1、 水力机械水力机械 水轮机水轮机参数类型各部参数类型各部件作用件作用 水力机械水力机械 绪 论水力机械 前前 言言水力机械水力机械：实现水能与机械能相互转换的机械。如水轮机、水泵水轮机、实现水能与机械能相互转换的机械。如水轮机、水泵水轮机、蓄能泵、水泵等蓄能泵、水泵等。学习要点：学习要点：1、了解基本概念；、了解基本概念；2、理解水轮机的工作原理；、理解水轮机的工作原理；3、掌握水轮、掌握水轮机运行特点。机运行特点。水轮机水轮机 前言前言 水力机械水力机械绪论水力机械三、水能利用三、水能利用 利用水能转变为机械能：利用水能转变为机械能：水能利用的基本措施是水能利用的基本措施是集中水头、集中水头
2、、调解径流，安装水力机械或水力发调解径流，安装水力机械或水力发电装置，把水能转变为机械能或电能电装置，把水能转变为机械能或电能。水力发电水力发电(hydropower)(hydropower)在河流或沿海等在河流或沿海等 适当地点建设水力发电站、潮汐应用水适当地点建设水力发电站、潮汐应用水能能 灌溉、电站或波浪能电站，将水能转变为灌溉、电站或波浪能电站，将水能转变为机械能，并将机械能转变为电能。机械能，并将机械能转变为电能。水轮机水轮机 绪论绪论 水力机械水力机械绪论水力机械 （三）水力发电的基本原理（三）水力发电的基本原理 通常采取通常采取集中水头集中水头（如建坝）（如建坝）和和调节径流等措
3、施，把天然水流中蕴调节径流等措施，把天然水流中蕴有的有的位能和动能位能和动能经水轮机转换为机经水轮机转换为机械能，再通过发电机转换为电能，械能，再通过发电机转换为电能，最后经输变电设施送入电能电力最后经输变电设施送入电能电力系统或直接供电给用户。系统或直接供电给用户。水轮机水轮机 绪论绪论 水力机械水力机械（五）水力发电的形式（五）水力发电的形式1.1.利用河川径流水能发电的为利用河川径流水能发电的为常规水电常规水电；2.2.利用海洋潮汐能发电的为利用海洋潮汐能发电的为潮汐发电潮汐发电；3.3.利用波浪能发电的为利用波浪能发电的为波浪发电波浪发电；4.4.利用电力系统低谷负荷时的剩余电力抽水蓄
4、利用电力系统低谷负荷时的剩余电力抽水蓄 能，高峰负荷时放水发电的为能，高峰负荷时放水发电的为抽水蓄能发电抽水蓄能发电。水轮机水轮机 绪论绪论 水力机械水力机械五、中国水电发展五、中国水电发展（一）最大的电站（一）最大的电站目前世界上已完建的最大的水电站是目前世界上已完建的最大的水电站是中国已建成的中国已建成的三峡电站三峡电站，3232台单机容台单机容量为量为7070万万kWkW机组，加上两台机组，加上两台5 5万千瓦万千瓦的电源电站的电源电站 ，总装机容量达到了，总装机容量达到了22502250万千瓦万千瓦，年发电量约，年发电量约10001000亿度亿度，是是大亚湾核电站大亚湾核电站的的5 5
5、倍，是葛洲坝水倍，是葛洲坝水电站的电站的1010倍，约占全国年发电总量的倍，约占全国年发电总量的3%3%，占全国水力发电的，占全国水力发电的20%20%。第二大电站是第二大电站是伊泰普电站伊泰普电站（巴西和巴巴西和巴拉圭拉圭），），1818台发电机组，总装机容台发电机组，总装机容量量12601260万千瓦，年发电量万千瓦，年发电量750750亿度亿度 水轮机水轮机 绪论绪论 水力机械水力机械水轮机的基本参数、水轮机的主要类型、水轮水轮机的基本参数、水轮机的主要类型、水轮机的基本构造以及水轮机的型号及标称直径。机的基本构造以及水轮机的型号及标称直径。主要内容：主要内容：水轮机水轮机 第一章第一章
6、 水力机械水力机械第一节第一节 水轮机的主要参数水轮机的主要参数 水轮发电机组装置原理图水轮发电机组装置原理图水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械 反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。由反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。由水能出力公式水能出力公式:P=9.81QH:P=9.81QH 可知，其基本参数包括可知，其基本参数包括水头水头H H、流量、流量Q Q、出、出力力P P、效率、效率、转速、转速n n。一、水头一、水头H H（head)head)：1.1.水电站水头（毛水头）水电站水头（毛水头）(nominal productive head)
7、Hg(nominal productive head)Hg 水电站上下水位高程差。水电站上下水位高程差。H Hg g=E=EU U-E-ED D=Z=ZU U-Z-ZD D 2.2.水轮机的工作水头水轮机的工作水头H H 水轮机做功用的有效水头，为水轮机进、出口断面的总单位能量差。水轮机做功用的有效水头，为水轮机进、出口断面的总单位能量差。毛水头毛水头-水头损失水头损失=净水头净水头H=EH=EA A-E-EB B=H=Hg g-h-hI-AI-A第一章水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械二、流量二、流量Q Q（discharge）水轮机的流量是单位时间内通过水轮机的水流体积，常水轮机
