水輪機(jī)概論及工作原理

水輪機(jī)

HydraulicTurbine

第一章緒論掌握水輪機(jī)工作參數(shù)熟悉水輪機(jī)類型和結(jié)構(gòu)掌握水輪機(jī)牌號(hào)及裝置形式

重點(diǎn)：流體機(jī)械分類(1)按能量轉(zhuǎn)換分

原動(dòng)機(jī):將流體的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，用來(lái)輸出軸功率。如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪機(jī)等。工作機(jī):將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的能量，用來(lái)改變流體的狀態(tài)(提高流體的壓力、使流體分離等)與輸送流體。如壓縮機(jī)、泵、分離機(jī)等。

（2）按結(jié)構(gòu)分容積式：依靠運(yùn)動(dòng)元件改變工作容積來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。葉片式：依靠高速旋轉(zhuǎn)葉片與流體之間力的相互作用來(lái)轉(zhuǎn)換能量，又稱透平機(jī)械?！鏊υ瓌?dòng)機(jī)：以水流為原動(dòng)力，并將水流能（水輪機(jī)）量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，水流經(jīng)過(guò)水力原動(dòng)機(jī)時(shí)，水流能量將減少。

■水力工作機(jī)：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的能量，（水泵）水流經(jīng)過(guò)水力工作機(jī)時(shí)，水流能量將增加。水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程從高處引水流進(jìn)水輪機(jī)，通過(guò)水流與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的相互作用，水流就把自己的能量傳給了水輪機(jī)。水輪機(jī)獲得能量后就開始旋轉(zhuǎn)起來(lái)，把水能轉(zhuǎn)換成了旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。由于水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)相連，于是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子跟著水輪機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，這樣水輪機(jī)就把能量傳遞給了發(fā)電機(jī)，磁極旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)改變線圈中的磁通，在線圈中產(chǎn)生電流。水能→機(jī)械能→電能水輪機(jī)的工作參數(shù)1.工作水頭，又稱凈水頭，等于毛水頭減去引水系統(tǒng)水頭損失。毛水頭也叫裝置水頭，等于水電站上下游水位差。2.流量表示水流在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水輪機(jī)的體積。3.功率輸入功率為水流對(duì)水輪機(jī)每秒鐘付出的機(jī)械能。輸出功率為水輪機(jī)軸輸出的機(jī)械功率，也叫水輪機(jī)的出力。通常所說(shuō)的水輪機(jī)功率，指水輪機(jī)輸出功率。4.效率水輪機(jī)輸出功率與輸入功率之比稱為水輪機(jī)效率。5.轉(zhuǎn)速水輪機(jī)軸每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，稱為水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。設(shè)計(jì)時(shí)選定的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速稱為水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速。對(duì)于水輪機(jī)與同步發(fā)電機(jī)直接聯(lián)接的機(jī)組，水輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速必須與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速同步。我國(guó)電網(wǎng)的額定頻率為50HZ，水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nr=3000/p式中：p

——發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)

反擊式

混流式（HL）軸流式（ZL）斜流式(XL)貫流式(GL)軸流定槳式（ZD）軸流轉(zhuǎn)槳式(ZZ)斜流定槳式（XD）斜流轉(zhuǎn)槳式(XZ)貫流定槳式（GD）貫流轉(zhuǎn)槳式(GZ)沖擊式

切擊式（CJ）斜擊式（XJ）雙擊式(SJ)可逆式

*混流式軸流式斜流式水輪機(jī)類型

按轉(zhuǎn)輪進(jìn)水特征分按轉(zhuǎn)輪水流方向分各型水輪機(jī)的特點(diǎn)HL式（法蘭西斯式）水流特點(diǎn)：轉(zhuǎn)輪區(qū)水流徑向流入，軸向流出；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)輪由上冠，下環(huán)，葉片，泄水錐組成；

