02__水轮机及其选择概论

第二章水轮机及其选择水力机械❑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：抽水蓄能水轮机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。

2.1 水轮机的类型和构造()()()()()()()()()()()()()()⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧ 双击式 斜击式 切击式水斗式冲击式贯流调桨式贯流定桨式贯流转桨式贯流式 斜流式　轴流调桨式　轴流定桨式　轴流转桨式轴流式 混流式反击式水轮机SJ XJ CJ GT GD GZ GL XL ZT ZD ZZ ZL HL一、反击式水轮机❑定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为反击式水轮机。

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

反击式水轮机类型❑1.混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。

❖适用范围：H=30-700 m , 单机容量：几万kW-几十万kW❖适用于高水头小流量电站。

三峡水电站水轮机转轮❑2. 轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

❖轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。

❖轴流转浆式：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)。

3. 斜流式：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。

常用于抽水蓄能水电站。

反击式水轮机类型4. 贯流式：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。

适用于低水头、大流量的河床式和潮汐水电站。

二、冲击式水轮机❑定义：利用水流的动能来做功的水轮机为冲击式水轮机。

❑特征：由喷管和转轮组成。

水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。

在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部冲击式水轮机的类型❑水斗式❖特点是由喷泉嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。

❖水斗式水轮机是冲击式水轮机中目前应用最广泛的一种机型。

❑斜击式：射流中心线与转轮转动平面呈斜射角度❑双击式：水流穿过转轮两次作用到转轮叶片上❖斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站水斗式水轮机转轮轮叶轮盘三、水轮机的工作参数❑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: P=9.81ηQH 可知，其基本参数包括工作水头H、流量Q、出力P、效率η，此外还有工作力矩M、机组转速n。

❑（1）毛水头❖H=E A-E C=Z上-Z下m❑（2）水轮机的工作水头❖毛水头-水头损失=净水头(即水轮机的工作水头)❑（3）特征水头：表示水轮机的运行范围和运行工况。

：电站运行范围内水轮机水头的最大值❖最大工作水头Hmax：电站运行范围内水轮机水头的最小值❖最小工作水头Hmin：水轮机在最高效率点运行时的净水头❖设计水头Hr：电站运行范围内，考虑负荷喝工作历时的水轮❖平均水头Hw机水头的加权平均值2.流量(m 3/s)❑单位时间内通过水轮机的水量❖Q 随H 、P 的变化而变化，H 、P 一定时，Q 也一定，当H=H r 、P=P 额时，Q 为最大❖在H r 、n r 、N r 运行时——Q r3.转速❑水轮机单位时间内旋转的次数称为水轮机的转数，用n表示，单位为r/min。

❑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。

4.出力与效率❑（1）出力(水轮机的输出功率)P ：❖指水轮机轴传给发电机组的功率。

❖水轮机的输入功率(水流传给水轮机的能量)为：❖水轮机的输出功率：❑（2）效率：❖η=P out /P in 一般η=80%~95%)(81.9kW QH QH P in ==γ)(81.9kW QH P P in out ηη==❑反击式水轮机的型号❖水轮机型式+ 转轮型号(比转数)+主轴布置型式+ 水轮机室特征+ 转轮标称直径(cm)HL240 ——LJ ——410●混流式水轮机，型号240（比转速)，立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cmZZ440 ——LH ——430●轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm❑冲击式水轮机的型号❖同轴安装的转轮数+ 水轮机型号+ 转轮型号(比转数)+ 主轴布置型式+ 转轮标称直径(cm)+ 每个转轮上喷嘴数+ 设计射流直径(cm)2CJ30 ——W——120/2×10●转轮型号为30，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上两个转轮，转轮直径为120cm,每个转轮两个喷嘴，设计射流直径为10cm。

