第一篇 水輪機(jī)水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的一種機(jī)械，是水電站動力設(shè)備之一。第一章

水輪機(jī)的類型、構(gòu)造及工作原理§1.1

水輪機(jī)的工作參數(shù)水輪發(fā)電機(jī)組裝置原理圖反映水輪機(jī)工作狀況特性值的一些參數(shù)，稱水輪機(jī)的基本參數(shù)。由水能出力公式:N=9.81ηQH

可知，其基本參數(shù)包括工作水頭H、流量Q、出力N、效率η，此外還有工作力矩M、機(jī)組轉(zhuǎn)速n。一、水頭(head)毛水頭(nominal

productive

head)HM=EU-ED=ZU-ZD水輪機(jī)的工作水頭毛水頭

- 水頭損失=凈水頭HG=EA-

EB=HM-

hI-A★表示水輪機(jī)的運(yùn)行范圍和運(yùn)行工況。最大工作水頭——允許水輪機(jī)運(yùn)行的最大凈水頭。Hmax=Z正-Z下min-hI-A最小工作水頭——保證水輪機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的最小凈水頭。Hmin=Z死-Z下max-hI-A額定水頭(計算水頭)Hr——水輪機(jī)發(fā)出額定出力時的所需要的最小凈水頭。宜在Ha的0.95~1.0的范圍內(nèi)選取。引水式電站：Hr

=（0.95~1.0）

Ha河床式電站：Hr

= 0.9

Ha壩后式電站：Hr

=（0.90~0.95）

Ha3.特征水頭(characteristic

head)設(shè)計水頭Hd——水輪機(jī)在最高效率點(diǎn)運(yùn)行時的凈水頭。宜接近或略大于Ha，有利于水輪機(jī)在較高水頭運(yùn)行時的水力穩(wěn)定性，可提高水輪機(jī)平均效率，增加年平均發(fā)電量。平均水頭Ha——在一定期間內(nèi)，所有可能出現(xiàn)的水輪機(jī)水頭的平均值，是水輪機(jī)在其附近運(yùn)行時間最長的凈水頭。Ha=Z上a-Z下a3.特征水頭(characteristic

head)二、流量(m3/s)(flowty)★單位時間內(nèi)通過水輪機(jī)的水量。Q隨H、N的變化而變化，H、N一定時，Q也一定，當(dāng)H

=Hr、N

=Nr時，Q為最大。Hr、nr、Nr

運(yùn)行時——

Qr三、出力與效率(output

and

efficiency)出力(水輪機(jī)的輸出功率)N：指水輪機(jī)軸傳給發(fā)電機(jī)軸的功率。水輪機(jī)的輸入功率

(水流傳給水輪機(jī)的能量)：Nw

QH

9.81QH水輪機(jī)的輸出功率：N

NwHr、Qr、nr運(yùn)行時——

Nr2.

效率：η=N/Nw

一般η=80%~95%四、工作力矩和轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的出力可以用旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)動公式來表達(dá)60M

——主軸力矩，N·m;ω——水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；n

——轉(zhuǎn)速（水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)），r/min。n=3000/pp

——發(fā)電機(jī)磁極對數(shù)。額定轉(zhuǎn)速nr：正常情況下機(jī)組的轉(zhuǎn)速保持為固定轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)速，并與發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速相等。N

M

M

2

n

9.81QH§1.2水輪機(jī)的主要類型一、反擊式水輪機(jī)

(reaction

water

turbine)定義：利用水流的勢能和動能做功的水輪機(jī)稱為反擊式水輪機(jī)。特征：轉(zhuǎn)輪的葉片為空間面，流過轉(zhuǎn)輪的水流是連續(xù)的，而且在同一時間內(nèi)，所有轉(zhuǎn)輪葉片之間的流道都有水流通過，水流充滿轉(zhuǎn)輪室。原理：水流通過轉(zhuǎn)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，水生反作用力，作用與每個轉(zhuǎn)輪葉片，使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，從而做功。類型混流式：水流徑向流入轉(zhuǎn)輪，軸向流出。適用范圍：H=20～700

