第一章-水輪機的類型構造及工作原理

1、第一章 水輪機的類型、構造及工作原理,第一節(jié) 水輪機主要類型 第二節(jié) 水輪機工作參數(shù) 第三節(jié) 水輪機的基本構造 第四節(jié) 水輪機型號 第五節(jié) 水流在反擊式水輪機轉輪中的運動 第六節(jié) 水輪機的基本方程式 第七節(jié) 水輪機效率及最優(yōu)工況,主要內容,1,2,3,水輪發(fā)電機組的基本概念,水輪機的主要類型,水輪機的工作參數(shù),本節(jié)課教學內容及教學要求,掌握水輪發(fā)電機組的基本概念。,掌握各水輪機的基本類型、特點及適用范圍； 理解反擊式、沖擊式水輪機的劃分原則。,理解水輪機五個主要工作參數(shù)：水頭、流量、轉速、出力與效率的定義、表達式及其意義。,水力發(fā)電的基本原理 1、水力發(fā)電：利用天然水資源中的水能，輸入水輪機，

2、讓它帶動發(fā)電機發(fā)電，這種發(fā)電方式就稱為水力發(fā)電。 2、水力發(fā)電的轉換原理 在天然河流上，修建水工建筑物，集中水頭，通過一定的流量將“載 能水”輸送到水輪機中，使水能旋轉機械能帶動發(fā)電機組發(fā)電 輸電線路用戶。,天然水能,可利用水能,旋轉機械能,電能,水能,河段水流的出力 從這個式子可以看出： 水頭和流量是構成水能的兩個基本要素，它們是水電站動力特性的重要特征。,水輪發(fā)電機組,水輪機是將水能轉變?yōu)樾D機械能，從而帶動發(fā)電機發(fā)出電能的一種機械。 水輪機與發(fā)電機聯(lián)接成的整體稱為水輪發(fā)電機組。,水輪發(fā)電機組,第一節(jié) 水輪機主要類型,一、水輪機定義 水輪機是將水能轉換成軸的旋轉機械能的水力機械。能量轉換是

3、借助轉輪葉片與水流的相互作用來實現(xiàn)。 二、分類 按水流能量的轉換特征分為反擊式和沖擊式水輪機。 1）反擊式水輪機：利用水流的勢能和動能做功的水輪機。 反擊式水輪機按轉輪區(qū)水流相對于主軸方向的不同分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。 2、沖擊式水輪機：主要利用水流的動能做功的水輪機。 沖擊式水輪機按射流沖擊轉輪的方式不同分為水斗式、斜擊式和雙擊式。,一、反擊式水輪機 (reaction water turbine) 定義：利用水流的勢能和動能做功的水輪機稱為 反擊式水輪機。 特征：轉輪的葉片為空間扭曲面。流過轉輪的水 流是連續(xù)的，而且在同一時間內，所有轉 輪葉片之間的流道都有水流通過，積水流 充

4、滿轉輪室。 原理：水流通過轉輪葉片時，水流流速的大小、 方向均發(fā)生變化，因此動量也發(fā)生了改 變，水流產(chǎn)生反作用力，作用與每個轉輪 葉片，使轉輪產(chǎn)生旋轉力矩，從而做功。,水流在反擊式水輪機轉輪中的運動,混流式水輪機,在轉輪區(qū)內水流徑向流入轉輪，軸向流出。視頻1,適用范圍：H=20-700 m , 單機容量：幾萬kW-幾十萬kW 優(yōu)點：適用范圍廣，結構簡單，運行穩(wěn)定，效率高，適用于高水頭小流量電站。 （能適應很寬的水頭范圍。是目前應用最廣泛的水輪機之一）,混流式水輪機,水流在導葉與轉輪之間由徑向流動轉變?yōu)檩S向流動，而在轉輪區(qū)內水流保持軸向流動。視頻2,軸流式水輪機,1)定槳式：葉片不能隨工況的變化

