第一章 水輪機的類型構(gòu)造及工作原理

1、水電站程永光Prof. Dr. Yongguang Cheng武漢大學水利水電學院Tel: QQ: 1005955368Em: 2022/10/112水力發(fā)電系統(tǒng)組成：水電站建筑物、水力機械、電器設(shè)備水庫進水口引水隧洞調(diào)壓室調(diào)壓力管道發(fā)電機主閥尾水渠廠房水輪機2022/10/113水力發(fā)電系統(tǒng)組成：水電站建筑物、水力機械、電器設(shè)備2022/10/114水力發(fā)電過程能量轉(zhuǎn)換：水能機械能電能2022/10/115本課程的內(nèi)容分四大部分水電站是水利樞紐的一個重要組成部分，是利用水力資源發(fā)電的場所，是建筑物、水、機、電的綜合體。進水及引水建筑物（進水口、引水隧洞、壓力管道）

2、水輪機部分（能量轉(zhuǎn)換的機械設(shè)備） 水電站廠房（發(fā)電和配電：主廠房、副廠房、主變壓器、開關(guān)站） 水錘、調(diào)壓室（非恒定流動） 第一篇 水輪機2022/10/117水輪機和發(fā)電機連軸組成發(fā)電機組發(fā)電機水輪機2022/10/118水輪機將水能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能發(fā)電機水輪機蝸殼:引水導葉:調(diào)節(jié)流量轉(zhuǎn)輪:能量轉(zhuǎn)換尾水管:泄水第1章 水輪機的類型構(gòu)造及工作原理1.1 水輪機的主要工作參數(shù)2022/10/1110水輪機的主要工作參數(shù)有5個水輪機出力水輪機工作水頭水輪機流量水輪機效率水輪機轉(zhuǎn)速2022/10/1111水輪機出力：水輪機傳給發(fā)電機的功率水體能量扣除水輪機的能量損失設(shè)在 時段內(nèi)有 的水體從1-1斷面流

3、過2-2斷面，因此，該段水體 所提供的能量為： 和 稱為水能兩個基本要素。2022/10/1112水體能量決定于流量和落差水體具有的能量（功率） 為1-2斷面水面降落的垂直高度（通常稱為落差或水頭），單位為m 為水的容重。 =1000kgf/m3 =9810N/m3 。 為單位時間里通過1-1斷面的流量 （m3/s）。 為水體所具有的作功能力（kgf.m/s）。2022/10/1113水輪機出力決定于流量和工作水頭水體具有的能量（功率）工程上常用“千瓦”或“馬力”來表示， 1千瓦=102kgf.m/s水流給予水輪機的功率水輪機輸出功率（出力）為水輪機的效率（kg.m/s）（千瓦）2022/10

4、/1114水輪機工作水頭：單位重量水體通過水輪機進出口斷面的能量差值2022/10/1115工作水頭不是毛水頭，而是凈水頭為水電站上下游水位差，稱為水電站毛水頭為水電站引水系統(tǒng)水頭損失 為凈水頭即水輪機工作水頭2022/10/1116水輪機的工作水頭是隨上下游水位變化而變化的常選用幾個特征水頭來表示水輪機的運行工況和運行范圍，這些特征水頭由水能計算確定（1）最大水頭 （2）最小水頭 （3）加權(quán)平均水頭 （4）設(shè)計水頭 2022/10/1117水輪機流量：水流在單位時間內(nèi)通過水輪機的水流體積通常用Q表示，其單位為m3/s水輪機 的引用流量主要隨著水輪機的工作水頭和出力的變化而變化在設(shè)計水頭下水輪

5、機以額定出力工作時其過水流量最大H和Q是水力發(fā)電的兩大要素， H大Q小也發(fā)不出大量電， Q大H小也發(fā)不出大量電2022/10/1118水輪機效率：水輪機的輸出功率與輸入功率比值水力效率: 容積效率:機械效率：水輪機效率還可表示為 效率也是水輪機的最重要參數(shù)之一，越高越好。2022/10/1119轉(zhuǎn)速n：水輪機組每分鐘轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)對于大中型水輪發(fā)電機組，水輪機與發(fā)電機是同軸運行的，所以它們的轉(zhuǎn)速相同，并需要滿足同步轉(zhuǎn)速的要求。即 其中：f-電流頻率；我國電網(wǎng)f=50Hz；p-發(fā)電機的磁極對數(shù)。則：磁極對數(shù)p 3 4 5 6 7 8 9 .同步轉(zhuǎn)速n 1000 750 600 500 428.6 3

