水轮机的基本常识(pdf 19页)

水轮机常识
1、类型：反击型和冲击型。

A、反击型：混流式、轴流式、斜流式、贯流式。

B、冲击型：水斗式、斜击式、双击式。

水轮机的型号直接代表了水轮机的类型及其特性，如下： 反击式
混流式：HL轴流转桨式：ZZ轴流定桨式：ZD 斜流式：XL贯流转桨式：GZ贯流定桨式：GD 冲击式
水斗式：CJ双击式：SJ斜击式：XJ
型号：HL100—LJ—210 HL：代表混流式水轮机100：转轮型号（也称比转速）LJ：立式金属蜗壳
210：转轮直径（210厘米）ZZ560—LH—1130
ZZ：轴流转桨式水轮机
560：转轮型号
LH：立式混凝土蜗壳
1130：表示转轮直径为1130厘米
冲击式水轮机基本参数
CJ47—W—170/2X15.0
混流式：适用于高中水头机组
混流式水轮机可用于15－700ｍ的水头范围，运行稳定，最高效率值大，在我国应用普遍。

缺点是最高效率区较窄。

轴流式：适用于低水头机组
轴流式水轮机可用于2－90ｍ的水头范围，运行稳定，最高效率区较宽。

缺点是结构复杂，特别是转桨式水轮机。

贯流式：适用于低水头的机组
贯流式水轮机可用于0.5－30ｍ的水头范围，过水能力大，效率较高，缺点是密封止水及绝缘要求高，适用于平原地区低水头大流量的电站和潮汐电站。

2、工作原理：
A、反击式：把水流能量转换成压能，在转轮叶片前后形成压差，使转轮旋转，把水流的能量转换成转轮旋转的机械能。

B、冲击式：高压水流通过喷嘴变为具有动能的自由射流冲击转轮叶片，并形成旋转力矩使转轮转动。

3、理论推导：
★功率N=9.81QH；
工作水头H、流量Q、出力N、效率、转速ｎ等
损失：容积（流量损失）、水力（水头损失）、机械损失（摩擦损失）；对应相应
的效率。

4、水轮机的能量转换
（水能转换为旋转的机械能）是靠转轮进出口的速度差或环量差（2πvr）来实现的。

5、水轮机主要部件
混流式水轮机由引水、导水、工作和泄水及附属装置组成。

主要有主轴、转轮、导轴承、导水机构、座环、基础环、蜗壳、尾水管、止漏装置、减压装置、密封装置以及附属装置（补气阀、紧急真空破坏阀）组成。

5.1引水部件
z引水部件主要包括蜗壳、座环和基础环。

它们的主要作用是以最小的水力损失将水流引向导水部件，提高水轮机的效率，并且在进入导水部件
时，使水流形成均匀的环量。

z蜗壳的作用：
1、保证水流以最小的水力损失把水引向导水部件，从而提高水轮机的效率。

2、尽可能保证沿导水部件的周围进水流量均匀，水流对称于轴，以合转轮受力均衡，提高工作的稳定性。

3、使水流在进入导水部件以前具有一定的环流，然后很顺利地进入工作转轮。

4、保证转轮在工作时，始终浸没在水中不会有大量空气进入转轮。

两种形式：金属和混凝土
z座环：位于蜗壳的内圈，活动导叶的外围。

由上环、固定导叶和下环焊接组合成环型体。

座环是水轮机的承重部件，也是机组安装的基准。

它承受水轮机固定部分的质量。

顶盖放置在座环上法兰上，在外圈法兰上通过均布的120个M72的螺栓与座环法兰把合。

在座环上法兰内侧面焊接有一密封环，此密封环与顶盖下法兰密封槽内φ16mm的“O”形圈形成密封防止流道内的水上溢。

下部通过连接环与基础环连接。

z基础环是座环与尾水管进口锥管段连接的基础部件，预埋在混凝土内。

同时基础环也是底环的安装基础部件，底环通过60个M36的内六角螺栓与基础环把合。

组成：座环、导叶及操作机构
导水部件作用是调节进入转轮的流量和形成转轮所需要的环量；
z座环作用：
1、是承受整个机组及其上部混凝土的重量以及水泵水轮机的轴向水推力
2、以最小的水力损失将水流引入导水机构
导水机构由顶盖、底环、导叶、连杆机构和接力器等组成。