5、而轉動。改變葉片轉角時需要停機進行。 特點：結構簡單，效率低。適用H、Q變化不大的情況（工況較穩(wěn)定）。 適用范圍：功率不大，水頭變化不大(水頭為3-50米)的小型電站。 2）轉槳式：葉片能隨工況的變化而轉動，進行雙重調節(jié)（導葉開度、葉片角度） 適用范圍：水頭、流量變化大，特別是出力變化較大的大中型電站。 水頭為3-80米,軸流式水輪機,轉輪區(qū)水流斜向流入，斜向流出。視頻3,斜流式水輪機,斜流式水輪機 適用范圍：適用于水頭變幅大的電站，一般用于40-200m水頭范圍 特點：水流經(jīng)過轉輪時是斜向的。轉輪葉片隨工況變化而轉動， 運行效率高，強度高，氣蝕性好，但制造工藝復雜 技術要求高。,水頭 408

6、0m 60130m 120200m,水流特點：轉輪區(qū)水流軸向流入，軸向流出； 結構特點：水輪機主軸裝置成水平或傾斜（臥式布置）； 不設蝸殼，水流直貫轉輪；,貫流式水輪機,貫流式 特點：水輪機的主軸裝置成水平或傾斜。 不設蝸殼，水流直貫轉輪。 水流由管道進口到尾水管出口都是軸向的。 H20m,小型河床電站。 分類: 全貫流式： 發(fā)電機轉子安裝在轉輪外緣。 優(yōu)點：水力損失小，過流量大，結構緊湊。 半貫流式： 軸伸式、豎井式、燈泡式。,沖擊式水輪機 定義：利用水流的動能來做功的水輪機。 工作原理：利用特殊的導水裝置，將高壓水流變?yōu)?高速射流，通過射流與轉輪的相互作用 將水流的動能傳遞給轉輪。,水斗式

7、：噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉輪上的水斗作功。視頻4 斜擊式：噴嘴出來的射流沿圓周斜向沖擊轉輪上的水斗。 雙擊式：水流兩次沖擊轉輪。,沖擊式水輪機,類型： (1)水斗式：特點是由噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉輪上的水斗作功。適用于負荷變化大而水頭變幅不大的電站。 它是唯一運用于水頭在700米以上的水輪機。適用H：1002000m；使用最廣泛（高水頭，小流量） (2)斜擊式：H：25-300m 斜擊、雙擊水輪機構造簡單，效率低 (3)雙擊式：H：5-80m。 多用于小型電站。,沖擊式水輪機,水斗式水輪機轉輪,輪葉,輪盤,可逆式水輪機 可逆式水輪機：又稱水泵水輪機、發(fā)電電動機。它既可 作

8、水輪機運行，又可作水泵運行，主要用于抽水蓄能電 站。可逆式水輪機也分為混流式、斜流式和軸流式3 種。其中以混流式應用最廣,因為它的應用水頭范圍廣 （30600米）。 世界上最高水頭的混流式可逆水輪機裝于南斯拉夫巴伊 納巴什塔電站,水頭為600.3米，水泵揚程為623.1米， 單機功率為315兆瓦。,總結：水輪機的分類,利用水流的勢能和動能進行工作； 轉輪完全淹沒在密閉的水體中。,利用水流的動能進行工作； 轉輪露在空氣中。,小結,第二節(jié) 水輪機的工作參數(shù) 1、水輪機的工作參數(shù)是表征水流通過水輪機時水流能量 轉換為轉輪機械能過程中的一些特性數(shù)據(jù)。 2、水輪機的基本工作參數(shù)主要有水頭、流量、轉速、出

9、 力、效率。,工作水頭(working head) 1、 水電站的毛水頭(靜水頭) Hg=Z上-Z下 2 、水輪機的工作水頭(凈水頭) H=Hg - hA-B (即毛水頭 - 水頭損失=凈水頭) hA-B：水電站引水建筑物中的水力損失 3 、特征水頭(characteristic head) 水輪機的工作水頭隨上下游水位而變化，因此提出特征水頭的概念，用于表示水輪機的運行工況和運行范圍。,工作水頭（凈水頭）,如圖所示，A-A為引水道進口，B-B為水輪機進口，C-C為尾水管出口，D-D為尾水渠。,最大工作水頭Hmax： Hmax=Z正Z下minhA-B Z正為上游正常設計水位，Z下min為下游最

