水轮机相关知识培训

水轮机类型、构造及工作原理
二〇一七年八月
目录
一
二 三 四
水轮机概述 水轮机分类及型号 水轮机结构
水轮机常见问题及分析
小结
五
1
一、水轮机概述
1、水力发电基本原理
水轮机获得旋转的机械能后带动发电机旋转，发电机便将旋转的机械能
转换成电能。
2 、水轮机的基本工作参数
当水流通过水轮机时，水流的能量被转换为水轮机转轮的机械能，就 把这一能量转换的过程的参数，来作为水轮机的基本工作参数。
冲击式水 轮机
7
7
反击式水轮机：反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连 续充满整个有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速 的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。当水流通过 水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。 混流式水轮机 如图1-1所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。 混流式水轮机应用水头范围较广，约为20～700m，结构简单，运行稳定且效 率高，是现代应用最广泛的一种水轮机。
座环
机坑里衬 蜗壳 预留坑
基础环
尾水管里衬
能转尾 量轮水 。出管 口作 水用 流： 中用 的来 剩回 余收
埋设件安装
11
11
2、导水机构
2.1 导水机构包括底环、顶盖、导叶、套筒、控制环等零件。
2.2 作用： ①、当机组的负荷发生变化时，用来调节进入水轮机转轮的水量，改 变水轮机的出力，使其与水轮发电机的电磁功率相应。 ②、正常与事故停机时，用来截断水流，使机组停止转动。 ③、水轮机运行时，使水流按有利的方向均匀地流入转轮。
18
18
气蚀的危害有那些：
①.破坏过流部件，使其机械强度降低，严重时使叶片穿孔，出现裂纹、缺
口、掉边甚至脱落。 ②.增加过流部件的粗糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下
降。
③.机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。 ④.缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性，消耗钢材、延长工期。
19
19
23
23
2.3. 泥沙磨损破坏的因素： ①.磨损物质的成分、颗粒大小、硬质、形状等。 ②.受磨材料的特性：指水轮机过流部件金属材料的内部组织及成分、粗糙 度、表面尺寸、硬度等。 ③.水流的一些特性：水流含泥沙的浓度、水流速度大小及方向等。 ④.运行方式的影响。当在非设计工况下运行时，会引起气蚀和磨损对机件 的联合作用，其表现为： a.气蚀和磨损联合作用时间在材料的汽蚀潜伏期内，这时材料破坏仅与水 流速度、泥沙含量及沙粒特性有关，即主要为磨损。
13
下环：下环将转轮的叶片练成整体，以增加转轮的强度和刚度，并与上冠一起形 成过流通道。 泄水锥：泄水锥作用是引导经叶片流道出来的水流迅速而又顺利地向下渲泄，防 止水流相互撞击，以减少水力损失，提高水轮机的效率。 止漏环：作用是减少转轮上下转动间隙的漏水量。 减压装置：作用是减少作用在转轮上冠上的轴向水推力，以减轻推力轴承的负荷。
式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。反击式
水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分 为水斗式、斜击式和双击式水轮机。
6
6
水轮机类型：
水流的压力能转 变为机械能
反击式水 轮机
水轮机
水流的高速射流动能 转变为机械能
混流式 轴流式 贯流式 斜流式 切击式 斜击式 双击式
20
20
气蚀的类型
①.翼型气蚀：水轮机叶片上某点压力降低到当时水温的汽化压力而产生的汽蚀。 翼型汽蚀部位：叶片背面靠出口处、叶片背面靠上冠处，少数发生在叶片正面及背面 其它部位。 危害：使叶片形成蜂窝、孔洞甚至掉边，影响水轮机效率。 原因：与叶片形状不合理、制造质量差、表面粗糙、长期偏离额定运行工况等。 ②.空腔汽蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成真空涡带， 涡带中 心压力降低到当时水温的汽化压力而产生的汽蚀。 空腔汽蚀部位：尾水管内壁。 原因：机组偏离最优工况运行及设计不合理等。 危害：引起尾水管中水流速度和压力的脉动，使水轮机功率波动，还可能造成尾水管 振动、基础、轴承的振动和主轴的摆动，机组产生强烈的噪音，使水轮机效率下降。
气蚀对过流表面产生的破坏作用
主要有以下三种： ①.机械破坏作用：大量气泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲 击，使过流通道的金属表面晶粒脱落，遭到严重破坏，称为机械破坏，又称 疲劳剥蚀。 ②.化学破坏作用：气泡被压缩，体积缩小，气泡破坏时水流质点相互 撞击，引起局部温度升高（可达到300℃），气泡的氧原子与金属发生化学 反应，造成腐蚀；同时由于局部温度升高，引起金属材料氧化。 ③.电化破坏作用：在发生气蚀过程，气泡溃灭时引起局部温度升高， 冷热端之间形成热电偶，冷热端间存在着电位差，在材料中有电流产生，引 起热电效应，对金属表面产生电解作用，形成电化学腐蚀。金属表面因电解 作用而发暗边毛糙，加速了机械作用的破坏。
16
16
7.3 机组设有下列信号装置：
7.3.1 当机组轴承温度上升至一定限度时，发出温度过高信号；
7.3.2 当机组轴承冷却水及主轴密封压力清洁水中断时，发出流量终止信号； 7.3.3 当机组轴承油位低于最低油位时，发出油位过低信号。
7.4 下列情况下关闭进水口阀门： 7.4.1 剪断销被剪断，导叶不能关闭时；
水轮机的基本工作参数主要有：工作水头H、流量Q、出力N、效率η、
转速n、转轮直径D₁等。
2
（1）工作水头H
水轮机进口端面与出口断面的单位能量差，称为水轮机的工作 水头。
（2）流量Q
单位时间内通过水轮机的水流体积称为流量，其代表符号为Q， 单位为m³ /s.
