水轮发电机组概述

（a）转轮；（b）斜击式转轮进水示意图 1—管帽；2—针阀；3—轮叶
冲击式水轮机
❖ 双击式水轮机
从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。 适用于单机出力不超过1000KW的小型水电站，其适用
水头一般为5~100m。
1—工作轮；2—喷嘴； 3—调节闸板； 4—舵轮；5—引水管； 6—尾水槽
3. 水轮机的工作参数
水轮发电机组概述
水电站与水轮机 水轮机的主要类型及适用水头 水轮机的工作参数 水轮机的型号 水轮机的装置型式 水轮机发展综述
1. 水电站与水轮机
❖ 水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械 能的原动机。水流流过水轮机时，通过主轴带动发 电机将旋转机械能转化成电能，水轮机与发电机连 接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要 设备之一。
❖ 水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时 水流能量转换为转轮机械能过程中的一些特 性的数据。
❖ 基本工作参数主要有水头H、流量Q、出力P、 效率η、转速n。
❖ 水头H
亦称工作水头，是指水轮机进口和出口截面处单 位重量的水流能量差，单位为m。
H=EⅠ－EⅡ=（ZⅠ+PⅠ/γ+αⅠV 2Ⅰ/2g）－ （ZⅡ+PⅡ/γ+αⅡV2Ⅱ/2g）
大型水斗式水轮机的应用水头约300~1700m， 小型水斗式水轮机的应用水头约为40~250m。
水斗式水轮机
1—转轮叶片；2—导叶；3—发电机定子；4—发电机转子；5—灯泡体
冲击式水轮机
❖ 斜击式水轮机
从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。 多用于中小型水电站，适用水头为20~300m。
❖ 公元前几个世纪前中国、印度等地就已经懂得利用 水流来带动石磨、水辗等加工机械。
❖ 1745年英国学者巴克斯，1750年匈牙利人辛格聂 尔分别提出了一种依靠水流反作用力工作的水力原 动机。
❖ 1751~1755年，俄国彼得堡科学院院士欧拉发表了 著名的叶片式机械的能力平衡方程式(欧拉方程)， 这个方程式直到今天仍被称为水轮机的基本方程。
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/m2或Pa； V—断面平均流速，m/s； α—断面动能不均匀系数； γ—水的比重，其值为9810N/m3; g—重力加速度，9.81m/s2。
水电站和水轮机的水头示意图
❖ 流量Q
是单位时间内通过水轮机某一特定过流断面的水 流体积，常用符号Q表示，单位为m3/s。
定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。
1—主轴；2—叶片；3—导叶
反击式水轮机
❖ 轴流式水轮机
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。
应用水头约为3~80m，在中低水头、大流量水电站中得 到了广泛应用。
1—导叶；2—叶片；3—轮毂
反击式水轮机
❖ 斜流式水轮机
❖ 水轮机是将水能转换成旋转机械能的一种水 力原动机。
❖ 水轮机分成两大类：
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。
反击式水轮机
❖ 混流式水轮机
水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。 应用水头范围较广，约为20~700m ，结构简单、运行稳
❖ 冲击式水轮机的装置型式
冲击式水轮机的装置型式是根据它们的类型和机 组容量的大小，结合当地自然条件与生产制造水 平决定的。
斜击式和双击式水轮机由于机组容量小，一般都 采用卧轴装置型式。
切击式水轮机由于机组容量范围较大，因此装置 型式有立式也有卧式。
大容量机组一般是立式，小容量机组是卧式。
6. 水轮机发展综述
混流试水轮机转轮直径是指其转轮叶片进水边 的最大直径。
轴流式、斜流式和贯流式水轮机转轮直径是指 与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径。
冲击式水轮机转轮直径是指转轮与射流中心线 相切处的节圆直径。
（a）轴流式水轮机标称直径；（b）混流式水轮机标称直径； （c）斜流式水轮机标称直径；（d）冲击式水轮机标称直径