10、低水位，一般取一臺機組發(fā) 電時下游水位。 最小工作水頭Hmin: Hmin=Z死Z下maxhA-B Z死為上游死水位，Z下max為下游最高水位，一般取全部機組發(fā)電時 的下游水位或汛期下泄安全泄量時的水位。 設計水頭(計算水頭)Hr 水輪機發(fā)額定出力時的最小水頭，一般由設計者根據(jù)電站情況確 定。 平均水頭: Ha=Z上aZ下a 即上下游平均水位差。,流量 單位時間內通過水輪機的水量Q(m3/s)。 Q=f(H，N)，Q隨H、N的變化而變化，H、N一定時，Q也一定。 設計流量Qr：當H=Hr、N=N額時的最大流量。 轉速 轉速：水輪機轉輪在單位時間內的旋轉次數(shù)。r/min 額定轉速n：一般我國所用

11、的電流頻率為50赫茲，所以在正常 情況下機組的轉速保持為固定轉速，該轉速稱為額定轉速，并 與發(fā)電的同步轉速相等。 發(fā)電機的同步轉速=水輪機的額定轉速=機組的額定轉速,出力,1、水流出力N N=9.81QHg 2、水輪機輸入功率 (通過水輪機的水流出力) 水流傳給水輪機的能量 3、水輪機輸出功率（水輪機出力） N=Nwt 4、機組出力(單機容量) 機組的最大出力 5、水電站裝機容量 水電站發(fā)出的最大出力,是各臺機組容量的總和,思 考 題,2、水輪機的過流部件有哪些？,觀看視頻并思考以下問題：,1、水電廠電能生產(chǎn)流程圖？,3、水輪機的輸出功率與水頭H、流量Q有關， 那么混流式水輪機如何調節(jié)流量？,

12、天然水流壩水庫取水口有壓隧洞壓力鋼管水輪 機發(fā)電機輸變電裝置用戶。,水電廠電能生產(chǎn)流程圖,有壓引水式水電站示意圖,1 水庫；2閘門室；3進水口；4壩；5泄水道； 6調壓室；7有壓隧道；8壓力管道；9廠房；10尾水渠,水輪機主要由引水機構、導水機構、轉輪和泄水機構組成。 (1) 引水機構（引水室(蝸殼) 、座環(huán)）： 引導水流均勻、軸對稱進入導水機構； 形成一定速度環(huán)量。 (2) 導水機構（導葉及控制設備)：調節(jié)流量、形成環(huán)量、控制工況。 (3) 轉輪（工作核心)：能量轉換，決定水輪機的尺寸、性能、結構。 (4) 泄水機構(尾水管)：回收能量、排水至下游。 此外還有主軸、軸承等非過流部件。,第三節(jié)

13、 水輪機的基本構造,反擊式水輪機的主要構造,上游水庫 壓力水管 蝸殼 座環(huán) 導水機構（導葉） 轉輪 尾水管 下游。,水流流動方向,三門峽水電站水輪機蝸殼,蝸 殼 (Volute),(一) 功用 使水流產(chǎn)生圓周運動，并引導水流均勻、軸對稱地進入座環(huán)。設置在尾水管末端。,蝸 殼 (Volute),(二) 型式 金屬蝸殼和混凝土蝸殼。,蝸 殼 (Volute),三峽右岸電站12根直徑12.8米的特大型壓力引水鋼管，和大壩下方的發(fā)電廠房12臺水輪發(fā)電機組。,三峽電站的一臺機組蝸殼，由高強度鋼板卷制焊接而成，與大壩引水管相連，蝸殼中間是座環(huán)及固定導葉。,焊接后的蝸殼用混凝土澆筑在發(fā)電廠房地下。,組成：位