9～

22葉片（固定不動(dòng)）。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，高效區(qū)寬廣，適用高水頭小流量電站（如劉家峽）。適用范圍：H=30～

700m，單機(jī)容量：幾十kW～幾十萬(wàn)kW

三峽轉(zhuǎn)輪2.ZL式（卡普蘭式）水流特點(diǎn)：轉(zhuǎn)輪區(qū)水流軸向流入，軸向流出；ZD式：特點(diǎn)：葉片不能隨工況變而轉(zhuǎn)動(dòng)。改變?nèi)~片轉(zhuǎn)角時(shí)需停機(jī)進(jìn)行。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率低。適用范圍：適用H、Q變化不大（工況較穩(wěn)），H:3～

50m。ZZ式：特點(diǎn)：葉片能隨工況變而轉(zhuǎn)動(dòng)，高效率區(qū)廣，進(jìn)行雙重調(diào)節(jié)（導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)輪葉片角度可調(diào)節(jié)）適用范圍：適用H、Q變化大，H:3～

80m大，中型電站多采用

3.XL式水流特點(diǎn)：轉(zhuǎn)輪區(qū)水流斜向流入，斜向流出；優(yōu)點(diǎn)：葉片能隨工況變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，高效率區(qū)寬廣，進(jìn)行雙重調(diào)節(jié)（導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)輪葉片角度可調(diào)節(jié)）適用范圍：適用H變化大，H:40～

200m4.GL式水流特點(diǎn)：轉(zhuǎn)輪區(qū)水流軸向流入，軸向流出；

全貫流式：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)輪外緣。

優(yōu)點(diǎn)：水力損失小，過(guò)流量大，結(jié)構(gòu)緊湊。

半貫流式：軸伸式、豎井式、燈炮式。適用范圍：適用H:2～25m,小型河床電站。GL式5.切擊式（培爾頓式）水流特點(diǎn)：水流從噴嘴射出，沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向沖擊在斗葉上；轉(zhuǎn)輪區(qū)水流壓力為大氣壓。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由噴嘴和轉(zhuǎn)輪組成，葉片為水斗式。

優(yōu)點(diǎn)：安裝高度不受空化條件限制；應(yīng)用水頭可很高。適用范圍：適用H變化不大，負(fù)荷變化大的電站。6.其他形式的水輪機(jī)斜擊式：H：50～

400m。構(gòu)造簡(jiǎn)單，效率低。多用于中小型電站

。雙擊式：H：10～

150m。構(gòu)造簡(jiǎn)單，效率低，多用于小型電站。可逆式水泵水輪機(jī)：分為混流式，斜流式，軸流式，貫流式。適用于抽水蓄能電站和潮汐電站。斜擊式可逆式水泵水輪機(jī)反擊式水輪機(jī)的構(gòu)造1.引水室——

①引導(dǎo)水流均勻、軸對(duì)稱進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；②形成一定速度環(huán)量，如蝸殼（金屬、混凝土蝸殼）2.座環(huán)——位于導(dǎo)葉外圍，由上、下環(huán)和立柱組成；

作用：①由上、下環(huán)和立柱組成，承受發(fā)電機(jī)組軸向荷載并傳給基礎(chǔ)；②支承活動(dòng)導(dǎo)葉。

斷面設(shè)計(jì)：流線形，保證強(qiáng)度、剛度。數(shù)目為活動(dòng)導(dǎo)葉的一半。3.導(dǎo)水機(jī)構(gòu)——導(dǎo)水葉及其軸、調(diào)速器、接力器（轉(zhuǎn)臂、連桿、控制環(huán))

；①引導(dǎo)水流按一定方向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪；②形成與改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的速度環(huán)量；③調(diào)節(jié)Q→調(diào)節(jié)出力P；④關(guān)機(jī)時(shí)截?cái)嗨鳌?/p>

