緒

論要求：建立水力發(fā)電的概念，了解水力發(fā)電、水能資源的特點及水電事業(yè)發(fā)展狀況；理解本課程的性質，明確本課程的任務。第一節(jié)

水力發(fā)電概述一、

水力發(fā)電(一)水力發(fā)電的概念在天然河流上，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。

式中

N——水電站裝機容量或水輪機的功率Q——通過水輪機的流量H——水輪機的水頭η——水輪機的效率上述幾項是水力發(fā)電的幾個要素。(二)水力發(fā)電的轉換原理(三)水電站在水力發(fā)電的過程中，為了實現(xiàn)電能的連續(xù)產生需要修建一系列水工建筑物，如進水、引水、廠房、排水等，安裝水輪發(fā)電機組及其附屬設備和變電站的總體稱為水電站(水、機、電的綜合體)。(四)水力發(fā)電特點(1)不耗燃料，成本低廉：

水電站建成投產以后不需要消耗燃料，節(jié)省能源。其運行和維修費用低，工程使用壽命長，總的勞動生產率高，一般只有相同容量的火電站運行人員的1/4~1/5。不需要運輸發(fā)電所用的燃料，發(fā)電成本均比火電、核電低。(2)水火互濟，調峰靈活：電力用戶的用電量是時刻變化著的，電網中的日負荷有高峰也有低谷。火電站、核電站從開機到正常運行通常需要幾個小時，宜擔負基荷運行。水電站啟動靈活，在1~2分鐘內，就能從停機狀態(tài)達到滿負荷運行、并網供電，宜于擔任調峰、調頻，事故備用，與火電站配合運行，互相補充。

(3)綜合利用，多方得益：

具有水庫以調節(jié)水量的水電站，除發(fā)電外，還兼顧防洪、灌溉、航運、供水、旅游、水產養(yǎng)殖業(yè)等綜合利用效益。(4)取之不盡可，用之不竭：水能資源是隨水循環(huán)(降水——徑流——蒸發(fā)——降水)周而復始地不斷再生的能源，取之不盡，用之不竭。煤、石油、天然氣、等礦物資源是不可再生的，越用越少。太陽能、風能、潮夕能等，也是再生能源，但由于大規(guī)模地開發(fā)利用的技術不成熟，發(fā)電不穩(wěn)定，成本很高，目前還不能大量利用。(5)環(huán)境優(yōu)美，能源潔凈：水電站多建在僻靜的山谷之中，遠離城市、廠礦。大壩上游形成水庫，環(huán)境幽靜，水體純潔，沒有環(huán)境污染，空氣清新，湖光山色，可以成為風景游覽區(qū)。缺點：(1)受自然條件限制：水量、落差、地質、地形、地理、環(huán)境、土地淹沒、移民、政治、經濟、交通等。水能資源只能就地開發(fā)，不少地區(qū)的水能資源很豐富，但由于當?shù)亟洕话l(fā)達，交通不便，難于充分開發(fā)和利用。大部分水電站至負荷中心或與電網聯(lián)接點有相當距離，需要修建昂貴的輸變電工程。

(2)一次性投資大，工期長：（水文季節(jié)、水工建筑施工、機械安裝、移民、施工水平、資金到位）小型工程為3~5年，中型工程為8~10年，大型工程為10年以上。(3)故后果嚴重：水管破裂、潰壩等，設計、施工應安全可靠。二、我國的水能資源特點根據(jù)2005年公布的復查結果，全國水能蘊藏量1萬kW及以上的河流共有3886條，水能總蘊藏量功率為69440萬kW，年發(fā)電量60829億kW.h；技術可開發(fā)54164萬kW，相應的年發(fā)電量24740億kW.h；經濟可開發(fā)40180萬kW，相應的年發(fā)電量17534億kW.h，占世界首位。2004年底，已開發(fā)裝機1億kW，年發(fā)電量3310億kW.h。(1)總量十分豐富，而人均資源量并不富裕水能資源：實際可開發(fā)量近378532MW、19233億kW.h左右，居世界第一位。電量計：約占世界總量的15%人

口：占世界的21%到2050年后，我國達到中等發(fā)達國家水平，如按人均裝機1kW計，全國電力總裝機為15億kW~16億kW。常規(guī)水電即使全部開發(fā)出來，加上抽水蓄能電站，水電比例也只占30%~40%左右。注：實際可開發(fā)水能資源：由于受水量、落差、地形、地質、土地淹沒、移民、政治、經濟、交通、施工技術等因素的制約，一條河流的水能蘊藏量不能完全開發(fā)，只能開發(fā)其中的一部分。(2)地區(qū)分布極不均衡，與經濟發(fā)展的現(xiàn)狀更不匹配資源集中在經濟相對滯后的西部，尤其是西南。云、貴、川、渝、陜、甘、寧、青、新、藏等10個省(自治區(qū)，直轄市)的水能資源占67.8%，其中西南的云、川、藏三省(自治區(qū))就占全國總資源量的60%，經濟發(fā)達的東部13個省(直轄市)(遼、吉、黑、京、津、冀、魯、蘇、浙、皖、滬、粵、閩)僅占7%左右。表

中國水能蘊藏量及可開發(fā)的水能資源

地

區(qū)水

能

蘊

藏

量可能開發(fā)的水能資源裝機容量(MW)年發(fā)電量億(kW.h/a)占全國比重(%)裝機容量(MW)年發(fā)電量(億kW.h/a)占全國比重(%)華北地區(qū)12299.31077.41.8691.98232.251.2東北地區(qū)12126.61062.31.81199.45383.912.0華東地區(qū)30048.82632.34.41790.22687.943.6中南地區(qū)64083.75613.89.56743.492973.6515.5西南地區(qū)41462.170.023234.3313050.3667.8西北地區(qū)84176.97373.912.54193.771904.939.9全

國59221.8100.037853.2419233.04100.0(3)總開發(fā)率很低，東西開發(fā)差異極大。全國平均開發(fā)率按電量算僅9.12%，位居世界第83位，排在很多發(fā)展中國家如印度、越南、泰國、巴西、埃及等國家之后，與中國是發(fā)展中大國的位置極不相稱。東部，已開發(fā)70%以上：可開發(fā)的大型水電站只剩下4座，共161萬kW，即黑龍江的尼爾基電站(25萬kW)、浙江的攤坑電站(60萬kW)、大均電站(46萬kW)和福建的街面電站(30萬kW)；西部，開發(fā)率僅7.5%：西部的水電開發(fā)才剛剛開始，因此21世紀，水電要結合國家的西部大開發(fā)戰(zhàn)略，大力開發(fā)西部水電，實施大規(guī)模的西電東送，才能實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和電源結構的合理調整。

(4)我國水電資源相對集中在一些高山大河地區(qū)，不少水電站的裝機容量超過1000MW。三峽(長江)1820萬kW，溪落渡(金沙江)超過1000萬kW。雅魯藏布江下游的墨脫電站，計劃開鑿35km長的隧洞，引水2000m3/s以上，落差可超過2000m，電站裝機可達4500萬kW。大型電站，水頭高、單機容量大，帶來很多技術難題，且淹沒損失大，移民數(shù)量多，這在人口較密的地區(qū)尤為突出。從長遠看，能輸出水電的主要是云、川、青、藏四省(自治區(qū))，從河流看，能輸出電能的主要是金沙江、雅魯藏布江、雅礱江、瀾滄江、怒江和黃河上游青海段。近期長江干流、烏江、紅水河(含上游)均可視情況適量外送。三、我國水電發(fā)展概況到1998年底，全國已建水電站裝機容量65060MW，年發(fā)電量2043億kW.h時，繼美國、加拿大之后居世界第3位，在建規(guī)模約46000MW。全國水電裝機和發(fā)電量已占全國電力總裝機和發(fā)電量的23.4％和17.8％。中國已建50萬kW以上的水電站電站名稱河

流所在省區(qū)裝機容量(萬kW)設計年發(fā)電量(億kW.h)葛洲壩長江湖北271．5167李

家

峽黃

河青

海20058.3白山(二期)松花江吉林19.236/19.236漫

灣

云南15063水口閩江福建14049.5大朝山湄公河云南13559.31天生橋二級南盤江廣西、貴州13282龍羊峽黃河青海12860劉家峽黃河甘肅122.557.0巖

