第一章 水輪機的類型構(gòu)造及工作原理.ppt

1、水電站,AAA 武漢大學水利水電學院,Tel: 68772274Em: ,2020/10/12,2,水力發(fā)電系統(tǒng)組成：水電站建筑物、水力機械、電器設備,2020/10/12,3,水力發(fā)電系統(tǒng)組成：水電站建筑物、水力機械、電器設備,2020/10/12,4,水力發(fā)電過程能量轉(zhuǎn)換：水能機械能電能,2020/10/12,5,本課程的內(nèi)容分四大部分,水電站是水利樞紐的一個重要組成部分，是利用水力資源發(fā)電的場所，是建筑物、水、機、電的綜合體。 進水及引水建筑物（進水口、引水隧洞、壓力管道） 水輪機部分（能量轉(zhuǎn)換的機械設備） 水電站廠房（發(fā)電和配電：主廠房、副廠房、主變壓器、開關

2、站） 水錘、調(diào)壓室（非恒定流動）,第一篇 水輪機,2020/10/12,7,水輪機和發(fā)電機連軸組成發(fā)電機組,2020/10/12,8,水輪機將水能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能,發(fā)電機,水輪機,蝸殼:引水 導葉:調(diào)節(jié)流量 轉(zhuǎn)輪:能量轉(zhuǎn)換 尾水管:泄水,第1章 水輪機的類型構(gòu)造及工作原理,1.1 水輪機的主要工作參數(shù),2020/10/12,10,水輪機的主要工作參數(shù)有5個,水輪機出力 水輪機工作水頭 水輪機流量 水輪機效率 水輪機轉(zhuǎn)速,2020/10/12,11,水輪機出力：水輪機傳給發(fā)電機的功率,水體能量扣除水輪機的能量損失 設在 時段內(nèi)有 的水體從1-1斷面流過2-2斷面，因此，該段水體 所提供的能量為：

3、,和 稱為水能兩個基本要素。,2020/10/12,12,水體能量決定于流量和落差,水體具有的能量（功率） 為1-2斷面水面降落的垂直高度（通常稱為落差或水頭），單位為m 為水的容重。 =1000kg/m3 。 為單位時間里通過1-1斷面的流量 （m3/s）。 為水體所具有的作功能力（kg.m/s）。,2020/10/12,13,水輪機出力決定于流量和工作水頭,水體具有的能量（功率） 工程上常用“千瓦”或“馬力”來表示， 1千瓦=102kg.m/s 水流給予水輪機的功率 水輪機輸出功率（出力） 為水輪機的效率,（kg.m/s）,（千瓦）,2020/10/12,14,水輪機工作水頭：單位重量水體

4、通過水輪機進出口斷面的能量差值,2020/10/12,15,工作水頭不是毛水頭，而是凈水頭,為水電站上下游水位差，稱為水電站毛水頭,為水電站引水系統(tǒng)水頭損失,為凈水頭即水輪機工作水頭,2020/10/12,16,水輪機的工作水頭是隨上下游水位變化而變化的,常選用幾個特征水頭來表示水輪機的運行工況和運行范圍，這些特征水頭由水能計算確定 （1）最大水頭 （2）最小水頭 （3）加權平均水頭 （4）設計水頭,2020/10/12,17,水輪機流量：水流在單位時間內(nèi)通過水輪機的水流體積,通常用Q表示，其單位為m3/s 水輪機 的引用流量主要隨著水輪機的工作水頭和出力的變化而變化 在設計水頭下水輪機以額定

5、出力工作時其過水流量最大,H和Q是水力發(fā)電的兩大要素， H大Q小也發(fā)不出大量電， Q大H小也發(fā)不出大量電,2020/10/12,18,水輪機效率：水輪機的輸出功率與輸入功率比值,水力效率: 容積效率: 機械效率：,水輪機效率還可表示為,效率也是水輪機的最重要參數(shù)之一，越高越好。,2020/10/12,19,轉(zhuǎn)速n：水輪機組每分鐘轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù),對于大中型水輪發(fā)電機組，水輪機與發(fā)電機是同軸運行的，所以它們的轉(zhuǎn)速相同，并需要滿足同步轉(zhuǎn)速的要求。,即 其中：f-電流頻率；我國電網(wǎng)f=50Hz；p-發(fā)電機的磁極對數(shù)。則： 磁極對數(shù)p 3 4 5 6 7 8 9 . 同步轉(zhuǎn)速n 1000 750 600 5

