任务1.2 水轮机的基本知识_水轮机组运行与维护-QQ阅读男生玄幻网

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任务1.2 水轮机的基本知识

1.2.1 水轮机的基本参数

水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量转换为转轮机械能过程中的一些特性的数据。水轮机的基本工作参数主要有水头H、流量Q、出力P、效率η和转速n等。

1.水头H

水轮机的水头H（亦称工作水头）是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量差，单位为m，如图1.12所示。对反击式水轮机，进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ—Ⅱ断面，出口取在尾水管出口Ⅱ—Ⅱ断面。根据水轮机工作水头的定义列出水轮机进、出口断面的能量方程，其基本表达式为

式中 E——单位重量水体的能量，m；

Z——相对某一基准的位置高度，m；

P——相对压力，N／m²或Pa；

V——断面平均流速，m/s；

α——断面动能不均匀系数；

γ——水的重度，值为9810N／m³；

g——重力加速度，9.81m／s²。

图1.12 水电站和水轮机的水头示意图

式（1.1）中，计算常取α_Ⅰ=α_Ⅱ=1，αV²/2g称为某截面的水流单位动能，即比动能，单位为m；P／γ称为某截面的水流单位压力势能，即比压能，单位为m；Z称为某截面的水流单位位置势能，即比位能，单位为m。αV²/2g、P／γ与Z的3项之和为某水流截面水的总比能。

水轮机水头H又称净水头，是水轮机做功的有效水头。

上游水库的水流经过进水口拦污栅、进口闸门和压力水管进入水轮机，水流通过水轮机做功后，由尾水管排至下游，在此过程中，产生了水头损失Δh。上、下游水位差值称为水电站的毛水头H_g，单位为m。

故，水轮机的工作水头又可表示为

式中 H_g——水电站毛水头，m；

Δh——水电站引水建筑物中的水力损失，m。

从式（1.2）可知，水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变，常用几个特征水头表示水轮机水头的范围。特征水头包括最大水头H_max、最小水头H_min、加权平均水头H_a、设计水头H_d等，这些特征水头由水能计算给出。

（1）最大水头H_max，是允许水轮机运行的最大净水头，单位为m。它对水轮机结构的强度设计有决定性的影响。

（2）最小水头H_min，是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头，单位为m。

（3）加权平均水头H_a，是在一定期间内（视水库调节性能而定），所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头，单位为m。

（4）设计水头H_d，是水轮机在最高效率点运行时的净水头，单位为m。

（5）额定水头H_r，是水轮机在额定转速下，输出额定功率时的最小净水头，单位为m。

对于冲击式水轮机，以图1.13卧轴水斗式水轮机为例，净水头H则为喷嘴进口断面与射流中心线（两者距离为a）跟转轮节圆相切处单位质量水流机械能之差，即

水轮机的水头，表明水轮机利用水流单位机械能的多少，是水轮机最重要的基本工作参数，其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。

图1.13 卧轴水斗式水轮机水头

2.流量Q

水轮机的流量是单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，常用符号Q表示，常用的单位为m³/s。即

（1）额定流量Q_r。额定流量是水轮机在额定水头、额定转速下，输出额定功率时的流量，单位为m³/s。

（2）水轮机空载流量Q₀。水轮机空载流量是水轮机在额定水头和额定转速下，输出功率为零时的流量，单位为m³/s。

3.出力P与效率η

水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号P表示，常用单位为kW。

水轮机的输入功率是单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号P_n表示，则

由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗，所以水轮机出力P总是小于水流出力P_n。水轮机出力P与水流出力P_n之比称为水轮机的效率，用符号η_t表示。

由于水轮机在工作过程中存在能量损耗，故水轮机的效率η_t＜1。

因此，水轮机的出力可写成

水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力，产生旋转力矩M用来克服发电机的阻抗力矩，并以角速度ω旋转。

水轮机出力P、旋转力矩M和角速度ω之间有以下关系式

式中 ω——水轮机旋转角速度，rad／s；

M——水轮机主轴输出的旋转力矩，N·m；

n——水轮机转速，r/min。

4.转速n

水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内的旋转次数，常用符号n表示，常用单位为r/min。即

额定转速n_r是水轮发电机组按电站设计选定的稳态同步转速。

水轮机的旋转方向是从发电机轴端看到的转轮的旋转方向。贯流式水轮机则从上游向下游方向看。水泵水轮机的旋转方向取水轮机工况的旋转方向。

1.2.2 水轮机组的类型及应用条件

1.水轮机的基本类型

水轮机是将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机。根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机，见表1.2。