灘

廣

西12153隔河巖清江湖北12030.4南盤江丹江口漢江湖北9038.3安康漢江陜西85.2528.龔嘴大渡河四川7034.2新安江新安江浙江66.2518.6水豐鴨綠江遼寧63/239.3/2烏江渡烏江貴州6331.0銅街子大渡河四川6032.1魯布革黃泥河云南、貴州6028.49豐滿松花江吉林55.37518.9東江耒水湖南5013.2萬安贛江江西5015.16中國在建的水電站（50萬kW以上)電站名稱河

流所在省區(qū)裝機容量(萬kW)設計年發(fā)電量(億kW.h)開工/峻工日期三峽長江湖北1820846.81994.12/2009龍

灘紅水河廣

西420/540156/1872001/2009紫坪鋪岷江四川76342000/2006小灣瀾滄江云南420190.62002/百色右江廣西5417.012001/公伯峽黃河青海15051.42001/2007洪家渡烏江貴州54171.52000/2006三板溪清水江貴州100234.92003/2008錦屏一級雅礱江四川330162.872005/待建構皮灘烏江貴州240/30095.292003/2011按規(guī)劃我國水電發(fā)展分二步走：第一步是2001~2010年，這期間，三峽、龍灘、小灣、公伯峽、水布埡等一大批水電站將建成發(fā)電。到2010年，也就是中國開始水電建設100年時，水電裝機容量達到(1.4~1.5)×105MW，超過美國居世界第一，實現(xiàn)從資源第一大國到生產第一大國的轉變。水電裝機的比例將由連年下滑轉向攀升，從本世紀末的23%提高到30%左右；第二步是2011~2050年，基本完成水電的開發(fā)、開發(fā)率達到90%左右。這時裝機約4.3×105MW，以38000MW的墨脫電站為代表的十幾座5000MW以上的巨型電站基本開發(fā)完畢。西電東送的規(guī)模超過1.5×105MW，東中部受電區(qū)的抽水蓄能電站將得到大規(guī)模的發(fā)展，大庫容的蓄能電站建設為東部沿海風電的大量開發(fā)，創(chuàng)造了有利條件。中國的水電開發(fā)技術將隨著我國水電建設事業(yè)的發(fā)展達到世界領先水平。四、中國水電基地的開發(fā)情況20世紀70年代根據(jù)我國能源開發(fā)的規(guī)劃，有關部門提出了開發(fā)10個水電基地的設想，即在那些水力資源豐富、開發(fā)條件良好的河流或河段上，比較集中地開發(fā)建設10個大型水電基地，作為本世紀末到下世紀初的骨干電源，以后又增加2個水電基地，共計12個水電基地。十二大水電基地可裝機容量為205232MW，年發(fā)電量9458.8億kW.h。

中國十二大水電基地規(guī)模及開發(fā)狀況項目

基地名稱總規(guī)模已建電站名稱及裝機容量(萬kW)在建電站名稱及裝機容量

(萬kW)待開發(fā)的主要電站名稱及裝機容量(萬kW)裝機容量(萬kW)

金沙江石鼓—宜賓

4623.00

2610.0

虎跳峽600、洪門口375、梓里208、皮廠270觀音巖270、烏東德560、白鶴灘830、溪落渡1000、向家壩500

雅礱江兩河口—渡口

1940.00

1048.0

二灘330

錦屏一級300兩河口200、牙根90、蒙古山160、大空100、楊房溝200、卡拉鄉(xiāng)80、、錦屏二級300、官地140、桐子林40

大渡河雙江口—銅街子

1805.50

924.70

龔嘴70/210銅街子60碧口

30寶珠寺64

獨松136、馬奈30、季家河壩180、猴子巖140、長河壩124、冷竹關90、瀘定60、硬梁倉110、大崗山150、龍頭石50、老鷹巖60、瀑布溝330、深溪溝36、枕頭壩44

烏江干流

825.50

404.51烏江渡63普定7.5東風51洪家渡54構皮灘200

引子渡16、、索風營42、、思林84、沙沱80、彭水108、大溪口120長江上游宜賓—宜昌(包括清江)

2831.60

1219.9葛洲壩271.5隔河巖120高壩洲(20)三峽1820水布埡149、

石硼213、朱楊溪190、小南海100、

南盤江、紅水河

1192.00

502.50惡灘6大化40/60魯布革60巖灘120天生橋二級132天生橋一級120

龍灘420平班36、百龍灘18、橋鞏50大騰峽120、惡灘50

瀾蒼江干流(云南省境內)

1978.00

1010.0

大朝山126漫灣125/150

小灣420溜筒江55、佳碧43、烏弄龍80、托巴164、黃登150、鐵門坎150、功果橋75、、、糯扎渡450、景洪90、橄欖壩10、南阿河口40

黃河上游龍羊峽—青銅峽

1415.48

507.93劉家峽116、龍羊峽128鹽鍋峽39.6八盤峽18青銅峽27.李家峽2002

公伯峽150拉西瓦372積石峽80-100、寺色峽25、小峽30、大峽30、烏金峽13.2、小觀音140、大柳樹44、黃河中游河口鎮(zhèn)—禹門口

579.20

196.90天橋12.8三門峽25萬家寨102小浪底180

龍口40、磧口150軍渡30、三交20龍門210、禹門口14.4湘西(湖南)資、沅、澧水，附清水江795.10318.23鳳灘70?柘溪44.75馬跡塘5.5三江口6.25東江50五強溪120

清水江133.80沅水153.53、資水57.6、澧水203.67、

閩、浙、贛福建、浙江、江西省各河1416.82411.71古田溪26新安江66.25富春江30沙溪口30萬安50水口140烏溪江20柘林18閩176.6浙10.8贛50閩380.04浙271.72贛289.02東北黑龍江、牡丹江、二道松花江、鴨綠江、渾江、嫩江1133.55309.36373.95

共規(guī)劃各類電站33座，裝機容量為759.60萬kW總

計20523.29458.8

第二節(jié)本課程的性質、任務和特點

一、本課程的性質和任務

水電站是水利水電工程專業(yè)的專業(yè)課程，其主要任務是使學生獲得有關水電站的基本理論、基本知識與基本技能，訓練和培養(yǎng)學生綜合的思維方法及分析問題和解決問題的能力，為今后從事水電站工程的規(guī)劃、設計、運行和管理的打下基礎。二、本課程內容及特點

第一篇

水力機械

動能

水輪

發(fā)電機

水流能量

機械能

電能勢能

水泵

電動機

水

水輪機+發(fā)電機

————>水輪發(fā)電機組。功能：發(fā)電輪

水

泵+電動機

————>水泵抽水機組。功能：輸水機

水泵+水輪機

————>抽水蓄能機組。功能：抽水蓄能

本篇重要內容：水輪機(turbine)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，是水電站動力設備之一。研究的目的是充分利用水能資源，為廠房布置設計作準備。第一章

水輪機的主要類型、構造及其工作原理§1.1水輪機的工作參數(shù)(workingparameters)一、基本概念水流經引水道進入水輪機，由于水流和水輪機的相互作用，水流便把自己的能量傳給了水輪機，水輪機獲得能量后開始旋轉作功。水流流經水輪機時，水流能量發(fā)生改變的過程——水輪機的工作過程。反映水輪機工作狀況特性值的一些參數(shù)，稱水輪機的基本參數(shù)。由水能出力公式:

N=9.81QHη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、機組轉速n。二、工作水頭(workinghead)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。根據(jù)能量方程可以推導出：1、水電站的毛水頭(nominalproductivehead)Hm=EA-EC=ZA+HA=Z上—Z下2、水輪機的工作水頭(workinghead)HG=EB-ED=HM-hA-B

毛水頭-水頭損失=凈水頭(即水輪機的工作水頭)3、特征水頭(characteristichead)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。特征水頭一般由水能規(guī)劃計算確定。最大工作水頭：

Hmax=Z正—Z下min—hA-BZ正為上游正常設計水位，Z下min為下游最低水位，一般取一臺機組發(fā)電時下游水位。最小工作水頭:

Hmin=Z死—Z下max—hA-BZ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:

HCP=Z上CP—Z下CP

即上下游平均水位差。三、流量(flowquantity)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，當H=Hr、N=N額時，Q為最大。四、出力與效率(outputandefficiency)1出力N：

