水轮机结构介绍

反击型水轮机
按水轮机利用水流能量的不同，分为两大类型： 1. 反击型水轮机：主要是利用水流的位能和动能。 显著特点：水轮机的转轮浸没在水流中。
混流式水轮机HL
轴流定浆式水轮机ZD
轴流式水轮机ZL 轴流转浆式水轮机ZZ
类 型
贯流式水轮机GL 斜流式水轮机XL
贯流定浆式水轮机GD 贯流转浆式水轮机GZ 斜流定浆式水轮机XD 斜流转浆式水轮XZ
混流式水轮机转轮
轴流式水轮机转轮
斜流式水轮机转轮
贯流式水轮机转轮
冲击型水轮机
2﹒冲击型水轮机：主要是利用高速水流（动 能）冲击转轮叶片而推动水轮机转轮旋转 做功的。 显著特点：转轮暴露在大气中。
水斗式（冲击式） 水轮机（CJ）
类 斜击式水轮机（XJ） 型
双击式水轮机（SJ）
水斗式（冲击式）水轮机转轮
• 冲击型水轮机导水部件主要是调节水轮机的出力和实现关机。 一般采用喷嘴，喷嘴由喷针、喷嘴头等构成，是调节喷针在喷 嘴头的位置从而控制进入的流量。
导水部件－座环
导水部件－底环
导水机构－顶盖
导水部件－活动导叶
导水部件－导叶拐臂
导水部件－控制环
工作部件－转轮
• 核心部件，决定水轮机的类型、特点、性 能。 • 转轮结构
水流 固 定 部 分 转 动 部 分
止漏环
• 实际应用时，把几种结构组合在一起用； 对于高水头电站，把梳齿式上面加工和旋 转方向相反的螺纹，以增加止漏的效果。
• 三峡电站在上冠和下环分别装有上部止漏 环和下部止漏环，每个止漏环又分别由转 动和固定两个环组成，其固定部分分别安 装在顶盖和底环上。 转动部分止漏环分别 安装在转轮的上冠和下环处。
引水部件（引水室）
• 常用的有蜗壳式、明槽式等。 • 蜗壳式是用的最多的引水部件，分为金属和 混凝土蜗壳两种。金属蜗壳为圆形，先大后 小，当尺寸不够时，采用椭圆形的形式，适 用于中、高水头，混凝土蜗壳用于低水头水 轮机。 • 冲击式水轮机的引水部件作用比较简单，把 水引入导水部件即可。常用的是集水管。
快速闸门
• 快速闸门:当机组过速达额定转速的140%时
，关闭蝴蝶阀（球阀）或快速闸门，截断 水流，使机组停机，以缩短水轮机在过速 或飞逸转速下运行的时间，起到对水轮机 的保护。
剪断销
• 剪断销：水轮机导水机构的传动机构中，连接板 和导叶臂之间是通过剪断销连接在一起的。正常 情况下，导叶在动作过程中，剪断销有足够强度 带动导叶传动，但当某导叶间有异物卡住时，导 叶轴和导叶臂都不能动了，而连接板在叉头带动 下转动，因而对剪断销产生剪切，当该剪切应力 增加到正常操作应力的1.5倍时，剪断销首先被剪 断，该导叶脱离控制环，而其它导叶仍可正常转 动，避免事故扩大。
水轮机类型：水斗式水轮机（CJ）
斜击式水轮机（XJ）双击式水轮机（SJ） 机组安装形式：L 立式安装 水轮机直径：以CM为单位 W 卧式安装
水轮机型号识别
2CJ30——W—— 120/2×10
转轮型号为20，水斗式水轮机，卧轴，一
根轴上两个转轮，转轮直径为120cm,每个
转轮两个喷嘴，设计射流直径为10cm。
止漏环
• 止漏环材料一般采用2G30或A3钢板，泥沙
较多的电站采用不锈钢。 • 三峡转轮的上、下止漏环的安装方法均采 用热套法安装。
减压装置
•
•
作用：减少作用在上冠表面向下的轴向水
的压力，从而减少推力轴承的负荷。 减压装置有两种结构：
1. 引水板和泻水孔 2. 均压管和泻水孔
补气装置
• 补气装置：机组出现不稳定工况时，补入
– 上冠 – 叶片 – 下环 – 泻水锥 – 止漏环 – 减压板和泻水孔
工作部件－转轮
工作部件－转轮
• 上冠：上部连接主轴，下部支撑叶片并与 下环一起构成过流通道。 • 叶片：水轮机转轮实现水能转换的核心。 • 下环：将转轮的叶片连成整体，以增加转 轮的强度和刚度，并与上冠一起形成过流 通道。 • 泄水锥：防止水流相互撞击和旋转而引起 的水力损失，减少机组的振动。
工作部件－转轮
• 转轮上冠、叶片、下环的构造型式
1. 整体铸造 2. 铸焊结构 3. 组合结构
泄水部件
• 反击型水轮机的泄水部件作用：
⑴ 把水流平稳的引向下游 ⑵ 利用出口处水的能量，提高水能的利用率， 提高水轮机的效率。
• 分为：直尾水管和弯曲形尾水管（弯管形 （用于卧式机组）和弯肘形尾水管）。
水斗式水轮机特点