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水斗（冲击）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❑各种水轮机转轮标称直径D1❖HL：转轮叶片进口边上最大直径❖ZL、XL：转轮叶片轴心线相交处的转轮室内径❖CJ：转轮与射流中心线相切处节圆直径练习❑（1）HL220-WJ-71❑（2）ZZ560-LH-1130❑（3）GD600-WP-250❑（4）2CJ22-W-120/2×10 ❑（5）SJ40-W-50/40答案❑1.混流式水轮机，转轮型号是220，卧轴，金属蜗壳，转轮直径为71cm❑2.表示轴流转浆式水轮机，转轮型号560，立轴，混凝土蜗壳，转轮标称直径为1130cm❑3.贯流定桨式水轮机，转轮型号为600，卧轴，灯泡式水轮机室，转轮标称直径250cm❑4.表示水斗式(冲击式)水轮机，同一轴上装有2个转轮，卧轴布置，转轮标称直径为120cm，每个转轮有2个喷嘴，喷嘴设计射流直径为10cm❑5.表示双击式水轮机，转轮型号40，卧轴布置，转轮标称直径为50cm，转轮轴向长度为40cm。

五、水轮机的主要过流部件❑反击式水轮机的主要过流部件❖(1) 进水(引水)部件—蜗壳：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮。

❖(2) 导水机构（导叶及控制设备)：控制工况❖(3) 转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。

❖(4) 泄水部件(尾水管):回收能量、排水至下游。

（一）混流式水轮机基本构造水流—蜗壳—座环—导叶—转轮—尾水管—下游❑水轮机的引水部件又称引水室。

❖作用：引导水流均匀、平顺、轴对称地进入水轮机的导水机构，并使水流在进入导叶前形成一定的环流，以提高水轮机的效率和运行稳定性。

❑开敞式：槽中水流有自由水面❑封闭式：槽中水流无自由水面开敞式引水室压力槽式罐式蜗壳金属蜗壳(1)蜗壳的功用及型式❑功用：蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。

❑型式：❖金属蜗壳：当H>40m时采用金属蜗壳。

其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机❖混凝土蜗壳：适用于低水头大流量的水轮机。

(2)蜗壳断面尺寸的拟定❑①主要参数包括：❖A、断面形状：（a）圆形断面；（b）梯形断面❑①主要参数包括：❖B 、蜗壳的包角φ0：蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角。

●a、金属蜗壳：φ=340º～350º,常取345º●b、混凝土蜗壳：φ0=180º～270º,一般取180º❑①主要参数包括：❖C 、蜗壳进口断面的平均流速Vc ●a 、金属蜗壳：K ——流速系数，查图2-28；H ——水轮机水头，一般以额定水头Hr 计算。

●b 、混凝土蜗壳：查图2-29HK V c金属蜗壳进口断面的平均流速流速系数混凝土蜗壳进口断面的平均流速Vc可由下图查取❑水力计算的目的:❖确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。

❑①金属蜗壳的水力计算❑计算假设：❖等流速：各断面沿圆周放心的切向流速V u不变，且等于蜗壳进口断面的平均流速V c。

即V u＝V c＝常数❖等流速矩：水流的流速矩不变，即V u R＝常数❑①金属蜗壳的水力计算❖a ）对于进口断面●断面的面积●断面的半径●从轴中心线到蜗壳边缘的半径❖b ）对于中间任一断面cc c c V Q V Q A3600m ax ϕ==πϕπρc cV Q A3600max max ==maxmax 2ρ+=a r R max360Q Q iiϕ=πϕρc ii V Q360m ax =ia i r R ρ2+=❑①金属蜗壳的水力计算❖由此可以绘出蜗壳平面图单线图。

其步骤为：❖(a) 确定φ0和V c；❖(b) 求A c、ρmax、R max；❖(c) 由φi 确定A i、ρi、R i。

❑②混凝土蜗壳的水力计算（自学）❖(1) 求进口断面积；❖(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其A ＝A c ❖(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表示并画出1、2、3…….等中间断面。

❖(4) 测算出各断面的面积，绘出：A = f(R)关系曲线。

❖(5) 按绘出F = f(φ)直线。

❖(6) 根据φi 确定Fi 、Ri 及断面尺寸，绘出平面单线图。

ciui i V Q V Q A ︒==360max ϕ②混凝土蜗壳的水力计算（自学）2.导水部件引导水流以一定的方向进入转轮，形成一定的速度矩，并根据机组负荷的变化调节水轮机的流量以达到改变水轮机功率的目的导叶转臂连杆控制环接力器导水机构水轮机座环1－上环；2－下环；3－固定导叶。