14、于導葉的外圍。由上、下環(huán)和立柱組成。 功用：支撐件和安裝基準件。 承受發(fā)電機組軸向荷載并傳到下部基礎； 支承活動導葉；使水流以一定方向、軸對稱進入導水機構 斷面設計：流線形，保證強度、剛度。數(shù)目為活動導葉的一半。,座環(huán)（Stay ring）,座環(huán)（Stay ring）,固定導葉與活動導葉,三峽水輪機座環(huán)，重達300多噸，豎立的是座環(huán)固定導葉， 內側安裝活動導葉，座環(huán)中間安裝水輪機轉輪。,蝸殼分節(jié),座環(huán),蝶形邊,功用： 引導水流按一定方向進入轉輪； 形成與改變進入轉輪的速度環(huán)量； 根據(jù)機組負荷變化，調節(jié)水輪機流量，改變出力； 關機時截斷水流。,導水機構（distributor ）,組成：導葉和傳

15、動機構。 導葉：導水機構的主體，由導葉體和導葉軸兩部分組成。上下端分別固定在底環(huán)和頂蓋上，為流線形。 傳動機構：由控制環(huán)、連桿、轉臂三部分組成，用于傳遞接力器操作力矩，使導葉轉動，改變導葉開度以改變流量。 導葉轉動是通過調速器和接力器來實現(xiàn)的。,導水機構（distributor ）,導水機構（distributor ）,接力器示意圖,視頻06,接力器用于操作控制環(huán)的轉動。 接力器的基本部件:接力器缸和活塞。,（1）導葉數(shù)Z0：與D1有關，一般1624。 （2）導葉相對高度b0/D1： HL：0.10.39; ZL:0.350.45 （3）導葉軸分布圓直徑D0 一般 D0=1.131.16D1

16、(4) 導葉開度a0：兩導葉之間的垂直距離，最大 開度為amax。,導葉的主要幾何參數(shù),功用：水能機械能。 組成：主要部件：上冠、葉片、下環(huán)、泄水錐。 輔助部件：止漏環(huán)、減壓孔。,轉輪（Runner）,混流式,軸流式,轉輪（Runner）,裝于湖北宜昌葛洲壩水利樞紐、世界最大尺寸的軸流轉槳 式水輪機轉輪（直徑11.3m，17.55萬kW)。,斜流式,裝于云南會澤毛家村水電站、中國最大容量的斜流式水 輪機（0.88萬kW）模型試驗轉輪。,三峽右岸70萬千瓦水輪機轉輪。該轉輪由上冠、下環(huán)和15塊葉片組焊而成。其外徑10.44米，高5.2米，總重量445噸 。,轉輪葉片數(shù)控加工,加工的葉片需要用激光

17、跟蹤儀精確測量曲面數(shù)據(jù)。,轉輪葉片為防止變形，需要十幾個工人同時焊接，焊接耗時3個多月。,轉輪發(fā)運至三峽工地,功用 引導水流進入下游河道，并回收部分動能和勢能。,尾水管 （draft tube）,型式： 直錐形用于小型水輪機； 彎錐形用于臥軸水輪機； 彎肘形（大中型電站）。,直錐形,彎錐形,尾水管 （draft tube）,組成：進口直錐段、肘管、出口擴散段。,尾水管 （draft tube）,尾水管內的真空渦帶,龍灘水電站尾水管施工,本 節(jié) 小 結,1、引水機構： 蝸殼（金屬、混凝土蝸殼） 引導水流均勻、軸對稱進入導水機構；形成一定速度環(huán)量。 座環(huán) 組成：由上、下環(huán)和立柱組成； 作用：承受發(fā)