3
（3）出力P和效率Ƞ
水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号P表示，常用单位Kw。 水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力， 常用符号Pn表示，则Pn=rQH=9.81QH (Kw) （1-3） 由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗，所以水轮机出力P总是小于水 流出力Pn。 水轮机的输入和输出功率之比称为水轮机的效率，用符号Ƞ表示。 Ƞ=P/Pn （1-4） 由于水轮机在工作过程中存在能量损耗，故水轮机的效率Ƞ<1。 由此，水轮机的出力可写成P=PnȠ=9.81QHȠ（Kw）（1-5） 水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力，产生旋转力矩M用来克服发电机的 阻抗力矩，并以角速度w旋转。水轮机出力P、旋转力矩M和角速度w之间有以下 关系式 P=M w =M2π.n/60 （1-6） 式中 w ——水轮机旋转角速度，rad/s； M——水轮机主轴输出的旋转力矩，N· m； n ——水轮机转速，r/min。 4
子的转速n （r/min） 则感应电势每秒交变 频率为 f=pn/60 （Hz），又得： pn/60 次，即电势的 （r/min）
n=60f／p
5
5
二、水轮机分类及型号
自然界有多种能源，其中有很多式可以开发利用的，目前已被利用 的能源中主要有热能、水能、风能和核能。其中水能是一种最经济的能 源，水能的开发利用已受到越来越多的关注。我国有着丰富的水力资源， 对水能的开发利用已受到社会的广泛关注，对水能最重要的开发形式就 是兴建各种各样的水电站。水轮机作为将水能转换成旋转机械能的一种 水力原动机，是水电站中最重要的组成部分。根据转轮转换水流能量方
图1-1 混流式水轮机 图1-1 混流式水轮机 1—主轴；2—叶片；3—导叶 8
8
我厂的水轮机类型为混流式
混流式水轮机：混流式水轮机结构简单，运行可靠，效率高，应用于水 头范围宽阔，水流沿径向进入转轮而轴向流出转轮。与其他型式的水轮机相 比，当运行条件相同时，混流式的能量特性比水斗式好，面抗气蚀性能比轴 流式强，额定负荷时效率高。同时，它的结构简单，制造、安装方便，运转 可靠，因而得到广泛的应用。
水流
水流
9
水轮机型号：
水轮机型号：□ □－□ 1 2 □－□ 3 4 5
1、 水轮机类型 HL：混流式，XL：斜流式，ZD：轴流定桨式，ZZ：轴流转桨 式，GD：贯流定桨式，GZ：贯流转桨式 QJ：切击式，XJ：斜击式，SJ：双击式 2、 转轮型号（效率88%，水头以m计，出力以kW计的比转 速） 3、 主轴布置方式——L：立轴布置，W：卧轴布置 4、引水室特征——M：明槽引水，J：金属蜗壳，H：混凝土 蜗壳，P：灯泡式，G：罐式，S：竖井式，X：虹吸式，Z：轴 伸式 5、转轮标称直径（cm）
4
（4）转速n
水轮机的转速是指水轮机转轮在单位时间内旋转的次数，用n表 示，单位为 r/min.