4.轉(zhuǎn)輪（工作核心）——能量轉(zhuǎn)換。決定水輪機(jī)的尺寸、性能、結(jié)構(gòu)。5.泄水部件（尾水管）——

①回收能量；②排水至下游。6.主軸——將轉(zhuǎn)輪機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)。7.軸承——承受水輪機(jī)軸上的荷載（徑向力和軸向力），并傳遞給基礎(chǔ)。如水輪機(jī)導(dǎo)軸承。水流流動(dòng)方向：水流→蝸殼→座環(huán)→導(dǎo)葉→轉(zhuǎn)輪→尾水管→下游

水斗式水輪機(jī)的構(gòu)造

水流流動(dòng)方向：水流→噴管→折流板→轉(zhuǎn)輪→機(jī)殼→尾水槽1.噴嘴——由噴嘴、噴管體、導(dǎo)水葉柵、噴針頭、噴桿、操作機(jī)構(gòu)組成2.噴針——控制水輪機(jī)的過(guò)水流量，以行程表示。3.轉(zhuǎn)輪

——輪盤、斗葉（沿輪盤均勻分布）。4.折向器——使針閥緩慢關(guān)閉，降低水擊壓力，使水流偏離水斗，避免機(jī)組轉(zhuǎn)速升高。5.機(jī)殼——把水斗中排出的水引導(dǎo)入尾水槽內(nèi)。一般為鑄鋼件。

水輪機(jī)類型及應(yīng)用水頭范圍類型型式適應(yīng)水頭范圍（m）

反擊式HL式混流式40～700混流可逆式80～600ZL式軸流轉(zhuǎn)槳式3～90軸流定槳式3～50XL式斜流式40～200斜流可逆式40～120GL式貫流轉(zhuǎn)槳式2～30貫流定槳式

沖擊式水斗式300～1700斜擊式20～300雙擊式5～100引水室型式主軸布置型式水輪機(jī)的牌號(hào)及裝置形式

ⅠⅡⅢ

轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑(cm)等參數(shù)

型號(hào)型式用比轉(zhuǎn)速ns表示，可逆式前加N一.型號(hào)(由三部分組成)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑（cm）作用于每個(gè)轉(zhuǎn)輪上的射流數(shù)目×射流直徑（cm）CJ式HL240—LJ—410

混流式水輪機(jī)，型號(hào)240（比轉(zhuǎn)速），立軸金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為410cm；ZZ440—LH—430

軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，型號(hào)440（比轉(zhuǎn)速），立軸混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑430cm

2CJ30—W—120/2×10

水斗式水輪機(jī)，2個(gè)轉(zhuǎn)輪，型號(hào)440（比轉(zhuǎn)速），臥式，轉(zhuǎn)輪直徑1200cm，每個(gè)轉(zhuǎn)輪上2個(gè)噴嘴，射流直徑10cmSJ60—W—120/100

雙擊式水輪機(jī)，型號(hào)60（比轉(zhuǎn)速），臥式，轉(zhuǎn)輪直徑120cm，轉(zhuǎn)輪軸長(zhǎng)度100cm例子：二.標(biāo)稱直徑D11．混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑是指其轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊的最大直徑；2．軸流式、斜流式和貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑是指與轉(zhuǎn)輪葉片軸線相交處的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)徑；3．沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑是指轉(zhuǎn)輪與射流中心線相切處的節(jié)圓直徑。三.裝置型式——指水輪機(jī)軸的布置型式和引水室型式相結(jié)合的總體。分為立式和臥式。引水機(jī)構(gòu)水輪機(jī)蝸殼整機(jī)示意圖導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水導(dǎo)葉工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)輪泄水機(jī)構(gòu)尾水管調(diào)速器飛輪發(fā)電機(jī)水輪機(jī)水輪發(fā)電機(jī)概述水輪發(fā)電機(jī)組的型式