18、電機組軸向荷載并傳給基礎； 支承活動導葉。 2、導水機構 組成：導葉及其軸、導葉的控制機構（調速器、接力器、轉臂、連桿、控制環(huán)) ； 功用：調節(jié)流量；形成環(huán)量；關機時截斷水流。,本 節(jié) 小 結,3、轉輪（工作核心） 作用：能量轉換。 4、泄水機構（彎肘型尾水管） 組成：進口直錐段、肘管、出口擴散段。 作用：回收能量；排水至下游。 5、主軸 作用：將轉輪機械能傳遞給發(fā)電機。,案 例,Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT,Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT,

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24、n using FLUENT,Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT,水力機械計算流體動力學,軸流式水輪機的構造,軸流式水輪機除了轉輪外，其它部件均與混流式相似。,軸流式水輪機特點 (1)轉速高，當H，N相同時，是混流式的2倍，且機組尺 寸較小，降低投資。 (2)轉輪葉片可以轉動（雙調），H、N變化時，水輪機具 有較高的效率。 (3)軸流轉漿式多用于低水頭大流量大型電站,組成：葉片、輪轂、泄水錐、轉動機構,轉輪構造,第四節(jié) 水輪機的型號 各種水輪機的標稱直徑規(guī)定： 混流式（HL）：下環(huán)與葉片進水邊的交點對應的直徑。 斜流和軸流

25、式：葉片軸線與轉輪室交點處圓斷面的直徑。 沖擊式：轉輪與射流中心線相切的節(jié)圓直徑。,2、水輪機的型號,如為可逆式機組則在第一部分水輪機型式代號后面加N,水輪機型號示例： 1HL220-LJ-250 表示轉輪型號為220的混流式水輪機，立軸、金屬蝸殼，轉輪直徑為250cm。 2ZZ560-LH-500 表示轉輪型號為560的軸流轉槳式水輪機，立軸、混凝土蝸殼，轉輪直徑為500cm。 3GD600-WP-300 表示轉輪型號為600的貫流定槳式水輪機，臥軸、燈泡式引水，轉輪直徑為300cm。 42CJ20-W-120/210 表示轉輪型號為20的水斗式水輪機，一根軸上裝有2個轉輪，臥軸、轉輪直徑為

26、120cm，每個轉輪具有2個噴嘴，射流直徑為10cm。,練 習 HL180-LJ-550 ZZ560-LH-1130 GZ440-WP-750 XLN200-LJ-300 CJ20-L-170/215,第五節(jié) 水流在轉輪中的運動 原理：水流通過轉輪葉片時，水流流速的大小、方向均發(fā)生變化， 因此動量也發(fā)生了改變，水流產(chǎn)生反作用力，作用與每個轉輪葉 片，使轉輪產(chǎn)生旋轉力矩，從而做功。,水流在轉輪中的運動 相對運動：水流質點沿著輪葉的流動 ，w表示 牽連運動：水流質點隨轉輪的旋轉運動， u表示 絕對運動：水流質點對大地的運動，v表示 絕對速度v與圓周速度u的夾角為 相對速度w與圓周速度u的夾角為,速

27、度三角形,水流絕對流速（相對于地球）,水流隨轉輪旋轉牽連流速,水流沿葉片流動的相對流速,第六節(jié) 水輪機基本方程式,一、動量矩定理 單位時間內水流對轉輪的動量矩改變，應等于作用在該水流上的外力的力矩總和。即： 其中M為水流對轉輪的力矩，方程右端為水流本身速度矩的變化。該式表達了水輪機中水流能量轉換為旋轉機械能的平衡關系。,在穩(wěn)定工況下(n、Q、H均不變)，轉輪內的水流運動時相對的恒定流，因此轉輪的出力為： 所以，水輪機的基本方程為： 該方程式對反擊式、沖擊式水輪機均適用。,上列方程式說明了單位重量水流的有效出力是和轉輪進、出口速度矩的改變相平衡的，所以速度矩的變化是轉輪作功的主要依據(jù) 。,水輪機的基本方程式還可以用環(huán)量來表示。轉輪的速度環(huán)量，可以看作是速度Vu沿圓周所做的功。將式兩