6、00 428.6 375 333.3 .,2020/10/12,20,1.2 水輪機的主要類型,水輪機有各種類型的原因是什么？ 水能利用的條件千差萬別，最重要的特點是 水頭有高有低，高者水頭上千米，低者數(shù)米 流量有大有小，大者幾千立方米每秒，小者不到一立方米每秒 各種水輪機型式的出現(xiàn)均是為了最大限度利用水能 Francis、Kaplan，Pelton等人發(fā)明了針對不同水頭的水輪機,2020/10/12,21,現(xiàn)代水輪機可按能量利用特征、水流特征、轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特征分類,水輪機按能量轉(zhuǎn)換特征分為兩類，即反擊式和沖擊式。而每一類水輪機又根據(jù)轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流的特征和轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特征又分為多種形式。 能量轉(zhuǎn)換特征

7、：利用水流的勢能、動能的比例。 轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流特征：水流方向與主軸關系（垂直、平行 、斜交）。 轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特征：槳葉固定、轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)輪的高、扁等。,2020/10/12,22,能量轉(zhuǎn)換特征分類：反擊式和沖擊式,單位重量水體在轉(zhuǎn)輪進、出口的能量之差： 可變換為,水流勢能,水流動能,2020/10/12,23,沖擊式：只利用動能反擊式：既利用動能也利用勢能,勢能占總能量的比例 動能占總能量比例 水輪機利用的能量為水流勢能和水流動能的總和 若Ep=0，Ec=1，這種利用水流動能的水輪機稱為沖擊式水輪機 若0Ep1，EpEv=1，這種同時利用水流動能和勢能的水輪機稱為反擊式水輪機,2020/10/12,24

8、,反擊式：水流方向和流速大小受葉片約束而改變,從而對葉片一個反作用力,混流式水輪機 （Francis）,2020/10/12,25,沖擊式：轉(zhuǎn)輪處在大氣中，高速射流沖擊轉(zhuǎn)輪,沖擊式水輪機（Pelton）,2020/10/12,26,水流特征、轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特征和工作方式分類,反擊式,混流式 軸流式 斜流式 貫流式,軸流定槳式 軸流轉(zhuǎn)槳式,沖擊式,水斗式（切擊式） 斜擊式 雙擊式,可逆式,混流式 軸流式 斜流式 貫流式,2020/10/12,27,反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）,混流式：幅向進流，軸向出流,1主軸；2葉片；3導葉； 4蝸殼；5尾水管,1,2,3,4,5,

9、radiaxial turbine，F(xiàn)rancis turbine,2020/10/12,28,反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）,軸流式：軸向進流，軸向出流,axial flow turbine, Kaplan turbine,1導葉；2葉片；3輪轂 4蝸殼；5尾水管,1,2,3,4,4,5,2020/10/12,29,反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）,斜流式：斜向進流，斜向出流,diagonal flow turbine,1,2,3,4,1蝸殼；2導葉； 3葉片；4尾水管,可轉(zhuǎn)動葉片,2020/10/12,30,反擊式（Reacti

10、on Hydraulic Turbine）,貫流式：機組在流道中間，周圍過水,through flow turbine bulb turbine,1導葉；2轉(zhuǎn)輪； 3發(fā)電機；4燈泡,1,2,3,4,1,2,2020/10/12,31,反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）,through flow turbine,2020/10/12,32,沖擊式（impulse turbine）,inclined jet turbine,（a）水斗式； （b）斜擊式； （c）雙擊式,沖擊式水輪機：高速射流在空氣中沖擊轉(zhuǎn)輪,Banki turbine,Pelton turbine,20

11、20/10/12,33,沖擊式（impulse turbine）,inclined jet turbine,crossflow turbine, Banki turbine,Pelton turbine,2020/10/12,34,可逆式:既是水輪機又是水泵,(Reversible) Pump Turbine,混流式：3040600700m 斜流式：150m以下，水頭變幅較大 軸流式：少 慣流式：潮汐電站，水頭1520m,可逆式,2020/10/12,35,各型水輪機適用不同水頭范圍對應不同轉(zhuǎn)輪形狀,2020/10/12,36,1.3 水輪機的基本構(gòu)造,反擊式水輪機通常由四大部分組成 進水部件

