水轮机概论.docx
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水轮机概论
情景1水轮机概论
1.1水轮机基本参数
水轮机是把水流能量转换成旋转机械能的水力机械，是水电厂最主要的动力设备。
水轮机主轴带动发电机轴旋转，利用发电机将机械能转换成电能。
水轮机一般装在水电站的厂房内，如图1-1所示，当水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流的能量便传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转而做功。
因为水轮机轴和发电机轴相连，水轮机便把它获得的能量传给了发电机，并驱动带有磁场的发电机转子转动而形成旋转磁场，发电机定子绕组切割磁力线而感应出电动势，带上外负荷后便输出了电流。
图1-1拦河坝式水电站坝后式厂房
1-水轮机；2-发电机；3-尾水管；4-桥机；5-引水道
当水流通过水轮机时，水能即转变成机械能，这一工作过程的特性可用水轮机基
本参数来表征。
其基本参数有：
水头H、流量Q、功率P、效率η和转速n等。
1.1.1水轮机水头H
1．净水头H
净水头是水轮机进口与出口测量断面的总水头差，即水轮机做功用的有效水头，用符号H表示，单位为m。
图1-2为反击式水电站水轮机装置示意图。
对于反击式水轮机，进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ-Ⅰ断面，出口断面取在尾水管出口Ⅱ-Ⅱ断面，则净水头为
（1-1）
式中：
ZI、ZII分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处相对于某基准的位置高度，m；
、
分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流体压强，Pa；
、
分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处过流断面的平
图1-2立轴反击式水轮机的工作水头
均流速，m/s；
、
分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的过流断面速度分布不均匀系数；
为水的密度，kg/m3；
为重力加速度。
净水头H又可表示为：
（1-2）
式中：
Hg为水电站水头（毛水头）；
为水电站引水建筑物中的水力损失。
毛水头是水电站上、下游水位的高程差，用符号
表示，单位为m。
2．额定水头Hr
额定水头是水轮机在额定转速下，输出额定功率时的最小净水头，单位为m。
3．设计水头Hd
设计水头是水轮机在最高效率点运行时的净水头，单位为m。
4．最大（最小）水头Hmax（Hmin）
最大（最小）水头是在运行范围内，水轮机水头的最大（最小）值，单位为m。
5．加权平均水头Hw
加权平均水头是在电站运行范围内，考虑负荷和工作历时的水轮机水头的加权平均值，单位为m。
图1-3卧轴水斗式水轮机水头
对于冲击式水轮机，以图1-3卧轴水斗式水轮机为例，净水头H则为喷嘴进口断面与射流中心线（两者距离为a）跟转轮节圆相切处单位质量水流机械能之差，即
（1-3）
1.1.2水轮机流量Q
水轮机流量是单位时间内通过水轮机进口测量断面的水的体积，用符号
表示，单位为m3/s。
即
（m3/s）（1-4）
式中：
为水轮机过水断面面积，m2；
为过水断面平均流速，m/s。
1．额定流量Qr
额定流量是水轮机在额定水头、额定转速下，输出额定功率时的流量，单位为m3/s。
2．水轮机空载流量Qo
水轮机空载流量是水轮机在额定水头和额定转速下，输出功率为零时的流量，单位为m3/s。
1.1.3水轮机功率P
1．水轮机输入功率Pin
水轮机输入功率是水轮机进口水流所具有的水力功率，单位为kW或MW。
（kW）（1-5）
2．水轮机输出功率Pout
