第一章-水轮机的类型构造及工作原理

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流量
单位时间内通过水轮机的水量Q(m3/s)。 Q=f(H，N)，Q随H、N的变化而变化，H、N一定时，Q也一定。 设计流量Qr：当H=Hr、N=N额时的最大流量。
转速
转速：水轮机转轮在单位时间内的旋转次数。r/min 额定转速n：一般我国所用的电流频率为50赫兹，所以在正常 情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并 与发电的同步转速相等。 发电机的同步转速=水轮机的额定转速=机组的额定转速
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水流在反击式水轮机转轮中的运动
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混流式水轮机
在转轮区内水流径向流入转轮，轴向流出。视频1
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混流式水轮机

适用范围：H=20-700 m , 单机容量：几万kW-几十万kW 优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用于高 水头小流量电站。 （能适应很宽的水头范围。是目前应用最广泛的水轮机之一）
世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊 纳巴什塔电站,水头为600.3米，水泵扬程为623.1米， 单机功率为315兆瓦。
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总结：水轮机的分类
利用水流的势能和动能进行工作； 混流式 转轮完全淹没在密闭的水体中。
轴流定浆式 轴流转浆式
轴流式 反击式 斜流式 全贯流式 贯流式 水轮机 水斗式 冲击式 双击式 半贯流式 轴伸式 竖井式 灯泡式
1）反击式水轮机：利用水流的势能和动能做功的水轮机。 反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴方向的不同分为混流式、 轴流式、斜流式和贯流式。
2、冲击式水轮机：主要利用水流的动能做功的水轮机。 冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式 和双击式。
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一、反击式水轮机 (reaction water turbine)
第一章 水轮机的类型、构造及工作原理
第一节 水轮机主要类型
第二节 水轮机工作参数 第三节 水轮机的基本构造
第四节 水轮机型号
第五节 水流在反击式水轮机转轮中的运动
第六节 水轮机的基本方程式
第七节 水轮机效率及最优工况
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本节课教学内容及教学要求
1
水轮发电机组的基本概念
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工作水头（净水头）
如图所示，A-A为引水道进口，B-B为水轮机进口，C-C为 尾水管出口，D-D为尾水渠。
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最大工作水头Hmax： Hmax=Z正—Z下min—hA-B Z正为上游正常设计水位，Z下min为下游最低水位，一般取一台机组发 电时下游水位。 最小工作水头Hmin: Hmin=Z死—Z下max—hA-B Z死为上游死水位，Z下max为下游最高水位，一般取全部机组发电时 的下游水位或汛期下泄安全泄量时的水位。 设计水头(计算水头)Hr 水轮机发额定出力时的最小水头，一般由设计者根据电站情况确 定。 平均水头: Ha=Z上a—Z下a 即上下游平均水位差。
水 轮 发 电 机 组
为旋转机械能，从而带 动发电机发出电能的一
种机械。
水轮机与发电机联接
成的整体称为水轮发电
机组。
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第一节 水轮机主要类型
一、水轮机定义 水轮机是将水能转换成轴的旋转机械能的水力机械。能量转换 是借助转轮叶片与水流的相互作用来实现。 二、分类 按水流能量的转换特征分为反击式和冲击式水轮机。
建筑物和设备
水轮机
发电机
天然水能
可利用水能
旋转机械能
电能
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水能
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河段水流的出力
E 1 N rwH12 rQH12 t t
从这个式子可以看出： 水头和流量是构成水能的两个基本要素，它们是水 电站动力特性的重要特征。
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水轮发电机组
水轮机是将水能转变
1、 水电站的毛水头(静水头) Hg=Z上-Z下 2 、水轮机的工作水头(净水头) H=Hg - hA-B (即毛水头 - 水头损失=净水头) hA-B：水电站引水建筑物中的水力损失 3 、特征水头(characteristic head)
水轮机的工作水头随上下游水位而变化，因此提出特征水头的 概念，用于表示水轮机的运行工况和运行范围。
不设蜗壳，水流直贯转轮；
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贯流式
特点：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。 不设蜗壳，水流直贯转轮。 水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。 H<20m,小型河床电站。 分类: 全贯流式： 发电机转子安装在转轮外缘。 优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。 半贯流式： 轴伸式、竖井式、灯泡式。
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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。视频2
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轴流式水轮机
1)定桨式：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。 特点：结构简单，效率低。适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定）。 适用范围：功率不大，水头变化不大(水头为3-50米)的小型电站。
1、水力发电：利用天然水资源中的水能，输入水轮机，让它带动 2、水力发电的转换原理
在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定的流量将“载 能水”输送到水轮机中，使水能→旋转机械能→带动发电机组发电 →输电线路→用户。
天然水流
可用水能
旋转机械能
电能
水工建筑 和设备
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水轮机
水轮发电机
掌握水轮发电机组的基本概念。
2
主 要 内 容
3
水轮机的主要类型
掌握各水轮机的基本类型、特点及适用范围；
理解反击式、冲击式水轮机的划分原则。
水轮机的工作参数
理解水轮机五个主要工作参数：水头、流量、 转速、出力与效率的定义、表达式及其意义。
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水力发电的基本原理
发电机发电，这种发电方式就称为水力发电。
三峡右岸电站12根直径12.8米的特大型压力引 水钢管，和大坝下方的发电厂房12台水轮发电 机组。
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三峡电站的一台机组蜗壳，由高强度钢板卷制焊 接而成，与大坝引水管相连，蜗壳中间是座环及 固定导叶。
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焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。
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座环（Stay ring）
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蜗 壳 (Volute)
三门峡水电站水轮机蜗壳
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蜗 壳 (Volute)
(一) 功用 使水流产生圆周运动，并引导水流均匀、轴对称 地进入座环。设置在尾水管末端。