6、75 333.3 .2022/10/11201.2 水輪機的主要類型水輪機有各種類型的原因是什么？水能利用的條件千差萬別，最重要的特點是水頭有高有低，高者水頭上千米，低者數(shù)米流量有大有小，大者幾千立方米每秒，小者不到一立方米每秒各種水輪機型式的出現(xiàn)均是為了最大限度利用水能Francis、Kaplan，Pelton等人發(fā)明了針對不同水頭的水輪機2022/10/1121現(xiàn)代水輪機可按能量利用特征、水流特征、轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特征分類水輪機按能量轉(zhuǎn)換特征分為兩類，即反擊式和沖擊式。而每一類水輪機又根據(jù)轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流的特征和轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特征又分為多種形式。能量轉(zhuǎn)換特征：利用水流的勢能、動能的比例。轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流特征：水

7、流方向與主軸關(guān)系（垂直、平行 、斜交）。轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特征：槳葉固定、轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)輪的高、扁等。2022/10/1122能量轉(zhuǎn)換特征分類：反擊式和沖擊式單位重量水體在轉(zhuǎn)輪進、出口的能量之差：可變換為水流勢能水流動能2022/10/1123沖擊式：只利用動能反擊式：既利用動能也利用勢能勢能占總能量的比例動能占總能量比例水輪機利用的能量為水流勢能和水流動能的總和若Ep=0，Ec=1，這種利用水流動能的水輪機稱為沖擊式水輪機若0Ep1，EpEv=1，這種同時利用水流動能和勢能的水輪機稱為反擊式水輪機2022/10/1124反擊式：水流方向和流速大小受葉片約束而改變,從而對葉片一個反作用力混流式水輪機（Fra

8、ncis）2022/10/1125沖擊式：轉(zhuǎn)輪處在大氣中，高速射流沖擊轉(zhuǎn)輪沖擊式水輪機（Pelton）2022/10/1126水流特征、轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特征和工作方式分類反擊式混流式軸流式斜流式貫流式軸流定槳式軸流轉(zhuǎn)槳式?jīng)_擊式水斗式（切擊式）斜擊式雙擊式可逆式混流式軸流式斜流式貫流式2022/10/1127反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）混流式：幅向進流，軸向出流1主軸；2葉片；3導葉；4蝸殼；5尾水管12345radiaxial turbine，F(xiàn)rancis turbine2022/10/1128反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）軸流式：軸

9、向進流，軸向出流axial flow turbine, Kaplan turbine1導葉；2葉片；3輪轂4蝸殼；5尾水管1234452022/10/1129反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）斜流式：斜向進流，斜向出流diagonal flow turbine12341蝸殼；2導葉；3葉片；4尾水管可轉(zhuǎn)動葉片2022/10/1130反擊式（Reaction Hydraulic Turbine）貫流式：機組在流道中間，周圍過水through flow turbinebulb turbine1導葉；2轉(zhuǎn)輪；3發(fā)電機；4燈泡1234122022/10/1131反擊式（Re

10、action Hydraulic Turbine）through flow turbine2022/10/1132沖擊式（impulse turbine）inclined jet turbine （a）水斗式； （b）斜擊式； （c）雙擊式?jīng)_擊式水輪機：高速射流在空氣中沖擊轉(zhuǎn)輪Banki turbinePelton turbine2022/10/1133沖擊式（impulse turbine）inclined jet turbine crossflow turbine, Banki turbinePelton turbine2022/10/1134可逆式:既是水輪機又是水泵(Reversibl

11、e) Pump Turbine混流式：3040600700m斜流式：150m以下，水頭變幅較大軸流式：少慣流式：潮汐電站，水頭1520m可逆式2022/10/1135各型水輪機適用不同水頭范圍對應(yīng)不同轉(zhuǎn)輪形狀2022/10/11361.3 水輪機的基本構(gòu)造反擊式水輪機通常由四大部分組成進水部件：蝸殼 和座環(huán)導水部件：導葉及其傳動機構(gòu)工作部件：轉(zhuǎn)輪泄水部件：尾水管 這四大部分對于不同類型的水輪機各不完全相同，有著自身的特點2022/10/1137引水部件蝸殼和座環(huán)蝸殼（和座環(huán)）蝸殼的作用主要是使水流以較小的水力損失均勻?qū)ΨQ地流入轉(zhuǎn)輪；座環(huán)起加強蝸殼的剛度并傳遞上部結(jié)構(gòu)力的作用。2022/10/1

