水力发电原理及水电站设备简介25933.docx

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1、水力发电电原理及及水电站站概况本课程主主要内容容为介绍绍水力发发电的基基本原理理，以及及概述性性地介绍绍水电站站各组成成系统的的设备的的类型、作作用。主主要是让让读者从从总体上上了解水水电站是是如何实实现水能能转化为为电能？实现这这个过程程需要哪哪些设备备的支撑撑？这些些设备的的具体分分工是如如何的？由于本本课程为为总体性性概述，因因此对于于具体设设备的工工作原理理和内部部结构则则不作具具体性的的阐述，若若读者对对这些问问题感兴兴趣，可可以参考考其他水水力专业业性书籍籍。一. 水力发电电基本原原理及水水电站在在电力系系统中的的工作方方式1. 水力发电电基本原原理水力发电电过程其其实就是是一个能

2、能量转换换的过程程。通过过在天然然的河流流上，修修建水工工建筑物物，集中中水头，然后通通过引水水道将高高位的水水引导到到低位置置的水轮轮机，使使水能转转变为旋旋转机械械能，带带动与水水轮机同同轴的发发电机发发电，从从而实现现从水能能到电能能的转换换。发电电机发出出的电再再通过输输电线路路送往用用户，形形成整个个水力发发电到用用电的过过程。如图1-1所示示，高处处水库中中的水体体具有较较大的势势能，当当水体经经由压力力管道流流进安装装在水电电站厂房房内的水水轮机而而排至水水电站的的下游时时，水流流带动水水轮机的的转轮旋旋转，使使得水动动能转变变为旋转转的机械械能，水水轮机带带动同轴轴的发电电机转

3、子子切割磁磁力线，在在发电机机的定子子绕组上上产生感感应电动动势，当当定子绕绕组与外外电路接接通时，发发电机就就向外供供电了。如如此，水水轮机的的选择机机械能就就通过发发电机转转变为电电能。2. 水电站的的出力和和发电量量的计算算水电站在在某时刻刻输出的的功率，称称为水电电站在该该时刻的的出力。水电站的理论出力公式如下：上式中的的Q为水轮轮机的引引用流量量，Hg为水电站站上、下下游的高高程差，称称为水电电站的毛毛水头。水电站的的实际出出力公式式如下：上式中HH称为水水轮机的的工作水水头，h为水头头损失；为水水轮发电电机组的的总效率率；K=水电电站的出出力系数数，对于于大中型型水电站站，K值可取

4、取为8.08.55，对于于小型水水电站，K值一般般取为66.58.00。3. 水电站的的运行特特点目前，在在我国的的电力系系统中，主主要是火火电厂与与水电站站以及少少数的核核电厂、风风力发电电厂、地地热能发发电厂联联合工作作。为了了使得各各类电厂厂合理分分担电力力系统的的负荷，各各种类型型的电厂厂在电力力系统中中承担着着不尽相相同的作作用。以以下图2-11为电力系系统日负负荷曲线线图：一般来说说，由于于火电和和核电机机组在机机组性能能上的特特点，它它们一般般在电力力系统中中主要承承担基荷荷和腰荷荷的负荷荷，而结结合水电电机组的的特点以以及不同同的季节节，水电电机组在在承担电电力负荷荷上选择择性

5、更为为灵活。下下面我们们先了解解一下水水电站的的运行特点点：（1） 水电站的的工作情情况随河河川径流流的多变变而变化化。水电电站的出出力和发发电量受受到天然然径流来来水量的的影响，虽虽然水库库具有调调节径流流的作用用，但也也只能是是在一定定程度上上小幅度度调节（水水库库容容越大，调调节的作作用就越越明显），导导致水电电站在枯枯水季节节出力和和发电量量得不到到保证，丰丰水季节节又往往往由于库库容不足足弃水而而导致水水能难以以利用。（2） 水电站的的运行费费用与实实际发出出的电量量多少无无关。建建成后的的水电站站，其发发电量的的多少主主要与其其来水径径流量的的多少有有关，而而其运行行费用却却基本不

6、不会因此此而有所所增减。因因此，应应当尽量量使水电电站多发发电，而而减少系系统中火火电厂的的发电量量，从而而减低火火电厂相相应燃料料的消耗耗，提高高整个电电力系统统的经济济性。（3） 水轮发电电机组操操作灵活活，启停停迅速，通通常只需需要几分分钟就可可以启动动或停机机，增减减负荷十十分方便便。因此此利用水水库调节节，水电电站适宜宜在电力力系统中中承担调调峰、调调频和事事故备用用等任务务。（4） 由于水资资源及其其水库具具有综合合利用的的性质，水水利系统统各部门门对水电电站及其其水库会会提出各各种综合合利用要要求，因因而水电电站及其其水库的的运行调调度方式式必然会会受到他他们的制制约。4. 水电