指水輪機軸傳給發(fā)電機軸的功率(輸出功率)。

水輪機的輸入功率(水流傳給水輪機的能量)為：(kW)。

水輪機的輸出功率：。2效率：

η=N0/NI×100%一般η=80%~95%。η<100%的原因：水流通過水輪機時，存在水頭損失、水量損失、機械損失等各種能量損失。五、工作力矩和轉速(workingmomentandrotationalspeed)水輪機的出力使主軸旋轉做功，因此出力也可以用旋轉機械運動公式來表達：

M——主軸力矩，用來克服發(fā)電機對主軸產生的阻力矩；ω——水輪機旋轉角速度，n——轉速，rpm(revolutionperminute)，n=3000/pp——發(fā)電機磁極對數(shù)額定轉速n：一般我國所用的電流頻率為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。

§1.2水輪機的主要類型水輪機主要利用水能做功，將水能轉換為旋轉機械能。列轉輪進出口能量方程：

即Ep+Ec=1。根據(jù)水流作用原理分：

沖擊式：Ep=0

EC=1

完全利用水流動能；

反擊式：0<EP<1

Ep+Ec=1

以利用勢能為主。一、

反擊式水輪機(reactionwaterturbine)

混流式

軸流式

1特征：轉輪的葉片為空間扭曲面，流過轉輪的水流式連續(xù)的，而且在同一時間內，所有轉輪葉片之間的流道都由水流通過，積水流充滿轉輪室。

2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，水流產生反作用力，作用與每個轉輪葉片，使轉輪產生旋轉力矩，從而做功。3類型：(1)、混流式：水流徑向流入轉輪，軸向流出。適用范圍：H=30~700m,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，適用高水頭小流量電站。（劉家峽）(2)、軸流式：水流沿轉輪軸向流入，軸向流出，水流方向始終平行于主軸。(a)、軸流定漿式：葉片不能隨工況的變化而轉動。改變葉片轉角時需要停機進行。結構簡單，效率低。適用H、Q變化不大的情況（工況較穩(wěn)定），H：3~50m。

(b)、軸流轉漿式：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）。適用水頭流量的變化，高效率區(qū)廣，大中型電站多采用。H：3~80m。（葛洲壩：17萬kW、12.5萬kW，Hr=27m）。

(3)、斜流式：水流經過轉輪時是斜向的。轉輪葉片隨工況變化而轉動，高效率區(qū)廣。

H=40~120m。

(4)、貫流式：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。H<20m,小型河床電站。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、燈炮式。貫流式二、

沖擊式水輪機(Inpulsewatertubine)1、

特征：由噴管和轉輪組成。水流以自由水流的形式(P=Pa)沖擊轉輪，利用水流動能(V方向、大小改變)產生旋轉力矩使轉輪轉動。在同一時刻內，水流只沖擊著轉輪的一部分，而不是全部。2、

類型：(1)、水斗式：特點是由噴泉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H：100~2000m；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。

小結§1-3

水輪機的基本構造(Turbinestructure)反擊式水輪機的主要組成部件：(1)、進水（引水）部件—蝸殼：將水流均勻、旋轉，以最小水頭損失送入轉輪。(2)、導水機構（導葉及控制設備）：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)、泄水部件——尾水管：回收能量、排水至下游。一、

混流式水輪機水流

——>蝸殼——>座環(huán)——>導葉

——>轉輪——>尾水管——>下游

1、蝸殼蝸殼的作用是使水流產生圓周運動，并引導水流均勻地、軸對稱地進入水輪機。2、座環(huán)：位于導水葉的外圍。由上、下環(huán)和立柱組成

作用：水輪機的骨架，承受機墩及偉來的荷載，并偉到下部基礎；支承活動導葉；

斷面設計：流線形，保證強度、剛度。數(shù)目為活動導葉的一半。3、導水機構：作用：根據(jù)機組負荷變化，調節(jié)水輪機流量，改變出力；

引導水流按切向進入轉輪，形成速度矩；組成：導水葉及其軸、調速器、接力器（轉臂、連桿、控制環(huán))1)、導水葉：導水機構的主體，上下端分別固定在底環(huán)和頂蓋上，為流線形。

作用：改變導葉開度以改變流量。

導葉轉動是通過調速成器和接力器來實現(xiàn)的。

導葉參數(shù)：導葉數(shù)、高度、開度

(2)、調速器

(3)、接力器4、轉輪：

水能——>機械能

組成：軸、上冠、葉片、下環(huán)、止漏環(huán)、泄水錐5、尾水管尾水管的作用是引導水流進入下游河道，并回收部分動能和勢能。二、

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。1、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，尺寸較小。(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。2、轉輪構造：（軸流轉漿式多用于低水頭大流量大型電站）組成：葉片、輪轂、主軸、泄水錐、轉動機構葉片：表面為曲面，斷面為翼形，根部厚，邊緣薄以承受水流作用的摶矩。葉片數(shù)目：與H大小有關，一般為4~8片；葉片轉角Φ：最優(yōu)工況時Φ=0，Φ>0，葉片開始啟動，Φ<0向關閉方向轉動。

-150>Φ<+200輪轂：外部連接葉片，內部安裝轉動機構。轉動機構：安裝在輪轂內，由調速器控制，高速導葉角度。三、斜擊式水輪機構造

主要部件：座環(huán)、轉輪及其葉片、導水機構、尾水管、主軸、導軸承等，與高水頭軸流轉漿式水輪機基本相同與軸流轉漿式水輪機不同之處：葉片轉動軸線與主軸成45°~60°的夾角。四、燈泡貫流式水輪機實際上是臥軸安裝的軸流式水輪機，發(fā)電機安裝在燈泡體內(紅色的為轉子)五、沖擊式水輪機構造(水斗式)

1、水斗式水輪機的組成：噴管、折流板、轉輪、機殼、尾水槽水流——>噴管——>折流板——>轉輪——>機殼——>尾水槽(1)、轉輪

組成：輪盤、斗葉（沿輪盤均勻分布）。連接方式：

螺拴、整體鑄造、焊接。(2)、噴管組成：噴嘴、噴管體、導水葉柵、噴針頭、噴桿、操作機構針閥：控制水輪機的過水流量，以行程表示。(3)、折流板使針閥緩慢關閉，降低水擊壓力，使水流偏離水斗，避免機組轉速升高。(4)、機殼

把水斗中排出的水引導入尾水槽內。一般為鑄鋼件。(5)、引水板

防止水流隨轉輪飛濺到上方，造成附加損失。2、水斗水輪機的裝置方式(1)、臥軸：中小型水輪機。單噴嘴、雙噴嘴、單轉輪、雙轉輪。(2)、立軸：大型水輪機?！?-4

水輪機的型號及標稱直徑一、

反擊式水輪機的型號(由三部分組成)

HL240——LJ——410混流式水輪機，型號240（比轉速)，立軸，金屬蝸殼，轉輪直徑為410cm

ZZ440——LH——430軸流轉漿式水輪機，型號440，立軸，混凝土蝸殼，轉輪直徑430cm二、

沖擊式水輪機的型號

2CJ30——W——120/2×10三、

各種水輪機轉輪標稱直徑D1(圖1-29)

HL：轉輪葉片進口邊上最大直徑ZL、XL：轉輪葉片軸心線相交處的轉輪室直徑CJ：轉輪與射流中心線相切處節(jié)圓直徑D1規(guī)定系列尺寸見表4—6

第二章

水輪機的工作原理§2.1

水流在反擊式水輪機轉輪中的運動

一、復雜的空間非恒定流水輪機內的水流運動是復雜的空間非恒定流(spatialtransientflow)1)、水頭、流量在不斷變化2)、葉片形狀為空間扭曲面，水流在兩葉片之間的流道內為復合運動，流速的大小、方向在不斷地變化，而轉輪本身也在運動。二、恒定流狀態(tài)水輪機在某一工作狀況時，(H、Q、N、η不變)，水流在水輪機的蝸殼、導水葉及尾水管的流動是恒定流。水流在轉輪內的流動相對于轉輪旋轉坐標而言，也是恒定流。三、空間三元流水流運動是空間三元流，其運動規(guī)律用速度三角形表達。