m

, 單機(jī)容量：幾萬kW～幾十萬kW。適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，效率高，適用高水頭小流量水電站。2. 軸流式：水流沿轉(zhuǎn)輪軸向流入，軸向流出，水流方向始終平行于主軸。適用范圍：H=3～80m ，適用中低水頭大流量水電站。軸流定漿式：葉片不能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動。軸流轉(zhuǎn)漿式：葉片能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動，進(jìn)行雙重調(diào)節(jié)（導(dǎo)葉開度、葉片角度)。3. 斜流式：水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪時是斜向的。轉(zhuǎn)輪葉片隨工況變化而轉(zhuǎn)動，高效率區(qū)廣，適用H=40～200m。4. 貫流式：水輪機(jī)的主軸裝置成水平或傾斜。不設(shè)蝸殼，水流直貫轉(zhuǎn)輪。水流由管道進(jìn)口到尾水管出口都是軸向的。H=2～30m，小型河床電站二、沖擊式水輪機(jī)(Inpulse

water

tubine)定義：利用水流的動能來做功的水輪機(jī)為沖擊式水輪機(jī)。特征：由噴管和轉(zhuǎn)輪組成。水流以 水流的形式(P=Pa)沖擊轉(zhuǎn)輪，利用水流動能(V方向、大小改變)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。在同一時刻內(nèi)，水流只沖擊著轉(zhuǎn)輪的一部分，而不是全部。類型水斗式:

特點(diǎn)是由噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗作功，H=40～1700m。水斗式水輪機(jī)是沖擊式水輪機(jī)中目前應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型。斜擊式：特點(diǎn)是由噴嘴出來的射流沿著與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面成一角度的方向沖擊轉(zhuǎn)輪，H=20～300m。雙擊式：由噴嘴出來的射流首先從轉(zhuǎn)輪外緣沖擊葉片，接著水流又自內(nèi)緣再一次沖擊葉片，H=5～100m。斜擊、雙擊水輪機(jī)構(gòu)造簡單，效率低，用于小型電站。沖擊式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪葉水輪機(jī)的類型反擊式水輪機(jī)的主要組成部件：進(jìn)水(引水)部件—蝸殼：將水流均勻、旋轉(zhuǎn)，以最小水頭損失送入轉(zhuǎn)輪。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（導(dǎo)葉及控制設(shè)備)：控制工況轉(zhuǎn)輪（工作

)：能量轉(zhuǎn)換，決定水輪機(jī)的尺寸、性能、結(jié)構(gòu)。泄水部件(尾水管):回收能量、排水至下游。第三節(jié)水輪機(jī)的基本構(gòu)造一、 混流式水輪機(jī)基本構(gòu)造水流—蝸殼—座環(huán)—導(dǎo)葉—轉(zhuǎn)輪—尾水管—下游蝸殼蝸殼的作用是使水 生圓周運(yùn)動，并引導(dǎo)水流均勻地、軸對稱地進(jìn)入水輪機(jī)。座環(huán)（固定導(dǎo)葉）。由上、下環(huán)和立柱（位于導(dǎo)水葉的固定導(dǎo)葉）組成。作用：水輪機(jī)的骨架，承受發(fā)電機(jī)機(jī)墩及傳來的荷載，并傳到下部基礎(chǔ)；支承活動導(dǎo)葉。斷面設(shè)計：流線形（翼形），保證強(qiáng)度、剛度。固定導(dǎo)葉數(shù)目為活動導(dǎo)葉的一半。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)作用：

根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量，改變出力引導(dǎo)水流按切向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，形成速度矩。組成：

導(dǎo)水葉及其軸、調(diào)速器、接力器。導(dǎo)水葉：導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主體，上下端分別固定在底環(huán)和頂蓋上，為流線形。作用：改變導(dǎo)葉開度以改變流量。 導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動是通過調(diào)速器和接力器來實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)葉參數(shù)：導(dǎo)葉數(shù)Z0、高度b0、開度α0。導(dǎo)葉的主要幾何參數(shù)導(dǎo)葉數(shù)Z0：與轉(zhuǎn)輪直徑D1有關(guān)，一般16~24。導(dǎo)葉相對高度b0/D1：與轉(zhuǎn)輪型式有關(guān)，適用水頭愈高的水輪機(jī)，b0/D1愈小。HL：0.1~0.39;ZL:0.35~0.45。導(dǎo)葉軸分布圓直徑D0

：應(yīng)滿足導(dǎo)葉在最大可能開度時不碰到固定導(dǎo)葉及轉(zhuǎn)輪。一般D0=（1.13~1.30）D1。(4)

導(dǎo)葉開度a0：任意兩個相鄰導(dǎo)葉出口邊的垂直距離，最大開度為a0max。轉(zhuǎn)輪水能

機(jī)械能

組成：軸、上冠、葉片（12~21片）、下環(huán)、止漏環(huán)、泄水錐。尾水管尾水管的作用是引導(dǎo)水流進(jìn)入下游河道，并回收部分動能和勢能。二、 軸流式水輪機(jī)的構(gòu)造1.