8、的流量是单位时间内通过水轮机的水流体积，常用符号用符号Q Q表示，常用的单位为表示，常用的单位为m m3 3/s/s。Q Q随随H H、N N的变化而变化，当的变化而变化，当H=HH=Hr r、N=NN=Nr r时，时，Q Q为最大为最大 在在H Hr r、n nr r、N Nr r 运行时运行时 Q Qr r 三、转速三、转速n n（speedspeed）水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内的旋转的次数，水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内的旋转的次数，常用符号常用符号n n表示，常用单位为表示，常用单位为r/minr/min。对于大中型水轮发电机组，水轮机主轴和发电机主轴直对于大中型水轮发
9、电机组，水轮机主轴和发电机主轴直接联接（用法兰和螺栓直接刚性连接），因此，接联接（用法兰和螺栓直接刚性连接），因此，水轮机转速水轮机转速与发电机的标准同步转速相同。与发电机的标准同步转速相同。第一章水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械四、出力与效率（四、出力与效率（output and efficiency ）水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号P P表示，表示，常用单位常用单位kWkW。水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号能量，即水流的出力，常用符号
10、PnPn表示，则表示，则 水轮机的输入和输出功率之比称为水轮机的效率。水轮机的输入和输出功率之比称为水轮机的效率。QHQHPn81.9 ntPP 水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械 根据转轮转换水流能量方式的不同，根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：水轮机分成两大类：反击式水轮机反击式水轮机 冲击式水轮机冲击式水轮机第二节第二节 水轮机的主要类型及构造水轮机的主要类型及构造水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械一、反击式水轮机一、反击式水轮机 (reaction water turbine)定义：定义：利用水流的利用水流的势能势能和和动能动能做功做功的水轮机称为反
11、击式水轮的水轮机称为反击式水轮机。机。特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，即即水流充满转轮室水流充满转轮室。原理：水流通过转轮叶片时，原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生水流流速的大小、方向均发生变化变化，因此动量也发生了改变，水流产生反作用力，作用与，因此动量也发生了改变，水流产生反作用力，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。水轮机水轮机 第一
12、章第一章 水力机械水力机械第一章(一一)类型类型1.1.混流式水轮机混流式水轮机 ：，由上冠、下环、叶片组成。，由上冠、下环、叶片组成。水流径向流入转轮，轴水流径向流入转轮，轴向流出向流出 适用水头范围适用水头范围2020700m700m，结构简单，运行稳定且结构简单，运行稳定且效率高，是现代应用最效率高，是现代应用最广泛的一种水轮机。广泛的一种水轮机。如：三峡水电站如：三峡水电站 彭水水电厂彭水水电厂 刘家峡水电站刘家峡水电站 上冠上冠轮叶轮叶下环下环蜗壳蜗壳导叶导叶蜗壳蜗壳尾水管尾水管水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械2.2.轴流式水轮机轴流式水轮机：轴流转浆式水轮机轴流转浆式水
13、轮机泄水锥转轮轮叶转轮轮毂轴流定浆式水轮机轴流定浆式水轮机轴流定桨式水轮机：轴流定桨式水轮机：叶片叶片不能随工况的变化而转动不能随工况的变化而转动。结构简单，适于水头小。结构简单，适于水头小，变化幅度不大的电站。，变化幅度不大的电站。轴流转桨式水轮机：轴流转桨式水轮机：叶片叶片能随工况的变化而转动，能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度进行双重调节（导叶开度、叶片角度、叶片角度)。具有较高的。具有较高的水流效率，适于水头和出水流效率，适于水头和出力都有较大变化的水电站力都有较大变化的水电站。如：福建水口。如：福建水口(200MW)、银盘水电电厂、葛洲坝、银盘水电电厂、葛洲坝水轮机水轮机
14、第一章第一章 水流沿转轮轴向流入，水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终轴向流出，水流方向始终平行于主轴。应用水头约平行于主轴。应用水头约为为380m。水力机械水力机械3.3.贯流式水轮机贯流式水轮机 根据发电机装置形式不同，可分为：根据发电机装置形式不同，可分为：全贯流式、半贯流式全贯流式、半贯流式 水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳，水流直贯转轮。水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的水管出口都是轴向的。轴伸式、竖井式水轮机结构简单、维护方便，效率低，一般只用于小型水电站。轴伸式、竖井式水轮机结构简单、维护方便，