导叶安放在转轮与座环之间上下由顶盖和底环上的轴套固定
通过接力器和连杆机构来操纵导叶的开关
是使水流进入转轮之前形成旋转并改变水流的入射角度
当机组出力发生变化时，用来调节流量。

正常与事故停机时，用来截断水流。

组成：转轮、主轴、密封
作用：工作部件作用是直接将水流能量转换为主轴旋转机械能的部件转轮是实现水能转换的主要部件，它将大部分水能转换成转轮的旋转机械能，并通过水轮机主轴传递给发电机。

主轴是承受水轮机转动部分的重量及轴向水推力所产生的拉力，同时传递转轮产生的扭矩。

主轴密封是水轮机关键部件之一，水轮机在运行过程中，其主轴密封的安全可靠运行，直接关系到水轮机是否安全运行
作用是：有效地阻挡尾水管中的水从主轴与顶盖之间的间隙上溢，防止水轮机导轴承及顶盖被淹，维持轴承和机组的正常运行。

主轴密封形式多种多样，如平板密封（映站）、端面密封、螺旋（水泵）密封、滑动架密封等。

检修密封是当机组检修、检查或由于主轴密封损坏时投入的一种密封，又称空气围带；当投入时压缩空气进入空气围带，使空气围带的凸出部位抱紧水导旋转油盆与之配合的加工面或大轴法兰，切断尾水以防水淹水车室。

5.4固定部分
顶盖、底环、座环、支持环等
顶盖主要作用：
形成流道并承受相应的流体压力
固定和支撑活动导叶及其连杆机构
支撑水导轴承
支撑并组成机组的密封，包括主轴密封、检修密封、上迷宫环等底环作用：
与顶盖一起形成过流通道
安装导叶下轴承
基础环（支持环）作用
在机组安装时放座环，成为座环的基础。

在水轮机安装及检修时，用来放置转轮。

5.5泄水部件
组成：泄水锥、尾水管
泄水部件作用是在转轮后形成真空，利用转轮出口到下游尾水位直接的位能和恢复转轮出口部分损失的动能增加效率。

尾水管位于转轮的下方是主要的通流部件，作用是引导进出转轮的水流。

水泵水轮机作水轮机运行时要求尾水管的断面为缓慢扩散型
5.6水轮机保护装置
水轮机保护装置是当机组在启停和运行过程中发生危及设备和人身安全的故障时，自动采取保护或联锁措施，防止事故产生和避免事故扩大，从而保证人和设备的安全不受损害或将损害降到最低限度。

1、事故配压阀
2、主阀
3、剪断销
4、真空破坏阀
5.7水轮机气蚀、振动的原因及预防措施
1、气蚀原因与预防：
外因是水流压力下降到该水温下的汽化压力，内因是水中存在有气体空泡。

分为翼型、间隙、空腔、局部气蚀。

预防措施：是合理拟定水电站运行方式和采用汽蚀补气（主轴中心自然补气、尾水管补气）；检修时应定期及时检修修补气蚀部位。

提高检修工艺，在叶片上涂刷抗气蚀涂料
2、振动原因与预防：
分机械、水力、电气振动。

机械方面的原因是转子质量不平衡、轴线不正、轴承缺陷、主轴刚度不够；
水力方面原因是水力不平衡、空腔气蚀、涡列、间隙射流；
电气原因是不平衡电磁力引起。

预防措施：
查明机械原因消除；水力方面采用补气、调整间隙、避免振动区（35%～75%）；电气方面调整好圆度和空气间隙均匀。

东方电气发电机组
1.水轮发电机组
1.1混流式水轮机
混流式水轮发电机组是开发中、高水头，中等流量水力资源的良好机型，在水电站中运用极为广泛。

其中，最大转轮直径达4.75米，单机最大容量达90MW。

一、优选机型
我公司拥有数百个各种水头段不同含沙量的混流式转轮全套模型资料，其中包括当今国内外最优秀的转轮，完全可以根据不同电站的水头、流量、泥沙含量及电站运行方式的需要，择优选择最佳机型，保证电站具有最高的能量指标，良好的抗空蚀性能和运行稳定性，同时，我公司还与哈电、东电、水科院、天传所、安德利兹、维奥等转轮研制开发厂密切合作，寻求关键的技术支持，确保电站的各项性能。