——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用速度三角形分析水流運動的方法是研究轉輪流速場的重要方法?！?.2水輪機工作的基本方程式對反擊式水輪機以一定的速度和方向流進轉輪時，由于空間曲面葉片所形成的葉道對水流產生約束，使水流不斷改變其運動速度和方向，水流給葉片以反作用力迫使轉輪旋轉作功。一、動量矩定理(principleofmomentummoment)單位時間內水流對轉輪的動量徒工的改變，應等于作用在該水流上的外力對同軸的力矩總和：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。二、水輪機的基本方程在穩(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：又：，為通過水輪機的水力效率。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。方程的實質：由水流能量轉換為旋轉機械能的平衡方程。水流傳給轉輪的能量與水流在轉輪進出口之間的動量矩的變化相平衡。沒有這種動量矩的改變，轉輪就不可能獲得水流能量而做功?！?.3水輪機的效率及最優(yōu)工況一、水輪機的效率(efficiency)水輪機的能量損失導致N<Ns，因此N/Ns=η（效率）效率是由水力效率、流量效率、機械效率組成。1、水力損失(headloss)及水力效率蝸殼、導葉、轉輪、尾水管——沿程損失hl水流——∑h旋渦、脫流、撞擊

——局部損失hw水輪機的水力效率為

H——為工作水頭2、流量損失(waterloss)及流量效率（容積效率）水流通過轉動部分與非轉動部分間隙直流入尾水管的流量為q，此部分流量不經過轉輪作功，稱漏損。容積效率：

Q——水輪機的引用流量3、機械損失(frictionloss)和機械效率水輪機的輸入功率：

Ne=9.81(Q-Σq)(H-Σh)ηsηr輸出功率：

N=9.81QHηsηrηj機械效率：

ηj=N/Ne

由機械摩擦引起4、水輪機的總效率

η=ηsηrηj提高效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機械摩擦。η根據(jù)模型試驗得到。二、水輪機的最優(yōu)工況(optimalworkingcondition)η是出力N的函數(shù)，(D，H，n一定時)，一般情況下，水力損失最大，且隨N的變化較大。流量損失和機械損失相對較小，且基本不變，而在水力損失中撞擊和渦流損失最大。要提高效率就要減少撞擊及渦流損失。1、葉片進口設計撞擊損失主要發(fā)生在轉輪葉片進口處。當β1(W1，U)=βe1(進口安放角)時，則為無撞擊進口工況。2、葉片出口設計渦流損失主要發(fā)生在轉輪葉片出口處。(1)、當V2⊥U2時，即α2=90°，水流平行主軸，Vu2=0，為法向出口，無渦流損失。

(2)、α2≠90°時，Vu2≠0，(出口旋轉分速)產生渦流損失，尾水管中有脈動、汽蝕振動；

α2>90°時為大出力，存在有較小的渦流損失；

α2<90°時為小出力，存在有較大的渦流損失，應避免小出力。3、反擊式水輪機最優(yōu)工況同時滿足β1=βe1、α2=90°(V2⊥U2)時，進口無撞擊，出口無渦損，η最高，稱為水輪機的最優(yōu)工況。一般α2略小于90°時，效率較高，出力N=(85~90)%N額，運行穩(wěn)定，汽蝕性能好。4、ZZ、XL水輪機在不同工況下，可以進行雙調節(jié)(導葉開讀a0、葉片角度φ)，一般可使水輪機在較大范圍內達到或接近進口無撞擊、出口無渦流，具有較寬廣的效率區(qū)。§2.4尾水管的工作原理一、尾水管(draughttube或tailtube)的工作原理

尾水管空間圖

尾水管原理示意圖1、無尾水管時：假定轉輪高出下游尾水面(5—5)。水輪機出口處的總能量損失：

當用相對壓力表示式(p2=pa)：

水流出轉輪后，進入大氣，自由落入下游水面，部分能量未被利用。2、有尾水管時(設有一圓錐形尾水管)：尾水管的出口在水面以下，尾水管的全部保持密閉)，由2—2到5—5斷面間的能量方程：

簡化為：因此，設置尾水管以后，在轉輪出口形成了壓力降低，出現(xiàn)了真空現(xiàn)象，真空由兩部分組成：(1)靜力真空：(落差)，也稱為吸出高度，(2)動力真空：有尾水管后轉輪出口(2—2)能量損失：

3、尾水管的作用：有尾水管后水輪機多利用的能量

作用：(1)、匯集轉輪出口水流，排往下游。

(2)、當Hs>0時，利用靜力真空。

(3)、利用動力真空Hd。二、尾水管的動能恢復系數(shù)尾水管的靜力真空Hs取決于水輪機的安裝高程，與尾水管的性能無關；衡量尾水管性能好壞的標志是恢復動能的程度（與尾水管尺寸有關），一般用動能恢復系數(shù)ηw表示。

>0.8

時，效果較好；≦0.3～0.4時，效果較差?！?.5水輪機的汽蝕一、

汽蝕概述1、空化(cavitation)及汽化壓力(vapouring)的概念水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。水在一定壓力下加溫的汽化為沸騰；環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的汽化壓力(Pb)。2、水輪機的汽蝕(1)、汽蝕破壞的機理由

可知，當V↑→P↓,當P=Pb時，水開始汽化→汽泡（水蒸氣+空氣）→進入高壓區(qū)（汽泡時蒸氣變成水，汽泡內氣體稀薄，出現(xiàn)強大真空，汽泡外面的水流質點在內外壓差的作用下急速向汽泡中心壓縮、沖擊）在汽泡內形成很大的微觀水擊壓力（可達幾百大氣壓）；汽泡產生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質點向外沖擊。大量汽泡連續(xù)不斷地產生與潰滅，水流質點反復沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴重破壞—→機械破壞，叫疲勞剝蝕。汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質點相互撞擊，引起局部升高(300度)，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學反應，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產生電解作用→化學腐蝕。(2)、水輪機汽蝕定義汽泡在潰滅過程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周期性變化，使周圍的水流質點發(fā)生巨大的反復沖擊，對水輪機過流金屬表面產生機械剝蝕和化學腐蝕破壞的現(xiàn)象，—水輪機的汽蝕。二、

水輪機汽蝕類型1、翼形（葉片）汽蝕：

轉輪葉片背面出口處產生的汽蝕，與葉片形狀、工況有關。2、間隙汽蝕：當水流通過間隙和較小的通道時，局部流速增大，壓力降低而產生汽蝕。3、空腔汽蝕：在非最優(yōu)工況時，水流在尾水管中發(fā)生旋轉形成一種對稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力脈動，在尾水管進口處產生汽蝕破壞，造成尾水管振動。4、局部汽蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產生的汽蝕。

三、

汽蝕造成的危害1、使過流部件機械強度降低，嚴重時整個部件破壞。2、增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降。3、機組產生振動，嚴重時造成廠房振動破壞。四、

防止汽蝕措施流速和壓力是產生汽蝕最重要的兩個原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。1、設計制造方面：合理選型，葉型流線設計，表面光滑，抗汽蝕鋼襯(不銹鋼)。2、工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙進入水輪機。3、運行方面：避開低負荷、低水頭運行，合理調度，必要時在尾水管補氣?！?.6水輪機的汽蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程一、水輪機的汽蝕系數(shù)反擊式水輪機發(fā)生汽蝕破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了p<pb的情況，因此防止汽蝕的措施是限制p的降低，使p≥pb。影響水輪機效率的主要原因是翼型汽蝕，所以衡量水輪機汽蝕性能好壞一般是針對翼型汽蝕而言，其標志為汽蝕系數(shù)。汽蝕系數(shù)б是水輪機汽蝕特征的一個標志，б越大，越容易破壞。通過研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點（一般為葉片背面靠近轉輪葉片出口處)K點的壓力為：

K點的真空值Hk.v：

Hs——葉片K點致下游尾水的距離Hk.v由動力真空與靜力真空組成。靜力真空Hs是吸出高度，取決于水輪機的安裝高程，與水輪機的性能無關，，動力真空hk與轉輪葉型、水輪機工況、尾水管性能有關，因此表明汽蝕性能的只是動力真空：

(1)、б稱水輪機的汽蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。(2)、б與葉型、工況有關(影響Wk,W2和葉道壓力分布)Wk大——W2大——б大。(3)、б與尾水管的性能有關，ηw↑→б↑，汽蝕性能差。(4)、幾何形狀相似的水輪機，工況相似，б相同；對任一水輪機在既定工況下，б也是定值。(5)、б值影響因素復雜，理論難以確定，廣泛使用的方法是進行水輪機模型試驗得出бm,并認為б=бm。二、水輪機的吸出高度保證水輪機內不發(fā)生汽蝕的條件：pk≥pb