表1.2 水轮机型式及其适用范围

（1）反击式水轮机。转轮利用水流的压力能和动能做功的水轮机是反击式水轮机。在反击式水轮机流道中，水流是有压的，水流充满水轮机的整个流道，从转轮进口至出口，水流压力逐渐降低。水流通过与叶片的相互作用使转轮转动，从而把水流能量传递给转轮。为减少水流与叶片相互作用时的能量损失，反击式水轮机的叶片断面多是空气动力翼型形状。反击式水轮机根据其适应的水头和流量的不同，又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种型式。

（2）冲击式水轮机。转轮只利用水流动能做功的水轮机是冲击式水轮机。冲击式水轮机的明显特征是：水流在进入转轮区域之前，先经过喷嘴形成自由射流，将压能转变为动能，自由射流以动能形式冲击转轮旋转，故称为冲击式。在冲击式水轮机流道中，水流沿流道流动过程中保持压力不变（等于大气压力），水流有与空气接触的自由表面，转轮只是部分进水，因此水流是不充满整个流道的。为适应于利用水流动能做功的需要，冲击式转轮叶片一般呈斗叶状。

按射流冲击转轮叶片的方向不同可分为水斗式（切击式）、斜击式和双击式。

2.各类型水轮机的特点及应用范围

（1）混流式水轮机。混流式水轮机，如图1.14所示，又称法兰西斯式水轮机或辐向轴流式水轮，是指轴面水流径向流入、轴向流出转轮的反击式水轮机。

混流式水轮机为固定叶片式水轮机，其转轮由上冠、叶片、下环连成一个整体。因此结构简单，有较高的强度，运行可靠，效率高，应用水头范围广，一般用于中高水头水电站，大、中型混流式水轮机应用水头范围为30～450m。水泵混流式水轮机应用水头高达700m。中、小型混流式水轮机的适用水头范围为25～300m。

图1.14 混流式水轮机

图1.15 轴流式水轮机

（2）轴流式水轮机。轴流式水轮机，如图1.15所示，是指轴面水流轴向进、出转轮的反击式水轮机。其转轮形似螺旋桨，水流在转轮区域是轴向流进轴向流出的。根据叶片在运行中能否相对转轮体自动调节角度，又分为轴流转桨式、轴流调桨式和轴流定桨式。

1）轴流转桨式水轮机。轴流转桨式水轮机是指转轮叶片可与导叶协联调节的自流式水轮机，又称卡普兰式水轮机。其转轮叶片可以根据运行条件调整到不同角度，转轮叶片角度在不同水头下与导水叶开度都保持着相应的协联关系，实现了导水叶与转轮叶片双重调节，扩大了高效率区的范围，使水轮机有较好的运行稳定性。但它需要一套转动叶片的操作机构，因此，结构较复杂，造价高。轴流转桨式水轮机主要用于大中型水电站，应用水头范围在3～80m之间。

2）轴流调桨式水轮机。轴流调桨式水轮机是指仅转轮叶片可调节的轴流式水轮机，又称托马式水轮机。

3）轴流定桨式水轮机。轴流定桨式水轮机是指转轮叶片不可调的（或停机可调的）轴流式水轮机。其转轮叶片相对转轮体是固定不动的，其出力仅仅依靠导水叶来调节，结构简单，造价低，但在偏离最优工况时效率会急剧下降。因此，一般用于功率及水头变幅较小的小型水电站，应用水头通常为3～50m。

（3）斜流式水轮机。斜流式水轮机，如图1.16所示，是指轴面水流以倾斜于主轴的方向进、出转轮的反击式水轮机。其转轮在结构与性能方面介于轴流式与混流式之间。斜流式转轮也可分为转桨式和定桨式，一般是转桨式。与轴流转桨式类似，斜流转桨式水轮机的转轮叶片在运行中一般也可以改变角度，从而实现双重调节，但结构复杂，制造难度大。斜流式水轮机有较宽的高效率区，常用于抽水蓄能式水电站，作为水泵水轮机使用。这种水轮机的应用水头为40～120m。

（4）贯流式水轮机。贯流式水轮机，如图1.17所示，是指过流通道呈直线（或S形）布置的轴流式水轮机。贯流式水轮机为卧轴布置，进水管、转轮室与尾水管为同一中心线，水流在整个水轮机流道“直贯”而过，故称为贯流式。这种水轮机水力损失小，过流能力大，适用于水头2～20m的低水头水电站。

图1.16 斜流式水轮机

图1.17 贯流式水轮机

贯流式水轮机的转轮与轴流式水轮机相同，只是流道形式有区别。贯流式转轮也可分为贯流转桨式、贯流调桨式和贯流定桨式。此外，根据流道布置形式的不同，又分为全贯流式与半贯流式。贯流式水轮机转轮可设计成双向流动方式在潮汐电站中使用。