12、：蝸殼 和座環(huán) 導水部件：導葉及其傳動機構(gòu) 工作部件：轉(zhuǎn)輪 泄水部件：尾水管 這四大部分對于不同類型的水輪機各不完全相同，有著自身的特點,2020/10/12,37,引水部件蝸殼和座環(huán),蝸殼（和座環(huán)） 蝸殼的作用主要是使水流以較小的水力損失均勻?qū)ΨQ地流入轉(zhuǎn)輪；座環(huán)起加強蝸殼的剛度并傳遞上部結(jié)構(gòu)力的作用。,2020/10/12,38,引水部件蝸殼和座環(huán),蝸殼（和座環(huán)） 蝸殼的作用主要是使水流以較小的水力損失均勻?qū)ΨQ地流入轉(zhuǎn)輪；座環(huán)起加強蝸殼的剛度并傳遞上部結(jié)構(gòu)力的作用。,座環(huán),2020/10/12,39,導水部件導葉及其傳動機構(gòu),導葉及傳動機構(gòu) 導葉的主要作用是根據(jù)機組負荷變化來調(diào)節(jié)水輪機流量以

13、改變水輪機出力，并引導水流按一定的方向進入轉(zhuǎn)輪，形成一定的速度矩。 包括的部件有：導葉、推拉桿、控制環(huán)、拐臂和連桿等,2020/10/12,40,導水部件導葉及其傳動機構(gòu),導葉及傳動機構(gòu),導葉與導葉間的距離稱為開度，開度的變化導致流量變化，進而改變出力。導葉開度由調(diào)速器控制。,小開度（小流量）,大開度（大流量）,2020/10/12,41,工作部件轉(zhuǎn)輪是水輪機的核心,轉(zhuǎn)輪 轉(zhuǎn)輪是直接將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能的過流部件，它對水輪機的性能、結(jié)構(gòu)、尺寸等起著決定性的作用，是水輪機的核心部分。,2020/10/12,42,工作部件轉(zhuǎn)輪是水輪機的核心,轉(zhuǎn)輪 轉(zhuǎn)輪是直接將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能的過流部件，

14、它對水輪機的性能、結(jié)構(gòu)、尺寸等起著決定性的作用，是水輪機的核心部分。,三峽左案9號機組吊裝,2020/10/12,43,泄水部件尾水管斷面沿程擴散,尾水管 尾水管除了引導轉(zhuǎn)輪流出的水流泄入下游外，其主要的作用是回收位能和動能，它對水輪機效率影響很大，特別是對于低水頭的情況。這部分內(nèi)容后面詳細論述,大中型電站立式機組一般采用彎肘型尾水管,2020/10/12,44,泄水部件尾水管斷面沿程擴散,2020/10/12,45,工作部件轉(zhuǎn)輪有不同的形狀,中高比轉(zhuǎn)速混流式水輪機轉(zhuǎn)輪,混流式水輪機轉(zhuǎn)輪組成：輪葉、上冠、下環(huán)和泄水錐 上冠的外形與圓臺體相似，在其下端固定著泄水錐，用于引導水流順利地形成軸向流動

15、，以消除順利漩渦。輪葉的上端與上冠相固定，下端與下環(huán)相固定。三者連成一個整體，葉片呈扭曲狀，其斷面為翼形，葉片數(shù)目通常是1020片，均勻分布在上冠與下環(huán)之間,低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機轉(zhuǎn)輪,2020/10/12,46,工作部件轉(zhuǎn)輪有不同的形狀,軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪,軸流式水輪機的轉(zhuǎn)輪是由輪轂、輪葉和泄水錐三部分組成。在輪轂四周按懸臂方式安裝輪葉，輪葉是扭曲面。邊緣薄，根部厚，外形類似螺旋槳。輪葉數(shù)目按工作水頭大小而定，工作水頭較低，輪葉數(shù)較少；反之，較多。一般為38片,2020/10/12,47,水斗式水輪機主要由噴嘴、針閥、轉(zhuǎn)輪和折向器組成,噴嘴的作用是引導壓力水流均勻流動，在噴嘴處收縮轉(zhuǎn)換為僅有動能

