5_3轴流式水轮机
【抽水蓄能】5 水泵水轮机过渡过程
5 水泵水轮机过渡过程5.1水泵水轮机过渡过程抽水蓄能电站的水道系统均较复杂，同时又要作水泵和水轮机两种工况运行，运行组合工况综合起来更多，再加上抽水蓄能机组的流量特性和力矩特性，故水泵水轮机过渡过程通常比常规水轮机过渡过程要复杂得多。
水泵水轮机正常运行时主要有水轮机工况、水泵工况、水轮机工况调相、水泵工况调相和旋转备用工况，各工况之间的互相转换以及机组在各工况下正常与事故停机等组合成20多个过渡过程工况。
实际上抽水蓄能电站关注的主要有水轮机工况甩负荷、水泵工况断电等几种工况。
5.1.1 水轮机工况甩负荷过程1图5-1 水轮机工况甩满负荷机组在四象限特性曲线中的运行轨迹水轮机工况甩负荷过程通常出现在电网或机组发生故障导致机组紧急停机时，这时导叶关闭或拒动引起水道系统产生水锤现象。
此时机组运行工况可能在水轮机工况区、水轮机制动工况区及反水泵工况区，其在流量特性曲线中的运行轨迹如图5-1所示，其中A→B→C→D为额定工况甩满负荷时导叶紧急关闭的运行轨迹，A→B→F→G为相应导叶拒动时的运行轨迹，并在E→G之间沿等导叶开度线上产生振荡。
图5-2 水轮机工况甩满负荷导叶拒动过渡过程曲线2图5-3 水轮机工况甩满负荷导叶快速关闭过渡过程曲线图5-2所示为额定工况甩负荷导叶拒动过渡过程工况下各参数的变化过程线，图5-3所示为额定工况甩负荷导叶快速关闭过渡过程工况下各参数的变化过程线。
由图5-2可以明显地看出，由于导叶拒动，机组转速快速上升，随着机组转速的快速上升，在机组转轮离心力的作用下、机组流量也随着快速下降，使机组转速上升越来越慢，进而使机组转速下降，此时由于转轮的制动作用引起的水锤压力在蜗壳进口达到最高，同时随着机组转速下降，转轮的制动作用随之减弱，流量开始增加，进而又引起机组转速上升，这样就进入一个压力、流量以及机组转速周而复始的变化循环。
因此在设计时应充分重视包括蜗壳进口压力在内的水道系统压力振荡以及机组流道内的压力振荡。
水利工程中常见的机电设备基本知识范本（2篇）
水利工程中常见的机电设备基本知识范本一、水轮机水轮机是一种将水能转换成机械能的装置。
它利用水流的动能和位能来驱动机械设备，是水利工程中常用的机电设备之一。
水轮机包括水轮发电机和透平发电机两大类。
1. 水轮发电机水轮发电机是将水流的动能转换成机械能的装置，通过转换装置将机械能转化为电能。
主要由水轮机、发电机、调速装置等组成。
根据水流的不同特点和发电要求，水轮发电机可以分为混流式、轴流式和离心式。
- 混流式水轮发电机：适用于水头较小、流量大的水利工程。
其特点是水流入口向水轮机轴线的垂直方向流动，水力利用率高，但水轮机结构复杂、体积大。
- 轴流式水轮发电机：适用于大水头、小流量的水利工程。
水流入口和出口都与轴线平行，并且通过导叶的调节来改变进水的流速和流量。
结构简单，但效率相对较低。
- 离心式水轮发电机：适用于水头较大、流量小的水利工程。
通过离心力将水流引入水轮机并转动。
结构简单，但效率较低。
2. 透平发电机透平发电机是利用水流的动能来旋转透平叶片驱动发电机发电的机械装置。
透平发电机主要包括动叶片、静叶片、转子、定子和发电机等部件。
根据叶片的工作方式，透平发电机可以分为常压透平和过压透平两种。
- 常压透平：水流进入透平叶片后，在透平的作用下加速，并通过叶型的转动驱动发电机发电。
适用于水头较小的水利工程。
- 过压透平：在常压的基础上增加水头，以提高发电效率。
适用于水头较大的水利工程。
二、水泵水泵是一种将原始水源或处理后的水流输送到指定地点的机械设备。
水泵利用机械能来增加水流的动能和压力，以便使水流能够流到更高的地方或长距离输送。
1. 根据水泵的工作方式，水泵可以分为离心泵和排污泵两大类。
- 离心泵：水泵内部有一个旋转叶轮，通过转动将水流的动能转化为水流的压力，以便将水流输送至更高的地方。
离心泵适用于输送清水和薄液体。