15、效率低，一般只用于小型水电站。灯泡贯流式水轮机，结构简单，土建工作量少，施工简单，广泛用于平原和潮汐电灯泡贯流式水轮机，结构简单，土建工作量少，施工简单，广泛用于平原和潮汐电站。适用水头为站。适用水头为1 125m25m，适用于低水头、大流量的水电站。如：广西桥巩电站（，适用于低水头、大流量的水电站。如：广西桥巩电站（8 8台台57MW57MW）、大源渡水电站、株洲航电枢纽、洪江水电站（）、大源渡水电站、株洲航电枢纽、洪江水电站（6 6台台45MW45MW，最大水头，最大水头27.3m27.3m）。）。灯泡式灯泡式竖井竖井发电机发电机转轮转轮水轮机主轴水轮机主轴发电机发电机尾水管尾水管竖井式竖
16、井式轴伸式轴伸式水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械4.4.斜流转浆式水轮机斜流转浆式水轮机 为提高轴流式水轮机的为提高轴流式水轮机的水头，在混流式及轴水头，在混流式及轴流式流式的基础上，产生了斜流的基础上，产生了斜流式水轮机。式水轮机。叶片轴线与主轴相交，叶片叶片轴线与主轴相交，叶片812片，适用于水头变片，适用于水头变化大的水电站，高效区较大，但制造工艺复杂，要化大的水电站，高效区较大，但制造工艺复杂，要求高，限制了其发展。适用水头约为求高，限制了其发展。适用水头约为40200m。水流斜向流入转轮，水流斜向流入转轮，又斜向流出，故称斜又斜向流出，故称斜流式水轮机。流式水轮机。泄水锥
17、泄水锥转轮叶片转轮叶片水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械二、冲击式水轮机二、冲击式水轮机(Inpulse water tubine)(Inpulse water tubine)定义：利用定义：利用水流的动能来做功水流的动能来做功的水轮机为冲击式水的水轮机为冲击式水轮机。轮机。特征：特征：由喷管和转轮组成。水流以自由水流的形式由喷管和转轮组成。水流以自由水流的形式(P=Pa)(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能冲击转轮，利用水流动能(V(V方向、大小改变方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流只产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。
18、冲击着转轮的一部分，而不是全部。水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械第一章类型：类型：1.1.切击式水轮机切击式水轮机（水斗式水轮机，培尔顿水斗式水轮机，培尔顿式水轮机式水轮机）：特点：射流与转轮在一个平面上，适用于高水头，小流量特点：射流与转轮在一个平面上，适用于高水头，小流量水电站。大型水斗式水轮机的应用水头约为水电站。大型水斗式水轮机的应用水头约为3003001700m1700m，小型水斗式水轮机的应用水头约为小型水斗式水轮机的应用水头约为4040250m250m。目前水斗式。目前水斗式水轮机的最高水头已用到水轮机的最高水头已用到1767m1767m（奥地利莱塞克电站），我（奥地
19、利莱塞克电站），我国天湖水电站的水斗式水轮机设计水头为国天湖水电站的水斗式水轮机设计水头为1022.4m1022.4m。水斗水斗转轮转轮喷嘴喷嘴水斗水斗圆盘圆盘缺口缺口水斗水斗喷针喷针水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械2.斜击式水轮机斜击式水轮机特点：特点：射流与转轮旋转平面成一锐角（约射流与转轮旋转平面成一锐角（约22.5），与水斗式水轮机比过流量大，），与水斗式水轮机比过流量大，效率低，因此这种水轮机一般多用于中小型水电站，适用水头一般为效率低，因此这种水轮机一般多用于中小型水电站，适用水头一般为20300m。水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械3.双击式水轮机双击式水轮
20、机（又称班克式水轮机）：（又称班克式水轮机）：特点：特点：制作方便，但效率低、转轮叶片强度差，仅适用于单机出力不超过制作方便，但效率低、转轮叶片强度差，仅适用于单机出力不超过1000kW的小型水电站，其适用水头一般为的小型水电站，其适用水头一般为5100m。圆盘圆盘圆盘圆盘弧形轮叶弧形轮叶水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械水轮机的基本类型：水轮机的基本类型：水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械第一章水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械冲击式水轮机与反击式水轮机的区别：冲击式水轮机与反击式水轮机的区别：工作原理方面：工作原理方面：利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击利