由

工況一定，бH一定，因此，選擇Hs限制pk降低。則：

或

水輪機吸出高度Hs是轉輪葉片壓力最低點到下游水面的垂直高度Zk，但一般K點較難確定，并隨工況而改變，規(guī)定如下：(1)、立軸混流式水輪機：Hs導葉下部底環(huán)平面到下游尾水垂直高度(2)、立軸軸流式水輪機：Hs轉輪葉片軸線到下游尾水垂直高度(3)、臥軸貫流式水輪機：Hs葉片出口最高點到下游尾水垂直高度(4)、設計尾水位高于上述高程Hs為負，反之為正(5)、為保證水輪機在運行中不發(fā)生汽蝕，對各種工況下Hs進行試驗，取其中較小值。三、水輪機的安裝高程(Turbinesittinghight)1、立軸HL：導葉中心平面高程

b0

水輪機導葉高度

Za=▽w+Hs+b0/2

▽w

水電站設計尾水位2、立軸ZL：導葉中心平面高程

D1

轉輪直徑

Za=▽w+Hs+xD1

x軸流水輪機高度系數(shù)，隨型號變化3、臥軸HL和GL：立軸中心高程

Za=▽w+Hs-D1/2

注：▽w——選用水電站最低尾水位（一臺機級組滿負荷運行時）§2.7水斗式水輪機的工作原理一、水斗式水輪機的工作特點：(1)、水斗式水輪機的噴嘴將壓力水管引來的高壓水流的壓能轉變?yōu)樽杂缮淞鞯膭幽堋?2)、射流僅對轉輪上幾個水斗沖擊作功。(3)、作功的整個過程都是在大氣壓力下進行的，不存在翼形汽蝕問題。(4)、適用于高水頭、小流量，當H>300m時，可考慮水斗式水輪機。二、水斗式水輪機工作的基本方程與反擊式相同（能量轉換方程）：

V0為射流速度：

Kv為射流系數(shù)0.97～0.98，H：水輪機設計水頭。三、水斗式水輪機的能量損失1、噴嘴損失：沿程、局部（轉彎、斷面變化、分流）射流收縮、空氣阻力2、水斗損失(1)、進口撞擊損失：進口V0發(fā)生急劇變化(2)、摩擦損失：水斗中急劇轉彎擴散(3)、出口損失：沒有尾水管，轉輪在尾水以上，出口動能和從射流中心到下游之間的落差不能回收。3、容積損失：水斗在轉輪上不連續(xù)，一小部分水流未能進入水斗作功4、機械損失：主軸在軸承中的磨擦損失、轉輪在運動中風阻損失。四、水斗式水輪機效率：

η=ηsηrηj

(85%～90%)五、

水斗式水輪機的安裝高程（轉輪要尾水位以上)。1、立軸式：

噴嘴射流中心高程

2、臥軸式：

主軸中心高程

hp——排水高度（轉輪相對于下游水面），hp=(1.0～1.5)D1

ht——通風高度（排水道機殼底對于下游水面距離）

▽w——下游設計最高尾水位

第三章

水輪機的相似理論及綜合特性曲線§3.1

相似理論概述一、幾個基本概念1、水輪機特性水輪機在不同工況下運行時，各運行參數(shù)(H，Q，n，N，η，б)及這些參數(shù)之間的關系，稱水輪機的特性。水輪機設計、制造、選型、最佳運行方案、限制條件。由于水輪機水流條件復雜，研究水輪機特性靠理論與實驗相結合。2、模型試驗試驗研究：

原型：尺寸大，試驗困難，不經濟。

模型：(D:250～460mm，H：2～6m)快、方便，易測量數(shù)據(jù)，較準確。3、相似理論研究相似水輪機之間存在的相似規(guī)律，并確立這些參數(shù)之間的換算關系的理論。二、水輪機相似條件保證模型水輪機與原型水輪機相似，只有符合一定的相似條件(水流運動相似)。1、幾何相似：過流通道幾何形狀相似

(1)、過流通道的對應角相等：βe1＝βe1M；βe2＝βe2M；Φ＝ΦM……(2)、對應尺寸成比例：D1/D1M＝b0/b0M＝a0/a0M＝…….(3)、對應部位的相對糙率相等：△/D1＝△M/D1M

幾何相似:大大小小的一套水輪機系列——輪系，同一輪系的水輪機才能建立運動相似和動力相似。2、運動相似：同一輪系水輪機、工況相似

(1)、過流通道的對應點的速度方向相同(2)、過流通道的對應點的速度大小對成比例

即速度三角形相似。3、動力相似：(壓力、慣性力、重力、摩擦力等)同一輪系水輪機，水流對應點所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。3.2水輪機的相似定律、單位參數(shù)及比轉速一、水輪機的相似定律相似定律：建立模型擊原型水輪機各個參數(shù)(H、n、N、η)之間的關系。1．流量相似律：幾何相似、相似工況下流量之間的關系。(a=aM)

均為固定值，QM可以測得，若ηrM、ηsM、ηr、ηs已知，可求出Q。2.轉速相似律：即原型和模型水輪機轉速之間的關系。

3.出力相似律：即原型和模型水輪機出力之間的關系。

二、單位參數(shù)(在不同輪系之間進行比較)將模型試驗結果化成為D1M=1m，HM=1m標準情況下的參數(shù)——單位參數(shù)，分別用表示。假定：，，，(實際上，原型效率〉模型效率，需修正)1單位流量：

(m3/s)2單位轉速：

(r/min)3單位出力：

(KW)單位參數(shù)對同一輪系水輪機在不同的相似工況下分別為一常數(shù)(工況不同，單位參數(shù)不同)。單位參數(shù)由模型試驗得出→原形水輪機的參數(shù)(相應工況)。沖擊式水輪機的單位參數(shù)：

通常用，表示水輪機的運行工況。當幾何相似，，對應相等時，兩個水輪機工況相似。(略去效率、吸出高度和汽蝕系數(shù)的影響)三、水輪機的比轉速(Specificspeed)1、定義：同一輪系水輪機，當其工作水頭H=1m，出力N=1KW時，所具有的轉速。2、公式：(m.kW)3、意義：(1)

表示水輪機特征的一個綜合參數(shù)(與D1無關)，能將水輪機的各個參數(shù)n、H、N之間的關系綜合反映出來，代表了水輪機的輪系特征。(2)

工況相似時，=常數(shù)，即不隨工況變化。(3)

一般按H設、N額、n額確定該水輪機輪系的特征參數(shù)。

(m.kW)——特征參數(shù)水輪機型譜規(guī)定

ZL：

HL：

用單位參數(shù)表示：

(m.kW)水斗式水輪機：

(m.kW)4、

討論：

(1)、相似水輪機，工況相似，相同，不同的，反映不同輪系水輪機特征。(2)、當H一定時：↑→Q’1η↑,n’1↑→N↑→n↑。機組尺寸縮小，投資減少，因此提高比轉速可以降低造價。(3)、當水頭和處理一定時，ns越高，汽蝕系數(shù)越大，增加廠房開挖。(4)、比轉速增加，單位流量增加，b0/D1增大，葉片數(shù)目減少?！?.3水輪機的效率換算與單位參數(shù)修正一、

水輪機效率換算上節(jié)的單位參數(shù)公式是在假定相似工況下，實際上(2%～7%)，因此要把轉換為η。的原因：→

→。一般只考慮水力效率代，且只考慮最優(yōu)工況下的水力損失(只有沿程損失)。1、

最優(yōu)工況下的效率修正

m≈1/4或1/5ZD、HL：

ZZ：

通過模型試驗確定，代入上式即可求出原形水輪機效率。2、

一般工況

式中：為最高效率點效率修正值。，為制造工藝誤差。(1)

HL、ZD：

，(2)

ZZ

，(3)