（5）水斗式水轮机。水斗式水轮机，如图1.18所示，是指转轮叶片呈斗形，且射流中心线与转轮节圆相切的冲击式水轮机，又称贝尔顿水轮机，或称切击式水轮机。它靠从喷嘴出来的射流沿转轮切线方向冲击转轮而做功，因此称为切击式。这种水轮机的叶片如勺状水斗，均匀排列在转轮的轮辐外周，故此又称为水斗式。水斗式水轮机适用于高水头小流量的水电站。小型水斗式水轮机的应用水头为40～250m，大型水斗式水轮机用于200～450m水头的电站，目前最高应用水头达1772m。

（6）斜击式水轮机。斜击式水轮机，如图1.19所示，是指转轮叶片呈碗形，且射流中心线与转轮转动平面呈斜射角度的冲击式水轮机。它靠从喷嘴出来的射流以一定角度（一般约22.5°）斜向冲击转轮叶片做功。它的结构简单，造价低，一般用于中小型水电站中，适用水头25～300m。

图1.18 水斗式水轮机

1—水斗；2、4—转轮；3—机壳；5—喷嘴；6—针阀；7—调速手轮；8—压力水管；9—尾水渠

图1.19 斜击式水轮机

1—机壳；2—转轮；3—挡水盘；4—发电机；5、7—喷嘴；6—阀门

图1.20 双击式水轮机

1—尾水渠；2—转轮；3—调节挡板；4—压水管；5—喷嘴；6—调速手轮；7—机架

（7）双击式水轮机。双击式水轮机，如图1.20所示，是指转轮叶片呈圆柱形布置，水流穿过转轮两次作用到转轮叶片上的冲击式水轮机。其特点是喷嘴出来的射流首先从转轮的外周进入部分叶片流道，将约80%的水流能量传递给转轮，然后这部分水流再从转轮内部二次进入另一部分叶片流道，将剩余的能量传递给转轮。由于水流两次冲击转轮叶片，称之为双击式。它结构简单，制造方便，但效率低。一般用于小型水电站，适用水头为5～150m。

（8）水泵水轮机。水泵水轮机是指既可作水轮机运行又可作蓄能泵运行的水力机械，亦称可逆式水轮机。同一水轮机，既可作为水轮机运行又能作为水泵运行，工作状态具有可逆性。这种水轮机的转轮兼有水轮机和水泵的特点，当它在水泵工况和水轮机工况运行时旋转方向相反，而且水流方向相反。可逆式水轮机用在抽水蓄能电站，调节电力系统的峰谷差。在用电低谷时，它消耗系统电能作水泵运行，将下游水池的水抽到上游水库；在用电高峰时，将上游水库的池水放下，它作为水轮机运行向系统输送电力。可逆式水轮机分混流式、斜流式和轴流式。混流式的应用水头为50～700m；斜流式的应用水头为20～200m；轴流式的应用水头为15～40m。

1.2.3 水轮机型号编排

1.水轮机型号的编制方法

现在我国水轮机型号的编制依照JB/T 9579—1999《水轮机型号编制方法》。

水轮机产品型号由三部分代号组成，各部分之间用“—”分开。

水轮机型号排列顺序如下：

型号的第一部分由水轮机型式和转轮的代号组成。水轮机型式用汉语拼音字母表示，其代号规定见表1.3。

表1.3 水轮机型式的代号

水泵水轮机在水轮机型式代号后增加汉语拼音字母“B”。转轮代号采用水轮机比转速（代号统一由归口单位编制）或转轮代号（由制造厂自行编号）表示，用阿拉伯数字表示。

型号的第二部分由水轮机的主轴布置形式和结构特征的代号组成，用汉语拼音字母表示，其代号规定见表1.4。

表1.4 水轮机主轴布置形式和结构特征代号

注主轴非垂直布置形式均用“W”表示。

型号的第三部分由水轮机转轮直径D₁（以cm表示）或转轮直径和其他参数组成，用阿拉伯数字表示。

对于水斗式或斜击式水轮机，表示为：转轮直径／喷嘴数目×射流直径。

对于双击式水轮机，表示为：转轮直径／射流宽度。

2.水轮机转轮公称直径

据GB／T2900.45—1996《电工术语水轮机、蓄能泵和水泵水轮机》，转轮公称直径D₁的规定如图1.21所示，具体规定如下：

（1）混流式水轮机转轮直径是指其转轮叶片进水边的最大直径。

（2）轴流式、斜流式和贯流式水轮机转轮直径是指与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径。

（3）冲击式水轮机转轮直径是指转轮与射流中心线相切处的节圆直径。

为了水轮机设计制造上的便利，对水轮机转轮公称直径D₁尺寸系列规定，见表1.5。

表1.5 反击式水轮机转轮公称直径系列

注表中括号内的数字仅适用于轴流式水轮机。

实际上，对于大型或巨型水轮机的转轮直径，常考虑机组额定出力、机组的优化运行等条件，有时不严格按系列值确定转轮直径（图1.21）。

3.水轮机型号示例

例1 HL220／A153-WJ-84：表示为新入谱转轮型号，转轮代号为220、转轮研制单位的轮转编号为A153、卧轴、金属蜗壳的混流式水轮机，转轮直径为84cm。