❖ 1842年法国学者勃尔金建议一种水力原动机，并第 一次称为水轮机 。
❖ 1827~1834年勃尔金的学生富聂隆和俄国人 萨富可夫分别提出导叶不动的离心式水轮机 。
❖ 1837年德国的韩施里，1841年法国的荣华里 提出采用吸出管（尾水管）的轴向式水轮机。
❖ 1847~1849年美国的法兰西斯提出了向心式 水轮机 。
❖ 水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换为 电能的企业。为了利用水流发电，就要将天然落差 集中起来，并对天然的流量加以控制和调节（如建 造水库），形成发电所需要的水头和流量。
水电站的分类
❖ 坝后式水电站
水电站的分类
❖ 引水式水电站
水电站的分类
❖ 混合式水电站
2. 水轮机的主要类型及适用水头
❖ 转速n
是水轮机转轮在单位时间内的旋转次数，常用符 号n表示，单位的功率，常用 符号P表示，单位为KW。
水轮机出力P与水流出力Pn之比称为水轮机的效 率，用符号ηt表示。
4. 水轮机的型号
❖ 根据我国“水轮机型号编制规则”规定，水 轮机的型号由三部分组成，每一部分用短横 线“—”隔开。
目前广泛使用的是灯泡贯流式水轮机，其结构紧 凑、稳定性好、效率较高 。
轴伸贯流式水轮机
1—转轮；2—水轮机主轴；3—尾水管；4—齿轮转动机构；5—发电机
竖井贯流式水轮机
灯泡贯流式水轮机
冲击式水轮机
❖ 水斗式水轮机
亦称切击式水轮机，从喷嘴出来的高速自由射 流沿转轮周围切线方向垂直冲击轮叶。
适用于高水头、小流量的水电站，特别是当水 头超过400m时，常采用水斗式水轮机。
贯流式水轮机的适用水头为1~25m，适用于低水 头、大流量的水电站。
根据其发电装置形式的不同，分为全贯流式和半 贯流式两类。
全贯流式水轮机的发电机转子直接安装在转轮叶 片的外缘，它的优点是流道平直、过流量大、效 率高。但由于转轮叶片外缘的线速度大、周线长， 因而旋转密封困难，目前已很少使用。
全贯流式水轮机
水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动，其 转轮叶片大多做成可转的形式。
适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40~200m。
1—蜗壳；2—导叶；3—转轮叶片；4—尾水管
反击式水轮机
❖ 贯流式水轮机
是一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机，它不 设饮水蜗壳，叶片可做成固定的和可转动的两种。
5. 水轮机的装置型式
❖ 反击式水轮机装置型式
反击式水轮机使用水头范围大，单机容量的差别 大，机型繁多，所以装置型式各不相同。
对大型机组，为了缩小厂房面积，一般采用立轴 布置形式水轮机与发电机轴直接连接。
对中、小型机组，根据利用方式不同，主轴可以 布置成立式或者卧式。水轮机轴与发电机轴可以 采用直接连接，也可以通过齿轮、皮带间接连接。
可逆式 双击式 斜击式
代表符号
HL ZZ ZD XL CJ GZ GD N SJ XJ
主轴布置型式及引水室 特征 立轴 卧轴
金属蜗壳 混凝土蜗壳
灯泡式 明槽式 罐式 竖井式 虹吸式 轴伸式
代表符号
L W J H P M G S X Z
常见水轮机型号和代表符号及布置型式
❖ 各种型式水轮机的转轮标称直径（简称转轮 直径，常用D1表示）如图所示，具体的规 定如下：
第一部分由汉语拼音字母与阿拉伯数字组成，拼 音字母表示水轮机的型式，阿拉伯数字表示转轮 型号。
第二部分由两个汉语拼音字母组成，分别表示水 轮机主轴布置形式和引水室的特征；
第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其它必要 的数据。
水轮机型式
混流式 轴流转桨式 轴流定桨式
斜流式 冲击（水斗）式
贯流转桨式 贯流定桨式
1—转轮叶片；2—转轮轮缘；3—发电机转子轮辋；4—发电机定子；5、6—支柱；7—轴颈； 8—轮毂；9—锥形插入物；10—拉紧杆； 11—导叶；12—推力轴承；13—导轴承
❖ 半贯流式水轮机
半贯流式水轮机有轴伸式、竖井式和灯泡式等装 置形式 。
轴伸式和竖井式结构简单、维护方便，但效率较 低，一般只用于小型水电站。
❖ 1877年法国人菲康，采用转动导向叶片的方 法调节流量。以后在实践中对向心式水轮机 不断改进和完善，才发展成现代最广泛使用 的混流式水轮机。
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