水轮机分类和结构(水电站培训资料)

水轮机分类和结构一、水轮机分类1、按能量方式转换的不同，它可分为反击式和冲击式两类。

反击式利用水流的压能和动能，冲击式利用水流动能。

反击式中又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种。

冲击式中又分为水斗式、斜击式和双击式三种。

2、混流式：水流从四周沿径向进入转轮，近似轴向流出。

应用水头范围：30m~700m。

特点：结构简单、运行稳定且效率高。

3、轴流式：水流在导叶与转轮之间由径向运动转变为轴向流动。

应用水头：3~80m。

特点：适用于中低水头，大流量水电站。

分类：轴流定桨、轴流转桨4、冲击式：转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已经转变为高速射流，冲击转轮叶片作功。

水头范围：300~1700m。

适用于高水头，小流量机组。

5、水轮机主轴布置形式分类（1）水轮机按主轴的布置形式又可分为卧式和立式两种（也称横轴和立轴）。

立式布置得水轮发电机分为悬式和伞式两种。

（2）悬式发电机的推力轴承位于发电机转子上部的上机架上或上机架中。

伞式发电机的推力轴承位于转子下部的下机架中，或用支架支承在水轮机顶盖上。

伞式发电机又分普通伞式（其上、下导轴承分别位于上、下机架中），半伞式（只用上导轴承，它布置在上机架中，无下导轴承；我厂机组为此类型）和全伞式（只有下导轴承，它布置在下机架中，无上导轴承）。

二、水轮机主要基本参数1、工作水头H是指水轮机进、出口断面处单位重量水体的能量差，单位是米（m），典型工作水头有以下：（1）最大水头（Hmax）：水轮机运行范围内允许出现的最大净水头。

（2）最小水头（Hmin）：水轮机运行范围内允许出现的最小净水头。

（3）设计水头（H设）：水轮发电机组发出额定功率时的最小水头。

2、流量Q是指单位时间内，通过水轮机某一既定过流断面的水量，单位是立方米/秒。

3、出力N是指水流在单位时间内所做的功（功率），其大小与水轮机的水头，流量有关，单位为千瓦。

计算公式：N=9.81QHn4、效率是指水轮机总效率，是水轮机输入功率与输出功率之比，其值总是小于1，因为水轮机在工作过程中不可避免地要产生一些能量损失，主要包括：（1）水力损失：即水流经过蜗壳、导水机构、转轮、尾水管的水头损失。

（2）机械损失：即水轮机转动部分的摩擦损失。

如转轮与水流之间、轴与轴承之间，止漏装置之间的摩擦损失。

（3）容积损失：转轮与固定部件因漏水而造成的损失。

5、转速是指水轮机转轮在单位时间内的旋转周数，以n 表示，单位为转/分。

三、水轮机型号1、根据JB84-74《水轮机型号编制规定》，水轮机型号由三部分组成。

第一部分代表水轮机的型式和转轮型号。

常见有：混流式，用HL表示；轴流转桨式，用ZZ表示；贯流转桨式，用GZ表示；水斗式，用CJ表示；等等。

第二部分代表水轮机主轴的布置形式和引水室的特征。

常见有：立轴，用L表示；卧轴，用W表示；金属蜗壳，用J表示；混凝土蜗壳，用H表示；等等。

第三部分表示水轮机转轮标称直径D1（cm）。

2、水轮机牌号示例：HL220-LJ-550,表示转轮型号为220 的混流式水轮机、立轴、金属蜗壳、转轮标称直径为550cm。

ZZ560-LH-800,表示转轮型号为560 的轴流转桨式水轮机。

立轴、混凝土蜗壳、转轮标称直径为800cm。

四、混流式水轮机四大过流部件和作用1、引水部件组成：蜗壳、座环作用：以较小的水力损失把水流均匀地、对称地引入导水部件，并在进入导叶前形成一定的环量。

2、导水部件组成：导叶及其操作机构、顶盖、底环作用：调节进入转轮的流量和形成转轮所需的环量3、工作部件组成：转轮作用：直接将水流能量转化为旋转的机械能4、泄水部件组成：泄水锥、尾水管作用：引导水流进入下游，尾水管同时还在转轮后形成真空，利用转轮出口到下游尾水之间的位能，恢复转轮出口处的部分动能损失，以提高效率。

五、混流式水轮机主要结构混流式水轮机主要由转轮、主轴、导轴承、主轴密封、座环、蜗壳、顶盖、底环、泄流环（基础环）、止漏环、抗磨板、导叶及其操作机构、机坑里衬、机坑内环形吊车、尾水管等组成。

1、转动部分：转动部分是机组的核心组成部分，是水能转换成机械能/电能的关键。

转动部分及其相关部件主要包括：转轮、主轴、主轴密封等。

2、转轮：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。

水轮机的转轮是将水能转换成机械能。

转轮组成：混流式水轮机转轮主要由叶片、上冠、下环、泄水锥、减压装置和止漏装置组成。

叶片是水轮机转轮实现水能转换地核心，叶片的光洁度、波浪度、尺寸、形状等对水轮机的性能将产生不同程度影响。

上冠的作用是上部连接主轴，下部支承叶片并与下环一起构成过流通道。

下环将转轮的叶片连成整体，以增加转轮的强度和刚度，并与上环一起形成过流通道。

泄水锥作用是引导经叶片流道出来的水流迅速而顺利向下宣泄，防止水流相互碰撞，以减少水力损失，提高水轮机的效率。

减压装置作用是减少作用在转轮上冠上的轴向水推力，以减少推力轴承的负荷。

3、主轴：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。

5、主轴密封：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。

6、检修密封：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。

7、固定部分：顶盖、底环、座环、支持环等。

8、埋入部分：蜗壳、座环等。

9、水轮机导轴承作用：一是承受机组在各种工况下运行时通过主轴传过来的径向力；二是维持已调好的轴线位置。

10、筒式水导轴承循环方式：筒式瓦的油循环方式是采用自循环，润滑油的自循环工作原理：当机组运行时，安装在大轴上的水导轴承旋转油盆与大轴一起旋转，旋转时油盆中油也跟着旋转，由于离心力的作用，油盆中的油位形成边缘高，中心低的状态，即形成一个抛物面。

