水轮机及讲解

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水流特征、转轮结构特征和工作方式分类
反击式
混流式 轴流式 斜流式
蜗壳:引水 导叶:调节流量 转轮:能量转换 尾水管:泄水
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水轮机的主要工作参数
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水轮机的主要工作参数有5个
水轮机出力 水轮机工作水头 水轮机流量 水轮机效率 水轮机转速
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水轮机出力：水轮机传给发电机的功率
• 水体能量扣除水轮机的能量损失
• 设在 t时段内有W的水体从1-1断面流过2-2断 面，因此，该段水体W所提供的能量为：
• 水轮机有各种类型的原因是什么？
• 水能利用的条件千差万别，最重要的特点是
– 水头有高有低，高者水头上千米，低者数米 – 流量有大有小，大者几千立方米每秒，小者不到一
立方米每秒
• 各种水轮机型式的出现均是为了最大限度利用 水能
• Francis、Kaplan，Pelton等人发明了针对不
同水头的水轮机
– 若0＜Ep<1，Ep＋Ev=1，这种同时利用水流动能 和势能的水轮机称为反击式水轮机
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反击式：水流方向和流速大小受叶片约束 而改变,从而对叶片一个反作用力
混流式水轮机 （Francis）
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冲击式：转轮处在大气中，高速射流冲击 转轮
• 冲击式水轮机 （Pelton）
（4）设计水头 H r
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水轮机流量：水流在单位时间内通过水轮 机的水流体积
– 通常用Q表示，其单位为m3/s – 水轮机 的引用流量主要随着水轮机的工作
水头和出力的变化而变化
– 在设计水头下水轮机以额定出力工作时其 过水流量最大
H和Q是水力发电的两大
N9.8Q 1 H
要素， H大Q小也发不出 大量电， Q大H小也发不
Nw
W T
H12
NwQH 12
H和 Q称为水能两个基本要素。
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水体能量决定于流量和落差
水体具有的能量（功率）
NwQH 12
– H 12 为1-2断面水面降落的垂直高度（通常称为落
差或水头），单位为m
– 为水的容重。=1000kg/m3 。
– Q为单位时间里通过1-1断面的流量 （m3/s）。
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现代水轮机可按能量利用特征、水流特征、 转轮结构特征分类
• 水轮机按能量转换特征分为两类，即反击式和 冲击式。而每一类水轮机又根据转轮区内水流 的特征和转轮的结构特征又分为多种形式。
• 能量转换特征：利用水流的势能、动能的比例。
• 转轮内水流特征：水流方向与主轴关系（垂直、 平行 、斜交）。
• 转轮的结构特征：桨叶固定、转动，转轮的高、 扁等。
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能量转换特征分类：反击式和冲击式
– 单位重量水体在转轮进、出口的能量之差：
H (Z 1p 12 1 V g 1 2)(Z 2p22 2 V g 2 2)
– 可变换为
（ Z1p 1） （ Z2p2） 1V122V22 1
水力发电系统组成：水电站建筑物、水力 机械、电器设备
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水力发电过程能量转换：水能—机械能— —电能
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本课程的主要内容
• 水电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利 用水力资源发电的场所，是建筑物、水、机、 电的综合体。
– 进水及引水建筑物（进水口、引水隧洞、压力管 道）——
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N9.8Q 1 H
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水轮机工作水头：单位重量水体通过水轮 机进出口断面的能量差值
H E A E B (Z A p A 2 A V g A 2) (Z B p B2 B V g B 2)
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工作水头不是毛水头，而是净水头
H E U E D h U A h B D H g h
– 水轮机部分（能量转换的机械设备）—— – 水电站厂房（发电和配电：主厂房、副厂房、主变
压器、开关站）—— – 水锤、调压室（非恒定流动）——
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水轮机
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水轮机和发电机连轴组成发电机组
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发电机 水轮机
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水轮机—将水能转化为旋转机械能
发电机
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水轮机
出大量电
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水轮机效率：水轮机的输出功率与输入功 率比值
N
Nw
水力效率: H
水轮机效率还可表示为 容积效率: v
Hvm
机械效率： m
N9.8Q 1 H
效率也是水轮机的最重要 参数之一，越高越好。
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转速n：水轮机组每分钟转动的转数
• 对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是 同轴运行的，所以它们的转速相同，并需要满 足同步转速的要求。
即 f pn(Hz) 60
其中：f-电流频率；我国电网f=50Hz；p-发电机的 磁极对数。则：n300/0p(r/m)in
磁极对数p 3 4 5 6 7 8 9 ..... 同步转速n 1000 750 600 500 428.6 375 333.3 .....
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1.2 水轮机的主要类型
– N w为水体所具有的作功能力（kg.m/s）。
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水轮机出力决定于流量和工作水头
水体具有的能量（功率）
NwQH 12（kg.m/s）
– 工程上常用“千瓦”或“马力”来表示， 1千瓦 =102kg.m/s
NwQH 12/10（2千瓦）
Nw 9.81QH
– 水流给予水轮机的功率 – 水轮机输出功率（出力） – η为水轮机的效率
H
2gH
水流势能
水流动能
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冲击式：只利用动能
反击式：既利用动能也利用势能
– 势能占总能量的比例
（Z1
p1）（Z2
H
p2）
EP
– 动能占总能量比例
1V12 2V22
2gH
EC
– 水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和
EPEC 1
– 若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为 冲击式水轮机
H g 为水电站上下游水位差，称为水电站毛水头
h 为水电站引水系统水头损失
H 为净水头即水轮机工作水头
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水轮机的工作水头是随上下游水位变 化而变化的
• 常选用几个特征水头来表示水轮机的运行 工况和运行范围，这些特征水头由水能计 算确定
（1）最大水头 H max
（2）最小水头 H m in （3）加权平均水头 H a v