16、的自由射流；針閥的作用是控制流量的大小，適應出力大小的需要。,2020/10/12,48,水斗式水輪機的構(gòu)造,2020/10/12,49,反擊式和沖擊式水輪機的差別,2020/10/12,50,這些轉(zhuǎn)輪分別是哪種水輪機的？,2020/10/12,51,1.4 水輪機的型號,水輪機的牌號就是水輪機的姓名，其目的是為了統(tǒng)一產(chǎn)品規(guī)格，提高產(chǎn)品質(zhì)量，便于選擇使用。 表明水輪機性能有兩個主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪直徑D1和水輪機的比轉(zhuǎn)速ns，所以在水輪機牌號上不僅要表明是什么類型的水輪機，而且要表示它的轉(zhuǎn)輪直徑和比轉(zhuǎn)速。 我國統(tǒng)一規(guī)定的水輪機牌號由三部分代號組成。 第一部分代表水輪機類型和轉(zhuǎn)輪型號； 第二部分表示水

17、輪機主軸的布置型式及水輪機室特征； 第三部分表示水輪機轉(zhuǎn)輪標稱直徑D1。 比如：HL240-LJ-140，即混流式，比轉(zhuǎn)速ns=240，立軸金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑D1=140cm。,2020/10/12,52,2020/10/12,53,水輪機型號中標稱直徑對不同水輪機有不同規(guī)定,1.5 水流在反擊式水輪機中的運動,2020/10/12,55,水流在轉(zhuǎn)輪中的運動是三維復合運動,相對運動、牽連運動和絕對運動,葉片表面：三維扭曲面 葉道：三維扭曲空間 轉(zhuǎn)輪：繞主軸旋轉(zhuǎn) 所以水流在反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪中的運動是一個復雜的三維空間的復合運動,2020/10/12,56,分析水流在水輪機中的運動要作假定,為了研

18、究問題的方便，工程上一般作如下假定： 假定葉片無限多、無限薄。這樣可以認為轉(zhuǎn)輪中的水流運動是均勻、軸對稱的。顯然在此假定下，流線也就和骨線的形狀完全一致。（葉片翼形斷面的中心線稱為骨線） 假定水流在進入轉(zhuǎn)輪之前的運動是均勻的、軸對稱的。 假定水輪機在所研究的工況下保持穩(wěn)定運行，即水輪機的特征參數(shù)（H、Q、N、n）保持不變，從而水流在水輪機各過流部件中的運動均為恒定流動。 忽略水流的粘性：可認為這些流面之間是互不干擾的。,2020/10/12,57,流面:水流軌跡線所在的喇叭形曲面軸面:通過軸線的平面,軸面:轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)中心線與經(jīng)過考察點的徑向線所構(gòu)成的平面。,流面:某一流線線饒主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋

19、曲面。整個流道中有無數(shù)個這樣的流面。,水流質(zhì)點運動:沿著喇叭形空間曲面(流面)而作螺旋型曲線運動,其軌跡是流面上的螺旋線。,2020/10/12,58,水流質(zhì)點速度可分解,絕對速度為相對速度和牽連速度之和（速度三角形）,水流質(zhì)點的速度分解為相對速度W、牽連速度U和絕對速度V，構(gòu)成速度三角形。 速度三角形的形狀、大小可以由它的兩個邊和夾角唯一確定。 絕對速度是牽連速度和相對速度的矢量和,沿流面展開圖,2020/10/12,59,進口速度三角形的形狀、大小和參數(shù),1為V1與U1的夾角，稱為V1的方向角。 1為W1與U1的夾角，稱為W1的方向角。,牽連速度U1,絕對速度V1,大?。?方向：切于圓周,

20、大小： 方向：沿導葉端部切線方向,2020/10/12,60,速度三角形形狀和大小取決于直徑、轉(zhuǎn)速、水頭和開度,從上面的討論可以知道：進口速度三角形的形狀、大小取決于4個參數(shù)的變化。即,同理可以導出：出口速度三角形的形狀、大小也取決于這4個參數(shù)的變化。 即,對于某一水輪機，在某一工況下運行時，有一定的進口速度三角形及與之對應一定的出口速度三角形。,2020/10/12,61,速度三角形的合成與分解,絕對速度由相對速度和牽連速度合成，為了研究問題的方便，可以將這些速度向不同平面(軸面、流面切面、圓周切面)和坐標軸(軸向、徑向、切向)分解。 速度分解的目的是為了討論水輪機基本方程時應用動量矩定律。

