水力机械介绍

第一篇水力机械

第一章绪论

动能水轮发电机

水流能量机械能电能

势能水泵电动机

水水轮机+发电机————> 水轮发电机组。功能：发电

轮水泵+电动机————> 水泵抽水机组。功能：输水

机水泵+水轮机————> 抽水蓄能机组。功能：抽水蓄能

本篇重要内容：水轮机(turbine)

水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。研究的目的是充分利用水能资源，为厂房布置设计作准备。

第一章水轮机的主要类型、构造及其工作原理

§1.1 水轮机的工作参数(working parameters)

一、基本概念

水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流便把自己的能量传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转作功。

水流流经水轮机时，水流能量发生改变的过程——水轮机的工作过程。反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。

由水能出力公式: N=9.81QHη 可知，其基本参数包括：工作水头H、流量Q、出力N、效率η，此外还有工作力矩M、机组转速n。

二、工作

水头

(working

head)

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。根据能量方程可以推导出：

1、水电站的毛水头(nominal productive head)

H m=E A-E C=Z A+H A=Z上—Z下

2 、水轮机的工作水头(working head)

H G=E B - E D=H M - h A-B

毛水头- 水头损失=净水头(即水轮机的工作水头)

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。特征水头一般由水能规划计算确定。

最大工作水头：

H max=Z正—Z下min—h A-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:

H min=Z死—Z下max—h A-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)H r

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:

H CP =Z 上CP —Z 下CP 即上下游平均水位差。

三、流量(flow quantity)

单位时间内通过水轮机的水量Q(m 3/s)。Q=f(H ，N)

Q 随H 、N 的变化而变化，H 、N 一定时，Q 也一定，当H=Hr 、N=N 额时，Q 为最大。

四、出力与效率(output and efficiency)

1 出力N ： 指水轮机轴传给发电机轴的功率(输出功率)。

水轮机的输入功率(水流传给水轮机的能量)为：

QH N I 81.9=(kW)。

水轮机的输出功率：

QH N N I O ηη81.9==。

2 效率： η=N 0/N I ×100%

一般η=80%~95%。η<100%的原因：水流通过水轮机时，存在水头损失、水量损失、机械损失等各种能量损失。

五、工作力矩和转速(working moment and rotational speed) 水轮机的出力使主轴旋转做功，因此出力也可以用旋转机械运动公式来表达：

QH n M M N ηπϖ81.9602===

M ——主轴力矩，用来克服发电机对主轴产生的阻力矩；

ω——水轮机旋转角速度，

n ——转速，rpm(revolution per minute)，n =3000/p

p ——发电机磁极对数 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。

§1.2 水轮机的主要类型

水轮机主要利用水能做功，将水能转换为旋转机械能。列转轮进出口能量方程： )2()2(22222111g v p Z g v p Z H αγαγ++-++= 12)()(22

21221

1=-++

-+gH v v H p Z p Z ααγγ

即E p +E c =1。根据水流作用原理分：

冲击式：E p =0 E C =1 完全利用水流动能；

反击式：0

一、 反击式水轮机(reaction water turbine)

混流式 轴流式 1 特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流式连续的，而且在同一

时间内，所有转轮叶片之间的流道都由水流通过，积水流充满转轮室。

2 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。

3 类型：

(1)、混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。

适用范围：H=30~700 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，适用高水头小流量电站。（刘家峡）

(2)、轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

(a)、轴流定浆式：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。结构简单，效率低。适用H、Q变化不大的情况（工况较

稳定），H：3~50m。

(b)、轴流转浆式：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）。适用水头流量的变化，高效率区广，大中型电站多采用。

H：3~80m。（葛洲坝：17万kW、12.5万kW，Hr=27m）。

(3)、斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。H=40~120m。

(4)、贯流式：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。

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。