• 水斗式：由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转 轮上的水斗作功。应用水头最高，可达2000m 水斗式水轮机是冲击式水轮机中目前应用最广泛的 一种机型。
斜击式水轮机特点
• 斜击式：喷嘴射流方向与转轮旋转平面斜交，射流自转 轮侧冲击转轮，故称斜击式。 斜击式水轮机适应水头范围50~400m，最大单机容量 一般不超过400KW，故只适用于小型水电站。
– 引水部件：把水流引向水轮机转轮的部件。 – 导水部件：使流入转轮的水具有所需要的速度 和大小的导向部件（控制水流的部件）。 – 工作部件：把水流的能量转换成旋转机械能的 部件，为核心部件，决定其性能和特点。 – 泄水部件：把水流引向下游和利用水流余能的 部件。
引水部件（引水室）
• 根据水轮机的类型不同，引水部件完成的作用是
弯肘形、弯管形尾水管
弯肘形尾水管
弯管形尾水管
直尾水管
主轴
• 结构型式
1. 单法兰结构（卧式机组） 2. 双法兰结构（立式机组）
主轴一般为中空结构，可以减轻主轴的重量， 方便制造。同时可用于轴心补气和安装叶 片操作结构。 轴颈（水导轴承所在的位置，导轴承不一样， 轴颈不一样）
主 轴
主轴制造
• • 整锻构造 焊接：
– 迷宫式：安装维护方便、耐磨，止漏效果较好， 用在水质清洁、水头H<200m 的水电站。
水流
固 定 部 分
转 动 部 分
止漏环
• 梳齿式：止漏效果好，安装不方便，间隙 测量困难。一般安装在上冠的上面，和间 隙式配合使用。
水流
固 定 部 分
转 动 部 分
止漏环
• 阶梯式：性能介入迷宫式和梳齿式之间。
水轮机保护装置
• 水轮机一般装设有： 1﹒事故配压阀 2﹒主阀（或快速闸门） 3﹒剪断销 4﹒真空破坏阀
事故配压阀
• 事故配压阀（过速限制器）：防止水轮机 长期在飞逸转速下运行的有效措施。在机 组甩负荷又遇到调速系统故障时，事故配 压阀动作，切断主配压阀与接力器的联系 ，而直接把压力油从油压装置接入接力器 ，使接力器迅速关闭，实现机组紧急停机 ，以缩短机组过速时间，起到对水轮机的 保护作用。
水轮机型号识别
• 反击式水轮机的型号 水轮机类型 轮机直径 • 水轮机类型： 轴流定桨式水轮机（ZD）贯流定桨式水轮 斜流定桨式水轮机（XL）混流式水轮机（HL） 可逆式机组后面加N • 机组安装形式：L 立式安装 W 卧式安装 • 引水式类型： J 金属蜗壳 H 混凝土蜗壳 P 灯泡式 M 明槽式 • 水轮机直径：以CM为单位 （由三部分组成） 引水室类型－水 型号－机组安装形式
空气，可增加水的弹性，改善机组的运行 条件。同时由于补气破坏了真空，还能防 止机组突然甩负荷导水机构紧急关闭时， 由于尾水管内产生负水击，下游尾水反冲 所产生的强大冲击力或抬机现象。
补气装置
• 补气方式：自然补气、强迫补气 • 一般均采用自然补气，只有在水轮机吸出 高度Hs的负值较大，尾水管内压力较高， 很难用自然补气方式补气时，才采用压缩 空气强迫补气方式。 • 补气装置：轴心孔补气装置、尾水管十字 架补气装置、尾水短管补气装置。
1. 轴身、法兰锻造 2. 轴轴身锻造、法兰铸造 3. 轴身由钢板卷成的圆筒焊成，法兰为铸造
止漏环
• 作用：减少水流的损失。止漏环安装在上冠 和下环上面。 • 转轮的止漏环密封结构有四种型式：
– 间隙式：安装维护方便、耐磨，止漏效果最差， 用在多泥沙的水电站。
水流 固 定 部 分 转 动 部 分
止漏环
真空破坏阀
• 真空破坏阀：主要作用是机组甩负荷或因 其它故障紧急停机，导叶迅速关闭时，水 流由于惯性作用继续向下游流去，在转轮 室内产生很大真空，转轮室内尾水在压差 的作用下，尾水水流又反流向转轮室冲击 转轮叶片及支持盖。由于水击的作用，产 生很大的冲击力，出现抬机现象，严重的 会使机组出现破坏性事故。真空破坏就是 有来补气，以防止出现上述事故的辅助设 施。
水轮机的基本参数
•
•
反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称 水轮机的基本参数。 水轮机的基本参数可以分为三类：
1. 结构参数：包括水轮机进D1、出口直径D2、 导叶高度等。 2. 工作参数：工作水头H、出力P、效率、转速 等。 3. 综合参数：空蚀（汽蚀）等。
斜流式水轮机特点