12、138引水部件蝸殼和座環(huán)蝸殼（和座環(huán)）蝸殼的作用主要是使水流以較小的水力損失均勻?qū)ΨQ地流入轉(zhuǎn)輪；座環(huán)起加強蝸殼的剛度并傳遞上部結(jié)構(gòu)力的作用。座環(huán)2022/10/1139導水部件導葉及其傳動機構(gòu)導葉及傳動機構(gòu)導葉的主要作用是根據(jù)機組負荷變化來調(diào)節(jié)水輪機流量以改變水輪機出力，并引導水流按一定的方向進入轉(zhuǎn)輪，形成一定的速度矩。包括的部件有：導葉、推拉桿、控制環(huán)、拐臂和連桿等2022/10/1140導水部件導葉及其傳動機構(gòu)導葉及傳動機構(gòu)導葉與導葉間的距離稱為開度，開度的變化導致流量變化，進而改變出力。導葉開度由調(diào)速器控制。小開度（小流量）大開度（大流量）2022/10/1141工作部件轉(zhuǎn)輪是水輪機的核

13、心轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪是直接將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能的過流部件，它對水輪機的性能、結(jié)構(gòu)、尺寸等起著決定性的作用，是水輪機的核心部分。2022/10/1142工作部件轉(zhuǎn)輪是水輪機的核心轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪是直接將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能的過流部件，它對水輪機的性能、結(jié)構(gòu)、尺寸等起著決定性的作用，是水輪機的核心部分。三峽左案9號機組吊裝2022/10/1143泄水部件尾水管斷面沿程擴散尾水管尾水管除了引導轉(zhuǎn)輪流出的水流泄入下游外，其主要的作用是回收位能和動能，它對水輪機效率影響很大，特別是對于低水頭的情況。這部分內(nèi)容后面詳細論述大中型電站立式機組一般采用彎肘型尾水管2022/10/1144泄水部件尾水管斷面沿程擴散2022

14、/10/1145工作部件轉(zhuǎn)輪有不同的形狀中高比轉(zhuǎn)速混流式水輪機轉(zhuǎn)輪混流式水輪機轉(zhuǎn)輪組成：輪葉、上冠、下環(huán)和泄水錐上冠的外形與圓臺體相似，在其下端固定著泄水錐，用于引導水流順利地形成軸向流動，以消除順利漩渦。輪葉的上端與上冠相固定，下端與下環(huán)相固定。三者連成一個整體，葉片呈扭曲狀，其斷面為翼形，葉片數(shù)目通常是1020片，均勻分布在上冠與下環(huán)之間低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機轉(zhuǎn)輪2022/10/1146工作部件轉(zhuǎn)輪有不同的形狀軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪軸流式水輪機的轉(zhuǎn)輪是由輪轂、輪葉和泄水錐三部分組成。在輪轂四周按懸臂方式安裝輪葉，輪葉是扭曲面。邊緣薄，根部厚，外形類似螺旋槳。輪葉數(shù)目按工作水頭大小而定，工作水頭較低

15、，輪葉數(shù)較少；反之，較多。一般為38片2022/10/1147水斗式水輪機主要由噴嘴、針閥、轉(zhuǎn)輪和折向器組成噴嘴的作用是引導壓力水流均勻流動，在噴嘴處收縮轉(zhuǎn)換為僅有動能的自由射流；針閥的作用是控制流量的大小，適應(yīng)出力大小的需要。2022/10/1148水斗式水輪機的構(gòu)造2022/10/1149反擊式和沖擊式水輪機的差別 類型項目反擊式?jīng)_擊式能量轉(zhuǎn)換勢能（主要）+動能動能構(gòu)造特點有蝸殼、尾水管，利用導葉調(diào)節(jié)流量無蝸殼、無尾水管，利用 針閥調(diào)節(jié)流量工作水頭上、下游水位差扣掉引水道中水頭損失上游水位與噴嘴出口高程差扣掉引水道中水頭損失布置方式大中型均為立軸，轉(zhuǎn)輪可裝在下游水位以上或以下立軸、臥軸均可