21、,2020/10/12,62,速度三角形在流面的切面上的分解,流面上的任一點的速度三角形均在流面的該點切面上，可分解為,Vm：為流面上絕對速度的軸面分量 Wm：為流面上相對速度的軸面分量,流面的切面上的速度分解,2020/10/12,63,速度三角形空間分解:只有Vu對主軸有速度矩,沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向的速度,通過軸心，即徑向速度,與水輪機主軸平行的速度,對水輪機主軸產(chǎn)生速度矩,對水輪機主軸均不產(chǎn)生速度矩,圓周分速度,軸面分速度,圓周分速度,徑向分速度,軸向分速度,軸面速度分量,V,U,W,2020/10/12,64,1.6 水輪機的基本方程,水輪機的基本方程（Basic Equation）是描

22、述水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的數(shù)學方程式，它是水輪機轉(zhuǎn)輪設計和運行的理論依據(jù)。 利用動量矩定律可以導出水輪機的基本方程。 動量矩定律：單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)全部水流的質(zhì)量對水輪機主軸的動量矩變化等于作用在該質(zhì)量上所有外力對同一軸的力矩總和。 用公式表示為：,2020/10/12,65,水輪機基本方程可由動量矩定理推導出來,轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)所有水流質(zhì)量的動量矩總和，其中m、Vu、r分別表示任一水流質(zhì)點的質(zhì)量、圓周速度和所處位置的半徑。,作用在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)全部水流質(zhì)點上的外力矩總和。,公式左邊為單位時間內(nèi)水流質(zhì)量對水輪機主軸的動量矩變化。實際為水流質(zhì)量在轉(zhuǎn)輪出口與進口間的動量矩的差值。,2020/10/12,66

23、,微小流束的動量矩變化率,在水輪機流道內(nèi)取一微小流束 t時刻：微小流束在1-2的位置； t+dt時刻：微小流束流到1-2的位置。,1,1,2,2,1,1,2,2,2020/10/12,67,整個流道的動量矩變化,對微小流束在整個流道求和，得整個流道內(nèi)水體的動量矩變化,通過水輪機轉(zhuǎn)輪的有效流量 水輪機出口斷面圓周分速度 水輪機進口斷面圓周分速度 水輪機出口斷面矩速度 水輪機進口斷面矩速度,2020/10/12,68,外力對軸的力矩總和,公式右邊為作用在該質(zhì)量上全部外力對同一軸的力矩總和 外力矩有： 轉(zhuǎn)輪葉片對水流的作用力矩 重力矩：重力的合力與主軸重合，對主軸不產(chǎn)生矩 壓力矩：上冠下環(huán)對水流的壓

24、力，對主軸而言是對稱的，合力與主軸平行，故也不產(chǎn)生矩 摩擦力矩：數(shù)值很小可忽略，摩擦力所產(chǎn)生的水頭損失將在水輪機水力效率中體現(xiàn)。,2020/10/12,69,外力對主軸的力矩總和等于葉片對水流的作用力矩,又根據(jù)作用力與反作用力定律，水流對轉(zhuǎn)輪的作用力矩M與轉(zhuǎn)輪對水流的作用力矩 在數(shù)值上相等而方向相反。即 故基本方程為,則,所以,又,重力矩,壓力矩,摩擦力矩,葉片作用力矩,2020/10/12,70,水流在轉(zhuǎn)輪中進行能量交換是由轉(zhuǎn)輪進出口速度矩的改變來實現(xiàn)的,該式給出了水流對轉(zhuǎn)輪的作用力矩與水流本身的動量矩變化之間的關系水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡關系式。 它說明水流在轉(zhuǎn)輪中進行能量交換是由轉(zhuǎn)輪進出口速度矩的改變來實現(xiàn)的。 又，水輪機的有效功率可表示為：,2020/10/12,71,在上述方程中，消去 得到水輪機基本方程：,速度環(huán)量,2020/10/12,72,水流能量的交換是通過環(huán)量的變化來實現(xiàn)，要使該轉(zhuǎn)換的效率 高，則需要 大， 小。 進口要求 ，但由速度三角形可以看出，這種情況實際上不可能，水流無法進入轉(zhuǎn)輪，失去意義。所以只能要求進口無撞擊， 即,由基本方程推導最優(yōu)工況進口三角形無撞擊條件,2020/10/