- 排污泵：排污泵主要用于排放污水或含有固体颗粒的水。
它是通过叶轮的旋转来将污水或含有固体颗粒的水体推送至指定位置。
5_水轮机特性与特性曲线2
② 水轮机在限制工况下的效率： η=ηM+Δη (1)
ηM－为模型水轮机在限制工况下的效率。 ③ 求得的η与D1选择中所假设的η值的比较 如(1)式得到η与前计算假定的η出入太大，应将计算的η 代入式4-4重新计算。 之前假定的为：η=ηM+Δη (Δη=2~3%)
（3） 水轮机n的选择 为使水轮机在Ha下有较高的η，则应取下列情况计算n： 则根据：
一、特性曲线概述
1、研究目的：进一步分析比较原型水轮机各方案之间 的能量特性，计算水轮机能量指标，以评定所选择的水轮 机各主要参数的正确性，指导水轮机的安全运行。 2、定义：已知正常运行时，同步转速n不变，当H、N 变化时→η、σ随之变化。
反映原型水轮机在各种工况下参数之间的关系曲线， 称为水轮机特性曲线。
n1M nD1 n1 H
Hr
H
Hmin
σ Q'1
N
σ+Δσ (σ+Δσ)H
Hs
等吸出高曲线给出了水轮机在其工作范围内，各运行工 况下的最大允许吸出高HS值，其对水轮机方案的比较和确定 水轮机的安装高程有很大作用。
运转特性曲线汇总
二、轴流转浆式水轮机运转特性曲线
① 有不同的转角，所以进行效率修正时，应按不同 的转角φ计算效率修正值。即在综合特性曲线上
(4) 由公式计算出不同σ时的HS，列表4-11。
(5) 由表中对应的HS和N作各水头下的HS=f(N)辅助线， 如图4-11(a)所示。
(6) 在HS=f(N)上，作HS=C线，记下各交点坐标(H，N)， 在H-N坐标场内即可绘出等吸出高曲线HS=f(H，N)。
等吸出高度曲线计算表
Hmax Δη=
n1M
水轮机结构介绍[1]
![水轮机结构介绍[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/e85d6f00844769eae009ed9e.png)
发生变化时 ，用来调节 流量 。 正常与事故 停机时，用 来截断水流 。
顶盖
主要作用： 形成流道并
承受相应的 流体压力
固定和支撑
活动导叶及 其连杆机构
顶盖
支撑水导轴承
支撑并组成机
组的密封，包 括主轴密封、 检修密封、上 迷宫环等
底环
作用：
与顶盖一起形
埋设管路
埋设管路主要包括 机组排水管路
机组测压管路
压水系统管路
回水排气管路
机组冷却润滑系统管路
水轮机保护装置
水轮机保护装置是当机组在启停和运 行过程中发生危及设备和人身安全的故 障时，自动采取保护或联锁措施，防止 事故产生和避免事故扩大，从而保证人 和设备的安全不受损害或将损害降到最 低限度。
二. 水轮机基本参数
水轮机的基本参数直接代表了水轮机的
类型及其特性，如下：
水轮机参数
额定出力 N=45.36MW
额定水头 H=202.5m 额定流量 Q=24.24 额定转速 n=500r/min 额定效率 η=94.3% 吸出高度 Hs=-6m
水轮机型号及其含义
型号 HLA575c-LJ-188 ）
水导轴承
作用 ： 一是承受机组在各
种工况下运行时通 过主轴传过来的径 向力 二是维持已调好的 轴线位置
水导轴承
水导轴承
圆筒式稀油轴
承油循环方式
筒式水导轴承循环方式
筒式瓦的油循环方式是采用自循环，润滑油的自循环工作原
理：当机组运行时，安装在大轴上的水导轴承旋转油盆与大 轴一起旋转，旋转时油盆中油也跟着旋转，由于离心力的作 用，油盆中的油位形成边缘高，中心低的状态，即形成一个 抛物面。在压差的作用下，油经固定不动的轴承体圆周外部 的进油孔进入瓦面的下环形油槽，由于大轴的转动使油沿轴 瓦面上的斜向油沟上移，并流经整个瓦面，使大轴与轴瓦之 间的润滑良好，同时带走热量，热油流到上环形油槽经排油 管流至冷却器，热油经冷却后通过进油管进入油盆，以上润 滑油的路径为一次工作过程。机组运行时润滑油如此往复进
水轮机选型计算..
