的次序，混流式水轮机通流部件有涡壳，座环，导叶，顶盖，底环，转轮，尾水管。
它们相互位置关系：
涡壳为最外层，从四周包围着座环，并与座环的上、下环相连接。
座环上下环之间均布着能承重的固定导叶。
顶盖放置在座环的上下内法兰上，底环放置在下换法兰上。
顶盖和底环上下相对构成环形过流通道。
通道内均布着若干个活动导叶以调节流量。
活动导叶下轴径放置在底环预留的轴孔中，活动导叶上半段轴穿过顶盖预留孔，与顶盖上面导叶传动机构相连接。
座环下端通过基础环与尾水管上端相连接。
顶盖之下，尾水管之上是转轮，转轮四周被活动导叶所包围。
8．座环的作用是什么？
它由哪几种构件组成？
答：
座环的作用是：
⑴水轮机的承重部件；⑵水轮机的通流部件；⑶水轮机的安装基准件。
座环由上环、固定导叶和下环三种构件组成。
9．导水机构有哪些部件组成？
其导叶传动机构的主要零部件有哪些？
答：
导水机构有顶盖、底环、导叶、导叶臂、连杆、控制环和接力器等部件组成。
导叶传动机构主要零部件有控制环、连杆、导叶臂、分半键、剪断销、叉头（或耳柄）、连接螺杆（或旋套）。
10．混流式水轮机顶盖的作用是什么？
答：
顶盖位于导叶和转轮上方，它的作用是：
⑴与底环一起形成导水机构的流道；⑵支持导叶套筒及导叶传动机构；⑶其上要安装导轴承及其它附属装置。
11．导叶的立面间隙和端面间隙是如何调整的？
答：
导叶立面间隙的调整，是通过导叶传动装置的补偿元件加以调整。
对于叉头式传动机构，补偿元件是调整螺杆（或现配偏心销轴）；对于耳柄式传动机构，补偿元件是旋套。
导叶端面简隙的调整，是通过导叶轴颈顶端上的调节螺钉。
12．导水机构常用的安全装置是什么？
其工作原理如何？
答：
导水机构常用的安全装置是剪断销。
其中部做成薄弱的断面，在正常调节导叶传动时，剪断销有足够的强度传递操作力矩。
当关小（或闭）导叶时，若有异物卡在导叶之间，所需操作力矩急剧增加，当操作力增大到正常应力的1.5倍时，剪断销被剪断，被卡住的导叶失去控制，而其它导叶继续向关闭方向运动。
剪断销的中心孔内装有信号装置，当剪断销被剪断时发出信号。
13．混流式水轮机常用的接力器有哪几种型式？
答：
按接力器缸的形式，混流式水轮机常用的接力器可分为两种：
⑴直缸接力器，其又可分为单导管直缸型、双导管直缸型、小直缸型和摇摆式等型式。
⑵环形缸接力器，其又可分为活塞动和缸动两种型式。
14．混流式转轮式由哪些构件组成？
能量转换是在哪个构件上进行的？
答：
混流式转轮由上冠、叶片、下环、泄水锥、止漏环和减压装置组成。
能量转换是在叶片上进行的。
15．混流式转轮的结构型式有哪几种？
各有什么特点？
答：
混流式转轮的结构型式有三种：
⑴整铸转轮：
上冠、叶片和下环一起整体浇铸成型的转轮。
一般采用铸铁或碳钢；为了跳高转轮的强度、抗磨和抗气蚀性能，也可采用高强度的低合金钢。
其主要用于低水头的小型转轮。
⑵铸焊转轮：
上冠、叶片和下环分别铸造，然后按技术要求焊接成转轮整体。
叶片单独加工，且采用抗气蚀、耐磨损的材料，转轮水力性能好。
其被广泛采用。
⑶压模铸焊转轮：
将叶片用钢板在模具中压制成型，上冠、下环分别铸造，然后焊接成整体。
此种结构具有铸焊结构的特点，又可避免叶片型线加工的困难，制造中小型转轮应用较多。
16．混流式水轮机的止漏环有几种型式？
特点怎样？
答：
混流式水轮机的止漏环有三种型式：
⑴间隙式止漏环：
它是以动件与不动件之间形成很小的直通
间隙以减少漏水，其间隙
。
其结构简单，与转轮的同心度高，制造、安装和测量方便，抗磨性能好。
但止漏效果较差，一般用于低水头或多泥沙的水电站，水头较高时常与梳齿式配合使用。
⑵迷宫式止漏环：
它是由一系列突然扩大和收缩断面的间隙组成，利用增大局部阻力减少漏水量，止漏效果好。
间隙
。
这种止漏环的安装精度较高，一般用于中低水头、水质较清洁的电站。
⑶梳齿式止漏环：