7、站在在系统中中工作方方式的一一般原则则决定水电电站在系系统中的的工作方方式的原原则是尽尽量使得得电力系系统供电电的可靠靠性和经经济型最最大化。具具体的基基本原则则有以下下几条：（1） 为了充分分利用水水能，无无调节水水电站适适宜全年年担负系系统基荷荷工作，有有调节水水电站在在枯水期期宜在峰峰荷工作作，随着着来水增增多，可可从峰荷荷逐步过过渡到担担任丰水水期的基基荷工作作。（2） 为了节省省煤耗或或油耗，火火电厂宜宜担负较较为均匀匀的负荷荷，所以以最好在在基荷工工作。但但在丰水水期，水水电站还还是应以以全部装装机容量量在基荷荷工作，此此时火电电厂应担担负峰荷荷，虽然然单位煤煤耗有所所增加，但但可

8、由于于水电站站减少弃弃水，从从而在总总体上节节约了煤煤耗总量量，使得得电力系系统的总总成本下下降。（3） 应尽量使使得各水水电站机机组在高高效率区区内运行行，避免免长时期期在低水水头、低低负荷下下运行。（4） 由于核电电机组调调节困难难，若过过于频繁繁地大幅幅度调整整负荷，核核电机组组的安全全性将受受到影响响，所以以应优先先保证核核电机组组在基荷荷位置运运行。根据水电电站水库库的调节节能力，水电站可分为无调节水电站、日调节水电站、年调节水电站以及多年调节水电站。水库的调节能力不同，导致水电站在系统中的工作方式也不一样，但总体原则是尽量减少水库不必要的弃水，若水库库容不具备调节能力，应使水电站运

9、行在基荷位置，充分利用水资源；若水库库容尚具备调节空间，应使水电站运行在峰荷或腰荷位置，以充分发挥水电机组调节能力强、运行灵活的特点。二. 水电站的的基本类类型1. 河床式水水电站一般修建建在河流流中下游游河道纵纵坡平缓缓的河段段上，为为了避免免大量淹淹没，坝坝建得较较低，故故水头较较小。河河床式水水电站的的引用流流量一般般较大，属属于低水水头大流流量型水水电站。其其特点是是：厂房房与坝一一起建在在河床上上，厂房房本身承承受上游游水压力力，并成成为挡水水建筑物物的一部部分，一一般不设设专门的的引水管管道，水水流直接接从厂房房上游进进水口进进入水轮轮机。2. 坝后式水水电站坝后式水水电站一一般修

10、建建在河流流中上游游的山区区峡谷地地段，受受水库淹淹没限制制相对较较小，所所以坝可可建得较较高，水水头也较较大。由由于水头头较高，厂厂房不能能承受上上游过大大水压力力而建在在坝后（坝坝下游）。其其特点是是：水电电站厂房房布置在在坝后，厂厂坝之间间常用缝缝分开，上上游水压压力全部部由坝承承担。3. 坝内式水水电站坝内式水水电站是是指将厂厂房布置置在拦河河坝体内内部，采采用如此此布置主主要是由由于河谷谷狭窄不不足以布布置坝后后式厂房房，而坝坝高足够够允许在在坝内留留出一定定大小的的空腔布布置厂房房。由于于坝内式式水电站站的厂房房布置在在溢流坝坝内，坝坝体内部部的空腔腔削弱了了坝体强强度，并并使得坝

11、坝体应力力复杂化化。由于于厂房尺尺寸受到到坝体尺尺寸的限限制，因因此此类类水电站站的机电电设备选选择在尺尺寸上也也受到相相应的限限制。另另外坝内内式水电电站要特特别注意意防渗、防防潮、通通风、照照明等问问题。4. 引水式水水电站发电用水水来自较较长的引引水道，厂厂房远离离挡水和和进水建建筑物，厂厂房上游游不承受受水压力力，厂房房布置在在引水系系统末端端的的河岸上上。由于于厂房布布置在地地面的河河岸上，因因此称为为引水河河岸式水水电站。当当由于河河谷狭窄窄，岸坡坡陡峻，或或者其它它原因，布布置地面面厂房有有困难时时，将厂厂房建在在地下的的山体内内，则此此类可称称为引水水地下式式厂房。5. 抽水蓄

12、能能电站抽水蓄能能电站可可认为是是一种特特殊类型型的水电电站。水水电机组组具备启启停迅速速、运行行灵活，适适宜担任任调峰、调调频和事事故备用用负荷等等特点，而而抽水蓄蓄能机组组可将水水电机组组上述特特点发挥挥到极致致。抽水水蓄能电电站不是是为了开开发水能能资源向向系统提提供电能能，而是是以水体体为贮能能介质，对对电力系系统起到到调节作作用。抽抽水蓄能能电站包包括抽水水蓄能和和放水发发电两个个过程，它它有上下下两个水水库，一一般用压压力管道道相连，蓄蓄能电站站厂房建建在离下下水库不不远的地地下山体体内。在在系统负负荷低谷谷时，利利用系统统多余的的电能带带动泵站站机组（电电动机+水泵）将将下库的的