④优先考虑套用已有型号转轮直径接近的机组。
内容
(1)、确定机组台数及单机容量
(2)、选择水轮机型式（型号）
(3)、确定水轮机参数D1、Q、n、Hs、ns、F、Z0、do。
(4)、绘制水轮机运转特性曲线
(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择
④转轮裂纹保证
供货方应在设计制造过程中采用措施，保证产品质量，在合同规定的保证期和稳定运行范围内保证转轮不产生裂纹。
⑤噪声要求
水轮机正常运行时，在水轮机机坑地板上方1m处所测得的噪声不应大于90dB(A),在距尾水管进入门1m处所测得的噪声不应大于95dB(A),冲击式水轮机壳上方1m处所测得的噪声不应大于85dB(A),贯流式水轮机转轮室周围1m内所测得的噪声不应大于90dB(A)
单位流量Q11m3/s
汽蚀系数
σm
3~8
0.45
0.34/0.38
3,4
155~170
1.1~1.3
660~760
2.1~2.3
1.2~1.4
6~15
0.45
0.34/0.38
4
142~154
1.0~1.2
580~670
1.9~2.15
0.8~0.95
12~22
0.40
0.35/0.40
4
130~140
中小型混流式转轮型谱参数范围
适用水头范围m
导叶相对高度bo
最优工况
限制工况
单位转速n11
r/min
单位流量Q11
m3/s
比转速ns
m·kw
轴流式水轮机
桨叶反馈信号 去调速器
操作油管
叶片
泄水锥
受油器结构与工作原理
操作油管及连接法兰
操作油管
外形图
上操作油管
连接轮叶接 力器上腔
中操作油管 下操作油管
连接轮叶接 力器下腔
端面图
转轮体内部结构
导轴 活塞环 活塞 轮毂
枢轴
转臂 连杆 连接体 下盖 放油阀 泄水锥
转轮体内部结构
缸体 护盖
轮叶密封 轮叶
操作油管 水轮机大轴
顶盖 水导轴承
支持盖 转轮体
主轴密封
轮叶接力器 叶片操 作机构
泄水锥
2）轴流式水轮机的导轴承——分 块瓦式 稀油润滑水导轴承
水导轴承箱
轴瓦 轴领
抗重螺钉
给水 排水
○○○○接力器 轮叶
操作架
4）桨叶操作系统
回油 压力油
漏油 水轮机大轴 桨叶接力器
谱或模型 特性曲线）例：ZZ440,K=0.71
Tz=KD12Hmax(104)N
２或经验公式计算（经验系数）
Tz
k
π 4
D12Hmax(104
N)
叶片数 ４
５
６
７
８
Ｋ
0.85
教材P206
0.87 0.90 0.93 0.95
３由单位轴向水推力曲线换算：教材P207
Tz TZ11D12Hmax (N ) TZ11 : 单位轴向水推力，查实验曲线
等开度线
等叶片转角线
5o......0o......10o
导叶开度增大
水
头
增 大
ao 10......20.......30
Q11
三、水轮机的轴向水推力
轴轮转浆式水轮机介绍(最详细最全)
2
引领世界先进技术
乐滩电站 葛洲坝电站（大江、二江） 水口电站
水力开发
模型试验 国家重点试验室
先进的设计手段
CFD— 水力设计计算 模型试验 — 指导与修正
水力设计
Ansys
01
I-deas 刚强度分析 轴系动态特性分析 三叶动态涡频分析
02
先进的设计手段
先进的设计手段
总体布置
活动导叶 导叶在正常运行范围内具有自关闭趋势 直缸接力器 摇摆接力器
摩擦轴衬+剪断销联合作用
自润滑轴瓦
导叶轴颈采用U形密封
导叶操作机构
座环
整体座环，上环板整圈 支墩式座环 固定导叶 足够刚强度 蜗壳衬板 与蜗壳面采用马氏体不锈钢
流道表面全部精加工
转轮室
