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水轮发电机组概述水轮发电机组概述水电站与水轮机水电站与水轮机 水轮机的工作参数水轮机的工作参数 水轮机的型号水轮机的型号 水轮机的主要类型及适用水头水轮机的主要类型及适用水头 水轮机的装置型式水轮机的装置型式 水轮机发展综述水轮机发展综述 1-1.水电站与水轮机水电站与水轮机 v水轮机是一种将河流中蕴藏的水能转换成旋转机械能的原动机。水流流过水轮机时，通过主轴带动发电机将旋转机械能转化成电能，水轮机与发电机连接成的整体称为水轮发电机组，它是水电站的主要设备之一。v水电站是借助水工建筑物和机电设备将水能转换为电能的企业。为了利用水流发电，就要将天然落差集中起来，并对天然的流量加以控制和调节（如建造水库），形成发电所需要的水头和流量。2-水电站的分类v坝后式水电站 3-水电站的分类v引水式水电站 4-水电站的分类v混合式水电站 5-2.水轮机的主要类型及适用水头水轮机的主要类型及适用水头 v水轮机是将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机。v水轮机分成两大类：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。6-反击式水轮机反击式水轮机 v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20700m，结构简单、运行稳定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。1主轴；2叶片；3导叶 7-反击式水轮机反击式水轮机 v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380m，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 8-反击式水轮机反击式水轮机 v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40200m。1蜗壳；2导叶；3转轮叶片；4尾水管9-反击式水轮机反击式水轮机 v贯流式水轮机 是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125m，适用于低水头、大流量的水电站。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。10-全贯流式水轮机全贯流式水轮机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11-v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。目前广泛使用的是灯泡贯流式水轮机，其结构紧凑、稳定性好、效率较高。12-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13-竖井贯流式水轮机 14-灯泡贯流式水轮机 15-冲击式水轮机冲击式水轮机 v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。大型水斗式水轮机的应用水头约3001700m，小型水斗式水轮机的应用水头约为40250m。16-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 17-冲击式水轮机冲击式水轮机 v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20300m。（a）转轮；（b）斜击式转轮进水示意图 1管帽；2针阀；3轮叶18-冲击式水轮机冲击式水轮机 v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5100m。1工作轮；2喷嘴；3调节闸板；4舵轮；5引水管；6尾水槽 19-3.水轮机的工作参数水轮机的工作参数 v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。v基本工作参数主要有水头H、流量Q、出力P、效率、转速n。20-v水头水头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。H=EE=（Z+P/+V 2/2g）（Z+P/+V2/2g）XE单位重量水体的能量，单位重量水体的能量，m；XZ相对某一基准的位置高度，相对某一基准的位置高度，m；XP相对压力，相对压力，N/m2或或Pa；XV断面平均流速，断面平均流速，m/s；X断面动能不均匀系数；断面动能不均匀系数；X水的比重，其值为水的比重，其值为9810N/m3;Xg重力加速度，重力加速度，9.81m/s2。21-水电站和水轮机的水头示意图 22-v流量流量Q 是单位时间内通过水轮机某一特定过流断面的水流体积，常用符号Q表示，单位为m3/s。v转速转速n 是水轮机转轮在单位时间内的旋转次数，常用符号n表示，单位为r/min。v出力出力P与效率与效率 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t表示。23-4.水轮机的型号水轮机的型号v根据我国“水轮机型号编制规则”规定，水轮机的型号由三部分组成，每一部分用短横线“”隔开。第一部分由汉语拼音字母与阿拉伯数字组成，拼音字母表示水轮机的型式，阿拉伯数字表示转轮型号。第二部分由两个汉语拼音字母组成，分别表示水轮机主轴布置形式和引水室的特征；第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其它必要的数据。24-水轮机型式 代表符号 主轴布置型式及引水室特征 代表符号 混流式 HL 立轴 L 轴流转桨式 ZZ 卧轴 W 轴流定桨式 ZD 金属蜗壳 J 斜流式 XL 混凝土蜗壳 H 冲击（水斗）式 CJ 灯泡式 P 贯流转桨式 GZ 明槽式 M 贯流定桨式 GD 罐式 G 可逆式 N 竖井式 S 双击式 SJ 虹吸式 X 斜击式 XJ 轴伸式 Z 常见水轮机型号和代表符号及布置型式 25-v各种型式水轮机的转轮标称直径（简称转轮直径，常用D1表示）如图所示，具体的规定如下：混流试水轮机转轮直径是指其转轮叶片进水边的最大直径。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。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。26-（a）轴流式水轮机标称直径；（b）混流式水轮机标称直径；（c）斜流式水轮机标称直径；（d）冲击式水轮机标称直径27-5.水轮机的装置型式水轮机的装置型式v反击式水轮机装置型式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，一般采用立轴布置形式水轮机与发电机轴直接连接。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采用直接连接，也可以通过齿轮、皮带间接连接。28-v冲击式水轮机的装置型式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。29-6.水轮机发展综述水轮机发展综述v公元前几个世纪前中国、印度等地就已经懂得利用水流来带动石磨、水辗等加工机械。v 1745年英国学者巴克斯，1750年匈牙利人辛格聂尔分别提出了一种依靠水流反作用力工作的水力原动机。v17511755年，俄国彼得堡科学院院士欧拉发表了著名的叶片式机械的能力平衡方程式(欧拉方程)，这个方程式直到今天仍被称为水轮机的基本方程。v1842年法国学者勃尔金建议一种水力原动机，并第一次称为水轮机。30-v18271834年勃尔金的学生富聂隆和俄国人萨富可夫分别提出导叶不动的离心式水轮机。v1837年德国的韩施里，1841年法国的荣华里提出采用吸出管（尾水管）的轴向式水轮机。v18471849年美国的法兰西斯提出了向心式水轮机。v1877年法国人菲康，采用转动导向叶片的方法调节流量。以后在实践中对向心式水轮机不断改进和完善，才发展成现代最广泛使用的混流式水轮机。31-