多种水轮发电机组结构原理

导水机构（distributor ）
接力器示意图
接力器用于操作控制环的转动。 接力器的基本部件:接力器缸和活塞。
工作部件—转轮是水轮机的核心
转轮
转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对水轮 机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心 部分。
尾水管 （draft tube）
反击式水轮机通常由四大部分组成
进水部件：蜗壳 和座环 导水部件：导叶及其传动机构 工作部件：转轮 泄水部件：尾水管
这四大部分对于不同类型的水轮机各不完全相 同，有着自身的特点
引水部件—蜗壳和座环
蜗壳
以沿水流方向过水断面的面积逐渐减小的蜗形流道， 紧紧围住导水机构，使水流进入导水机构具有一定的 旋转环量 。并基本保证水流的对称、均匀性，从而提 高效率。
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。
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 .....
❖ 出力P与效率η
1
4
2
4
3
5
1－导叶；2－叶片；3－轮毂 4－蜗壳；5－尾水管
反击式水轮机
❖ 斜流式水轮机
水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动，其 转轮叶片大多做成可转的形式。
适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40~200m。
1—蜗壳；2—导叶；3—转轮叶片；4—尾水管
反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
➢ 功用 引导水流进入下游河道，并回收部分动能和
势能。
尾水管 （draft tube）
➢ 型式： 直锥形——用于小型水轮机； 弯锥形——用于卧轴水轮机； 弯肘形——（大中型电站）。
直锥形
弯锥形
尾水管 （draft tube）
➢ 组成：进口直锥段、肘管、出口扩散段。
龙滩水电站尾水管施工
混流式水轮机转轮
型式
代号
转 轮
号
金属蜗壳
J
标
（
立轴
用
L
混凝土蜗壳 H
称 直
比
卧轴
W
灯炮式
P
径
转 速
明槽式
M
（ 厘
表
罐式
G
米
示 ）
竖井式
S
）
虹吸式
X
轴伸式
Z
二、冲击式水轮机的型号
2 CJ 20 – W - 120 / 2 × 10
一根轴上装的转轮数 水轮机型号 转轮型号
主轴布置型式 转轮标称直径（厘米） 每个转轮上的喷嘴数 设计射流直径（厘米）
小结
水轮发电机组的形式
1、悬挂式发电机: 推力轴承位于转子上方的发电机，它适用于转速在 100r/min以上。其优点是推力轴承损耗小，装配方 便，运转较稳定；缺点是机组高度较大，耗费钢材 多。
悬式发电机
定
上
子 外
下
壳
下导轴承 支撑下导与风闸
2、伞式发电机
推力轴承位于转子下方，设在下机架上 高压油膜 传力方式：机组转动部分重量→推力头
（a）转轮；（b）斜击式转轮进水示意图 1—管帽；2—针阀；3—轮叶
冲击式水轮机
❖ 双击式水轮机
从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。 适用于单机出力不超过1000KW的小型水电站，其适用
水头一般为5~100m。
1—工作轮；2—喷嘴； 3—调节闸板； 4—舵轮；5—引水管； 6—尾水槽
斜流式：斜向进流，斜向出流
diagonal flow turbine
1－蜗壳；2－导叶；
2
3－叶片；4－尾水管
1
可转动叶片
3 4
反击式水轮机
❖ 贯流式水轮机
一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机，它不设 饮水蜗壳，叶片可做成固定的和可转动的两种。
贯流式水轮机的适用水头为1~25m，适用于低水 头、大流量的水电站。
一、水头 Head
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是水力发电的两大要素， H大Q小也发 不出大量电， Q大H小也发不出大量电
大型水斗式水轮机的应用水头约300~1700m， 小型水斗式水轮机的应用水头约为40~250m。