推力轴承支架 直缸接力器 混凝土蜗壳 弯肘形尾水管
推力轴承支架
支持盖
导叶
座环
蜗壳
转轮
转轮室
尾水管
主轴
密封
轴承
顶盖
机坑里衬
总体布置
下机架结构
转轮
轮毂小 桨叶数4、5、6、8个 桨叶外圆设有裙边 高效率 优良的抗汽蚀性能
转轮
减小桨叶变形 高强度桨叶轴套 缸动式桨叶操作机构 双向桨叶密封 桨叶VOD精炼00Cr13Ni5Mo
2×55.4
6.0
4
2007
良好
山图迪斯II
塔吉克斯坦
2×115
8.5
4
2011
良好
切姆良
俄罗斯
1×52.5
6.6
6
2011
良好
上阿特巴拉
苏丹
4X80
5.6
6
水轮机结构介绍(经典)
推 力 轴 承 外 形
HOMIS
本发电机推力轴承放置在水轮机支持架上，总推力负荷为3300T，采用液压式三波纹弹性油箱支撑结构。其主要作用就是在机组开机过程中，用高压油装置顶起转子，使得发电机转子远离制动环，从而减少静摩擦力，保证机组正常开机；同时在机组运转过程中承受机组转动部分的全部重量，通过推力支架进行负载转移。
水 轮 机 底 环
04
03
01
作用：
水轮机过流部件之一，固定活动导叶。
活动导叶 固定孔
与基础结合部位
水 轮 机 底 环 安 装
将底环固定在水泥基础上，保证其过流面与座环和转轮室上环过流面光滑过渡。
将底环吊入机坑，调整底环位置符合设计要求；
导 水 机 构
控制环
导叶连杆
活动导叶
导叶套筒
顶盖
底环
作用：
泄 水 锥 结 构
外形图
剖面图
作用：
是水轮机导水机构的重要组成部分，主要是为尾水导流； 使转轮体内部形成一个封闭油腔，起密封作用。
泄 水 锥 安 装
装配步骤：
首先将泄水锥固定在地面上，基本保证其轴心与地面垂直；用桥机调起转轮体与泄水锥进行对接；调整位置使得二者的轴心在同一条直线上，然后用固定螺栓将二者把合在一起；连接体外部安装封围板（图中没有表示）。 在二者的配合面上注意按照设计要求安装橡皮密封圈（图中没有表示）。
4
作用：
顶 盖 安 装 将顶盖整体吊入机坑，注意保证顶盖不与基础碰撞； 调整顶盖位置，其保持水平，同时保证导叶套筒安装孔与导叶轴心基本一致。
导 叶 套 筒 装 配
将导叶套筒分别吊入机坑； 调整顶盖位置，保证每个导叶轴心铅直，且保证导叶、套筒和底环导叶安装孔的轴心保持在同一直线上。
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一、轴流式水轮机的结构 二、轴流式水轮机的特性 三、水轮机的轴向水推力 四、轴流式水轮机飞逸转速的计算
一、轴流式水轮机的结构特点
1、流道：蜗壳、座环、顶盖（导叶）、支持盖、 转轮、尾水管。 蜗壳型式（三种） 2、分定桨和转桨两种型式：适用情况 定桨式结构简单，叶片角度固定，高效区窄。 转桨式叶片角度可随工况调整，具有宽广的高 效区。 3、转轮结构复杂，造价高。 4、轴承（低速） 5、机俎重量传递方式
（１）水轮机的特性
1）轴流定桨式水轮机的特性
n11
a
Q
１、效率线窄长，负荷变化适应性差。
Q11
２、等开度线为上升曲线，单位转速增大时流量增大。
２）转桨式水轮机的特性
n11
90%
85%
50 00来自n 50
80%
Q11
50
00
50
Q11
２）转桨式水轮机的特性
等开度线 等叶片转角线
水头不变时，
ao ao
n11
5o...... 0o...... 10o
导叶开度增大
导叶开度不变时，
H H
水 头 增 大
ao 10...... 20....... 30
Q11
三、水轮机的轴向水推力