13、水抽到到上库，以以水的势势能形式式储存起起来；当当系统负负荷高峰峰时，将将上库的的水放下下来推动动水轮发发电机组组（水轮轮机+发电机机）发电电，以补补充系统统中电能能的不足足。由于于抽水蓄蓄能电站站较之常常规水电电站可运运行的工工况更多多，因此此其在对对电力系系统的调调节功能能上更为为灵活。三. 水电站建建筑物简简介为了控制制水流，实实现水力力发电而而修建的的一系列列水工建建筑物，称称为水电电站建筑筑物。水水电站枢枢纽一般般由以下下建筑物物组成。1. 挡水建筑筑物用以拦截截河流，集集中落差差，形成成水库的的拦河坝坝、闸或或河床式式水电站站的厂房房等水工工建筑物物，如混混凝土重重力坝、拱拱坝、土

14、土石坝、堆堆石坝及及拦河闸闸等。2. 泄水建筑筑物用以宣泄泄洪水，供供下游用用水，放放空水库库的建筑筑物，如如开敞式式河岸溢溢洪道、溢溢流坝、溢溢洪洞及及放水底底孔等。3. 进水建筑筑物用以从河河道或水水库按发发电要求求引进发发电流量量的引水水道首部部建筑物物，如有有压、无无压进水水口等。4. 引水建筑筑物用以集中中水头，输输送流量量到水轮轮发电机机组或将将发电后后的水排排往下游游河道的的建筑物物，如渠渠道、隧隧洞、压压力管道道、尾水水渠等。5. 平水建筑筑物用以平稳稳由于水水电站负负荷变化化在引水水或尾水水系统中中引起的的流量及及压力的的变化，保保证水电电站调节节稳定的的建筑物物，如有有压引

15、水水式水电电站的调调压塔或或调压井井，无压压引水式式水电站站渠道末末端的压压力前池池。6. 厂区枢纽纽建筑物物水电站厂厂区枢纽纽建筑物物主要是是指水电电站的主主厂房、副副厂房、变变压器场场、高压压开关站站、交通通道路及及尾水渠渠等建筑筑物。这这些建筑筑物一般般集中布布置在同同一局部部区域内内形成厂厂区。厂厂区是发发电、变变电、配配电的中中心，是是电能生生产的中中枢。7. 过坝建筑筑物用以通船船、过木木及过鱼鱼等的建建筑物，如如船闸、鱼鱼道等。四. 水电站厂厂房的组组成及布布置水电站厂厂房是水水工建筑筑物、机机械及电电气设备备的综合合体，是是水能转转变为电电能的生生产场所所，也是是运行人人员进行

16、行生产和和活动的的场所。因因此厂房房内各种种机电设设备安装装布置是是否合理理，厂房房内的环环境是否否良好对对于是否否便于生生产人员员开展工工作，生生产人员员工作状状态是否否良好影影响是非非常大的的。1. 水电站厂厂房的组组成水电站厂厂房根据据设备布布置和运运行要求求的空间间可划分为以以下几大大区域：（1） 主厂房。用用来安装装水轮发发电机组组及各种种辅助设设备的房房间成为为主厂房房，是水水电站厂厂房的主主要组成成部分。（2） 副厂房。布布置各种种运行控控制设备备和检修修管理设设备的房房间，以以及运行行管理人人员工作作和生活活的用房房，统称称为副厂厂房。（3） 主变压器器场。安安装升压压变压器器

17、的地方方成为主主变压器器场。水水电站发发出的电电能经变变压器升升压后，再再经输电电线路送送给用户户。（4） 开关站。安安装高压压配电装装置的地地方成为为开关站站。发电电机侧（低低压侧）的的配电装装置，通通常装设设在厂房房内，而而其高压压侧的配配电装置置一般在在户外，称称为高压压开关站站。开关关站装设设高压开开关、高高压母线线和保护护装置，高高压输电电线由此此将电能能送给电电网和用用户。水电站主主厂房、副副厂房、主主变压器器场和高高压开关关站以及及厂区交交通等，组组成水电电站厂区区枢纽建建筑物，一一般称为为厂区枢枢纽。厂厂区是完完成发电电、变电电和配电电的主体体。2. 水电厂厂厂房的布布置根据大

18、轴轴布置方方向的不不同，水水轮发电电机组可可分为立立式机组组和卧式式机组，一一般大中中型的水水力发电电机组所所采用的的都为立立式机组组，下面面所讨论论的水电电厂厂房房布置均均指立式式机组的的厂房布布置。（一） 主厂房设设备的布布置水电厂主主厂房是是安装水水轮发电电机组及及其辅助助设备的的场所，根根据设备备布置的的需要通通常在高高度方向向上分为为数层，如图4-1所示。通常以发电机层楼板高程为界，将主厂房分为上部结构和下部结构两部分。上下部结构高度之和（即由尾水管基底至屋顶的高度）就是主厂房的总高度。水轮机轴中心的连线称为主厂房的纵轴线，与之垂直的机组中心线称为横轴线。每台机组在纵轴线上所占的范围