軸流式水輪機(jī)特點(diǎn)轉(zhuǎn)速高，當(dāng)H、N相同時，n是混流式的2倍，尺寸較小。軸流轉(zhuǎn)漿式多用于低水頭大流量大型電站，轉(zhuǎn)輪葉片可以轉(zhuǎn)動（雙調(diào)），H、N變化時，水輪機(jī)具有較高的效率。2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造軸流式水輪機(jī)除轉(zhuǎn)輪外，其它部件與混流式相似組成：葉片、輪轂、主軸、泄水錐、轉(zhuǎn)構(gòu)。葉片 ：表面為曲面，斷面為翼形，根部厚，邊緣承受水流作用的扭矩。葉片數(shù)目：與H大小有關(guān)，一般為3~8片；葉片數(shù)愈多，適用水頭愈大。葉片安放角φ：最優(yōu)工況時φ=0°，φ>0°，葉片開始啟動，φ<0°向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動。-150≤φ≤+200輪轂：外部連接葉片， 安裝轉(zhuǎn) 構(gòu)。轉(zhuǎn) 構(gòu)：安裝在輪轂內(nèi)，由調(diào)速器控制，調(diào)整導(dǎo)葉角度。三、斜流式水輪機(jī)構(gòu)造★主要部件：座環(huán)、轉(zhuǎn)輪及其葉片（8~12片）、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、尾水管、主軸、導(dǎo)軸承等?！锱c軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)不同之處：葉片轉(zhuǎn)動軸線與主軸成

45°~60°的夾角。斜流式水輪機(jī)構(gòu)造四、燈泡貫流式水輪機(jī)實(shí)際上是無蝸殼、無彎肘形尾水管的臥軸布置的軸流式水輪機(jī)，發(fā)電機(jī)安裝在燈泡體內(nèi)。五、沖擊式水輪機(jī)構(gòu)造(水斗式)1.水斗式水輪機(jī)的組成：噴管、折流板、轉(zhuǎn)輪、機(jī)殼、尾水槽。轉(zhuǎn)輪組成： 、斗葉（沿 均勻分布）。連接方式：螺拴、整體鑄造、焊接。噴管組成：噴嘴、噴管體、導(dǎo)水葉柵、針閥、噴桿、

操作機(jī)構(gòu)。針閥： 控制水輪機(jī)的過水流量，以行程表示。折向器（折流板、偏流器）當(dāng)機(jī)組突棄負(fù)荷時，為了避免轉(zhuǎn)輪飛逸，首先啟動折流板，在1～2s內(nèi)使射流全部偏離轉(zhuǎn)輪，使噴針緩慢關(guān)閉，避免因針閥快速移動導(dǎo)致壓力內(nèi)產(chǎn)生過高的水擊壓力。機(jī)殼把水斗中排出的水引導(dǎo)入尾水槽內(nèi)。一般為鑄鋼件。導(dǎo)流板（引水板）防止水流隨轉(zhuǎn)輪飛濺到轉(zhuǎn)輪上方或輪葉背面，造成附加損失。位于機(jī)殼內(nèi)右下側(cè)。2.水斗水輪機(jī)的裝置方式立軸：大型水輪機(jī)，縮小廠房面積，便于裝設(shè)多噴嘴。單噴嘴、雙噴嘴、單轉(zhuǎn)輪、雙轉(zhuǎn)輪。臥軸：中小型水輪機(jī)，簡化結(jié)構(gòu)，降低造價，便于安裝和?！?-4

水輪機(jī)的型號及標(biāo)稱直徑反擊式水輪機(jī)的型號

（由三部分組成）HL240

——

LJ

——

410混流式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪代號240（比轉(zhuǎn)速)，立軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為410cm。ZZ440

——

LH

——

430軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪代號440，立軸，混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑430cm。沖擊式水輪機(jī)的型號轉(zhuǎn)輪代號為30的水斗式水輪機(jī)，臥軸，一根軸上裝有2個轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪直徑為120cm，每個轉(zhuǎn)輪具有2個噴嘴，設(shè)計射流直徑為10cm。1202CJ