• 水推力的成因：作用在水轮机转轮上的各种力的 轴向分量之和称作水轮机的轴向水推力。 • 水推力的影响：水轮机推力轴承的主要负荷。 • 水推力的计算: * 用经验公式或经验系数计算； * 用实验参数确定：轴向水推力系数；单位轴向 水推力。
Tz k π D 2 H (10 4 N) ２或经验公式计算（经验系数） 4 1 max
叶片数 Ｋ ４ 0.85 ５ 0.87 ６ 0.90 ７ 0.93 ８ 0.95
教材P206 ３由单位轴向水推力曲线换算：教材P207
Tz TZ 11D12 H max ( N ) TZ 11 : 单位轴向水推力，查实验曲线
nR
nR max
H
H min
Hr
H max
2) 混流式水轮机的轴向水推力
F2
F4
F1
F3
Ft
--------教材P157
HL100 0.08-0.14
2 Ft 9.81 103 D1 H max ( N ) 4 2 K D1 H max (104 )( N ) 4
转轮型号 HL310 K 0.37-0.45 HL240 0.30-0.41
注：
1.图中没有安装轮叶 操作架； 2.图中没有标出所有 的连接螺钉和轴套。
轮叶连杆转壁
轮叶操作机构
枢轴 转臂 铜瓦
铸铁瓦 连杆
操作架连接处
图中尚缺乏轮叶操作架
二、轴流式水轮机的性能特点
１）比转速高，过流能力强，同样条件下， 出力大。 2）定桨式高效率区窄长，不适合负荷变化。 3）转桨式可随水头与负荷的变化自动调整叶 片角度，有宽广的高效率区。 ３）单位流量大，空化系数大，同样工作条 件下比混流式空化严重。 水轮机安装高程一 般低于混流式。
特点：高效区宽；叶片与水头、导叶双协联
定桨、转桨比较
n11
等开度线 等叶片转角线
Q11
3）转桨式水轮机桨叶与导叶的协联 导叶开度增大时叶片角度增大
ao ao
转桨式水轮机桨叶与水头的协联 水头增大时叶片角度增大
H H
4) 桨叶与导叶、水头的协联
1) 转桨式水轮机的轴向水推力
Do
bo
Vm
Ru
F : 转轮体的水压力、 浮力等力之和； Rz : 叶片升力的轴向分量； Tz : 转轮的轴向水推力。 Tz F Rz
R
Rz F
Pz
轴向水推力的计算
１一般由实验确定水推力系数: 教材P382（水轮机型 谱或模型 特性曲线）例：ZZ440,K=0.71 Tz=KD12Hmax(104)N
压力油
漏 油 操作油管 水轮机大轴
桨叶接力器
叶片
转轮体
操作架 泄水锥
受油器结构与工作原理
操作油管及连接法兰
操作油管
外形图
上操作油管
连接轮叶接 力器上腔
中操作油管 下操作油管 连接轮叶接 力器下腔
端面图
转轮体内部结构
转轮体内部结构
导轴 活塞环 活塞 轮叶 轮毂 枢轴 缸体 护盖 轮叶密封
转臂 连杆 连接体 下盖 放油阀 泄水锥
1）轴流转桨式水轮机结构简图
操作油管 水轮机大轴 顶盖 水导轴承
主轴密封 支持盖 轮叶接力器 转轮体 叶片操 作机构
泄水锥
2）轴流式水轮机的导轴承——分 块瓦式 稀油润滑水导轴承
水导轴承箱
轴瓦 抗重螺钉
轴领
给水
○○○○ ○○○○
排水
油冷却器
3）叶片操作机构
接力器 轮叶
操作架
4）桨叶操作系统
回油 桨叶反馈信号 去调速器
四、轴流式水轮机飞逸转速的计算
1、轴流定桨式水轮机：同混流式水轮机
nR n11R . H max / D1 n11R : 单位飞逸转速，由飞逸特性曲线查出。 或由型谱查出
2、转桨式水轮机按协联工况保持计算 取Hmin、 Hr 、Hmax等数个水头，计算对应单位转速， 查协联保持飞逸特性曲线，分别查出各自的最大单位飞逸 转速，计算各水头的飞逸转速，再取其中最大值。 如ZZ440水轮机教材P382