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蜗 壳 (Volute)
(二) 型式
金属蜗壳和混凝土蜗壳。
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水电站发出的最大出力,是各台机组容量的总和
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思 考 题
观看视频并思考以下问题：
1、水电厂电能生产流程图？
2、水轮机的过流部件有哪些？ 3、水轮机的输出功率与水头H、流量Q有关，
那么混流式水轮机如何调节流量？
N N w 9.81QH
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水电厂电能生产流程图
2）转桨式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度） 适用范围：水头、流量变化大，特别是出力变化较大的大中型电站。 水头为3-80米
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斜流式水轮机
转轮区水流斜向流入，斜向流出。视频3
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斜流式水轮机
适用范围：适用于水头变幅大的电站，一般用于40-200m水头范围
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源自文库
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水斗式水轮机转轮
轮叶
轮盘
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可逆式水轮机
可逆式水轮机：又称水泵水轮机、发电电动机。它既可 作水轮机运行，又可作水泵运行，主要用于抽水蓄能电 站。可逆式水轮机也分为混流式、斜流式和轴流式3 种。其中以混流式应用最广,因为它的应用水头范围广 （30～600米）。
固定导叶与活动导叶
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三峡水轮机座环，重达300多吨，竖立的是座环固定导叶， 内侧安装活动导叶，座环中间安装水轮机转轮。
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座环
蝶形边
蜗壳分节
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导水机构（distributor ）
功用：
①引导水流按一定方向进入转轮； ②形成与改变进入转轮的速度环量； ③根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力； ④关机时截断水流。
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冲击式水轮机
定义：利用水流的动能来做功的水轮机。
工作原理：利用特殊的导水装置，将高压水流变为
高速射流，通过射流与转轮的相互作用 将水流的动能传递给转轮。
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冲击式水轮机
水斗式：喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水
制工况。
(3) 转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、 结构。
(4) 泄水机构(尾水管)：回收能量、排水至下游。
此外还有主轴、轴承等非过流部件。
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反击式水轮机的主要构造
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水流流动方向
上游水库 压力水管 水机构（导叶） 转轮 蜗壳 尾水管 座环 下游。 导
天然水流—坝—水库—取水口—有压隧洞—压力钢管—水轮 机—发电机—输变电装置—用户。
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有压引水式水电站示意图
1 —水库；2—闸门室；3—进水口；4—坝；5—泄水道； 6—调压室；7—有压隧道；8—压力管道；9—厂房；10—尾水渠
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第三节 水轮机的基本构造
水轮机主要由引水机构、导水机构、转轮和泄水机构组成。 (1) 引水机构（引水室(蜗壳) 、座环）： ①引导水流均匀、 轴对称进入导水机构； ②形成一定速度环量。 (2) 导水机构（导叶及控制设备)：调节流量、形成环量、控
特点：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动， 运行效率高，强度高，气蚀性好，但制造工艺复杂 技术要求高。
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水头 40—80m
60—130m
120—200m
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贯流式水轮机
水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出； 结构特点：水轮机主轴装置成水平或倾斜（卧式布置）；
斗作功。视频4
斜击式：喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。 双击式：水流两次冲击转轮。
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冲击式水轮机
类型： (1)水斗式：特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线 方向冲击转轮上的水斗作功。适用于负荷变化大而 水头变幅不大的电站。 它是唯一运用于水头在700米以上的水轮机。适用H： 100~2000m；使用最广泛（高水头，小流量） (2)斜击式：H：25-300m 斜击、双击水轮机构造简 单，效率低 (3)双击式：H：5-80m。 多用于小型电站。
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出力
1、水流出力N N=9.81QHg 2、水轮机输入功率 (通过水轮机的水流出力) N w QH 9.81QH 水流传给水轮机的能量 3、水轮机输出功率（水轮机出力） N=Nw×ηt
4、机组出力(单机容量)
N g 9.81QH
机组的最大出力
t g
5、水电站装机容量
组成：位于导叶的外围。由上、下环和立柱组成。 功用：支撑件和安装基准件。 ①承受发电机组轴向荷载
并传到下部基础； ②支承活动导叶；③使水流以一定方 向、轴对称进入导水机构
断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶
的一半。
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座环（Stay ring）
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定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为 反击式水轮机。 特征：转轮的叶片为空间扭曲面。流过转轮的水 流是连续的，而且在同一时间内，所有转 轮叶片之间的流道都有水流通过，积水流 充满转轮室。 原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、 方向均发生变化，因此动量也发生了改 变，水流产生反作用力，作用与每个转轮 叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。
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导水机构（distributor ）
组成：导叶和传动机构。
导叶：导水机构的主体，由导叶体和导叶轴两部分组成。 上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。 传动机构：由控制环、连杆、转臂三部分组成，用于传递 接力器操作力矩，使导叶转动，改变导叶开度以改变流量。 导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。
利用水流的动能进行工作； 斜击式 四川农业大学水建系 转轮露在空气中。
小结
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第二节
水轮机的工作参数
1、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数据。 2、水轮机的基本工作参数主要有水头、流量、转速、出 力、效率。
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工作水头(working head)