16、，轉(zhuǎn)輪必須裝在下游最高水位以上水頭范圍 混流 軸流H=30-700m，H=3-80m水斗H=100-2000m2022/10/1150這些轉(zhuǎn)輪分別是哪種水輪機的？2022/10/11511.4 水輪機的型號水輪機的牌號就是水輪機的姓名，其目的是為了統(tǒng)一產(chǎn)品規(guī)格，提高產(chǎn)品質(zhì)量，便于選擇使用。表明水輪機性能有兩個主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪直徑D1和水輪機的比轉(zhuǎn)速ns，所以在水輪機牌號上不僅要表明是什么類型的水輪機，而且要表示它的轉(zhuǎn)輪直徑和比轉(zhuǎn)速。我國統(tǒng)一規(guī)定的水輪機牌號由三部分代號組成。第一部分代表水輪機類型和轉(zhuǎn)輪型號；第二部分表示水輪機主軸的布置型式及水輪機室特征；第三部分表示水輪機轉(zhuǎn)輪標稱直徑D1。 比如

17、：HL240-LJ-140，即混流式，比轉(zhuǎn)速ns=240，立軸金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑D1=140cm。2022/10/11522022/10/1153水輪機型號中標稱直徑對不同水輪機有不同規(guī)定1.5 水流在反擊式水輪機中的運動2022/10/1155水流在轉(zhuǎn)輪中的運動是三維復合運動相對運動、牽連運動和絕對運動葉片表面：三維扭曲面葉道：三維扭曲空間轉(zhuǎn)輪：繞主軸旋轉(zhuǎn)所以水流在反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪中的運動是一個復雜的三維空間的復合運動2022/10/1156分析水流在水輪機中的運動要作假定為了研究問題的方便，工程上一般作如下假定： 假定葉片無限多、無限薄。這樣可以認為轉(zhuǎn)輪中的水流運動是均勻、軸對稱的。顯然在

18、此假定下，流線也就和骨線的形狀完全一致。（葉片翼形斷面的中心線稱為骨線）假定水流在進入轉(zhuǎn)輪之前的運動是均勻的、軸對稱的。假定水輪機在所研究的工況下保持穩(wěn)定運行，即水輪機的特征參數(shù)（H、Q、N、n）保持不變，從而水流在水輪機各過流部件中的運動均為恒定流動。忽略水流的粘性：可認為這些流面之間是互不干擾的。2022/10/1157流面:水流軌跡線所在的喇叭形曲面軸面:通過軸線的平面軸面:轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)中心線與經(jīng)過考察點的徑向線所構(gòu)成的平面。流面:某一流線線饒主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。整個流道中有無數(shù)個這樣的流面。水流質(zhì)點運動:沿著喇叭形空間曲面(流面)而作螺旋型曲線運動,其軌跡是流面上的螺旋線。2022/

19、10/1158水流質(zhì)點速度可分解,絕對速度為相對速度和牽連速度之和（速度三角形）水流質(zhì)點的速度分解為相對速度W、牽連速度U和絕對速度V，構(gòu)成速度三角形。速度三角形的形狀、大小可以由它的兩個邊和夾角唯一確定。絕對速度是牽連速度和相對速度的矢量和沿流面展開圖2022/10/1159進口速度三角形的形狀、大小和參數(shù)1為V1與U1的夾角，稱為V1的方向角。1為W1與U1的夾角，稱為W1的方向角。牽連速度U1絕對速度V1大?。悍较颍呵杏趫A周大?。悍较颍貉貙~端部切線方向2022/10/1160速度三角形形狀和大小取決于直徑、轉(zhuǎn)速、水頭和開度從上面的討論可以知道：進口速度三角形的形狀、大小取決于4個參數(shù)的

20、變化。即同理可以導出：出口速度三角形的形狀、大小也取決于這4個參數(shù)的變化。即對于某一水輪機，在某一工況下運行時，有一定的進口速度三角形及與之對應(yīng)一定的出口速度三角形。U2W2V22022/10/1161速度三角形的合成與分解絕對速度由相對速度和牽連速度合成，為了研究問題的方便，可以將這些速度向不同平面(軸面、流面切面、圓周切面)和坐標軸(軸向、徑向、切向)分解。速度分解的目的是為了討論水輪機基本方程時應(yīng)用動量矩定律。Z流面軸面圓周面ruz2022/10/1162速度三角形在流面的切面上的分解流面上的任一點的速度三角形均在流面的該點切面上，可分解為Z流面軸面圓周面ruzVm：為流面上絕對速度的軸