它的转动部分和固定部分呈犬牙交错配合，形成若干直角转弯的间隙，使水流方向和过水断面大小发生变化以增大阻力而减少漏水。
它通常水平安放，水平间隙
，轴向间隙
，h为抬机高度。
梳齿式止漏环的止漏效果好，但与转轮的同心度不易保证，间隙不易测量，安装不方便。
这种结构多用于中、高水头的水轮机。
16．混流式水轮机的减压装置起什么作用？
常用的减压装置有哪些？
答：
混流式水轮机的减压装置的作用是减小转轮轴向水推力。
常用的减压装置有两种：
⑴引水板与泄水孔；⑵均压管和泄水孔。
17．混流式水轮机主轴有哪几种型式？
适用什么场合？
答：
混流式水轮机主轴有两种型式：
⑴单法兰：
①常为实心阶梯轴，无法兰一端开有键槽，用键与转轮连接传递扭矩。
法兰端开有止口，用与发电机轴法兰盘对中心。
法兰盘用螺栓连接。
这种型式常用于中小型卧式水轮机。
②对大中型伞式机组，主轴不分段，可少用一对法兰，单法兰用于与水轮机连接，轴身为中空的。
⑵双法兰：
一端与转轮相连，一端与发电机相连。
中小型水轮机常用实心轴，大中型水轮机采用空心轴，即能减轻重量，由布影响轴的强度和刚度。
18．混流式水轮机分块瓦式导轴承和圆筒式导轴承的结构特点怎样？
答：
分块瓦式导轴承的结构特点：
⑴主轴带有轴领；⑵轴瓦是分块的。
圆筒式导轴承的结构特点：
⑴轴承合金直接浇铸在轴承体上，没有分块轴瓦，轴承体根据轴承尺寸和工艺的可能性，分成两半或更多，安装时组合成整体，形成整体的轴瓦；⑵具有和轴一起旋转的下油箱和固定的上油箱。
19．卧式水轮机的轴承要承受几种力？
答：
卧式机组导轴承既要承受机组旋转径向力，还要承受旋转部分重量。
20．混流式主轴密封有哪些型式？
答：
按其工作方式分为两类：
⑴一类是在水轮机正常运行时起封水作用的密封，称工作密封，其结构型式有填料函式、橡胶平板式和端面式等型式；⑵另一类是下游水位高于导轴承的水轮机，在停机、导轴承或密封装置检修时起封水作用的密封，称为检修密封，其结构型式有机械式、围带式和抬机式等。
21．混流式水轮机补气装置的作用是什么？
常见的补气方式有几种？
答：
混流式水轮机在低负荷（40%～70%额定出力）时运行，微水管中出现涡带和压力脉动，也使气蚀加剧，此时补入适量的空气，可以增加水的弹性减轻机组的振动，改善水轮机的运行状态。
常见的补气方式有两种型式：
⑴轴心孔补气；⑵尾水管补气。
22．混流式水轮机的紧急真空破环阀起什么作用？
常见的型式有几种？
答：
当机组事故紧急关闭导水机构时，由于水流的惯性作用，在转轮室内产生很大的真空，而引起很大的冲击力，甚至出现抬机现象。
在这种紧急状态下，向转轮室补入空气破坏真空，减小冲击力和抬机高度，以保护机组结构不致遭受破坏。
常见的型式有强迫式和自吸式两种。
23．轴流式水轮机结构和混流式水轮机结构的主要区别有哪些？
答：
两者主要区别有以下几点：
⑴转轮的结构型式不同，混流式水轮机的叶片边与主轴是近似平行的，而轴流式水轮机的叶片进口边几乎是与主轴相垂直，并且结构较复杂，尤其是转浆式水轮机，转轮内部装有一套操作转轮叶片的机构。
⑵在水头低于30～35的情况下，轴流式水轮机通常采用混凝土的非完全涡壳，而混流式多采用金属涡壳。
⑶轴流式水轮机的导叶上端为顶盖，转轮上面为支持盖。
而混流式水轮机导叶和转轮上面合用一个顶盖。
24．轴流转浆式水轮机转轮一般由哪些部件组成？
答：
其转轮一般由转轮体、叶片、泄水锥、密封装置和一套叶片操作机构等部件组成。
25．转浆式水轮机叶片操作机构的作用是什么？
答：
叶片操纵机构装在转轮体内，用来转动叶片，变更叶片的转角，使其与导叶开度相适应，从而保证水轮机效率在任一工况下变化不大。
26．转浆式水轮机设置叶片密封装置的原因是什么？
答：
由于转浆式的叶片法兰与转轮之间存在着相对转动的间隙，因此客观上为体内压力油漏出和体外压力水渗入提供了途径。
为此，必须设置叶片密封止漏装置。
27．造成机组产生抬机有哪些原因？
