水轮机概论

情景1 水轮机概论

1.1 水轮机基本参数

水轮机是把水流能量转换成旋转机械能的水力机械，是水电厂最主要的动力设备。水轮机主轴带动发电机轴旋转，利用发电机将机械能转换成电能。水轮机一般装在水电站的厂房内，如图1-1所示，当水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流的能量便传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转而做功。因为水轮机轴和发电机轴相连，水轮机便把它获得的能量传给了发电机，并驱动带有磁场的发电机转子转动而形成旋转磁场，发电机定子绕组切割磁力线而感应出电动势，带上外负荷后便输出了电流。 当水流通过水轮机时，水能即转变成机械能，这一工作过程的特性可用水轮机基 本参数来表征。其基本参数有：水头H 、流量Q 、功率P 、效率η和转速n 等。

1.1.1 水轮机水头H

1．净水头H

净水头是水轮机进口与出口测量断面的总水头差，即水轮机做功用的有效水头，用符号H 表示，单位为m 。图1-2为反击式水电站水轮机装置示意图。

对于反击式水轮机，进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ-Ⅰ断面，出口断面取在尾水管出口Ⅱ-Ⅱ断面，则净水头为

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=I I g g p Z g g p Z H II II II II I I 2222υαρυαρ （1-1） 式中：Z I 、Z II 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处相对于某基准的位置高度，m ；I p 、II p 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流体压强，Pa ； I υ、II υ分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处过流断面的平

图1-1 拦河坝式水电站坝后式厂房

1-水轮机；2-发电机；3-尾水管；4-桥机；5-引水道

均流速，m/s ；I α、II α分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的过流断面速度分布不均匀系数；ρ为水的密度，kg/m 3；g 为重力加速度。

净水头H 又可表示为：

1-∆-=A g h H H （1-2）

式中：H g 为水电站水头（毛水头）；1-∆A h 为水电站引水建筑物中的水力损失。

毛水头是水电站上、下游水位的高程差，用符号g H 表示，单位为m 。

2．额定水头H r

额定水头是水轮机在额定转速下，输出额定功率时的最小净水头，单位为m 。

3．设计水头H d 设计水头是水轮机在最高效率点运行时的净水头，单位为m 。

4．最大（最小）水头H max （H min ）

最大（最小）水头是在运行范围内，水轮机水头的最大（最小）值，单位为m 。

5．加权平均水头H w

加权平均水头是在电站运行范围内，考虑负荷和工作历时的水轮机水头的加权平均值，单位为m 。

图1-2 立轴反击式水轮机的工作水头

对于冲击式水轮机，以图1-3卧轴水斗式水轮机为例，净水头H 则为喷嘴进口断面与射流中心线（两者距离为a ）跟转轮节圆相切处单位质量水流机械能之差，即

II I I Z g g p a Z H -⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+++=I I 22υαρ （1-3） 1.1.2 水轮机流量Q

水轮机流量是单位时间内通过水轮机进口测量断面的水的体积，用符号Q 表示，单位为m 3/s 。即

υF Q = （m 3

/s ） （1-4） 式中：F 为水轮机过水断面面积，m 2；υ为过水断面平均流速，m/s 。

1．额定流量Q r

额定流量是水轮机在额定水头、额定转速下，输出额定功率时的流量，单位为m 3/s 。

2．水轮机空载流量Q o

水轮机空载流量是水轮机在额定水头和额定转速下，输出功率为零时的流量，单位为m 3/s 。

1.1.3 水轮机功率P

1． 水轮机输入功率P in

水轮机输入功率是水轮机进口水流所具有的水力功率，单位为kW 或MW 。

QH gQH P in 81.9==ρ (kW) （1-5）

2． 水轮机输出功率P out

水轮机输出功率是水轮机主轴输出的机械功率，单位为kW 或MW 。

由于水流在通过水轮机时会产生一部分损耗，包括容积损失、水力损失和机械损失，因此水轮机的出力P in 要小于水轮机的输入功率P out ，两者关系为

图1-3 卧轴水斗式水轮机水头

ηηQH P P in out 81.9== (kW) （1-6）

式中：η为水轮机效率，一个小于1的系数。

3． 额定输出功率P r

额定输出功率是在额定水头和额定转速下水轮机能连续发出的功率，单位为kW 或 MW 。

1.1.4 水轮机效率η

效率是水轮机输出功率与其输入功率的比值。它表示水流能量的有效利用程度，即

in

out P P =η （1-7） 水轮机的效率与设计、制造工艺及运行工况有关。对于某水轮机而言，在最优运行工况时水轮机效率最高，水轮机各效率中的最大值即最优效率。目前水轮机效率最高可达93%~96%。

1.1.5 水轮机转速n

水轮机转速是指水轮机转轮单位时间内旋转的圈数，用符号n 表示，单位为r/min 。额定转速n r 是水轮发电机组按电站设计选定的稳态同步转速。

水轮机的旋转方向是从发电机轴端看到的转轮的旋转方向。贯流式水轮机则从上游向下游方向看。水泵水轮机的旋转方向取水轮机工况的旋转方向。

1.2 水轮机的类型及应用

1.2.1 水轮机基本类型

水轮机属于水力机械中的一种，即水力原动机。不同的水头和流量，所适用的水轮机型式与种类也不一样。现代水轮机按水能利用的特征分为两大类，即反击式水轮机和冲击式水轮机，见表1-1。

1. 反击式水轮机

转轮利用水流的压力能和动能做功的水轮机是反击式水轮机。在反击式水轮机流道中，水流是有压的，水流充满水轮机的整个流道，从转轮进口至出口，水流压力逐渐降低。水流通过与叶片的相互作用使转轮转动，从而把水流能量传递给转轮。为减少水流与叶片相互作用时的能量损失，反击式水轮机的叶片断面多是空气动力翼型形状。反击式水轮机根据其适应的水头和流量的不同，又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种型式。

2. 冲击式水轮机

转轮只利用水流动能做功的水轮机是冲击式水轮机。冲击式水轮机的明显特征是：水流在进入转轮区域之前，先经过喷嘴形成自由射流，将压能转变为动能，自由射流以动能形式冲动转轮旋转，故称为冲击式。在冲击式水轮机流道中，水流沿流道流动过程中保持压力不变（等于大气压力），水流有与空气接触的自由表面，转轮只是部分进水，因此水流是不充满整个流道的。为适应于利用水流动能做功的需要，冲击式转轮叶片一般呈斗叶状。按射流冲击转轮叶片的方向不同可分为水斗式（切击式）、斜击式和双击式。