水斗式：

當：，不做修正。二、單位參數(shù)的修正(η不同，，也要加以修正)只考慮ηs時(即用ηs代替η)：

1最優(yōu)工況時：

2其他工況時：

一般不作的修正，當時，△忽略不計?！?.5水輪機的模型試驗一、模型試驗的目的、任務及類型1、目的任務

目的：保證水輪機在工作范圍內高效率、穩(wěn)定運行——研究水輪機在各種工況下的能量特性、汽蝕特性等——必須依靠水輪機模型試驗(因水流在轉輪中的運動相當復雜，理論分析困難，只有在最優(yōu)工況下，作些假定后才能進行)任務：水輪機模型試驗是按一定比例將原形水輪機縮小為模型水輪機，并采用較低的模型水頭HM和較小的QM進行試驗，測出各工況下的工作參數(shù)，然后通過相似公式換算和修正得出該輪系的綜合參數(shù)。2、具體事項1)、D1M：250

350

460mm；HM：2~6m；QM：20~30L/s≯2000L/s2)、實際電站正常運行：n=ne

不變，H、Q隨N、水庫調節(jié)變化改變了水輪機工況；模型試驗中工況改變：(變化HM較復雜)，一般取HM=C，改變nM和QM。3、類型能量試驗、汽蝕試驗、飛逸試驗、軸向水推力試驗等。二、能量試驗的任務1、測定模型水輪機在各種工況下的運行效率ηM，通過測量nM、NM、QM、HM四個基本參數(shù)，繪制水輪機綜合特性曲線和運轉特性曲線。2、能量試驗臺的組成：壓力水箱(相當上游水庫)，引水室(引水、進水設備)，明槽或壓力管道，模型水輪機，尾水槽(尾水渠)，堰槽(測流量)，回水槽(循環(huán)用水，用泵打入壓力水箱)3、試驗參數(shù)的測量(1)、HM：HM為壓力水箱和尾水槽水位差，用毛水頭代替工作水頭。(2)、QM：通過測堰頂水頭，(3)、nM：機械轉速表，由電子脈沖器、光電測速儀(4)、：模型水輪機軸輸出功率，通過測動力矩M=P.L

NM=Mω=PLnM/9549.3(kW)

ω=2πnM4、試驗方法(1)、HM=const；(2)、選擇一定的導葉開度a0M，改變負荷P，使M改變，測量各工況下(nM、NM、QM、HM)，計算η

§3.6水輪機模型綜合特性曲線一、

水輪機參數(shù)及特性曲線1、水輪機參數(shù)：參數(shù)關系反映水輪機特性。(1)、結構參數(shù)：轉輪直徑D1，導葉高度b0，導葉開度a0，葉片轉角Φ(2)、工作參數(shù)：H、Q、n、Hs(3)、綜合參數(shù)：，軸功率N、η、б2、特性曲線：各參數(shù)之間的關系曲線(1)、線性特性曲線：反映2~3個參數(shù)之間的關系曲線(2)、綜合特性曲線：表示多個參數(shù)之間的關系，反映全面，應用廣模型綜合特性曲線：以為坐標場，繪制了η、a0、б等到值線。二、混流式水輪機的模型綜合特性曲線HL240模型綜合曲線

首先計算各個工況點

1、等開度線繪制2、等到效率線繪制3、5%出力限制線繪制4、等汽蝕線繪制三、軸流式水輪機的模型綜合特性曲線ZZ440模型綜合曲線四、沖擊式水輪機的模型綜合特性曲線

第四章水輪機選擇§4.1水輪機的標準系列由于各開發(fā)河段的水力資源和開發(fā)利用的情況不同，水電站的工作水頭和引用流量范圍也不同，為了使水電站經濟安全和高效率的運行，就必須有很多類型和型式的水輪機來適應各種水電站的要求。水輪機由于它自身能量特性、汽蝕特性和強度條件的限制，每種水輪機適用的水頭和流量范圍比較窄，要作出很多系列和品種（尺寸）的水輪機，設計、制造任務繁重，生產費用和成本也大。因此有必要使水輪機生產系列化、標準化和通用化，盡可能減少水輪機系列，控制系列品種，以便加速生產、降低成本。在水電站設計中按自己的運行條件和要求選擇合適的水輪機。一、反擊式水輪機的系列型譜

表4—1、4—2、4—3、4—4中給出了軸流式、混流式水輪機轉輪的參數(shù)。1)、水輪機的使用型號規(guī)定一律采用統(tǒng)一的比轉速代號。2)、每一種型號水輪機規(guī)定了適用水頭范圍。水頭上限是根據(jù)該型水輪機的強度和汽蝕條件限制的，原則上不允許超過；下限主要是考慮到使水輪機的運行效率不至于過低。二、水斗式水輪機轉輪參數(shù)表4—5，系列型譜尚未形成三、水輪機轉輪尺寸系列表（表4—6）四、水輪發(fā)電機標準同步轉速（表4—7）五、水輪機系列應用范圍圖以H為橫座標，N單為縱座標繪制某一系列水輪機應用范圍。1、根據(jù)Hr、Nr→范圍→D1，n。2、水輪機吸出高度的確定Hs：根據(jù)hs~H的關系曲線確定。由Hr→hs，Hs＝hs－▽／900§4.2水輪機的選擇一、水輪機選擇的意義、原則、內容1、意義水輪機是水電站中最主要動力設備之一，影響電站的投資、制造、運輸、安裝、安全運行、經濟效益，因此根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機是水電站中主要設計任務之一，使水電站充分利用水能，安全可靠運行。2、原則(1)、充分考慮電站特點（水文水能、電力系統(tǒng)技術條件，電站總體布置)。(2)、有利于降低電站投資、運行費、縮短工期，提前發(fā)電(3)、提高水電站總效率，多發(fā)電(4)、便于管理、檢修、維護，運行安全可靠，設備經久耐用(5)、優(yōu)先考慮套用機組3、內容(1)、確定機組臺數(shù)及單機容量(2)、選擇水輪機型式（型號）

(3)、確定水輪機轉輪直徑D1、n、Hs、Za；Z0、d0(4)、繪制水輪機運轉特性曲線(5)、估算水輪機的外形尺寸、重量及價格、蝸殼、尾水管的形式、尺寸、調速器及油壓裝置選擇(6)、根據(jù)選定水輪機型式和參數(shù)，結合水輪機在結構上、材料、運行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務書，最終由雙方共同商定機組的技術條件，作為進一步設計的依據(jù)。4、有關資料(1)、水輪機產品技術資料：系列型譜、生產廠家、產品目錄、模型綜合特性曲線。(2)、水電站技術資料：河流梯級開發(fā)方案、水庫的調節(jié)性能、水電站布置方案、地形、地質、水質、泥沙情況、總裝機容量、水電站運輸、安裝技術條件。(3)、水文情況：特征流量及特征水頭(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav)、下游水位流量關系曲線(4)、水電站有關經濟資料：機電設備價格、工程單價、年運行費等二、機組臺數(shù)及單機容量的選擇已知總裝機容量(=Z0×N單)，N單不同，D1、n、Hs、η均不同1、機組臺數(shù)與機電設備制造的關系N總一定，Z0多→N單↓→尺寸（D1）小→制造運輸容易→造價高(單位千瓦耗材多、制造量大)。所以一般選用較大的N單。2、機組臺數(shù)與電站投資的關系Z0多→單位千瓦投資↑→閥門、調速、管道、輻設、電氣等增加→廠房尺寸增加。N單↓→D1↓→尾水管高度低→開挖少→投資少3、機組臺數(shù)與運行效率的關系Z0多→平均效率提高(1)擔任基荷時：出力變化小，流量變化穩(wěn)定，可用較少的臺數(shù)，使水輪機在較長時間內以最優(yōu)工況運行，其平均效率也比較高。(2)擔任峰荷時：出力變化幅度大，應該選用較多的臺數(shù)，以增加其運行靈活性，提高整體運行效率。(3)對于軸流定漿和混流式水輪機，可以選用較多的臺數(shù)，而對于軸流轉漿式水輪機因其調節(jié)性能好，可以選用較少的機組。4、機組臺數(shù)與電站運行維護工作的關系臺數(shù)多，運行靈活，事故影響小，但同時增加了事故的幾率，也增加了管理人員、提高了運行費，所以不宜采用過多的臺數(shù)。總之，一般應采用較大的N單，較少的臺數(shù)，但一般至少應選2臺，少數(shù)情況下可選1臺。中大型電站一般選4~6臺，根據(jù)機組的制造水平和裝機容量也可以選用更多的臺數(shù)，如葛洲壩共21臺，裝機271.5萬千瓦，正在修建的三峽水電站裝機26×70=1820萬千瓦。三、水輪機型號確定依據(jù)：N單，特征水頭(Hmax、Hmin、Hav、Hr)1根據(jù)水輪機系列型譜選擇型號的選擇主要取決于水頭。各種水輪機都有一定的使用范圍，根據(jù)電站運行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機的型號。如果兩種型號均可采用，應進行方案比較。2采用套用機組根據(jù)目前國內設計、施工和運行的電站資料，在特征水頭相近、N單適當，經濟技術指標相近時，有限套用已經生產國的機組，這樣可以節(jié)省設計時間、盡早供貨、提前發(fā)電。四、反擊式水輪機主要參數(shù)的確定確定了水輪機的型號后，再計算水輪機的主要參數(shù)：轉輪直徑D1，轉速n、吸出高Hs，D1、n應該滿足：在Hr下，發(fā)出Nr；在Hav時，η最高。吸出高Hs應滿足：防止水輪機汽蝕，開挖深度合理。(一)、按綜合特性曲線選擇1、D1的確定