二、优化设计方案
混流式转轮运行范围宽广，不同电站水头、容量、转速区别很大，为适应不同电站的特点。

我公司从经过运行验证的电站中特别按水头、出力、转速分类，形成典型的混流式水轮机结构系列。

三、结构设计特色
纵观国内、外混流式水轮发电机组，运行中最容易出现空蚀、振动、轴承温升过高、密封漏水等问题。

经过多年探索和不断革新，我公司已完全掌握了解决以上问题的办法，每一个电站均可根据其具体特点，采取相应的对策。

（一）、防止泥沙磨损及汽蚀、振动的主要措施有：
1、选择无明显振动区的转轮或避开明显振动区运行
2、合理确定轴系刚度及控制轴系摆度。

3、根据泥沙含量的大小及过流部件的流速合理选择抗磨材料。

4、大轴中心孔补气、尾水十字架补气、尾水管边壁补气等补气方式的合理选择。

5、尾水管新型补气射流装置消除空腔涡带的运用。

（二）、防止轴承温升过高的措施
电站能否安全稳定运行，轴承是非常关键的部件。

为适应各电站布置、运行的需要，我公司设计开发了与之配套的各种规格轴承，主要分为筒式及分块瓦式稀油润滑轴承。

每一种型式又按轴颈大小、承载能力高低及润滑油内外循环方式分为若干档，以适应各种机组的需要。

这种轴承系列产品开发方式有许多优越性，可以缩短电站开发周期，提高运行可靠性。

我公司着手新电站的轴承设计，只需根据结构设计的需要，以一种模板为基础，通过轴承承载能力计算及热平衡计算，适当调整轴承的长径比及轴承瓦隙即可设计出满意的轴承。

此外，对于大型机组，轴承处线速度高，导致轴承损耗高，对冷却容量要求大，布置困难，运行风险性高。

为此，我公司开发了新型的多圆弧段抛物线筒式轴承，该多圆弧型线段抛物线轴承的优点是：润滑油容易进入瓦隙，形成油膜，保证轴承的承载能力。

同时，由于圆弧段的变化，在油槽的末段，圆弧收缩，热油迅速上升至瓦面，排离轴瓦。

这样，热油不会存积在轴瓦与轴领之间，形成窝油现象，热交换充分。

因此，可以在L/D 值较低的情况下，实现热交换，使轴承结构紧凑，维护方便，机组运行可靠。

（三）、主轴密封
水压式端面密封是我公司混流式水轮机的主要密封型式，其固定部分采用耐磨不
锈钢材料，密封块采用耐磨橡胶，运行时需通入0.1~0.3Mpa清洁压力水。

密封块为自动补偿型。

运行表明：这种型式的密封运行可靠，效果良好。

对高水头、多泥沙电站，我公司还专门研制了水压式端面密封与水泵密封相结合的复合型密封。

端面密封靠清洁压力水顶起密封块止水，水泵密封布置在水轮机端大轴法兰处，能有效降低进入主密封的漏水量和漏水压力，避免了由于主密封漏水压力太高而使密封块的偏磨，有效地阻止了泥沙进入主密封，从而减轻密封块的磨损，延长其使用寿命。

对大容量多泥沙电站，我公司还研究开发了无接触密封和泵板密封。

该结构的特点是：轴封的静止部分和转动部分不接触，这样密封有极长的寿命。

该密封不需检修，在正常运行时不需冷却或润滑，转轮上的泵板装置可防止水和固体进入主轴密封，在正常运行时，轴密是干的，顶盖卸压系统可防止沙或固体物质积存在水机顶盖下，离心作用可使轴密封不接触水中的沙和其它固体物质。

电站运行表明：该结构对高水头、多泥沙电站非常适用。

近年来，我公司还广泛采用加拿大赛龙轴承公司研制的赛龙SXL材料取代耐磨橡胶。

赛龙SXL是一种具有弹性的聚合物非金属材料，其特有的聚合物结构具有所有超高性能橡胶的基本性能，极具弹性，且有自润滑能力，能极大地降低摩擦系数，比橡胶能承受更高的压力及耐磨耐腐蚀能力。