水轮机输出功率是水轮机主轴输出的机械功率，单位为kW或MW。
由于水流在通过水轮机时会产生一部分损耗，包括容积损失、水力损失和机械损失，因此水轮机的出力Pin要小于水轮机的输入功率Pout，两者关系为
（kW）（1-6）
式中：
为水轮机效率，一个小于1的系数。
3．额定输出功率Pr
额定输出功率是在额定水头和额定转速下水轮机能连续发出的功率，单位为kW或
MW。
1.1.4水轮机效率η
效率是水轮机输出功率与其输入功率的比值。
它表示水流能量的有效利用程度，即
（1-7）
水轮机的效率与设计、制造工艺及运行工况有关。
对于某水轮机而言，在最优运行工况时水轮机效率最高，水轮机各效率中的最大值即最优效率。
目前水轮机效率最高可达93%~96%。
1.1.5水轮机转速n
水轮机转速是指水轮机转轮单位时间内旋转的圈数，用符号n表示，单位为r/min。
额定转速nr是水轮发电机组按电站设计选定的稳态同步转速。
水轮机的旋转方向是从发电机轴端看到的转轮的旋转方向。
贯流式水轮机则从上游向下游方向看。
水泵水轮机的旋转方向取水轮机工况的旋转方向。
1.2水轮机的类型及应用
1.2.1水轮机基本类型
水轮机属于水力机械中的一种，即水力原动机。
不同的水头和流量，所适用的水轮机型式与种类也不一样。
现代水轮机按水能利用的特征分为两大类，即反击式水轮机和冲击式水轮机，见表1-1。
1.反击式水轮机
转轮利用水流的压力能和动能做功的水轮机是反击式水轮机。
在反击式水轮机流道中，水流是有压的，水流充满水轮机的整个流道，从转轮进口至出口，水流压力逐渐降低。
水流通过与叶片的相互作用使转轮转动，从而把水流能量传递给转轮。
为减少水流与叶片相互作用时的能量损失，反击式水轮机的叶片断面多是空气动力翼型形状。
反击式水轮机根据其适应的水头和流量的不同，又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种型式。
2.冲击式水轮机
转轮只利用水流动能做功的水轮机是冲击式水轮机。
冲击式水轮机的明显特征是：
水流在进入转轮区域之前，先经过喷嘴形成自由射流，将压能转变为动能，自由射流以动能形式冲动转轮旋转，故称为冲击式。
在冲击式水轮机流道中，水流沿流道流动过程中保持压力不变（等于大气压力），水流有与空气接触的自由表面，转轮只是部分进水，因此水流是不充满整个流道的。
为适应于利用水流动能做功的需要，冲击式转轮叶片一般呈斗叶状。
按射流冲击转轮叶片的方向不同可分为水斗式（切击式）、斜击式和双击式。
表1-1水轮机型式及适用范围表
类型
型式
适用水头（m）
反击式
混流式
25~700
轴流式
轴流转桨式
3~80
轴流调桨式、定桨式
3~50
斜流式
40~120
贯流式
贯流转桨式
<20
贯流调桨式
贯流定桨式
冲击式
水斗式（切击式）
100~2000
斜击式
20~300
双击式
5~150
1.2.2各类型水轮机特点及应用范围
1.混流式水轮机（图1-4）
混流式水轮机是指轴面水流径向流入、轴向流出转轮的反击式水轮机，又称法兰西斯式水轮机或辐向轴流式水轮。
最早发明这种水轮机的是1847年在美国工作的英国工程师法兰西斯。
混流式水轮机为固定叶片式水轮机，混流式转轮由上冠、叶片、下环连成一个整体。
因此，结构简单，具有较高的强度，运行可靠，效率高，应用水头范围广，一般用于中高水头水电站，大、中型混流式水轮机应用水头范围为30~450m。
可逆混流式水轮机（转轮为主动时可当水泵用）应用水头高达700m。
中、小型混流式水轮机的适用水头范围为25~300m。
2.轴流式水轮机（图1-5）
轴流式水轮机是指轴面水流轴向进、出转轮的反击式水轮机。
其转轮形似螺旋桨，水流在转轮区域是轴向流进轴向流出的。
根据叶片在运行中能否相对转轮体自动调节角度，又分为轴流转桨式、轴流调桨式和轴流定桨式。
（1）轴流转桨式水轮机。
轴流转桨式水轮机是指转轮叶片可与导叶协联调节的轴流式水轮机，又称卡普兰式水轮机。