19、为一个机组段，各机组段和安装间长度的总和，就是主厂房的总长度，厂房在横轴型上所占的范围，就是主厂房的宽度。发电机层层设备布布置。发发电机层层为安放放水轮发发电机组组及辅助助设备和和仪表盘盘柜的场场地，也也是运行行人员巡巡回检查查机组、监监视仪表表的场所所。如图图4-22所示，发电机机层楼板板上一般般布置有有发电机机上机架架、调速速器操作作柜、油油压装置置、机旁旁盘、励励磁盘、桥桥式吊车车等主要要设备以以及主阀阀孔、楼楼梯、吊吊物孔等等厂内交交通设施施。水轮机层层设备布布置。水水轮机层层是指发发电机层层以下，蜗蜗壳大块块混凝土土以上的的这部分分空间。如图4-3所示，在水轮机层一般布置有发电机转子

20、和定子、水轮机顶盖、调速器的接力器、水力机械辅助设备（如油、气、水管路）、电气设备（如发电机主引出线、中性点接线、接地、灭磁装置等）、厂用电的配电设备等。蜗壳尾水水管层的的布置。如图4-4所示，蜗壳尾水管层除了过流部分外，大多为大体积混凝土，布置相对简单。一般布置有进水主阀、蜗壳、供水泵、排水泵、空气压缩机等设备。安装间的的布置。由由于大中中型水电电站的机机电部件件大而重重，因此此一般要要求对外外公路运运输通道道能直达达安装间间，以便便于利用用主厂房房内桥吊吊装卸设设备，所所以安装装间一般般布置在在主厂房房有对外外道路的的一侧。如图4-5所示，安装间的面积可按一台机组扩大性检修的需要确定，一般

21、考虑放置四大部件，即发电机转子带轴、发电机上机架、水轮机转轮、水轮机顶盖。同时需要考虑桥吊主钩的工作范围，预留运输通道和工作人员工作空间等其它相关因素。（二） 副厂房设设备的布布置副厂房的的位置应应紧靠主主厂房，基基本上布布置在主主厂房的的上游侧侧、下游游侧或端端面，可可集中一一处，也也可分为为两处布布置。副厂房的的各楼层层一般布布置有中中央控制制室、集集缆室、继继电保护护室、低低压开关关室、通通信室及及远动装装置室、直直流设备备室、厂厂用电设设备室、母母线室、各各种试验验室和车车间、办办公室及及生活用用房等。45 / 45水电站主主要机电电设备系系统简介介水电站完完成将水水势能转转化为电电能

22、的过过程，除除了需要要形成集集中水头头、引导导水流的的水工建建筑物外外，还需需要包括括水轮机机、发电电机、变变压器在在内机电电设备的的正常工工作。水水轮机、发发电机和和变压器器统称为为水电站站的三大大主设备备，而为为了保证证主设备备完成生生产过程程，需要要对主设设备进行行冷却、润滑、操作、控制、监视等操作。因此，根据水电站机电设备的不同功能，可将它们划分为不同的设备子系统，以便于理解和学习。但必须明确的是，各个设备子系统之间并不是完全分割的，它们之间存在着相互关联、相互影响、相互配合的关系，共同支撑起整个电站的正常运行。下图是一个水电站厂房各设备系统或主要设备之间关系的简图。下面我们们将分系系

23、统介绍绍水电站站的主要要机电设设备，以以使得大大家能从从总体上上了解水水电站主主要设备备的组成成，从而而对水电电站的生生产过程程能有一一个大体体性的认认识。一. 水轮机1. 水轮机的的类型和和应用范范围（一） 水轮机的的基本类类型水轮机是是将水能能转化为为旋转机机械能的的水力原原动机，是是水电站站厂房中中主要的的动力设设备之一一，用来来带动发发电机工工作以获获取电能能。由于于河流的的自然条条件和水水电站的的开发方方式不同同，水电电站的水水头、和和功率差差别很大大，因此此需要有有多种型型式和种种类的水水轮机与与之相适适应。现现在水轮轮机按水水能转换换的特征征分为两两大类，即即反击式式水轮机机和冲

24、击击式水轮轮机。1) 反击式水水轮机。转转轮利用用水流的的压力能能和动能能做功的的水轮机机称为反反击式水水轮机。2) 冲击式水水轮机。转轮只利用水流的动能作功的水轮机称为冲击式水轮机。上述两大大类的水水轮机还还可细分分为以下下具体的的转轮型型式：（二） 常见水轮轮机的特特点及应应用范围围常见水轮轮机的特特点及应应用范围围见下表表：转轮型式式一般适应应水头（m）特点混流式254450结构简单单，运行行可靠、效效率高、应应用水头头范围广广，一般般适用于于中高水水头水电电站。轴流定桨桨式3500结构简单单，但高高效率区区范围较较窄，适适用于负负荷及水水头边幅幅较小的的水电站站。轴流转桨桨式2888结