最突出的优点是经久耐磨、寿命极长，不用经常更换密封块，且可以通过机械加工成形。

该材料密封块在贵州2台单机40MW、云南2台单机60MW、土耳其4台单机50MW的机组中使用，受到用户较高的评价。

（四）、导叶摩擦装置
剪断销结构是行业普遍采用的、有效的导叶保护方式。

近年来，我公司研制了导叶摩擦装置，通过多个电站使用，取得良好的效果。

导叶摩擦装置的工作原理是：取消剪断销，正常运行时，导叶转动靠摩擦力传动，当导叶间卡入异物时，导叶与连板相对滑动，摩擦装置会位移并保护导叶不受破坏，其它导叶仍活动自如。

发卡的导叶位移并发出讯号，运行人员据此可清除导叶间的异物，全部导叶就能自动回复到正常位置。

与导叶剪断销保护方式比较，操作更简单，不需更换零件，同时消除了剪断销破坏后，导叶在水流中摆动相互撞击的风险，同时，还可取消导叶限位装置，使结构更简单。

（五）、摩擦联轴
为保证大型混流式机组转轮与主轴联接更可靠，结构布置更紧凑、合理，电站检修装拆更方便，我公司探索并成功使用了摩擦联轴方式。

该联轴方式的特点是：转轮与主轴间取消传动键，扭矩完全靠摩擦力传动。

这样，完全消除了因转轮与主轴配键而产生的轴系误差，同时，还避免了使用打击扳手而产生的受力不均，难以准确控制预紧力及装拆困难。

取而代之的是一套专用液压拉伸工具，可以从该工具的仪表读数中精确检测预紧力，各联接螺栓受力均匀，安全可靠，并且装拆非常简单。

我公司在云南的2台单机70MW和3台单机80MW的机组使用后，受到用户好评。

1.2轴流式水轮发电机组
公司累计为100多个电站提供单机容量4万KW左右及以下的轴流式水轮发电机组，其中多套机组远销日本、欧美及东南亚国家和地区。

轴流式水轮机是我公司主要水轮机产品之一。

上个世纪80年代以来，经过二十多年的发展，我公司轴流式水轮机产品日趋完善：覆盖出力从100kW～50000 kW，覆盖水头从3m～50m，
一、我公司有特色的机组设计、制造情况：
电站名称型号水头（m）额定出力（kW）转速(r/min)
越南斯瑞博4电站 ZZD471-LH-580 21.4/17.5/16.09 41240 100
夹江千佛岩 ZZ660-LH-550 16.1/18/19.9 3×34000 107.1
洪雅百花滩电站 ZZJK508-LH-540 25.2/21.5/18 3×40000 115．4
洪雅城东电站 ZZ560A-LH-510 13/15.5/18 3×25000 115.4
雅安大兴电站 ZZ560A-LH-500 9.55/17/18.77 3×25000 115.4
洪雅高凤山电站 ZZ560A-LH-500 9.55/17/18.77 3×25000 115.4
越南洛富明 ZZD233-LH-455 11.2/19.3/22.2 2×25500 136.4
土耳其蒙太奇 ZZJK508-LH-330 19.5 3×13500 187.5
高县来复电站 ZZ500-LH-300 16.3/22.6/25.1 3×10000 214.3
越南堆林 ZZJK508-LJ-275 16.5/18.5/20.9 2×8000 214.3
台湾名间电站 ZZA834-LJ-220 27.6/31.6/33.5 2×9000 272.7
伯里兹洽利洛 ZZA315-LJ-150 13/38 2×3500 375
二、材料选用方面
我公司近十年来同沈阳铸造研究所合作开发研制了适用于水轮机通流部件的抗磨蚀性能优良的不锈钢材料，并通过科学、合理的热处理工艺提高材料的表面硬度，进一步提高抗磨蚀性能。

这些新材料、新工艺在水轮机转轮、顶盖抗磨板、底环抗磨板以及导叶等通流部件上的应用，大大延长了机组大修期及使用寿命。

三、机组选型
我公司经过20余年的设计、制造以及电站实际运行，在机组方面积累了丰富的经验。

为此，可针对电站的运行特点，水流的泥沙特性，为用户选择合适的转轮。

同时，我公司与国内哈电、东电、水科院等转轮研制开发厂家保持着良好的合作关系。

能根据业主的特殊需要，有针对性的提供水力性能、抗空蚀、磨损性能优良转轮。

四、技术改进及新技术
①在模型试验基础上,我公司将有意识地加大导叶布置圆，可降低经过导叶的流速，对磨蚀有利；利用三维软件，使转轮体内腔布置紧凑、合理，可减小转轮轮毂比。