答：
有如下一些原因：
⑴机组甩负荷和事故紧急关闭导水叶时，尾水管内由于真空而中断了水流的连续性，有可能出现强烈的大于机组转动部分总重量的反向轴向力；
⑵水轮机由空载工况转为调相运行时，导叶由空载缓慢关至零，当转轮下部空气阀关闭，也可能会产生大于机组转动部分总重量的反向轴向力。
28．什么是水轮机的气蚀？
答：
在水轮机的流道中，由于边界条件的变化，某些地方流速会增加，致使压力降低。
由于水中含有气蚀核（小气泡、空气），当压力低于汽化压力时水会发生汽化，释放出蒸气泡，溶解在水中的气体也会分离出来，变成空气泡，这些蒸气泡和空气泡的混合物，一般称为汽穴。
这些微泡的形成、发展、溃裂以及对过流表面所产生的破坏过程称为气蚀。
29．水轮机的气蚀有哪些类型？
答：
水轮机的气蚀有四种类型：
⑴翼型气蚀：
发生在转轮叶片背面低压区上的一种气蚀。
⑵间隙气蚀：
当水流通过狭小通道或缝隙时，若其局部流速升高导致压力降低到一定程度时所发生的一种气蚀。
⑶局部气蚀：
水流绕流不平表面时由于局部压力降低所发生的一种气蚀。
⑷空腔气蚀：
反击式水轮机在非设计工况下运行时，转轮出口水流具有一定的圆周分量，水流在尾水管中产生旋转，旋转水流的中心产生涡带。
涡带的中心形成很大的真空。
真空涡带周期性的扫射尾水管管壁，造成尾水管管壁破坏的一种气蚀。
30．水轮机气蚀破坏造成的后果和影响怎样？
答：
⑴气蚀直接破坏水轮机的过流部件，特别是转轮叶片，严重时可使叶片穿孔、缺口甚至脱落；
⑵水轮机在气蚀情况下运行，出力和效率都要显著降低，并且要引起噪音、机组的强烈振动和运行的不稳定；
⑶气蚀缩短了检修周期，延长了检修工期，气蚀检修要耗用大量的贵重金属材料和人力物力。
31．采取哪些措施来防止或减缓水轮机的气蚀破坏？
答：
采取四个方面的防护措施：
⑴设计方面：
①改善水轮机转轮的水力设计；②优化选型设
计。
⑵制造方面：
①提高制造加工的工艺水平；②采用抗气蚀的材料。
⑶运行方面：
①改善运行条件，合理选定工作区；②进行气蚀补气：
ⅰ主轴中心孔补气；ⅱ尾水管补气。
⑷检修方面：
①加强气蚀检修；②金属堆焊修整；③采用抗气蚀材料作表面防护。
32．在装置水轮机时，可通过选择什么样的参数来控制转轮出口处的压力值以避翼型气蚀的发生?
此参数是怎样定义的？
工程实践中又是如何规定的？
答：
选择吸出高度
。
是转轮叶片上压力最低点至下游水面之间的距离。
该点随工况变化而变动。
为计算方便，工程实践中对不同型式和装置方式的水轮机的
作了统一规定：
⑴立轴混流式的
为下游水面至导水机构底环平面的距离；
⑵立轴轴流式和斜流式的
为下游水面至转轮叶片旋转中心线与转轮室内壁交点的距离；
⑶卧轴反击式水轮机的
为下游水面至叶片最高点的距离。
33．水轮机吸出高度计算公式是怎样的？
答：
有两种计算公式：
⑴
（m）
式中
-水轮机安装处海拔高程（m），一般可用电站最低尾水位；
H-通常采用设计水头；
-相应设计水头的模型气蚀系数；
-根据设计水头查得的气蚀系数修整值。
⑵
（m）
式中
-气蚀安全系数，对于混流式水轮机，
=1.2～1.5；对于轴流式水轮机，
=1.1～1.2。
H-通常采用设计水头。
34．什么是水轮机名义吸出高度
？
答：
为了设计与安装时便于计算尺寸，常以水轮机安装基准至下
游水面的距离作为名义吸出高度
，以此来确定水轮机安装高
程。
各种型式水轮机名义吸出高度规定如下：
⑴对立轴轴流式或斜流式
安装基准为叶片旋转中心线。
=
；
⑵对立轴混流式
安装基准为导水机构中心线（即座环中心线）。
=
+
式中
为导水机构高度；
⑶对卧轴水轮机
安装基准为主轴中心线。
=
-
式中
-转轮标称直径。
35．水轮机的安装高程
是怎样计算的？
答：
=
+
式中
-电站下游尾水位高程。
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