21、面分量Wm：為流面上相對速度的軸面分量流面的切面上的速度分解2022/10/1163速度三角形空間分解:只有Vu對主軸有速度矩沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向的速度通過軸心，即徑向速度與水輪機主軸平行的速度對水輪機主軸產(chǎn)生速度矩對水輪機主軸均不產(chǎn)生速度矩圓周分速度軸面分速度圓周分速度徑向分速度軸向分速度Z流面軸面圓周面ruz軸面速度分量VUW2022/10/11641.6 水輪機的基本方程水輪機的基本方程（Basic Equation）是描述水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的數(shù)學方程式，它是水輪機轉(zhuǎn)輪設(shè)計和運行的理論依據(jù)。利用動量矩定律可以導出水輪機的基本方程。動量矩定律：單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)全部水流的質(zhì)量對水輪機主軸

22、的動量矩變化等于作用在該質(zhì)量上所有外力對同一軸的力矩總和。用公式表示為：2022/10/1165水輪機基本方程可由動量矩定理推導出來轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)所有水流質(zhì)量的動量矩總和，其中m、Vu、r分別表示任一水流質(zhì)點的質(zhì)量、圓周速度和所處位置的半徑。作用在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)全部水流質(zhì)點上的外力矩總和。公式左邊為單位時間內(nèi)水流質(zhì)量對水輪機主軸的動量矩變化。實際為水流質(zhì)量在轉(zhuǎn)輪出口與進口間的動量矩的差值。2022/10/1166微小流束的動量矩變化率在水輪機流道內(nèi)取一微小流束t時刻：微小流束在1-2的位置；t+dt時刻：微小流束流到1-2的位置。112211222022/10/1167整個流道的動量矩變化對微小流束在

23、整個流道求和，得整個流道內(nèi)水體的動量矩變化通過水輪機轉(zhuǎn)輪的有效流量水輪機出口斷面圓周分速度水輪機進口斷面圓周分速度水輪機出口斷面矩速度水輪機進口斷面矩速度2022/10/1168外力對軸的力矩總和公式右邊為作用在該質(zhì)量上全部外力對同一軸的力矩總和外力矩有：轉(zhuǎn)輪葉片對水流的作用力矩重力矩：重力的合力與主軸重合，對主軸不產(chǎn)生矩壓力矩：上冠下環(huán)對水流的壓力，對主軸而言是對稱的，合力與主軸平行，故也不產(chǎn)生矩摩擦力矩：數(shù)值很小可忽略，摩擦力所產(chǎn)生的水頭損失將在水輪機水力效率中體現(xiàn)。2022/10/1169外力對主軸的力矩總和等于葉片對水流的作用力矩又根據(jù)作用力與反作用力定律，水流對轉(zhuǎn)輪的作用力矩M與轉(zhuǎn)輪

24、對水流的作用力矩 在數(shù)值上相等而方向相反。即故基本方程為 則所以又重力矩壓力矩摩擦力矩葉片作用力矩2022/10/1170水流在轉(zhuǎn)輪中進行能量交換是由轉(zhuǎn)輪進出口速度矩的改變來實現(xiàn)的 該式給出了水流對轉(zhuǎn)輪的作用力矩與水流本身的動量矩變化之間的關(guān)系水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡關(guān)系式。它說明水流在轉(zhuǎn)輪中進行能量交換是由轉(zhuǎn)輪進出口速度矩的改變來實現(xiàn)的。又，水輪機的有效功率可表示為：2022/10/1171在上述方程中，消去 得到水輪機基本方程：Vu1速度環(huán)量2022/10/1172 水流能量的交換是通過環(huán)量的變化來實現(xiàn)，要使該轉(zhuǎn)換的效率 高，則需要 大， 小。進口要求 ，但由速度三角形可以看出，這種情況實際上不可能，水流無法進入轉(zhuǎn)輪，失去意義。所以只能要求進口無撞擊， 即由基本方程推導最優(yōu)工況進口三角形無撞擊條件2022/10/1173由基本方程推導最優(yōu)工況進口三角