水轮机的结构和原理(笔记)

水轮机

水轮机 + 发电机：水轮发电机组

功能：发电

水泵 + 电动机：水泵抽水机组

功能：输水

水泵 + 水轮机：抽水蓄能机组。

功能：抽水蓄能

水轮发电机组：水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。

第一节水轮机的工作参数

水轮发电机组装置原理图

定义：反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。

由水能出力公式：N=9.81ηQH可知，基本参数：工作水头H(m)、流量Q(m3/s)、出力N(kw)、效率η，工作力矩M、机组转速n。

一、水头(head)：作用于水轮机的单位水体所具有的能量，或单位重量的水体所具有的势能，更简单的说就是上下游的水位差，也叫落差。142米

1. 毛水头(nominal productive head)

H

=E U-E D=Z U - Z D

M

2. 反击式水轮机的工作水头

毛水头 - 水头损失=净水头

H G =E A - E B =H M - h I -A

3. 冲击式水轮机的水头

H G =Z U - Z Z - h I-A

其中Z U 和Z Z 分别为上游和水轮机喷嘴处的水位。 4. 特征水头(characteristic head)

表示水轮机的运行围和运行工况的几个典型水头。 最大工作水头： H max =Z 正-Z 下min -h I-A 最小工作水头： H min =Z 死-Z 下max -h I-A

设计水头(计算水头) H r ：水轮机发额定出力时的最小水头。 平均水头： H av =Z 上av -Z 下av

二、流量(m 3/s)(flow quantity)：单位时间通过水轮机的水量Q 。单机12.2m 3/s

Q 随H 、N 的变化：H 、N 一定时， Q 也一定；

当H =H r 、N =N 额时，Q 为最大。

在H r 、n r 、N r 运行时，所需流量Q 最大，称为设计流量Q r 三、出力 (output and)：水轮机主轴输出的机械效率。N(KW)：

指水轮机轴传给发电机轴的功率。

水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量),即水流效率，与a.作用于水轮机的有效水头；b.单位时间通过水轮机的水量，即流量Q ；c.水体容重γ成正比。其公式为：QH QH N w 8.9==γ

γ指水体容重（即单位容积水所具有的重力，比重）： 水的比重=1000kg/m 3、=9800N/m 3，

)

(8.9)/(9800)/(9800)()/()/(33kw QH s J QH s m N QH m H s m Q m N N w ==?=??=γ

水轮机的输出功率：ηηQH N N w 8.9==

四、效率(efficiency )：输入水轮机的水能与水轮机主轴输出的机械能之比，又叫水

轮机的机械效率、能量转换效率。η

η=N /N w ，一般η=80%~95% 水轮机的损失：

1、容积损失：进入水轮机的流量Q ，有部分会从水轮机固定部分与转动部分的缝隙及其他缝隙中漏失而造成损失；

2、水力损失：作用于水轮机的工作水头H 中，在水流进出水轮机的过流部件时为克服沿程摩擦局部阻力而消耗一部分能量；

3、机械损失：在能量转换过程中，水轮机还必须克服主轴轴承的摩擦，及其他部分与固定部分之间的摩擦，造成出力损失。

五、(工作力矩和)转速：水轮机每分钟的转动周数。n=3000/p(p 为磁极对数)。600转

水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达

QH n

M

M N ηπ?8.960

2=== 式中 M ——主轴力矩；ω——水轮机旋转角速度，

n ——转速，n =3000/p ；

p ——发电机磁极对。

数额定转速n ：正常情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并与发电机的同步转速相等。

第二节 水轮机的主要类型及其构造

一、主要类型

(一)、反击式水轮机 (reaction water turbine) ：利用水流的压力能转化为机械能

定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机

特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，水流充满转轮室。

原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，因此动量也发生了改变，水流产生反作用力，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从

而做功。

1. 混流式（HL）

混流式水轮机

特征：水流流经转轮叶片时，从径向流入，而从轴向流出。

适用围：H=30-450m , 最高水头已接近700m，单机容量：几万kW-几十万kW。

特点：适用围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。

三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW。是世界上单机容量最大的机组。

2. 轴流式

特征：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

适用：大流量、低水头。一般水头在50m以下。

分类：

(1) 轴流定浆式(ZD)：叶片不能随工况的变化而转动。高效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站。

(2) 轴流转浆式(ZZ)：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节(导叶开度、叶片角度)。适用于大型水电站。

轴流转浆式水轮机转轮

3. 斜流式(XL)

水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。

4. 贯流式：用于水头较低

特征：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。

适用：H<20m，小型河床电站。

贯流式机组分类：

(1) 全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其密封困难，现在较少使用。

贯流定浆式(GD)

贯流转桨式(GZ)

(2) 半贯流式：

灯泡贯流式(P)：发电机组安装在密闭的灯泡体，使用较广泛，机组结构

紧凑，流道形状平直，水力效率高。

轴伸式贯流机组(Z)：发电机安装在外面，水轮机轴伸出到尾水管外面。

竖井式贯流机组(S)：发电机安装在竖井。

(二)、冲击式水轮机(Inpulse water tubine)

定义：利用水流的动能来做功的水轮机

特征：由喷管和转轮组成。

水流以自由水流的形式(P=P a)冲击转轮，利用水流动能(V的方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。不适宜调峰运行(讨论：为什么？)。

适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。

单喷嘴冲击式水轮机运行中

分类：

水斗式（切击式）CJ（QJ）: 特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转