水电站的类型

第一章 绪论一、 水电站的类型根据集中水头方式的不同，水电站分为：坝式水电站，引水式水电站和混合式水电站 二、水力发电原理：水能→水轮机→机械能→发电机→电能→输变线路→用户 三、水轮机概念：水流能量转换成旋转机械能的动力机械。

四、水轮机的基本工作参数 ㈠工作水头Ｈ1、定义 ：水轮机进口断面和出口断面之间单位重量水流能量的差值。

设计水头Ｈr 、最大水头Ｈmax 、最小水头Ｈmin2、公式：水能由位置水头、压力水头、速度水头组成。

图1-1 立式水轮机的水头示意图⎪⎪⎭⎫⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=-=gV P Z g V P Z E E H ⅡⅡⅡⅡⅠⅠⅠⅠⅡⅠ2222αγαγ （1－1）式中 E ——单位重量水体的能量，m ；Z ——相对某一基准的位置高度，m ； P ——相对压力，N/m 2或Pa ； V ——断面平均流速，m/s ； α——断面动能不均匀系数；γ——水的重度，其值为9810N/m 3；g ——重力加速度，m/s 2。

式（1-1）中，计算常取g V ⅡⅠ2,12ααα==称为某截面的水流单位动能，即比动能（m ）；γP 称为某截面的水流单位压力势能，即比压能（m ）；Z 称为某截面的水流单位位置势能，即比位能（m ）。

g V 22α、γP 与Z 的三项之和为某水流截面水的总比能。

水轮机水头H 又称净水头，是水轮机做功的有效水头。

上游水库的水流经过进水口拦污栅、闸门和压力水管进入水轮机，水流通过水轮机做功后，由尾水管排至下游。

上、下游水位差值称为水电站的毛水头g H ，其单位为m 。

水轮机的工作水头又可表示为1-∆-=A g h H H （1-2） 式中gH ——水电站毛水头，m ；h ∆——水电站引水建筑物中的水力损失，m 。

从式（1-2）可知，水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变，常用取几个特征水头表示水轮机水头的范围。

特征水头包括最大水头Ｈmax 、最小水头Ｈmin 、加权平均水头Ｈa 、设计水头Ｈr 等，这些特征水头由水能计算给出。

1．最大水头Ｈmax ，是允许水轮机运行的最大净水头。

它对水轮机结构的强度设计有决性的影响。

2．最小水头Ｈmin ，是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。

3．加权平均水头Ｈa ，是在一定期间内（视水库调节性能而定），所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。

4.设计水头Ｈr ，是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。

对于冲击式水轮机，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221111)2(Z gv P a Z H -+++=αγ（1-3）水轮机的水头，表明水轮机利用水流单位机械能的多少，是水轮机最重要的基本工作参数，其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。

㈡流量Ｑ1、定义；单位时间内通过水轮机的水流总量（体积）。

2、单位：m 3/s ㈢转速n1、定义：水轮机单位时间内旋转次数。

2、单位：r/min(或rpm) ㈣出力P 和效率η1、定义：水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号P 表示，常用单位kW 。

水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号ηin P表示。

2、公式： 水流输入功率：QH QH P 81.9==γ (KW) （1-4）水轮机的出力可写成 ：t t n QH P P ηη81.9==（KW ） （1-5） 五、水轮机的类型、各类型的特点及应用范围 （一）、基本类型水轮机分类：根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。

反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。

可用如下表示：利用能量形式：反击型：势能与动能，以压能为主。

冲击型：只有动能。

（二）、各类水轮机特点及应用范围 一、反击式水轮机1、混流式水轮机(又称法兰西斯式水轮机或辐向轴流式水轮)如图1-2所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。

特点：结构简单，运行可靠，效率比较高，应用最广泛的机型。

应用范围：在25～700m之间。

图1-2 混流式水轮机图1-3 轴流式水轮机2、轴流式水轮机如图1-3所示，水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动。

轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。

轴流转浆式：特点：复杂，有双重调节，适应水头负荷的变化大。

应用范围：3～80m轴流定浆式：特点：较简单，叶片为固定，有些作成季节性可调节作用叶片，适应于水头负荷的变化不大。

否则效率会急剧降低。

应用范围：3～50m3、斜流式水轮机．（新机型－水流经转轮叶片与轴线有一角度）如图1-4所示，水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。

斜流式水轮机的转轮叶片大多做成可转动的形式，具有较宽的高效率区，适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40～200m。

特点：与ZZ相似，具有双重调节，外形、性能及适用范围均介于HL、ZL之间。

应用范围：40～200m，应用于抽水蓄能电站。

如天荒坪6×30万KW图1-4 斜流式水轮机1-5 贯流式水轮机4、贯流式水轮机（水流一直贯通）如图1-5所示，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。

