(机械制造行业)水力机械水电站

（机械制造行业）水力机械

水电站

第一篇水力机械

水轮机+发电机：水轮发电机组

功能：发电

水泵+电动机：水泵抽水机组

功能：输水

水泵+水轮机：抽水蓄能机组。

功能：抽水蓄能

水轮发电机组：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。

第一章水轮机概述

第一节水轮机的工作参数

水轮发电机组装置原理图

定义：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=9.81ηQH可知，基本参数：工作水头H、流量Q、出力N、效率η，工作力矩M、机组转速n。

一、水头(head)

1.毛水头(nominalproductivehead)

H M=E U-E D=Z U-Z D

2.反击式水轮机的工作水头

毛水头-水头损失=净水头

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

3.冲击式水轮机的水头

H G=Z U-Z Z-h I-A

其中Z U和Z Z分别为上游和水轮机喷嘴处的水位。

4.特征水头(characteristichead)

表示水轮机的运行范围和运行工况的几个典型水头。

最大工作水头：H max=Z正-Z下min-h I-A

最小工作水头：H min=Z死-Z下max-h I-A

设计水头(计算水头)H r：水轮机发额定出力时的最小水头。

平均水头：H av=Z上av-Z下av

二、流量(m3/s)(flowquantity)

单位时间内通过水轮机的水量Q。

Q随H、N的变化：H、N一定时，Q也一定；

当H=H r、N=N额时，Q为最大。

在H r、n r、N r运行时，所需流量Q最大，称为设计流量Q r

三、出力与效率(outputandefficiency)

1.出力(水轮机的输出功率)N：

指水轮机轴传给发电机轴的功率。

水轮机的输入功率(水流传给水轮机的能量)为：

水轮机的输出功率：

2.效率：

η=N/N w，一般η=80%~95%

四、工作力矩和转速

水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达

式中M——主轴力矩；ω——水轮机旋转角速度，

n——转速，n=3000/p；p——发电机磁极对。

数额定转速n：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，并与发电机的同步转速相等。

第二节水轮机的主要类型及其构造

一、主要类型

(一)、反击式水轮机(reactionwaterturbine)

定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机

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，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。

1.混流式

混流式水轮机

特征：水流流经转轮叶片时，从径向流入，而从轴向流出。

适用范围：H=30-450m,最高水头已接近700m，单机容量：几万kW-几十万kW。

特点：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。

三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW。是世界上单机容量最大的机组。

2.轴流式

特征：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

适用：大流量、低水头。一般水头在50m以下。

分类：

(1)轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。高效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站。

(2)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)。适用于大型水电站。

轴流转浆式水轮机转轮

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。

4.贯流式

特征：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。

适用：H<20m，小型河床电站。

贯流式机组分类：

(1)全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其密封困难，现在较少使用。

(2)半贯流式：

灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体内，使用较广泛，机组结构紧

凑，流道形状平直，水力效率高。

轴伸式贯流机组：发电机安装在外面，水轮机轴伸出到尾水管外面。

竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内。

(二)、冲击式水轮机(Inpulsewatertubine)

定义：利用水流的动能来做功的水轮机

特征：由喷管和转轮组成。

水流以自由水流的形式(P=P a)冲击转轮，利用水流动能(V的方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。不适宜调峰运行(讨论：为什么？)。

适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。

单喷嘴冲击式水轮机运行中

分类：

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。目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。

斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站。

水斗式水轮机

斜击式：由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。

斜击式水轮机转轮

双击式：水流两次冲击转轮。

双击式水轮机转轮

水轮机总分类图

二、水轮机的基本构造