如果当转子只有一对磁极时转子旋转一周，定子绕组中的感应
电势正好交变一次，所以电势每秒交变次数等于转子每秒的旋转次 数；当转子有P对磁极时转子旋转一周，定子绕组中感应电势交变P
次，所以电势每秒的交变次数等于转子每秒旋转次数的P倍，设转
14
14
4、主轴密封
主轴密封上设有检修空气围带及水压端面密封。与端面密封接触的转环上铺 设有不锈钢抗磨环，密封块为中硬耐油耐磨橡胶。由于水压作用，密封块摩擦后 可自行调整，以保证密封性能，密封面的润滑采用清洁水通水压力为 0.02~0.20Mpa,电站自行调整以保证较小漏水。
5、水导轴承
本机组采用Φ1250稀油润滑分块瓦轴承，该轴承具有温升小，运行平稳等 特点，运行中轴瓦温度不得超过（65）℃，油温不得超过（ 60 ） ℃。
形成沟槽，波纹或鱼鳞坑。
对混流式水轮机，磨损部位主要有叶片、上冠、下环内表面、抗磨板、导水叶 及尾水管里村。 2.2 泥沙磨损的类型及特征： ①.普遍的均匀磨损特征：表面磨薄、磨光或表面变粗糙及带有轻微波纹、条纹。 ②.局部的不均匀磨损特征：表面严重破坏，往往是在气蚀的联合作用下，使零 件表面有沟槽、大片鱼鳞坑或深坑等。
12
12
3、转动部分
转动部分包括转轮、主轴、护罩等部件。，其中转轮在转动部分极为重要， 以下单独讲解转轮。
转轮上冠：上冠的作用是上不连接主轴，下部支撑叶片并与下环一起构成过流
通道。 叶片（或称轮叶）：叶片是水轮机转轮实现水能转换的核心。叶片的粗糙度、 波浪度、尺寸、形状和厚度是否均匀、合理和一致，对水轮机的性能（如效率、 空蚀）都将产生不同程度的影响。 13
我厂水轮机型号：HLA743-LJ-395
10
10
三、水轮机结构简介
由于水轮机类型较多，这次培训主要讲述我厂的水轮机结构，总体来说水 轮机分为埋入部分、导水机构、转动部分、水导轴承、主轴密封、检修密封、 接力器及机组自动化等几个主要部件。
1、埋入部分
埋入部分由肘管、锥管、座环、蜗壳、机坑里衬等组成。
④.局部汽蚀：水轮机过流部件局部凹凸不平时，引起局部压力降低形成局部气蚀。 局部汽蚀的部位：局部汽蚀主要发生在转轮室连接处、叶片固定螺钉及密封螺钉 处。转轮上冠泄水孔后面。
22
22
Hale Waihona Puke Baidu
2、水轮机的泥沙磨损
2.1 定义：泥沙通过水流携带，高速流经水轮机过流部件时，对过流部件表面摩擦， 切削和由于局部高温使过流部件加速氧化，引起金属表面细微晶粒脱落，产生磨损
水导轴承作用：承受主轴传递过来的径向力和振摆力，维持机组的轴线位置。
15
15
6、控制部分
本机配有HYZ-4.0-4.0型油压装置和两套Φ500的直缸接力器，它们之间由管路联 结，并设有相应的自动化原件、信号反馈和报警系统。
7、机组自动化
7.1 机组的自动控制设备能远距离控制机组的启动、停机、事故停机及紧急事故停 机，能安全及按需要分配负荷。 7.2 机组在下列情况下需走事故停机 7.2.1 机组轴瓦温度超过允许限度时； 7.2.2 系统电气保护、机械保护动作时； 7.2.3 机组转速上升到额定转速的1.4倍时； 7.2.4 剪断销被剪断时。
21
21
③.间隙汽蚀：水轮机各过流部件的间隙处产生的气蚀。间隙汽蚀是水流通过狭窄 的间隙和较小的通道时，因局部流速增高，致使压力降低所产生的。 危害：使导叶上下端面间隙处，导叶关闭时立面间隙处，转轮止漏装置间隙等处 间隙扩大，漏水增加，机组不能停机，或影响水轮机效率。
原因：过流部件材质选用不合理、制造质量差、表面粗糙、间隙调整不当等。
7.4.2 主配拒动、调速器失灵时； 7.4.3 机组检修时。
17
17
四、水轮机常见问题及分析
1、水轮机气蚀现象
气蚀现象的定义： 在反击式水轮机的流道中，由于边界条件的变化，某些地方流速会增 加，致使压力降低。由于水中含有气蚀核（小气泡、空气等），当压力低 于汽化压力时水会发生变化，释放出蒸汽泡，溶解在水中的气体也会分离 出来，变成空气泡，这些蒸汽泡和空气泡的混合物，一般称为汽穴。这些 微泡的形成、发展、溃裂以及对过流表面所产生的破坏过程称为气蚀。