(kW)

(m)

(4-4)(1)、Nr(水輪機額定出力)

Nr=Nf／ηfNf—發(fā)電機額定出力（機組容量），ηf——發(fā)電機的效率，大中型：ηf=0.95～0.98(2)、：在N=Nr時，取限制工況下的(查附表1-2)，并查出限制工況的ηM。HL水輪機由5%出力限制線得到，軸流式由汽蝕條件得到，或限制HS反推σz，以防止開挖過多。

σz為水輪機裝置的汽蝕系數(shù)。

(3)、取H=Hr計算。若取H=Hmax進行計算，則求出的D1太小，除H=Hmax以外，均不能發(fā)出Nr。若取H=Hmin進行計算，則求出的D1太大，增加設備投資，不經濟。(4)、η：原型水輪機再現(xiàn)職工況下的效率，在D1未確定時，不能得出確切的η。

一般先取η=ηM+△η

(△η=2~3%)，求得D1后再修正。2、η的修正計算求得D1后，再查附表1-2，得出ηMmax，換算得出ηmax?！?/p>

η=ηmax-ηMmax-ε1-ε2，ε1=1%~2%(表示工藝水平)，ε2=1%~3%(表示異形部件)最后的出現(xiàn)職工況下的η=ηM+△η，與假定相比，如出入太大，應重新計算。3、轉速的選擇用最優(yōu)單位轉速，。水頭H=Ha。轉速n隨工況而變，要選育發(fā)電機轉速相近的標準同步轉速，見表4-7。4、工作范圍的驗算求出水輪機的參數(shù)D1、n后，在模型綜合特性曲線上繪出水輪機的相似工作范圍，檢驗是否包括了高效率區(qū)，以驗證D1、n的合理性。方法：根據(jù)Nr、D1、Hr求出Q’1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n’1min和n’1max，在綜合特性曲線上以Q’1max、n’1min和n’1max作直線，此范圍即為水輪機的相似工作范圍。5、HS的計算計算公式：

水輪機方案確定后，根據(jù)水輪機運行條件、水電站的開挖情況等進行技術經濟比較后確定。(二)、用系列應用范圍圖選參數(shù)這種方法根據(jù)特征水頭、單機容量查水輪機應用范圍圖選擇參數(shù)，比較簡單，但精度不夠，多用于小型水電站的初步設計(三)、套用機組方法根據(jù)特征水頭、單機容量等選用已建成的相似電站的機組，我國采用較多。五、水斗式水輪機的參數(shù)選擇水斗式水輪機的參數(shù)選擇是在已知機組裝置型式、轉輪個數(shù)ZP、噴嘴個數(shù)Z0條件下，初步確定：射流直徑d0、噴嘴直徑dn、轉輪直徑D1、轉速n、水斗數(shù)目Z1。1轉輪直徑D1已知：

Q'1——單轉輪、單噴嘴在限制工況下的單位流量，查表4-5，P71。η取ηM，為限制工況的效率，查模型特性曲線。2射流直徑d0

取m=D1/d0，一般使m保持在10~20之間。3噴嘴直徑dn

4轉速n

求出后，選定標準同步轉速。為最優(yōu)單位轉速。5水斗數(shù)目Z1

§4.3水輪機的工作特性曲線和運轉特性曲線一、特性曲線概述1、研究目的：進一步分析比較原型水輪機各方案之間的能量特性，計算水輪機能量指標，以評定所選擇的水輪機各主要參數(shù)的正確性，指導水輪機的安全運行。2、定義：反映原型水輪機在各種工況下參數(shù)之間的關系曲線—水輪機特性曲線。（正常運行時，轉速n不變，當H、N變化時，η、σ隨之變化）3、工作特性曲線：H一定，η=f(N)4、運轉特性曲線：綜合反映H、N、η、Hs等參數(shù)之間的關系曲線。5、繪制方法：根據(jù)模型綜合特性曲線，通過相似定律換算而來。二、水輪機的工作特性曲線(η=f(N),H一定)1、H一定時，2、在模型綜合特性曲線上，作，交點一組（ηM，Q1）則原型：η=ηM+△η，

3、作曲線η～N曲線4、分析：1)、η=0，N≠0，說明空載時，水輪機消耗△Nx，維持在額定轉速下空轉。2)、c點：ηmax；d點：Nmax；e點：5%Nmax，出力限制。由圖4-7可知

ZD：曲線陡，高效率區(qū)范圍窄。偏離最優(yōu)工況后，效率急劇下降；

ZZ：高效率區(qū)范圍寬，η變化平穩(wěn)，適用承擔負荷變化大而頻繁；

HL：變化較大，η較ZZ窄。三、水輪機運轉特性曲線的繪制組成：N為橫座標，H為縱座標，繪有η=f(H,N)Hs=f(H,N),出力限制線。反映能量特性、汽蝕特性、運行限制范圍。(一)、HL水輪機運轉特性曲線1、等效率線η=f(H,N)(1)、在Hmax,Hmin之間，取4～6個H，包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，繪制每個水頭下η=f(N)(2)、作η=η1水平線，與η=f(N)相交(H，N)，繪制η=f(H,N)（上下對應），或列表進行，表4-10。2、出力限制線的繪制水輪機在運行中，N受發(fā)電機的額定出力和5%出力限制線的限制Nr=Nf/ηf，Nr為一定值，在H～N坐標場中表現(xiàn)為一垂直線。(1)、Hr是N=Nr時的最小水頭，當H≥Hr時，水輪機限制在N=Nr內；A（Nr，Hr）(2)、當H<Hr時，水輪機則受到5%出力限制線的限制，對限制線上各點分別計算，得出B(Hmin,Nmin)，連接A、B，即為H<Hr時的出力限制線。3、等吸出高度線的繪制(1)、根據(jù)等效率線計算表4-10中的Q1和N，作不同水頭下N=f(Q1)的輔助曲線(2)、在相應的模型綜合特性曲線上，作各水頭下n1M常數(shù)的水平線，它與汽蝕系數(shù)線相交于許多點，記下各點（σ，Q1），列入表4-11，由△σ～Hr曲線查得△σ(3)、由Q1可在N=f(Q1)輔助曲線上查得相應的N值，并記入表4-11(4)、由公式計算出不同σ時的Hs，列表4-11(5)、在Hs=f(N)上，作Hs=C線，交點(H,N)，在H～N內繪出即可。等吸出高度線給出了水輪機在其工作范圍內，各運行工況下的最大允許吸出高度，以便進行方案比較，確定水輪機的安裝高程。（二)、ZZ水輪機運轉特性曲線的繪制由于轉角可以調節(jié)，因此其運轉特性曲線也不同。1、等效率線2、出力限制線四、水輪機的總特性曲線在水電站運行中，根據(jù)電力系統(tǒng)中負荷的需要，可能使一臺、多臺或全部機組投入運行，為使平均效率最高，研究在不同出力各機組之間最優(yōu)負荷分配問題，解決機組投入最佳次序和最優(yōu)工作臺數(shù)問題。