同时，转轮体在叶片转角范围内堆焊不锈钢，可有效降低气蚀和磨损。

②利用我公司的大型液压设备，转轮室中下段采用不锈钢球面结构，取代传统的锥管过渡结构，模压成型。

该方法可使转轮室型线准确，壁厚均匀，安装运行稳定性好。

同时由于该方法加工量小，可节约大量的不锈钢，降低成本，让利与用户。

③水轮机转轮叶片及流道可采用专利喷涂技术，极大地提高了过流表面抵抗汽蚀、抗磨损性能。

经陕西茨坪电站等多个电站长期运行表明，汽蚀、磨损小，有效减轻了汽蚀、泥沙磨损的危害。

特别适用于多泥沙电站。

④顶盖、底环不锈钢抗磨板可根据业主的需要，采用我公司研发的新型可拆卸结构，该结构中可拧断螺栓能有效保证抗磨板不出现因水压导致的变形挤压现象，同时拆装维护方便。

该结构已多次运用在日本等国的机组上。

⑤主轴密封采用新的结构设计，运行时保证密封能自动补偿运行磨损，将漏水量控制在允许范围之内，采用新型高分子材料，有效解决了传统橡胶密封存在的问题。

新型高分子材料的优点在于：超强耐磨，能完全满足35000h长寿命使用；抗泥沙磨损，寿命长；摩擦系数极低，水润滑时系数为0.01~0.05，远远低于橡胶等传统材料；无吸水膨胀现象；工件100%UT探伤，保证产品质量可靠，在使用中不会出现剥落和段裂； 100%经过回火处理，释放了材料的内应力，保证加工后工件不变形；不老化，储存数十年，性能不发生变化，适合做备件。

⑥转轮活塞密封取消传统的活塞环密封，通过结构和材料方面的改进，采用新型的组合密封，该结构导向性好，密封性能优异，困扰机组长期、安全运行的窜油情况在我公司得到根除，提高了机组运行的安全性，节省了电站运行成本。

新型的转轮浆叶密封结构，解决了油水窜腔的问题，并且摩擦阻力减小，启闭更为灵活。

⑦在水导轴承上改进轴承结构，解决了由于偏心泵现象引起的损失和甩油现象，因势利导的设置轴承均压孔，解决油雾外逸问题，优化轴瓦支撑结构，长期运行时，轴瓦不会出现松动现象。

对于大型机组，轴承处线速度高，导致轴承损耗高，对冷却容量要求大，布置困难，运行风险性高。

为此，我公司开发了新型的多圆弧段抛物线筒式轴承。

该多圆弧型线段抛物线筒式轴承的优点是：润滑油容易进入瓦隙，形成油膜，保证轴承的承载能力。

同时，由于圆弧段的变化，在油槽的末段，圆弧收缩，热油迅速上升至瓦顶面，排离轴瓦。

这样，热油不会存积在轴瓦与轴领之间，形成窝油现象，热交换充分。

因此，可以在L/D 值较低的情况下，实现热交换。

由此带来的好处是：轴承结构紧凑，维护方便，机组运行可靠。

⑧新型的受油器浮动轴套，在保留其不撇劲优点的同时，解决了其磨损后漏油量大的问题。

该受油器从在技术上存在以下几点优势：采用同步旋转技术、压差平衡技术、端面密封技术、微间隙导向技术；从在工艺上看存在以下几点优势：表面镀耐磨铬技术、镜面磨削技术、伸缩采用进口YX密封。

⑨通过改进导叶接力器与控制环处的轴承结构，改变控制环圆周方向的导向轴承的布置，以减小不平衡力的影响。

通过调配两导叶接力器进油的比例，使其运行平稳。

控制环跳动的问题在我公司机组上得到了有效的解决。

1.3贯流式水轮发电机组
公司累计为10多个电站提供单机容量4万KW左右及以下的贯流式水轮发电机组，其中最大转轮直径达6.7m。

贯流式水轮机结构简介
我公司经过多年的设计、制造和电站实际运行，以及与国际顶级贯流机技术公司如安德里兹公司、日立公司等合作，在机组设计、制造、服务等方面积累了丰富的经验，形成了具有东风特色的水轮发电机组。