30

W

2

10各種水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑D1HL：轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊上最大直徑。ZL、XL、GL：轉(zhuǎn)輪葉片 線相交處的轉(zhuǎn)輪室直徑CJ：轉(zhuǎn)輪與射流中心線相切處節(jié)圓直徑?！?-5水流在反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動一、復(fù)雜的空間非恒定流水輪機(jī)內(nèi)的水流運(yùn)動是復(fù)雜的空間非恒定流水頭、流量在不斷變化；葉片形狀為空間面，水流在兩葉片之間的流道內(nèi)為復(fù)合運(yùn)動，流速的大小、方向在不斷地變化，而轉(zhuǎn)輪本身也在運(yùn)動。二、恒定流狀態(tài)水輪機(jī)在某一工作狀況時，(H、Q、N、η不變)，水流在水輪機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水葉及尾水管中的流動是恒定流。假定：在研究時段內(nèi)，不考慮水輪機(jī)工作狀態(tài)的變化，水流的運(yùn)動和時間無關(guān)，則水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動相對于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)而言，是恒定流。假定：轉(zhuǎn)輪葉片無限多、無限薄，轉(zhuǎn)輪中水流是均勻且軸對稱的，其相對運(yùn)動軌跡與葉片表面重合。三、水流運(yùn)動是空間三元流水流運(yùn)動規(guī)律用速度三角形表達(dá)

V

U

W——水流絕對流速（相對于地球）?！麟S轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)牽連流速?！餮厝~片流動的相對流速。用速度三角形分析水流運(yùn)動的方法是研究轉(zhuǎn)輪流速場的重要方法。WU圓柱坐標(biāo)系下：量；

——徑向分量；

——由于和

在同一平面上，則：且：

Vu

Vm

V

Vu

Vz

VrVr大小。

W

Wu

Wz

Wr

Wu

Wm

Vm

軸面分量，反映了機(jī)組過流量的——圓周方向分量，反映了流體的旋轉(zhuǎn)程度；Vz

——軸向分VuVW

Vm

Wm

Vr

Wr

Vz

Wz

Vu

U

Wu§1-6

水輪機(jī)工作的基本方程式一、動量矩定理d

mVu

r

MQe——進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的有效流量。

M

w

M

0M0——轉(zhuǎn)輪葉片對水流的作用力矩。則水流對轉(zhuǎn)輪的作用力矩M

：wdtdt

gu

2

2

u1

1eu

V r

V r

d

mV

r

QVu1r1

Vu

2r2

0gM

M

eQ單位時間內(nèi)水流對轉(zhuǎn)輪的動量矩改變，應(yīng)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(zhuǎn)輪的力矩，方程右端為水流本身速度矩的變化。該式表達(dá)了水輪機(jī)中水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡關(guān)系。gu

2

2u1

1M

Qe

(V

r

V

r

)二、水輪機(jī)的基本方程在穩(wěn)定工況下(n、Q、H均不變)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運(yùn)動時相對的恒定流，因此轉(zhuǎn)輪的出力為：N

Qe

Hs所以，水輪機(jī)的基本方程為：該方程式對反擊式、沖擊式水輪機(jī)均適用。g

g2

u

2 1

1

1

2

2

2s

1

u1H

1

(U

V

U

V

)

1

(U

V

cos

U

V

cos

)1

u1

2

u

2eu1

1

u

2

2eg

g(V r

V r

)

U

V

U

V

Q

QN

M

方程的實(shí)質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡方程。水流傳給轉(zhuǎn)輪的能量與水流在轉(zhuǎn)輪之間的動量矩的變化相平衡。沒有這種動量矩的改變，轉(zhuǎn)輪就不可能獲得水流能量而做功?！?-7

水輪機(jī)的效率及最優(yōu)工況一、水輪機(jī)的效率(efficiency)水輪機(jī)的能量損失導(dǎo)致N<Nw，效率<1效率是由水力效率 、流量效率、機(jī)械效率組成水力損失(head

loss)及水力效率蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管

——

沿程損失旋渦、 脫流、 撞擊

——

局部損失水輪機(jī)的水力效率為H

H

H

100%

HeH

H流量損失及流量效率（容積效率）水流通過轉(zhuǎn)動部分與非轉(zhuǎn)動部分間隙直流入尾水管的流量為q，此部分流量不經(jīng)過轉(zhuǎn)輪作功，稱