25、构较为为复杂，由由于导叶叶和桨页页能双重重调节，因因此具有有较大范范围的高高效率区区，适用用于低水水头、大大流量和和负荷变变化较大大的水电电站。斜流式402200也可实现现导叶和和转轮叶叶片双重重调节，具具有较宽宽的高效效率区，但但结构复复杂，造造价较高高，一般般用于大大、中型型水电站站。贯流式2300一般具有有较高的的效率，适适用于低低水头、大大流量的的河床式式水电站站。水斗式40220000适用于高高水头、小小流量的的水电站站。斜击式253300一般适用用于中小小型水电电站。双击式51550结构简单单，制造造方便，但但效率低低，一般般适用于于小型水水电站。可逆混流流式水泵泵水轮机机5077

26、00适用于抽抽水蓄能能电站，兼兼有水轮轮机和水水泵的特特点，可可实现双双向旋转转使得水水流方向向相反，从从而实现现水轮机机和水泵泵的功能能。（三） 水轮机的的工作参参数、型型号和公公称直径径水轮机的的工作参参数主要要有水头头、流量量、转速速、功率率与效率率。每一一种参数数根据具具体的应应用概念念的不同同还可以以细分为为具体的的参数。如如水头有有工作水水头、设设计水头头、额定定水头等等；流量量有额定定流量、空空载流量量等，在在此就不不再对各各种具体体参数作作解释，有有兴趣的的读者可可以参阅阅专业的的书籍。为了统一一水轮机机的品种种规格，以以便提高高质量、降降低造价价和便于于选择使使用，我我国对水

27、水轮机产产品型号号作为规规范化规规定。水水轮机产产品型号号由三部部分组成成，各部部分用一一短线分分开。水水轮机型型号排列列顺序如如下：第一部分分代表水水轮机的的型式和和转轮型型号，水水轮机型型式用汉汉语拼音音字母表表示，转转轮型号号用该水水轮机的的比转速速表示，用用阿拉伯伯数字表表示。水水泵水轮轮机在型型式代号号后面加加汉语拼拼音字母母“B”。其其代号规规定如表表1-11所示。第二部分分代表主主轴布置置形式和和结构特特征，有有两个汉汉语拼音音字母组组成，前前者表示示水轮机机主轴的的布置型型式，后后者表示示引水室室的结构构特征，其其代号规规定如表表1-22所示。第三部分分代表水水轮机转转轮公称称

28、直径DD1以及其其他有关关参数，用用阿拉伯伯数字表表示，单单位为ccm。水轮机型型号示例例如下：1) HL1880LJ5500：表示示混流式式水轮机机，转轮轮型号为为1800，立轴轴，金属属蜗壳，转转轮公称称直径为为5500cm。2) ZD7660LH1200（=+10）：表表示轴流流定桨式式水轮机机，转轮轮型号为为7600，立轴轴，混凝凝土蜗壳壳，转轮轮公称直直径1220cmm，转轮轮叶片装装置（安安装）角角为+110。3) XLB2200LJ3000：表示示斜流式式水泵水水轮机，转转轮型号号为2000，立立轴，金金属蜗壳壳，转轮轮公称直直径为3300ccm。2. 立式混流流式水轮轮机构成成

29、部件的的介绍在此仅对对立式混混流式水水轮机的的各主要要构成部部件进行行简介，若若需了解解其他型型式的水水轮机，请请参阅水水电专业业书籍。（一） 转轮转轮是水水轮机将将水流能能量转变变为旋转转机械能能的核心心部件，要要求转轮轮具有良良好的水水力性能能，足够够的强度度和刚度度。混流流式水轮轮机转轮轮一般有有上冠33、叶片片4、下环环7、止漏漏装置22和6、泄水水锥5和减压压装置11组成。如如图1-1所示示。（二） 导水机构构导水机构构的主要要组成部部分包括括顶盖、底底环、控控制环、导导叶、导导叶套筒筒、导叶传传动机构构（包括括导叶臂臂、连杆杆、连接接板）和和接力器器等部件件。导水机构构接力器器的工

30、作作原理，如如图2-2所示示。图中中示出两两个直缸缸式接力力器的工工作情况况，图示示所在位位置是导导叶正处处于中间间开度，当当接力器器腔体内内接受调调速器系系统送来来的压力力油后，便便可控接接力器的的推拉杆杆，改变变导叶的的开度，达达到调节节水轮机机流量的的目的。1) 导叶。导导叶是导导水机构构的主要要组成部部件，均均匀分布布于转轮轮的外围围、底环环和顶盖盖之间。导叶的断面形状为翼型，首端较厚，尾端较薄，这样既可以保证强度又可以减少水力损失。导叶一般由导叶体和导叶轴组成。另外还有导叶轴套和相应密封、以及传动机构作为导叶的附件支撑导叶的正常工作。2) 底环。是是一个扁扁平的环环形部件件，位于于导