21、用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机；利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机。式水轮机；利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机。流动特征方面：流动特征方面：反击式水轮机转轮流道有压、封闭、全周进反击式水轮机转轮流道有压、封闭、全周进水；冲击式水轮机转轮流道无压、开放、部分进水。水；冲击式水轮机转轮流道无压、开放、部分进水。结构特征方面结构特征方面也显著不同。如转轮的差别，有无喷嘴、尾水也显著不同。如转轮的差别，有无喷嘴、尾水管。管。水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械第三节 水轮机的基本构造反击式水轮机的主要组成部件反击式水轮机的主要组成部件：(1)(1)引水部件（蜗壳）：
22、将水流均匀、对称地引入导水机构，引水部件（蜗壳）：将水流均匀、对称地引入导水机构，以最小水头损失送入转轮。以最小水头损失送入转轮。(2)(2)导水部件（导水机构）：形成和改变进入转轮的水流环量、导水部件（导水机构）：形成和改变进入转轮的水流环量、控制工况（调节流量）控制工况（调节流量）、甩负荷时防止飞逸、甩负荷时防止飞逸 (3)(3)工作部件（转轮）：是水轮机的核心部件，实现能量转换，工作部件（转轮）：是水轮机的核心部件，实现能量转换，由上冠、下环、叶片等组成。由上冠、下环、叶片等组成。(4)(4)泄水部件泄水部件(尾水管尾水管):):回收能量、排水至下游。回收能量、排水至下游。水轮机水轮机
23、第一章第一章 水力机械水力机械座环座环 位于导水叶的外围。由上、下环和固定导叶组成。位于导水叶的外围。由上、下环和固定导叶组成。作用：承受机墩及传来的荷载，并传到下部基础；作用：承受机墩及传来的荷载，并传到下部基础；支承活动导叶；支承活动导叶；断面设计：流线形，需保证强度、刚度。断面设计：流线形，需保证强度、刚度。第一章水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械导水机构导水机构1.作用：形成和改变水流环作用：形成和改变水流环量、调节工况（流量）量、调节工况（流量）、甩负荷时防止产生飞逸、甩负荷时防止产生飞逸2.2.构造：导叶、柺臂、构造：导叶、柺臂、连杆、调速环。连杆、调速环。导叶导叶拐臂拐
24、臂控制环控制环连杆连杆接力器接力器接力器活塞杆接力器活塞杆3.导水机构的导水机构的调节过程调节过程第一章水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械 转轮转轮上冠上冠轮叶轮叶下环下环第一章1.作用：将水能转变为机械能作用：将水能转变为机械能2.构造：上冠、叶片、下环、止漏环构造：上冠、叶片、下环、止漏环及泄水锥等。及泄水锥等。水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械尾水管尾水管 尾水管的作用是引导水流进入下游河道，并回收部分动尾水管的作用是引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。能和势能。水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械二、轴流转浆式水轮二、轴流转浆式水轮机的构造机的构造轴
25、流转浆式水轮机除轴流转浆式水轮机除转轮和转轮室外，转轮和转轮室外，其他部分均与混流式其他部分均与混流式水轮机类似。水轮机类似。1.转轮构造：桨叶和转轮构造：桨叶和轮毂组成。轮毂组成。2.桨叶调节机构桨叶调节机构第一章水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械1.1.轴流式水轮机特点轴流式水轮机特点(1)(1)转速高，当转速高，当H H，N N相同时，是混流式的相同时，是混流式的2 2倍，尺寸较小。倍，尺寸较小。(2)(2)轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站,转轮叶片可以转转轮叶片可以转动（双调），动（双调），H H、N N变化时，水轮机具有较宽的高效率区
26、。变化时，水轮机具有较宽的高效率区。2.2.转轮构造转轮构造组成：桨叶、轮毂、主轴组成：桨叶、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构、泄水锥、转动机构水轮机水轮机 第一章第一章 水力机械水力机械桨叶桨叶 ：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘薄以承受水流作用的转矩。边缘薄以承受水流作用的转矩。桨叶数目：与桨叶数目：与H H大小有关，一般为大小有关，一般为48片；片；桨叶转角桨叶转角：-15-150 000时，利用静力真空。时，利用静力真空。(3)(3)回收转轮出口处的部分动能，将其转换成转轮出口处的动力真回收转轮出口处的部分动能，将其转换成转轮出口处的动力真空，空，利用动力真空利用动力真空H Hd d。水轮机水轮机 第二章第二章