例2 ZZ560-LH-500：表示转轮代号为560、立轴、混凝土蜗壳的轴流转桨式水轮机，转轮直径为500cm。

例3 XLB200-LJ-300：表示转轮代号为200、立轴、金属蜗壳的斜流式水泵水轮机，转轮直径为300 cm。

例4 GD800-WP-250：表示转轮代号为800、卧轴、灯泡贯流定桨式水轮机，转轮直径为250cm。

例5 CJ22-W-120／2×10：表示转轮代号为22、卧轴、两喷嘴冲击（水斗）式水轮机，转轮直径为120cm，设计射流直径为10cm。

图1.21 各种水轮机转轮的标称直径

（a）轴流式；（b）混流式；（c）斜流式；（d）水斗式

例6 SJ40-W-50／40：表示转轮代号为40、卧轴、双击式水轮机，转轮直径为50cm，转轮宽度为40cm。

1.2.4 水轮机组的装置型式

水轮机的装置型式是指水轮机主轴的布置型式和引水室型式相结合的总体。它取决于使用水头、单机容量和上下游水位等的变化情况。水轮机装置型式对水电站厂房设计有着密切的关系，下面对水轮机常用的几种装置型式作简单的介绍。

图1.22 金属蜗壳—立轴装置

1.反击式水轮机装置型式

反击式水轮机使用水头范围大，单机容量的差别大，机型繁多，所以装置型式各不相同。对大型机组，为了缩小厂房面积，一般采用立轴布置型式，水轮机轴与发电机轴直接连接。对中高水头混流式机组采用立轴，金属蜗壳，弯肘形尾水管，如图1.22所示；一般中低水头混流式机组和轴流式机组采用立轴，混凝土蜗壳，弯肘形尾水管，如图1.23所示。

对贯流式机组，主轴都采用卧轴布置型式，引水室采用贯流式，如图1.17所示。

图1.23 混凝土蜗壳—立轴装置

对中、小型机组，根据利用方式不同，主轴可以布置成立式或者卧式。水轮机轴与发电机轴可以来用直接连接，也可以通过齿轮、皮带间接连接。在高水头时，一般采用蜗壳，在低水头时大多采用开敞式引水室。另外也有采用罐式、虹吸式的，而尾水管一般采用直锥形和肘形尾水管。图1.24是立轴、金属蜗壳，直锥形尾水管，一般用于中高水头、容量相对较大的混流式机组；图1.25是卧轴、金属蜗壳、肘形尾水管，一般用于中高水头、小容量的机组；图1.26是立轴、明槽、肘形尾水管，一般低水头、小容量的轴流式水轮机可以采用这种装置型式；图1.27是立轴、明槽、直锥形尾水管，对于水头很低的小容量轴流式水轮机可以采用这种装置型式；图1.28是卧轴、罐式、肘形尾水管，一般用于中等水头、容量相当小的混流式水轮机。

图1.24 金属蜗壳—立轴装置

1—金属蜗壳；2—主轴；3—调节轴；4—推拉杆；5—主阀；6—压力水管；7—直锥形尾水管

2.冲击式水轮机的装置型式

冲击式水轮机的装置型式是根据它们的类型和机组容量的大小，结合当地自然条件与生产制造水平决定的。

斜击式和双击式水轮机由于机组容量小，一般都采用卧轴装置型式。切击式水轮机由于机组容量范围较大，因此装置型式有立式也有卧式。大容量机组一般是立式，小容量机组是卧式。卧式切击式水轮机一般为了得到较高的水力效率大多对每个转轮采用单喷嘴，对较大容量的卧式机组多采用双转轮，对每个转轮使用双喷嘴的装置型式，如图1.29～图1.33所示。

对大容量机组，为了缩小厂房平面尺寸，降低开挖费用，一般都采用立式装置。立式装置还可以降低进水管中的水力损失及转轮的风损，提高水轮机效率。另外立式机组可以多装喷嘴，一般是1～6个喷嘴，如图1.34所示。增加喷嘴数可以提高切击式水轮机的比转速，在运行中能够根据负荷的变化自动调整投入运行的喷嘴数，保持运行的高效率。国外5～6个喷嘴的切击式水轮机所占比例相当大。