31、叶的的下方，安安装在座座环或基基础环上上，它与与顶盖形形成流道道，并用用来安装装导叶的的下轴套套。3) 控制环。是是传递接接力器作作用力，并并通过传传动机构构转动导导叶的环环形部件件。4) 顶盖。顶顶盖是水水轮机的的主要部部件，在在顶盖的的导叶轴轴孔中装装有导叶叶套筒，顶顶盖上平平面的支支持环支支撑着控控制环，是是水轮机机的主要要受力部部件，要要求有足足够的强强度和刚刚度。（三） 引水部件件及泄水水部件混流式水水轮机的的引水部部件主要要由金属属蜗壳、座环和基础环组成。1) 金属蜗壳壳。引水水室是将将水引入入导水机机构的通通流部件件。蜗壳壳是蜗状的有有压引水水室。混混流式水水轮机应应用于中中高水

32、头头电站（一一般H40mm），其其引水室室多采用用金属蜗蜗壳，断断面形状状由圆形形过渡到到椭圆形形。蜗壳壳引导水水流一方方面作圆圆周运动动，另一一方面作作径向运运动，使使得水流流均匀轴轴对称地地进入导导水机构构，故水水力损失失小，结结构紧凑凑。2) 座环。座座环位于于引水部部件（蜗蜗壳）与与导水机机构之间间，由上上环、下下环和中中间若干干流线形形立柱（也也称固定定导叶）组组成。其其作用是是承受水水轮发电电机的部部分重量量、水轮轮机的轴轴线水推推力、顶顶盖的重重量级部部分混凝凝土重量量，并将将其荷载载通过立立柱传给给下部基基础。同同时，座座环也是是水轮机机的过流流部件和和水轮机机的安装装基准件件

33、。3) 基础环。基础环是连接底环和尾水管锥管，并在安装、大修中用于承放转轮的基础部件，也是安装时水轮机转动部分的承重件，埋设于混凝土中，转轮的下环在其内转动。4) 尾水管。尾尾水管是是水轮机机的泄水水部件，其其作用是是将转轮轮出口的的水流平平顺地引引向下游游，回收收转轮出出口处水水流的动动能并利利用转轮轮高出下下游水位位的位能能。常见见的尾水水管型式式为弯肘肘形，其其由直锥锥管、弯肘段段和水平平扩散段段三部分分组成。（四） 水轮机其其他部件件1) 主轴。主主轴是水水轮机的的主要部部件之一一，它的的一端于于发电机机连接，另另一端接接水轮机机转轮。它它的作用用是将水水轮机的的旋转机机械能传传递给发

34、发电机，从从而带动动发电机机转子旋旋转。此此外，主主轴还承承受转轮轮轴向水水推力和和转动部部件的重重量。2) 主轴密封封。主轴轴密封是是用以减减少主轴轴与固定定部件之之间漏水水的装置置，是水水轮机正正常工作作的重要要保护装装置。3) 水轮机导导轴承。导导轴承是是保持主主轴中心心位置，并并承受径径向力的的轴承。水水轮机导导轴承的的主要作作用是承承受机组组运行中中主轴传传来的径径向力和和振摆力力，约束束主轴轴轴线位置置。导轴轴承在结结构布置置上应尽尽量靠近近转轮，以以缩短转转轮至轴轴承距离离，保证证主轴和和转轮运运行稳定定性和可可靠性。按按润滑介介质不同同，水轮轮机导轴轴承可分分为水润润滑和油油润

35、滑两两种。另外水轮轮机还具具有补气气装置和和真空破破坏阀等等部件，在在此不再再一一阐阐述其作作用。二. 发电机及及其励磁磁系统1. 发电机的的基本知知识水电站中中的发电电机都为为同步电电机（以以下发电电机均指指同步发发电机），它它把原动动机的旋旋转机械械能转变变为电能能，通过过输电线线路等设设备送往往用户。众所周知知，导线线切割磁磁力线能能产生感感应电动动势，将将导线连连成闭合合回路，就就有电流流流过，同同步发电电机就是是利用电电磁感应应原理将将机械能能转变为为电能的的。如图2-1所示示为同步步发电机机示意图图。导线线放在空空心圆筒筒形铁芯芯槽里，铁铁芯是固固定不动动的，称称为定子子。磁力力线

36、由磁磁极产生生，磁极极是转动动的，称称为转子子。定子子和转子子是构成成发电机机的最基基本部分分。为了了得到三三相交流流电，沿沿定子铁铁芯内圆圆，每相相隔1220分分别安放放着三相相绕组AAX、BY、CZ，转子子上有励励磁绕组组（也称称转子绕绕组）RRL。通过过电刷和和滑环的的滑动接接触，将将励磁系系统产生生的直流流电引入入转子励励磁绕组组，产生生恒稳的的磁场。当当转子被被原动机机带动旋旋转后，定定子绕组组（也称称电枢绕绕组）不不断切割割磁力线线，就在在其中感感应出电电动势来来。感应电动动势的方方向由右右手定则则确定。由由于导线线有时切切割N极，有有时切割割S极，因因而感应应出的是是交流电电动势