水斗式水轮机
1—转轮叶片；2—导叶；3—发电机定子；4—发电机转子；5—灯泡体
冲击式水轮机
❖ 斜击式水轮机
从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。 多用于中小型水电站，适用水头为20~300m。
水轮发电机组结构及工作原理
❖ 主讲：王高理
2016年10月18日
本次培训内容
1 水轮发电机组概述
水 轮
2 水轮机的型号及标称直径
发
3 水轮机的工作参数
电
机
4 公司电厂主机参数
5 水轮机基本结构
6 水轮发电机基本结构
第一章 水轮机发电机组概述
❖ 坝后式水电站
水电站的分类
❖ 引水式水电站
水电站的分类
1）导叶。导叶是导水机构的主要组成部件，均匀分布 于转轮的外围、底环和顶盖之间。导叶的断面形状为 翼型，首端较厚，尾端较薄，这样即可以保证强度又 可以减少水力损失。导叶一般由导叶体和导叶轴组成，
反击式水轮机
❖ 半贯流式水轮机
半贯流式水轮机有轴伸式、竖井式和灯泡式等装 置形式 。
轴伸式和竖井式结构简单、维护方便，但效率较 低，一般只用于小型水电站。
灯泡贯流式水轮机，其结构紧凑、稳定性好、效 率较高 ，使用广泛。
轴伸贯流式水轮机
1—转轮；2—水轮机主轴；3—尾水管；4—齿轮转动机构；5—发电机
根据其发电装置形式的不同，分为全贯流式和半 贯流式两类。
全贯流式水轮机的发电机转子直接安装在转轮叶 片的外缘，它的优点是流道平直、过流量大、效 率高。但由于转轮叶片外缘的线速度大、周线长， 因而旋转密封困难，目前已很少使用。
全贯流式水轮机
1—转轮叶片；2—转轮轮缘；3—发电机转子轮辋；4—发电机定子；5、6—支柱；7—轴颈； 8—轮毂；9—锥形插入物；10—拉紧杆； 11—导叶；12—推力轴承；13—导轴承
竖井贯流式水轮机
反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体
through flow turbine bulb turbine
1
1－导叶；2－转轮； 3－发电机；4－灯泡 4
1 2
2 3
冲击式（impulse turbine）
冲击式水轮机：高速射流在空气中冲击转轮
❖ 轴流式水轮机
水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而 在转轮区内水流保持轴向流动。
应用水头约为3~80m，在中低水头、大流量水电站中得 到了广泛应用。
1—导叶；2—叶片；3—轮毂
反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
轴流式：轴向进流，轴向出流
axial flow turbine, Kaplan turbine
座环
蝶形边
座环 蜗壳分节
导水机构（distributor ）
➢ 功用： ①引导水流按一定方向进入转轮； ②形成与改变进入转轮的速度环量； ③根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力； ④关机时截断水流。
导水机构（distributor ）
➢ 组成：导叶和传动机构。 导叶：导水机构的主体，由导叶体和导叶轴两部分组成。 上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。 传动机构：由控制环、连杆、转臂三部分组成，用于传递 接力器操作力矩，使导叶转动，改变导叶开度以改变流量。 导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。
关于转轮直径D1的规定
混流式 转轮进口边的最大直径
轴流式 斜流式 冲击式
转轮室的最大直径
转轮叶片的转动轴 线和转轮室相交点 的圆的直径
切于喷嘴流出的射流 中心线的圆周直径
第三章 水轮机的工作参数
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
水轮机工作水头又称净水头，有效水头 毛水头 - 水头损失=净水头
水轮机的出力是指水轮机轴端输出的功率，常用 符号P表示，单位为KW。
水轮机出力P与水流出力Pn之比称为水轮机的效 率，用符号ηt表示。
水力效率:
水轮机效率还可表示为 容积效率:
机械效率：
第四章 公司电站主机设备参数表 （部分）
一、小水电厂设备参数(点击) 二、大水电厂设备参数(点击)