相同容量、相同型式（相同特性水輪機)：運行水輪機之間等負荷分配最優(yōu)。據(jù)此繪制總工作特性曲線和總運轉特性曲線。圖4-19，其作用：1、提供負荷分配2、求多年平均發(fā)電量§4.4蝸殼的型式及其主要尺寸的確定一、蝸殼的功用及型式(一)、功用：蝸殼是水輪機的進水部件，把水流以較小的水頭損失，均勻對稱地引向導水機構，進入轉輪。設置在尾水管末端。(二)、型式1、混凝土蝸殼：H≦40m。節(jié)約鋼材，鋼筋混凝土澆筑，“T”形斷面。當H>40m時，可用鋼板襯砌防滲。適用于低水頭大流量的水輪機。2、金屬蝸殼：當H>40m時采用金屬蝸殼。其斷面為圓形，適用于中高水頭的水輪機。(1)鋼板焊接：H=40~200m，鋼板拼裝焊接。(2)鑄鋼蝸殼：H>200m時，鋼板太厚，不易焊接，與座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運輸困難?；炷廖仛?/p>

金屬蝸殼二、蝸殼的主要參數(shù)1、斷面型式與斷面參數(shù)(1)金屬蝸殼：圓形。結構參數(shù)：座環(huán)外徑、內徑、導葉高度、蝸殼斷面半徑、蝸殼外緣半徑(2)混凝土蝸殼：“T”形。有四種型式：

(i)n=0：平頂蝸殼，b/a=1.5~1.7，γ=10°~15°。使用較多。特點：接力器布置方便，減小下部塊體混凝土，但水流條件不太好。

(ii)m=0：上伸式：b/a=1.5~1.7，δ=30°，廠房開挖量小，采用較少。

(iii)m>n，1.85,δ=20°~30°，γ=10°~20°。(iv)m≤n，，δ=20°~30°，γ=20°~35°。m=n時，稱為對稱型式。中間斷面：蝸殼頂點、底角點的變化規(guī)律按直線或拋物線確定。2、蝸殼包角蝸殼末端(鼻端)到蝸殼進口斷面之間的中心角φ0：(1)金屬蝸殼：φ0=340°~350°，常取345°φ0大，過流條件好，但平面尺寸增大，廠房尺寸加大。金屬蝸殼的流量小，尺寸小，一般取較大包角；從構造上講，最后100°內，斷面為橢圓，但仍按圓形計算。(2)、混凝土蝸殼：Q大，為減小平面尺寸，φ0=180°~270°，一般取180°，有時φ0=135°，使水輪機布置在機組段中間。（一大部分水流直接進入導葉，為非對稱入流，對轉輪不利）3、蝸殼進口平均流速：進口斷面流量：Qmax——水輪機的最大引用流量。Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓；一般由Hr—VC曲線確定VC。三、水流在蝸殼中的運動規(guī)律水流進入蝸殼后，形成一種旋轉運動(環(huán)流)，之后進入導葉。水流速度分解為Vr、Vu。進入座環(huán)時，按照均勻軸對稱入流的要求，Vr=常數(shù)。

圓周流速的變化規(guī)律，有兩種基本假定：(1)速度矩Vur=Const假定蝸殼中的水流是一種軸對稱有勢流，忽略粘性及摩擦力，Vu會隨r的增加而減小。(2)圓周流速Vu=Const：即假定Vu=VC=Const四、蝸殼的水力計算水力計算的目的：確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪出蝸殼單線圖，為廠房設計提供依據(jù)。已知：等斷面型式下進行：按Vu=VC=Const假定計算(也可按Vur=Const)1、金屬蝸殼水力計算

(1）蝸殼進口斷面：斷面半徑：

從軸心線到蝸殼外緣半徑：

(2)中間斷面()

由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：(a)確定φ0和VC；(b)求Fc、ρmax、Rmax；(c)由φI確定Fi、ρi、Ri。2混凝土蝸殼的水力計算(半解析法)(1)按求進口斷面積；(2)根據(jù)水電站具體情況選擇斷面型式，并確定斷面尺寸，使其(3)選擇頂角與底角點的變化規(guī)律(直線或拋物線)，以虛線表示并畫出1、2、3…….等中間斷面。(4)測算出各斷面的面積，繪出：F=f(R)關系曲線。(5)按，繪出F=f(Φ)直線。(6)根據(jù)φi確定Fi、Ri及斷面尺寸，繪出平面單線圖。§4.5尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸影響、廠房基礎開挖、下部塊體混凝土尺寸。尾水管尺寸越大，η越高，工程量及投資增大。型式：直錐形、彎錐形、彎肘形（大中型電站）一、

直錐形尾水管（小型電站）1、進口直徑：D3=D1+(0.5~1.0)cm2、

出口流速：V5=(0.235~0.7)H1/2

L/D3=3~4θ=12°~14°

3、尾水渠尺寸：，，

尾水管淹沒深度：4、材料：鋼板，結構簡單，，適用于小型水輪機。二、彎錐形適用于：臥軸混流式水輪機，布置方便，見圖4-34，其水頭損失大，。三、彎肘型尾水管大中型水輪機所采用的尾水管，為了減小開挖深度，均采用彎肘型尾水管。由直錐段、肘管、出口擴散段組成。

1、

進口直錐段：進口直錐段是一個垂直的圓錐形擴散管，D3為直錐管進口直徑，θ為錐管單邊擴散角?；炝魇剑褐卞F管與基礎環(huán)相接，(轉輪出口直徑)，軸流式：與轉輪室里襯相連接，D3=0.937D1，θ=8°~10°。h3——直錐段高度，其長度增加將會導致開挖量增加。一般在直錐段加鋼板襯。2、肘管：90°變斷面的彎管，進口為圓形斷面，出口為矩形斷面。F進/F出=1.3曲率半徑R小——離心力大——壓力、流速分布不均勻—hw大。R=(0.6~1.0)D4為減小轉彎處的脫流及渦流損失，肘管出口收縮斷面(hc)：

高/寬=0.253、出口擴散段：矩形擴散管，出口寬度B5=肘管出口寬度B6頂板α=10°~13°，L2=L-L1=(2～3)D1

底板水平，B5很大時，加隔墩4、尾水管的高度與水平長度尾水管的總高度和總長度是影響尾水管性能的重要因素。H=h1+h2+h3+h4

h1，h2由轉輪結構確定，h4肘管高度確定，不易變動。H取決于h3。h3大→hw小→ηw大→開挖加大，工程投資大；L：機組中心到尾水管出口，L大→F出大→V出小→ηw大→hf大→廠房尺寸加大，一般L=(3.5～4.5)D1。5、推薦尾水管尺寸：表-17、4-186、尾水管局部尺寸的變更廠房設計中，由于地形、地質條件，布置廠房的原因，在不影響尾水管能量指標的前提下，對選出的尾水管尺寸可作局部變更。(1)減小開挖，h不動，擴散段底板向上傾斜6°~12°(2)大型反擊式水輪機，為減小廠房長度，尾水管不對稱布置(3)地下電站：為使巖石穩(wěn)定，尾水管采用窄深斷面(4)加長h3、L2

第五章

水輪機的調速設備§5.1

水輪調節(jié)的基本概念一、

水輪機調節(jié)任務

電壓變化→發(fā)電機電壓調節(jié)系統(tǒng)完成（自動)使U=U電力系統(tǒng)負荷變化

流頻率變化f，f=k(p,n)，p不變，只有調節(jié)轉速n

→f穩(wěn)定(f=50Hz)，由水輪機調速器完成。水輪機調節(jié)的任務：1、隨外界負荷的變化，迅速改變機組的出力。2、保持機組轉速和頻率變化在規(guī)定范圍內。3、啟動、停機、增減負荷，對并入電網的機組進行成組調節(jié)(負荷分配)。二、水輪機調節(jié)原理(一)、原理：水輪發(fā)電機組的運動方程式為：

式中：——水輪機主動力矩(水流推動葉片做功)；

——發(fā)電機的阻力矩(發(fā)電機定子對轉子的作用力矩與相反)；

——機組慣性矩；

——角加速度；(1)當=時，=0，(2)N↓→↓→〉→〉0→n↑(3)N↑→↑→〈→〈0→n↓所以當負荷變化時，應調節(jié)，使=，，f=50Hz。又：要使，一般不能改變H和效率η(做不到或不經濟)，而是通過改變Q而達到改變主動力矩Mt的目的。調節(jié)流量的途徑：反擊式：通過改變導葉開度a0ZZ：同時改變葉片轉角。

沖擊式：通過改變噴嘴開度(二)、水輪機調節(jié)的定義：隨著電力系統(tǒng)負荷變化，水輪機相應地改變導葉開度(或針閥行