特点：与轴流式相似，卧轴，其流道畅通，引排水损失小，过流能力大。

应用范围：＜20m，应用于潮汐电站。

类型：全贯式：发电机转子安装在水轮机转办外缘。

半贯式：常用，有灯泡式、轴伸式、竖井式、虹吸式。

二、冲击式水轮机1、切击式水轮机（水斗式，又称培尔顿式水轮机）水斗式水轮机，亦称切击式水轮机，如图1-6所示。

从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮圆周切线方向垂直冲击轮叶。

这种水轮机适用于高水头、小流量的水电站，特别是当水头超过400m时，由于结构强度和空化等条件的限制，混流式水轮机已不太适用，则常采用水斗式水轮机。

特点：结构简单。

应用范围：几百米以上甚至上千米，应用于高水头、小流量电站。

是冲击式中应用最广泛的机型。

目前水斗式水轮机的最高水头已用到1767m（奥地利莱塞克电站），我国天湖水电站的水斗式水轮机设计水头为1022.4m。

图1-6 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2、斜击式水轮机（小型整机）如图1-7所示，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。

图1-7 斜击式水轮机1-机壳；2-转轮；3-挡水盘；4-发电机；5、7-喷嘴6-阀门特点：与水斗式相比，其过流量较大，但效率较低，射流进口一转轮平面成一角度α＝22.5°。

应用范围：25～300m。

3、双击式水轮机图1-8 双击式水轮机1-尾水渠；2-转轮；3-调节档板；4-压力水管；如图1-8所示，从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。

这种水轮机结构简单、制作方便，但效率低、转轮叶片强度差，仅适用于单机出力不超过1000kW的小型水电站。

特点：水流流经转轮两次冲击叶片。

应用范围：5～150m。

六、水轮机的型号及装置方式1．水轮机型号的编制方法现在我国水轮机型号的编制依照JB/T 9579-1999《水轮机型号编制方法》。

水轮机产品型号由三部分代号组成，各部分之间用“—”（其长度相当于一个汉字宽）分开。

水轮机型号排列顺序如下。

第二部分第三部分转轮代号水轮机结构特征代号转轮直径D1(cm)或水轮机型式代号主轴布置形式代号转轮直径和其他参数型号的第一部分由水轮机型式和转轮的代号组成。

水轮机型式用汉语拼音字母表示，其代号规定见表1-1。

水泵水轮机在水轮机型式代号后增加汉语拼音字母“B”。

转轮代号采用水轮机比转速（代号统一由归口单位编制）或转轮代号（由制造厂自行编号）表示，用阿拉伯数字表示。

表1-1 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 冲击（水斗）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型号的第二部分由水轮机的主轴布置形式和结构特征的代号组成，用汉语拼音字母表示，其代号规定见表1-2。

表1-2 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注：主轴非垂直布置形式均用“W”表示。

型号的第三部分由水轮机转轮直径D1（以cm表示）或转轮直径和其他参数组成，用阿拉伯数字表示。

①若为轴流定浆式水轮机：第三部分后有个括号（Ψ＝＋10°）表示转轮叶片安装角〔装置角〕为＋10°。

②若为水半式水轮机：其第一部分水轮机型式前的数字，为一根主轴上装有转轮的个数，未标明为１个。

第三部分应表示为：③对暂未列入型谱的转轮，采用带有厂家代号和序号来表示。

如：A－哈尔滨电机厂D－东方电机厂T－天津发电设备厂J－金华水轮机厂对于水斗式或斜击式水轮机，表示为：转轮直径/喷嘴数目×射流直径对于双击式水轮机，表示为：转轮直径/射流宽度2．水轮机转轮公称直径据GB/T2900.45—1996《电工术语水轮机、蓄能泵和水泵水轮机》，转轮公称直径D1的规定如图1-9所示：(a) (b)(c) (d)图1-9 各种水轮机转轮的标称直径(a)轴流式；(b)混流式；(c)斜流式；(d)水斗式对于混流式水轮机是指叶片出水边与下环相交处的直径。

对于离心式蓄能泵是指叶轮前盖板进口直径。

对于轴流、斜流和贯流式水轮机（轴流蓄能泵和斜流蓄能泵）是指与叶片轴线相交处的转轮室内径。

对于水斗式水轮机是指转轮节圆直径。

为了水轮机设计制造上的便利，对水轮机转轮公称直径尺寸系列（cm）规定为：25，30，35，42(40)，50，60，71，84(80)，100，120，140，160，180，200，225，250，275，300，380，410，450，500，550，600（以下按每50cm进级），···。

上述带括号的直径仅用于轴流式水轮机。

实际上，对于大型或巨型水轮机的转轮直径，常考虑机组额定出力、机组的优化运行等条件，有时不严格按系列值确定转轮直径。

3．水轮机型号示例例1 HL220/A153—WJ—84：表示为新入谱转轮型号，转轮代号为220、转轮研制单位的轮转编号为A153、卧轴、金属蜗壳的混流式水轮机，转轮直径为84cm。