37、。交流电动动势的频频率f，决定定于电机机的极对数p和转子子转速nn，即：上式中，n的单位为r/min。转子不停停地旋转转，A、B、C三相绕绕组先后后切割转转子磁场场的磁力力线，所所以在三三相绕组组中电动动势的相相位是不不同的，依依次差1120，相序序为A、B、C。当发电机机带上负负荷后，三三相定子子绕组中中的定子子电流（电电枢电流流），将将合成产产生一个个旋转磁磁场。该该磁场于于转子以以同速度度、同方方向旋转转，这就就叫“同同步”。同同步电机机也由此此而得名名，它的的特点是是旋转与与频率间间有严格格的关系系，即：2. 水轮发电电机的类类型及基基本参数数（一） 水轮发电电机的类类型按照水轮轮发电

38、机机组布置置方式，水水轮发电电机有立立式装置置、卧式式装置和和斜式装装置三种种。其中中绝大数数水轮发发电机组组采用的的是立式式（竖轴轴）装置置。以下下所讨论论如无特特制均指指立式水水轮发电电机组。立式装置置的水轮轮发电机机，按其其推力轴轴承的装装设位置置不同，分分为悬式式和伞式式两大类类。悬式式水轮发发电机的的推力轴轴承位于于上部机机架上，在在转子上上方，通通过推力力头将机机组整个个旋转部部分的重重量悬挂挂起来，由由此而得得名。伞伞式水轮轮发电机机的推力力轴承，装装在转子子下方的的下部机机架上或或者装在在位于水水轮机顶顶盖上推推力支架架上。根据水轮轮发电机机冷却方方式的不不同，可可分为空空冷式

39、、水水冷式、水水空冷式式以及蒸蒸发冷却却等方式式。国产产大、中中型水轮轮发电机机中绝大大多数均均为封闭闭自循环环空冷方方式。（二） 水轮发电电机的型型号水轮发电电机的型型号，是是其类型型和特点点的简明明标志。其表示法法为：我国水轮轮发电机机型号部部分由汉汉语拼音音组成，表表示符号号为：SF-立立式空冷冷水轮发发电机；SFS-立式水水内冷水水轮发电电机；SFW-卧式水水轮发电电机；SFD-水轮发发电电动机机；SFG-贯式水水轮发电电机。（三） 水轮发电电机的基基本参数数水轮发电电机的基基本参数数，通常常有额定定电流IIn、额定定电压UUn、额定定容量SSn或Pn、额定定功率因因数coosn、额定

40、定转速nnn、飞逸逸转速nnf、转动动惯量JJ、效率率、电电抗Xd以及短短路比KKd等。以以上基本本参数的的定义概概念在此此不再予予以解释释，需要要了解的的读者可可以参阅阅相关的的专业书书籍。3. 水轮发电电机的主主要组成成部件（一） 定子定子是水水轮发电电机的固固定部件件之一。它它主要由由机座、铁铁芯、绕绕组以及及引出线线等其它它部件组组成。1) 定子机座座。主要要作用是是固定定定子以及及承重。2) 定子铁芯芯。定子子铁芯是是水轮发发电机磁磁路的主主要通道道。由于于定子铁铁芯中存存在交变变磁通，才才在定子子绕组上上感应出出交变电电流。因因此，把把定子铁铁芯称为为磁电交交换元件件，并在在铁芯齿

41、齿槽中固固定定子子绕组。3) 定子绕组组。定子子绕组的的作用是是，当交交变磁场场切割绕绕组时，便便在绕组组中产生生交变电电动势和和交变电电流，从从而完成成水能机械能能电能能的最终终转换。（二） 转子转子是水水轮发电电机的旋旋转部件件，位于于定子里里面，与与定子之之间保持持一定的的空气间间隙。转转子通过过主轴与与下面的的水轮机机连接。它它的作用用是产生生磁场并并通过与与定子相相互作用用，将水水轮机产产生的机机械能转转换为电电能，由由定子绕绕组输出出。它由由主轴、转转子支架架、磁轭轭和磁极极等部分分组成。磁磁极是显显露的（凸凸极结构构）、首首尾两磁磁极与转转子引线线相连接接，转子子引线接接至集电电

42、环，运运行时由由励磁装装置向集集电环供供给直流流电。1) 主轴。主主轴的主主要作用用是起到到连接发发电机与与水轮机机，将水水轮机的的旋转机机械能传传递给发发电机转转子，另另外主轴轴还承受受由于推推力负荷荷引起的的拉应力力，以及及承受单单边磁拉拉力和转转动部分分的机械械不平衡衡力。2) 转子支架架。大、中中型水轮轮发电机机的转子子支架式式连接主主轴和磁磁轭的中中间部件件，并起起到固定定磁轭和和传递转转矩的作作用3) 磁轭。磁磁轭也叫叫轮环。它它的作用用是产生生转动惯惯量和固固定磁极极，同时时也是磁磁路的一一部分。4) 磁极。当当直流励励磁电流流通入磁磁极线圈圈后就产产生发电电机磁场场，因此此磁极