• 斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片 随工况变化而转动，高效率区广，应用水头比 轴流式水轮机高。 • 叶片转动轴线与主轴成45°～ 60°的夹角。
贯流式水轮机特点
• 水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设蜗 壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾 水管出口都是轴向的。H<20m,潮汛发电、 河床电站。
不同的。 • 反击型水轮机： ⑴ 以最小的水力损失把水引向导水部件。 ⑵ 尽可能使水流均匀进入导水部件，水流沿轴向 的速度是对称的，使转轮受力均匀，提高水轮 机的工作稳定性，同时减少因水流不均匀而引 起的水力损失。 ⑶ 使水流进入水轮机转轮之前有一定的旋转速度 （和旋转方向一致）。 ⑷ 保证水轮机转轮工作时始终浸没在水中，不出 现大量的空气。
水轮机型号识别
HL240 —— LJ —— 410
混流式水轮机，型号240（比转速)，立轴
，金属蜗壳，转轮直径为410cm
ZZ440 ——LH —— 430
轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝
土蜗壳，转轮直径430cm
水轮机型号识别
• 冲击击式水轮机的型号 （由三部分组成）
转轮标称直径 每根轴上的转轮数（ 1个时不写）水轮机类型水轮机型号－机组安装 形式－ 作用在同一转轮上喷嘴 的个数 射流直径（CM）
卧式水轮机位置示意图
机组（发电机和水轮机）安装形式
• 卧式安装（小型机组、贯流式机组、水斗式机 组）
– 厂房高度低、基建开挖部分小、安装比较方便； – 轴和轴承受力情况不好；
• 立式安装（大中型机组）
– 轴承不存在只有一部分受力的情况，受力情况比较 好； – 发电机位置高，不易受潮； – 负荷集中（由推力轴承承担整个机组的重量），水 下部分的基建投资大；
引水部件（引水室）
引水部件－金属蜗壳
导水部件
• 反击式水轮机的导水部件作用： ⑴ 控制流入转轮的水流的大小，从而控制水轮机的 出力，使其和机组外部的负荷相适应。 ⑵ 使水流在进入转轮之前具有一定的旋转速度。 ⑶ 导水机构全关时，截断进入转轮的水流，实现停机。 • 有圆筒闸门、导叶式导水机构。 • 导叶式导水机构有：操作部分、导叶、底环、控制环、接力器 等构成。 分为：径向式、轴向式、斜向式三种。 • 径向式：导叶和轴平行； 轴向式：导叶和轴垂直
斜击式水轮机转轮
混流式水轮机特点
• 水流径向流入转轮，轴向流出。 • 适用范围：H=30～700 m , 单机容量：几万kW
～几十万kW
• 适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适 用高水头小流量电站。
轴流式水轮机特点
• 水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主 轴。 • 轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。 • 轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节 （导叶开度、叶片角度)。效率高，用于低水头。 • 转速高，当H，N相同时，是混流式的2倍，尺寸较小。
双击式水轮机特点
• 双击式：水流由喷嘴射到转轮一侧的轮叶上，由 轮叶外缘流向转轮中心，而后水流穿过转轮内部 空间再一次流到轮叶上，沿轮叶流向外缘，最后 以很小的流速离开转轮，水流两次冲击转轮，故 称双击式。
斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型 电站。
水轮机基本部件
• 水轮机基本部件：对能量转换有直接影响的 过流部件，而且是大多数水轮机普遍具有的 部件。 • 基本部件分类:
水轮机结构介绍
三峡电厂运行部
陈波
二〇一〇年七月三十日
目录
• • • • • 水轮机特点 水轮机基本部件 水轮机保护装置 水轮机型号识别 水轮机的基本参数
水轮机的作用和位置
• 作用：水流的能量转换成旋转的机械能， 带动发电机发电，是利用水电站的水头和 流量来做功的。
• 水轮机位置（如下图）：
立式安装水轮机位置示意图