第五章 水轮机的结构
（a）水斗式；
Pelton turbine
（b）斜击式；
inclined jet turbine
（c）双击式
Banki turbine
冲击式水轮机
❖ 水斗式水轮机
亦称切击式水轮机，从喷嘴出来的高速自由射 流沿转轮周围切线方向垂直冲击轮叶。
适用于高水头、小流量的水电站，特别是当水 头超过400m时，常采用水斗式水轮机。
上冠 下环 泄水锥 翼型扭曲叶片
(12~21片) 止漏环(迷宫环) 减压装置
轴流式水轮机转轮
•轴流式水轮机的转轮是由轮毂、轮叶和泄水锥三部分组成。在轮毂四周按悬臂方 式安装轮叶，轮叶是扭曲面。边缘薄，根部厚，外形类似螺旋桨。轮叶数目按工 作水头大小而定，工作水头较低，轮叶数较少；反之，较多。一般为3～8片
三峡电站的一台机组蜗壳，由高强度钢板卷制焊 接而成，与大坝引水管相连，蜗壳中间是座环及 固定导叶。
焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。
引水部件—蜗壳和座环
座环
水轮机过流部件，也是水轮机承重部件，是水轮机的 支柱，支撑水轮机的固定导水叶(导叶)，其作用是合理 分配流量，及导流，使水流有方向、均匀地进入转轮。
水轮机导水机构
圆柱式导水机构。 这种结构的导水机构制造方便，能保证水轮机
有足够高的效率，因而获得了广泛采用。
图5-13 径向式导水机构示意图
图5-14 圆锥式导水机构示意图
导水机构的组成
目前在混流式和轴流式水轮机中，普遍采用圆 柱式导水机构，如圆柱式导水机构示意图。它 位于蜗壳座环内圈，主要组成部分有顶盖、底 环、控制环、导叶、导叶套筒、导叶传动机构 （包括导叶臂、连杆、连接板）和接力器等部 件组成。
• 水斗式 • 双击式 • 斜击式
轴流定浆式 轴流转浆式
全贯流式 半贯流式
利用水流的动能进行工作； 转轮露在空气中。
灯泡式 轴伸式 竖井式
水流在反击式水轮机转轮中的运动
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
反击式水轮机
❖ 混流式水轮机
水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。 应用水头范围较广，约为20~700m ，结构简单、运行稳
❖ 混合式水电站
水轮发电机组
水轮机是将水能转变
水
轮
为旋转机械能，从而带
发
动发电机发出电能的一
电
种机械。
机
水轮机与发电机联接
组
成的整体称为水轮发电
机组。
➢ 水轮机的主要类型
水流能量转换特征
反击式 冲击式
利用水流的势能和动能进行工作； 转轮完全淹没在密闭的水体中。
水轮机的分类
反击式
水轮机
冲击式
• 混流式 • 轴流式 • 斜流式 • 贯流式
(3) 全伞式
无上导，有下导。 转动部分重量→推力轴承支撑结构→顶盖→座环
第二章 水轮机的型号及标称直径
一、反击式水轮机的型号
HL 200 L J 500
水轮机型号
型式
代号
混流式
HL
斜流式
பைடு நூலகம்
XL
轴流转浆式
ZZ
轴流定浆式
ZD
贯流转浆式
GZ
贯流定浆式
GD
可逆式
N
转 主轴布置型式
引水室特征
轮
型
型式 代号
XLN200-LJ-300 GZ440-WP-750
HL240 - LJ -410
转轮型号为200（比转速）的斜流 可逆式水轮机，立轴，金属蜗壳引 水，转轮标称直径300厘米
转轮型号为440（比转速）的贯流转 桨式水轮机，卧轴，灯泡式引水机 组，转轮标称直径750厘米
混流式水轮机，型号240（比转速)， 立轴，金属蜗壳，转轮直径为410厘 米
→镜板→推力轴瓦→下机架→机座→基础 上机架：只支撑上导轴承和励磁机定子。 类型：1. 普通伞式： 有上、下导轴承
2. 半伞式: 有上导轴承，无下导轴承 3. 全伞式: 无上导轴承，有下导轴承
(1) 普通伞式
有上、下导轴承
(2) 半伞式
有上导，无下导。 发电机通常将上机架埋入发电机层地板以下。
定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。
1—主轴；2—叶片；3—导叶
反击式（Reaction Hydraulic Turbine）
混流式：幅向进流，轴向出流
radiaxial turbine，Francis turbine
1
4
2
3 5
1－主轴；2－叶片；3－导叶； 4－蜗壳；5－尾水管
反击式水轮机