43、是是产生磁磁场的部部件。（三） 机架机架是水水轮发电电机不可可缺少的的重要部部件之一一。按照照机架所所安放的的位置不不同，一一般分为为装在发发电机定定子上部部的上机机架和装装在定子子下部的的下机架架；按照照机架的的承载情情况，可可分为负负荷机架架和非负负荷机架架；按照照机架的的支臂结结构型式式可分为为辐射型型、井字字型和桥桥型等。（四） 推力轴承承水轮发电电机组的的推力轴轴承是一一种承受受整个水水轮发电电机组转转动部分分的重量量以及水水轮发电电机的轴轴向水推推力的滑滑动轴承承，按液液体润滑滑理论，在镜板和推力瓦之间由于镜板的旋转运动，会建立起厚度为0.1mm左右的油膜，形成良好的润滑条件，同时

44、经推力轴承将这些力传递给水轮发电机的荷重机架。它是水轮发电机组最重要的组成部件之一，其工作性能的好坏，将直接关系到机组的安全和稳定运行。（五） 导轴承水轮发电电机导轴轴承的作作用是承承受机组组转动部部分的径径向机械械不平衡衡力和电电磁不平平衡力，维维持机组组主轴在在轴承间间隙范围围内稳定定运行。发发电机导导轴承根根据安装装位置是是在转子子上方还还是下方方可分为为上导轴轴承和下下导轴承承，有的的发电机机具有两两个导轴轴承，有有的发电电机仅具具有上导导轴承或或下导轴轴承之一一。（六） 通风冷却却系统水轮发电电机的冷冷却，直直接关系系到机组组的经济济技术指指标、安安全运行行以及使使用年限限等问题题。

45、目前前，国内内外大、中中型水轮轮发电机机多采用用全空冷冷方式冷冷却。采采用全空空冷方式式冷却，具具有制作作工艺简简单、运运行稳定定可靠等等优点。（七） 制动器制动器一一般位于于转子制制动环的的下方，中中、小型型机组一一般直接接安装在在下支架架上，大大型发电电机制动动器则有有独立的的基础，即即在对应应制动环环的下部部设若干干支墩，每每个支墩墩上放置置12个制动动器。制制动器的的作用有有两个，一一是制动动，二是是顶转子子。机组组在停机机过程中中，为了了避免推推力轴承承因机组组长期在在低转速速下惯性性转动而而导致油油膜被破破坏而是是瓦面烧烧损，因因此当机机组停机机过程中中转速下下降到某某个值时时，投

46、入入制动器器强制机机组较快快停下来来，从而而保护了了推力轴轴承瓦面面。4. 水轮发电电机的励励磁系统统从前面介介绍发电电机发电电基本原原理时已已知道，发发电机是是通过定定子切割割由转子子产生的的恒稳旋旋转磁场场而产生生感应电电动势的的，而转转子之所所以能产产生恒稳稳的电磁磁场，则则是由于于励磁系系统向其其磁极绕绕组供给给了直流流的励磁磁电流。由由此可知知，励磁磁系统是是指向发发电机转转子供给给励磁电电流的一一系列相相关设备备的统称称。励磁磁系统主主要包括括励磁变变压器（或或者励磁磁机）、励励磁开关关、整流流桥、励励磁调节节器、灭灭磁开关关、启励装置、强强励装置置和欠励励限制器器等装置置。励磁系

47、统统通过调调节供给给转子磁磁极绕组组的励磁磁电流的的大小，可可以达到到实现对对发电机机无功功功率调节节的目的的。当发发电机处处于过励励运行状状态时，发发电机向向电网输输出滞后后无功功功率（输输出电感感性无功功功率），当当发电机机处于欠欠励运行状状态时，发发电机向向电网吸吸收滞后后无功功功率（输输出电容容性无功功功率）。需要说明明的是调调节励磁磁电流只只能调节节无功功功率，不不能改变变有功功功率。只只有调节节原动机机的转矩矩，也就就是调节节水轮机机的进水水量，才才能调节节发电机机的有功功功率。三. 主变压器器1. 变压器基基本知识识变压器是是一种静静止的电电器，借借电磁感感应，把把一种交交流电的

48、的电压和和电流，变变为另一一种或几几种频率率相同但但数值不不同的电电压和电电流。要将一定定大功率率的电能能输送到到远方用用户去，如如果用较较低的电电压，则则电流将将很大，而而线路的的功率损损耗与电电流的平平方成正正比，这这将造成成巨大的的能量损损失。另另一方面面，大电电流在线线路上引引起很大大的电压压损失，使使得用户户无法应应用合格格的电压压，故必必须采取取升高电电压减小小电流的的措施。电电能送到到受端时时，输电电线的高高电压必必须经降降压变压压器，将将电压降降到用户户所需的的数值，以以供使用用。变压器型型号表示示方式如如下：变压器的的主要参参数包括括有：额额定容量量Sn、额定定电压UUn、额定定电流IIn、阻抗抗电压UUd、短路路损耗Pd、空载载损耗P0、空载载电流II0、温升、接接线组别别。以上上