其转轮叶片可以根据运行条件调整到不同角度，转轮叶片角度在不同水头下与导水叶开度都保持着相应的协联关系，实现了导水叶与转轮叶片双重调节，扩大了高效率区的范围，使水轮机有较好的运行稳定性。
但它需要一套转动叶片的操作机构，因此，结构较复杂，造价高。
轴流转桨式水轮机主要用于大中型水电站，应用水头范围在3~80m之间。
（2）轴流调桨式水轮机。
轴流调桨式水轮机是指仅转轮叶片可调节的轴流式水轮机，又称托马式水轮机。
（3）轴流定桨式水轮机。
轴流定桨式水轮机是指转轮叶片不可调的（或停机可调的）轴流式水轮机。
其转轮叶片相对转轮体是固定不动的，其出力仅仅依靠导水叶来调节，结构简单，造价低，但在偏离最优工况时效率会急剧下降。
因此，一般用于功率及水头变幅较小的小型水电站，应用水头通常为3~50m。
图1-4混流式水轮机图1-5轴流式水轮机
3.斜流式水轮机（图1-6）
斜流式水轮机是指轴面水流以倾斜于主轴的方向进、出转轮的反击式水轮机。
其转轮在结构与性能方面介于轴流式与混流式之间。
斜流式转轮也可分为转桨式和定桨式，一般是转桨式。
与轴流转桨式类似，斜流转桨式水轮机的转轮叶片在运行中一般也可以改变角度，从而实现双重调节，但结构复杂，制造难度大。
斜流式水轮机有较宽的高效率区，常用于抽水蓄能式水电站，作为水泵水轮机使用。
这种水轮机的应用水头为40~120m。
4.贯流式水轮机（图1-7）
贯流式水轮机是指过流通道呈直线（或S形）布置的轴流式水轮机。
贯流式水轮机为卧轴布置，进水管、转轮室与尾水管为同一中心线，水流在整个水轮机流道中“直贯”而过，故称为贯流式。
这种水轮机水力损失小，过流能力大，适用于水头为2~20m的低水头水电站。
贯流式水轮机的转轮与轴流式水轮机相同，只是流道形式有区别。
贯流式转轮也可分为贯流转桨式、贯流调桨式和贯流定桨式。
此外，根据流道布置形式的不同，又分为全贯流式与半贯流式。
贯流式水轮机转轮可设计成双向流动方式在潮汐电站中使用。
图1-6斜流式水轮机1-7贯流式水轮机
5.水斗式水轮机（图1-8）
水斗式水轮机是指转轮叶片呈斗形，且射流中心线与转轮节圆相切的冲击式水轮机，又称贝尔顿水轮机，或称切击式水轮机。
它靠从喷嘴出来的射流沿转轮切线方向冲击转轮而做功，因此称为切击式。
这种水轮机的叶片如勺状水斗，均匀排列在转轮的轮辐外周，故此又称为水斗式。
水斗式水轮机适用于高水头小流量的水电站。
小型水斗式水轮机的应用水头为40~250m，大型水斗式水轮机用于200~450m水头的电站，目前最高应用水头达1772m。
6.斜击式水轮机（图1-9）
斜击式水轮机是指转轮叶片呈碗形，且射流中心线与转轮转动平面呈斜射角度的冲击式水轮机。
它靠从喷嘴出来的射流以一定角度（一般约22.5º）斜向冲击转轮叶片做功。
它的结构简单，造价低，一般用于中小型水电站中，适用水头25~300m。
7.双击式水轮机（图1-10）
双击式水轮机是指转轮叶片呈圆柱形布置，水流穿过转轮两次作用到转轮叶片上的冲击式水轮机。
其特点是喷嘴出来的射流首先从转轮的外周进入部分叶片流道，并将约80％的水流能量传递给转轮，然后，这部分水流再从转轮内部二次进入另一部分叶片流道，将剩余的能量传递给转轮。
由于水流两次冲击转轮叶片，称之为双击式。
它结构简单，制造方便，但效率低。
一般用于小型水电站，适用水头为5~150m。
8.水泵水轮机
水泵水轮机是指既可作水轮机运行又可作蓄能泵运行的水力机械，亦称可逆式水轮机。
同一水轮机，既可作为水轮机运行又能作为水泵运行，工作状态具有可逆性。
这种水轮机的转轮兼有水轮机和水泵的特点，当它在水泵工况和水轮机工况运行时旋转方向相反，而且水流方向相反。
可逆式水轮机用在抽水蓄能电站，调节电力系统的峰谷差。
在用电低谷时，它消耗系统电能作水泵运行，将下游水池的水抽到上游水库；在用电高峰时，将上游水库的池水放下，它作为水轮机运行向系统输送电力。
可逆式水轮机分混流式、斜流式和轴流式。
