水轮发电机组设计原理

ALSTOM水轮发电机设计原理

1 概述

没有哪种其他类型的发电机象水轮机驱动的同步发电机那样，其设计和尺寸受到许多因素的影响。在蒸汽、气体和联合循环发电厂中使用的蜗轮发电机有着标准的转速和过速值以及统一的结构形式，因而有着相当程度的标准化设计。对于水力发电机，由于基本决定性特性有着很大的差别，以至于两个电厂即使其额定功率相同，也仅在很特殊的情况下才使用相同的发电机。

水轮发电机的这种决定的因素多样性是由水能本身的特性造成的。特别是以下两个决定性特性：

●水能的地域限制，由此也决定了水电厂的建造位置。蒸汽发电厂可以建造在用户的附近，而

水电厂通常建造在距离用户很远的地方。因此长距离的能源输送必不可少的。这就对发电机

的无功容量（用于远程高电压传输）和稳定性产生了额外的要求。

●水能可以以不同形式被利用。在山区我们利用中等水量、高水头水能，但是，在低的地区，

可以利用低水头但水量较大的水能。因此有必要对不同类型的水轮机作一个简要介绍。

2 水轮机

本章主要概述最重要的几种水轮机类型。本章资料由挪威Kvaerner Energy和瑞士的Sulzer Energy提供。

2.1 水轮机型式概述

根据流量和水头的不同使用不同类型的水轮机。从下面的公式可看出能量可由于高水头、低流量获得也可由低水头、大流量获得。

P( kW)=9.81 H(m)* Q(m3/ s ). （1）这个公式定义了总的功率输出。事实上还存在压力钢管处和水轮机自身的能量损失。水轮机输出至发电机的功率可以用下式粗略估计。

P( kW)=8.5 H(m)* Q(m3/ s ). （2）水轮机转速并没有在上述等式中出现。水轮机转速是水轮机制造商进行优化处理的结果。一般说来，对于高水头的水轮机，水轮机转速相对较高，而对于低水头水轮机转速则相对较低。由于水轮机和发电机通常直接相连，水轮机速度必须和发电机的同步转速相匹配，因此水轮发电组的转速由水轮机制造商根据可能的同步转速选定。电网的频率由电网给出（也就是50 Hz），发电机磁极对数（p）的选择应满足下列等式：

f( Hz) = p.n(rpm) *1/60

下表显示了磁极对数和对应50 Hz网频的同步转速（单位为rpm）。对60 Hz网频转速都必须乘以

水轮机的飞逸转速是水轮机组达到设定的满负荷后,解除发电机造成的转速上升的极限速度。它是在调节装置故障、设备断开及发电机出口断路器跳开这种不正常的工况下发生的。在这种工况下发电机频率与电网频率不一致。定子电流输出被切断，由水轮机产生的机械功率不再传递给定子，而用于加速机组，使其达到飞逸转速。通常要评定发电机和水轮机的所有旋转部件在飞逸转速时所承受的应力。应该切记机械应力与旋转速度的平方成正比。飞逸转速与额定转速的比率由水轮机的型式决定。在下列章节中将给出不同类型的水轮机的特征数据。

基于运行考虑，在机组正常工况下甩100%负荷时，要求转速的上升限制在一定的范围内。通常要求这种甩满负荷的转速最大增至额定转速的130～140 %。转速增加的原因一方面是由于电网一侧

的负荷突然甩掉（出口开关跳闸），另一方面由于正常工作的水轮机的调节装置有数秒的关闭时间，在此期间，驱动力矩仍然存在并加速机组，上升的速率取决于整个轴系的惯性质量。对于给定力矩，惯性质量越大，速度上升的越慢。因此需注意到水轮机的转轮相对发电机的转子质量要轻，因此发电机的转子是决定惯性质量的主要部件。

图1。不同水头(H)和不同流量(Q)下水轮机型式

2.2 冲击式水轮机（Pelton Turbine）

冲击式水轮机由分布在圆周的水斗式轮叶组成，一个或多个喷嘴冲击这些水斗。因此，这种水轮机也叫自由喷射式水轮机。在水流离开水斗之后，水流实际上已没有动能，落入下游。

图2：带有球形阀和水嘴的多喷头冲击式水轮机

喷嘴上的阀针是一个调节和关闭装置。冲击式水轮机通常用于高水头电站（最高1900m）。同时，由于其简单，也可用于低水头和小流量电站。

在网频为50HZ时，冲击式水轮机典型的同步速度在1000rpm和428.6rpm之间。通常这种水轮机的飞逸转速是额定转速的1.8至1.9倍。

2.3 轴流式水轮机（Kaplan Turbine）

Kaplan水轮机有纯轴流式转轮。将转轮叶片以适当方式安装在转毂上使其可以转动。水流通过蜗壳进来，带有转动导叶的环形分配器作为关闭装置，它和转轮上的转动叶片一起构成调节装置。由于这种双重调节作用，Kaplan式水轮机在带部分负载时仍有很好的效率。因而Kaplan水轮机适应用于不同的水流状况。

图3。带有蜗壳和导叶的Kaplan水轮机

轴流定浆式水轮机（Propeller Turbine）其轮叶固定，它是Kaplan水轮机的一种特殊型式。其优点是用于调节轮叶的复杂接力机构被取消了，但缺点是在带部分负荷时效率较低。在有多台机组的发电厂，这一缺点可以通过选择合适的运行机组台数来补偿，这样每台机都运行在额定功率附近，因此有较高的效率。

图4 灯泡室内发电机一体化的典型灯泡式水轮机（Kavarner）在径流式电站，当电站规模较小及电站位置较低时，我们采用一种特殊类型的Kaplan机组，叫灯泡式机组。水流直接从上游流入下游，因此其压能损失比典型的直立式Kaplan机组要小。直立式Kaplan机组的水流是水平流入，从水轮机垂直流出。

另一种类型的Kaplan水轮机是为潮汐电站设计的，然而它主要用在径流式老电站的改建，这些老电站不能改变现有的厂房，由于它轴向长度短，结构紧凑，因而经常被采用。这种水轮机没有轮叶调节，因此它是定浆式水轮机的一种。由于水流垂直流过水轮机，这种水轮机叫作STRAFLO（贯流式水轮机）。

图5 带发电机的贯流式水轮机（Sulzer-ABB）

在50HZ网频时Kaplan水轮机的典型转速低于200转/分钟。直立式Kaplan机组的最大输出功率为约200MW，灯泡式机组为90MW，贯流式机组为20MW。这些类型的水轮机组的飞逸转速通常是额定转速的2.5至3.5倍。

2.4混流式水轮机（Francis Turbine）

在混流式水轮机中，水从转轮的周围进入，水流从蜗壳径向流入水轮机大轴，然后轴向流出。转轮上的叶片互相遮盖形成水流通道，允许连续的水流从上游侧流向下游侧。只有部分能量被转轮消耗，大部分能量随着水流流向尾水，尾水管与转轮相连，承担着利用剩余动能的功能，在尾水管里水流速度减慢产生负压效果，这个能量转换过程叫做尾水管回收。

带导叶的环形分配器用于切断和调节水流。混流式水轮机适用于中等水头的电站，尽管最近它更多用于高水头电站。如今600m水头甚至更高水头的混流式机组已投入运行。混流式机组也被用于超大容量、低转速机组，如巴西和巴拉圭的伊泰普机组。

由于应用广泛，混流式机组的同步转速可从500rpm到不足100rpm。其典型飞逸转速为额定转速的1.7至2.2倍。