按布置方式分：分為臥式和立式兩種。

臥式水輪發(fā)電機(jī)適合中小型、貫流及沖擊式水輪機(jī)。一般低、中速的大、中型機(jī)組多采用立式發(fā)電機(jī)。按推力軸承位置分：立式發(fā)電機(jī)又分為懸式和傘式兩種。推力軸承位于轉(zhuǎn)子上方的發(fā)電機(jī)稱為懸式發(fā)電機(jī)，它適用于轉(zhuǎn)速在100r/min以上。推力軸承位于轉(zhuǎn)子下方的發(fā)電機(jī)稱為傘式發(fā)電機(jī)，無(wú)上導(dǎo)的稱為全傘式，有上導(dǎo)的稱為半傘式，它適用于轉(zhuǎn)速在150r/min以下。按冷卻方式分：可分為空氣冷卻和水冷卻兩種。水輪發(fā)電機(jī)的主要作用將水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能最終轉(zhuǎn)換成電能，其結(jié)構(gòu)與性能的好壞對(duì)電站的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行起著致關(guān)重要的作用。水輪發(fā)電機(jī)組成主要由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)架、推力軸承、導(dǎo)軸承、冷卻器、制動(dòng)器等部件組成。

1.水輪機(jī)的基本方程式

2.水輪機(jī)的能量損失及效率

3.水輪機(jī)汽蝕、吸出高度與安裝高程

水輪機(jī)的工作原理

1.水輪機(jī)基本方程式方程的實(shí)質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡方程水流與葉片相互作用，使得水輪機(jī)做功。水流通過(guò)水輪機(jī)時(shí)，葉片迫使水流動(dòng)量矩發(fā)生變化，而水流以反作用力作用在葉片上，從而使轉(zhuǎn)輪獲得力矩。水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能的必要條件：水流在轉(zhuǎn)輪出口的能量小于進(jìn)口處的能量，即轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口和出口必須存在速度矩的差值?；痉匠痰奈锢硪饬x水輪機(jī)的能量損失及效率

水力損失(headloss)和水力效率容積損失(waterloss)與容積效率機(jī)械損失(frictionloss)和機(jī)械效率水輪機(jī)的總效率

η=ηHηVηm提高效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機(jī)械摩擦。η根據(jù)模型試驗(yàn)得到。水輪機(jī)的汽蝕

汽蝕現(xiàn)象汽蝕的危害

汽蝕類型

水輪機(jī)汽蝕的防護(hù)

汽蝕現(xiàn)象

當(dāng)某點(diǎn)的壓力達(dá)到（或低于）該溫度下水的汽化壓力時(shí)，水就局部汽化產(chǎn)生大量汽泡，同時(shí)水體中存在的許多眼看不見的氣核體積驟然增大也形成可見氣泡，這些氣泡隨著水流進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)，氣泡瞬時(shí)破滅，由于汽泡中心壓力較低，氣泡周圍的水質(zhì)點(diǎn)將以很高的速度向汽泡中心撞擊形成巨大的壓力，并以很高的頻率沖擊金屬表面，使水輪機(jī)過(guò)流部件的金屬表面產(chǎn)生物理電化學(xué)作用遭到破壞，這一現(xiàn)象就稱為汽蝕現(xiàn)象，汽蝕的危害

降低水輪機(jī)效率，減小出力。破壞水輪機(jī)過(guò)流部件，影響機(jī)組壽命。產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪音和振動(dòng)，從而影響水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。汽蝕類型

翼型汽蝕：發(fā)生在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上的汽蝕。（如圖a)間隙汽蝕：水流通過(guò)狹小的流道與間隙時(shí)流速變大，從而引起壓力降低而產(chǎn)生負(fù)壓所形成。圖a(如圖b)圖b葉型汽蝕

局部汽蝕：水輪機(jī)過(guò)流部件局部凸凹不平時(shí)，也會(huì)引起局部真空形成局部氣蝕。（如圖c）圖c

空腔汽蝕：反擊式水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況時(shí)，水輪機(jī)出口流速則產(chǎn)生一圓周