混流式的应用水头为50~700m；斜流式的应用水头为20~200m；轴流式的应用水头为15~40m。
1.3水轮机的型号及装置方式
1.3.1水轮机的型号
1．水轮机型号的编制方法
现在我国水轮机型号的编制依照JB/T9579-1999《水轮机型号编制方法》。
水轮机产品型号由三部分代号组成，各部分之间用“—”（其长度相当于一个汉字宽）分开。
水轮机型号排列顺序如下。
第一部分第二部分第三部分
转轮代号水轮机结构特征代号转轮直径D1（cm）或
水轮机型式代号主轴布置形式代号转轮直径和其他参数
型号的第一部分由水轮机型式和转轮的代号组成。
水轮机型式用汉语拼音字母表示，其代号规定见表1-2。
水泵水轮机在水轮机型式代号后增加汉语拼音字母“B”。
转轮代号采用水轮机比转速（代号统一由归口单位编制）或转轮代号（由制造厂自行编号）表示，用阿拉伯数字表示。
表1-2水轮机型式的代号
水轮机型式
代号
水轮机型式
代号
混流式
HL
贯流调桨式
GT
斜流式
XL
贯流定桨式
GD
轴流转桨式
ZZ
冲击（水斗）式
CJ
轴流调桨式
ZT
斜击式
XJ
轴流定桨式
ZD
双击式
SJ
贯流转桨式
GZ
型号的第二部分由水轮机的主轴布置形式和结构特征的代号组成，用汉语拼音字母表示，其代号规定见表1-3。
表1-3主轴布置形式和结构特征的代号
名称
代号
名称
代号
立轴
L
罐式
G
卧轴
W
全贯流式
Q
金属蜗壳
J
灯泡式
P
混凝土蜗壳
H
竖井式
S
明槽式
M
虹吸式
X
有压明槽式
My
轴伸式
Z
注：
主轴非垂直布置形式均用“W”表示。
型号的第三部分由水轮机转轮直径D1（以cm表示）或转轮直径和其他参数组成，用阿拉伯数字表示。
对于水斗式或斜击式水轮机，表示为：
转轮直径/喷嘴数目×射流直径
对于双击式水轮机，表示为：
转轮直径/射流宽度
2．水轮机转轮公称直径
据GB/T2900.45—1996《电工术语 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机》，转轮公称直径
D1的规定如图1-11所示：
对于混流式水轮机是指叶片出水边与下环相交处的直径。
对于离心式蓄能泵是指叶轮前盖板进口直径。
对于轴流、斜流和贯流式水轮机（轴流蓄能泵和斜流蓄能泵）是指与叶片轴线相交处的转轮室内径。
对于水斗式水轮机是指转轮节圆直径。
为了水轮机设计制造上的便利，对水轮机转轮公称直径尺寸系列（cm）规定为：
25，30，35，42（40），50，60，71，84（80），100，120，140，160，180，200，225，250，275，300，380，410，450，500，550，600（以下按每50cm进级），···。
上述带括号的直径仅用于轴流式水轮机。
实际上，对于大型或巨型水轮机的转轮直径，常考虑机组额定出力、机组的优化运行等条件，有时不严格按系列值确定转轮直径。
（a）（b）
（c）（d）
图1-11各种水轮机转轮的标称直径
（a）轴流式；（b）混流式；（c）斜流式；（d）水斗式
3．水轮机型号示例
例1HL220/A153—WJ—84：
表示为新入谱转轮型号，转轮代号为220、转轮研制单位的轮转编号为A153、卧轴、金属蜗壳的混流式水轮机，转轮直径为84cm。
例2ZZ560—LH—1130：
表示转轮代号为560、立轴、混凝土蜗壳的轴流转桨式水轮机，转轮直径为1130cm。
例3XLB200—LJ—300：
表示转轮代号为200、立轴、金属蜗壳的斜流式水泵水轮机，转轮直径为300cm。
例4GD800—WP—250：
表示转轮代号为800、卧轴、灯泡贯流定桨式水轮机，转轮直径为250cm。
例5CJ22—W—120／2×10：
表示转轮代号为22、卧轴、两喷嘴冲击（水斗）式水轮机，转轮直径为120cm，设计射流直径为10cm。
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