在压差的作用下，油经固定不动的轴承体圆周外部的进油孔进入瓦面的下环形油槽，由于大轴的转动使油沿轴瓦面上的斜向油沟上移，并流经整个瓦面，使大轴与轴瓦之间的润滑良好，同时带走热量，热油流到上环形油槽经排油管流至冷却器，热油经冷却后通过进油管进入油盆，以上润滑油的路径为一次工作过程。

机组运行时润滑油如此往复进行不停的循环，来满足轴承的运行需要。

11、导水机构组成：由导水机构由顶盖、底环、导叶、连杆机构和接力器等组成。

12、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。

13、底环作用：与顶盖一起形成过流通道，安装导叶下轴承。

14、基础环作用：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。

15、尾水管：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。

六、水轮机保护装置水轮机一般装设有事故配压阀、快闸、剪断销和真空破坏阀等保护装置。

各保护装置的作用1、事故配压阀（又叫过速限制器）是防止水轮机长期在飞逸转速下运行的有效措施。

机组正常运行时，事故配压阀仅作为压力油的通道，使调速器主配压阀通至接力器的管道接通；当机组甩负荷并遇到调速器故障时，事故配压阀动作，切断主配压阀与接力器的联系，而直接把压力油从压油装置接入接力器，使接力器迅速动作关闭，实现机组紧急停机。

2、快闸作用是当机组过速达到额定转速的140％时，关闭快闸，截断水流，使机组停机，以缩短水轮机在过速或飞逸转速下运行时间，起到对水轮机的保护作用。

3、剪断销保护装置是由剪断销及其信号器组成。

导叶传动机构中连接板与导叶臂是由剪断销连接的。

正常情况下，导叶在动作过程中，剪断销有足够强度带动导叶转动，但当导叶间有异物卡住时，导叶轴和导叶臂不能动，而连接板在叉头带动下转动，因此对剪断销产生剪力，当该剪力大于正常操作应力的1.5倍时，剪断销剪断，该导叶脱离控制，但其它导叶仍可正常转动，避免事故扩大。

3、真空破坏阀作用是机组甩负荷或因其它原因紧急停机，导叶迅速关闭时，水流由于惯性继续向下游流去，在转轮室内产生很大真空，转轮室内尾水在差压的作用下，尾水水流又反流向转轮室冲击转轮叶片及顶盖，将产生很大的冲击力，出现抬机现象。

真空破坏阀，就是用来补气，以起到对水轮机保护作用。

七、水轮机的汽蚀在一定压力下的液体，当温度升高到一定值时，便开始沸腾；反之，当温度不变而压力降低到一定值时，也会汽化。

在一定温度下，水开始汽化时的临界压力称为汽化压力。

水流在水轮机内运动过程中，局部地区会产生压力下降的情况。

当压力下降到汽化压力时，水由于汽化而产生汽泡。

由于低压区的形成和高速水流的运动，使得汽泡和气泡也在不断地运动。

运动中汽泡和气泡会突然压缩或突然膨胀，甚致骤然消失，在这一瞬间，水分子将会产生巨大的撞击力，如果这种撞击力指向金属表面，则金属表面会受到不断的冲击，使金属表面遭到破坏，这就是汽蚀现象。

汽蚀破坏首先使金属表面失去光泽而变暗，接着毛糙进而发展成麻点，形成海棉状的蜂窝孔，直至完全破坏。

按汽蚀发生地部位，水轮机汽蚀分为三种类型：1、翼型汽蚀:混流式水轮机的翼型汽蚀主要发生在叶片背面靠下环处的泄水边附近；严重时在叶片背面其它部位也将发生汽蚀；甚至在叶片正面也会产生汽蚀。

2、空腔汽蚀：它指尾水管中心空腔处由大的水流涡带产生的汽蚀。

空腔汽蚀主要发生在叶片出口下环处及尾水管进口处。

运行人员常在巡检时可以直接听到尾水管直锥段处听到空腔汽蚀引起的撞击声。

3、间隙汽蚀：是指水流通过狭窄间隙或绕过固体凹凸表面时，由于流速局部升高引起局部压力降低形成的汽蚀。

常发生在水轮机的某些局部位置。

如混流式转轮和上、下冠止漏环间隙等地方。

防止汽蚀措施在运行方面主要措施如下：1、合理拟定电站运行方式，避开可能产生严重汽蚀的运行工况区域。

2、采用补气装置，向尾水管送入空气，以破坏尾水管中高真空的水流涡带。

4、提高检修工艺水平，保证检修后的叶片的表面光洁度以减轻汽蚀。

4、在叶片上涂刷抗汽蚀涂料，如环氧树脂等。

八、水轮机振动原因水轮机振动有机械、水力、电气三方面因素引起的。

1、机械方面：由于主轴弯曲、推力轴承调整不良、轴承间隙过大、主轴法兰连接不紧等引起低转速时的振动；因转轮等旋转件与静止件相碰而引起振动并伴有响声；转动部分重量不平衡引起的，随转速上升振动增大。

2、水力方面：尾水管中水流涡带引起压力脉动引起的振动；涡列引起的振动；转轮止漏环间隙不均匀引起的振动。

3、电气方面：气隙不均匀、短路等引起的振动。