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。

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H1．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⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=I I g g p Z g g p Z H II II II II I I 2222υαρυαρ （1-1） 式中：Z I 、Z II 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处相对于某基准的位置高度，m ；I p 、II p 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流体压强，Pa ； I υ、II υ分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处过流断面的平图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-引水道均流速，m/s ；I α、II α分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的过流断面速度分布不均匀系数；ρ为水的密度，kg/m 3；g 为重力加速度。

净水头H 又可表示为：1-∆-=A g h H H （1-2）式中：H g 为水电站水头（毛水头）；1-∆A h 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g H 表示，单位为m 。

2．额定水头H r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H d 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H max （H min ）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H w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1-2 立轴反击式水轮机的工作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II I I Z g g p a Z H -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=I I 22υαρ （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Q 表示，单位为m 3/s 。

即υF Q = （m 3/s ） （1-4） 式中：F 为水轮机过水断面面积，m 2；υ为过水断面平均流速，m/s 。

1．额定流量Q r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m 3/s 。

2．水轮机空载流量Q o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m 3/s 。

1.1.3 水轮机功率P1． 水轮机输入功率P in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 。

QH gQH P in 81.9==ρ (kW) （1-5）2． 水轮机输出功率P out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P in 要小于水轮机的输入功率P out ，两者关系为图1-3 卧轴水斗式水轮机水头ηηQH P P in out 81.9== (kW) （1-6）式中：η为水轮机效率，一个小于1的系数。

3． 额定输出功率P r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inout P P =η （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n r 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1772 m。

图1-8 水斗式水轮机1-水斗；2、4-转轮；3-机壳；5-喷嘴；6-针阀；7-调速手轮；8-压力水管；9-尾水渠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。