（1）材料选用
我公司十多年来同沈阳铸造研究所合作开发研制了适用于水轮机通流部件的抗磨蚀性能优良的不锈钢材料，并通过科学、合理的热处理工艺提高材料的表面硬度，进一步提高抗磨蚀性能。

这些新材料、新工艺在水轮机转轮以及导叶等通流部件上的应用,大大延长了机组大修期及使用寿命。

（2）结构、工艺
A、为了提高过流面加工精度及零部件本身刚、强度，严格控制叶片正、背面型线和导叶加工精度，使通流部件的磨蚀性能得到很大的提高，叶片和导叶型线精度可根据
业主要求，采用数控加工。

B、主轴密封采用新的结构设计，运行时保证密封能自动补偿运行，将漏水量控制
在允许范围之内，采用新型高分子材料，有效解决了传统橡胶密封存在的问题。

同时，针对贯流式机组布置特点，汛期含沙量大，独立开发了泵组联合密封，该密封结构在黄河上游的沙坡头电站得到应用，密封效果非常理想。

C、转轮活塞密封取消传统的活塞环密封，通过结构和材料方面的改进，采用新型
的组合密封，该结构导向性好，密封性能优异，使困扰机组长期、安全运行的窜油情况在我公司得到根除，提高了机组运行的安全性，降低了电站运行成本。

新型的转轮浆叶密封结构，解决了油、水窜腔的问题，并且摩擦阻力减小，启闭更为灵活。

D、新型的受油器浮动轴套，在保留其不撇劲优点的同时，解决了其磨损后漏油量
大的问题。

该受油器从技术上看，存在以下几点优势：采用同步旋转技术、压差平衡技术、端面密封技术、微间隙导向技术；从工艺上看存在以下几点优势：表面镀耐磨铬技术、镜面磨削技术、伸缩采用进口YX密封。

E、通过改进导叶接力器与控制环处的轴承结构，改变控制环圆周方向的导向轴承
的布置，以减小不平衡力的影响。

通过调配两导叶接力器进油的比例，使其运行平稳。

F、同时，我公司在贯流式机组上还具有导叶轴颈的新型密封结构技术，导叶轴线
的自动调整技术，机组转动部分的自动调心技术等新型结构技术。

（3）机组的调峰优势
我公司机组超发能力强，调峰能力强，可根据用电负荷的变化随时改变机组的负荷。

（4）新型轴承研究
我公司联合各大专院校、专业制造公司、研究所，研究、开发新的轴承材料，如我公司已成功研制出氟塑料推力瓦，氟塑料导轴瓦。

为了达到运行更可靠、对环境无任何污染的目的，我们正在研究具有国际先进水平的磁悬浮轴承技术。

1.4冲击式水轮机系列
冲击式水轮机是我公司主要水轮机产品之一。

上个世纪80年代以来，经过二十多年的发展，我公司冲击式水轮机从单喷嘴到六喷嘴，产品型式日趋完善：卧式水轮机出力达6300kW，立式水轮机出力达80000kW，覆盖水头从100m～1100m，我公司冲击式水轮机组遍布全国各地并远销巴基斯坦、尼泊尔、古巴、土耳其、越南、印度等多个国家，六十多个电站现在已经先后成功发电，受到电站好评。

经过二十多年的努力，我公司在冲击式水轮发电机组的开发、设计、制造方面积累了宝贵的经验，形成了具有东风特色的水轮发电机组。

a、我公司有特色的冲击式机组设计、制造情况：
序号电站名称
水头
(m)
转速
（r/min）
水轮机
型号
发电机
型号
备注
1 广西南山一级950 750 CJA237a-L-165/4×10 SF30-8/3100 在制
2 凉山可河398 500 CJA237-L-160/4×14.5 SF18-12/3250 运行
3 云南妥洛520 600 CJA237-L-150/4×11 SF15-10/3250 运行
4 广西银河472 600 CJA237F-L-155/4×11 SF12.5-10/3250 运行。