水轮机的结构和原理(+笔记)

水轮机

水轮机+ 发电机：水轮发电机组

功能：发电

水泵+ 电动机：水泵抽水机组

功能：输水

水泵+ 水轮机：抽水蓄能机组。

功能：抽水蓄能

水轮发电机组：水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。

第一节水轮机的工作参数

水轮发电机组装置原理图

定义：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：N=9.81ηQH可知，基本参数：工作水头H(m)、流量Q(m3/s)、出力N(kw)、效率η，工作力矩M、机组转速n。

一、水头(head)：作用于水轮机的单位水体所具有的能量，或单位重量的水体所具有的势能，更简单的说就是上下游的水位差，也叫落差。142米

1. 毛水头(nominal productive head)

H M=E U-E D=Z U - Z D

2. 反击式水轮机的工作水头

毛水头 - 水头损失=净水头

H G =E A - E B =H M - h I -A

3. 冲击式水轮机的水头

H G =Z U - Z Z - h I-A

其中Z U 和Z Z 分别为上游和水轮机喷嘴处的水位。

4. 特征水头(characteristic head)

表示水轮机的运行范围和运行工况的几个典型水头。 最大工作水头： H max =Z 正-Z 下min -h I-A 最小工作水头： H min =Z 死-Z 下max -h I-A 设计水头(计算水头) H r ：水轮机发额定出力时的最小水头。 平均水头： H av =Z 上av -Z 下av

二、流量(m 3/s)(flow quantity)：单位时间内通过水轮机的水量Q 。单机12.2m 3/s

Q 随H 、N 的变化：H 、N 一定时， Q 也一定；

当H =H r 、N =N 额时，Q 为最大。

在H r 、n r 、N r 运行时，所需流量Q 最大，称为设计流量Q r

三、出力 (output and)：水轮机主轴输出的机械效率。N(KW)：

指水轮机轴传给发电机轴的功率。

水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量),即水流效率，与a.作用于水轮机的有效水头；b.单位时间通过水轮机的水量，即流量Q ；c.水体容重γ成正比。其公式为：QH QH N w 8.9==γ

γ指水体容重（即单位容积水所具有的重力，比重）：

水的比重=1000kg/m 3、G=9.8N/Kg γ=9800N/m 3

)(8.9)/(9800)/(9800)()/()/(33kw QH s J QH s m N QH m H s m Q m N N w ==?=??=γ

水轮机的输出功率：ηηQH N N w 8.9==

四、效率(efficiency )：输入水轮机的水能与水轮机主轴输出的机械能之比，又叫水轮机的机械效率、能量转换效率。η

η=N /N w ，一般η=80%~95% 水轮机的损失：

1、容积损失：进入水轮机的流量Q ，有部分会从水轮机固定部分与转动部分的缝隙及其他缝隙中漏失而造成损失；

2、水力损失：作用于水轮机的工作水头H 中，在水流进出水轮机的过流部件时为克服沿程摩擦局部阻力而消耗一部分能量；

3、机械损失：在能量转换过程中，水轮机还必须克服主轴轴承的摩擦，及其他部分与固定部分之间的摩擦，造成出力损失。 五、(工作力矩和)转速：水轮机每分钟的转动周数。n=3000/p(p 为磁极对数)。600转

水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达

QH n M M N ηπ?8.960

2=== 式中 M ——主轴力矩；ω——水轮机旋转角速度，

n ——转速，n =3000/p ； p ——发电机磁极对。

数额定转速n ：正常情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并与发电机的同步转速相等。

第二节 水轮机的主要类型及其构造

一、主要类型

(一)、反击式水轮机 (reaction water turbine) ：利用水流的压力能转化为机械能 定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机 特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，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，水流充满转轮室。 原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，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。

1. 混流式（HL ）

混流式水轮机

特征：水流流经转轮叶片时，从径向流入，而从轴向流出。

适用范围：H=30-450m , 最高水头已接近700m，单机容量：几万kW-几十万kW。

特点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。

三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW。是世界上单机容量最大的机组。

2. 轴流式

特征：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。

适用：大流量、低水头。一般水头在50m以下。

分类：

(1) 轴流定浆式(ZD)：叶片不能随工况的变化而转动。高效率区较小，适用于水头变化不大的小型电站。

(2) 轴流转浆式(ZZ)：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节(导叶开度、

叶片角度)。适用于大型水电站。

轴流转浆式水轮机转轮

3. 斜流式(XL)

水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。

4. 贯流式：用于水头较低

特征：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管出口都是轴向的。

适用：H<20m，小型河床电站。

贯流式机组分类：

(1) 全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘，其密封困难，现在较少使用。

贯流定浆式(GD)

贯流转桨式(GZ)

(2) 半贯流式：

灯泡贯流式(P)：发电机组安装在密闭的灯泡体内，使用较广泛，机组结

构紧凑，流道形状平直，水力效率高。

轴伸式贯流机组(Z)：发电机安装在外面，水轮机轴伸出到尾水管外面。

竖井式贯流机组(S)：发电机安装在竖井内。

(二)、冲击式水轮机(Inpulse water tubine)

定义：利用水流的动能来做功的水轮机

特征：由喷管和转轮组成。

水流以自由水流的形式(P=P a)冲击转轮，利用水流动能(V的方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。不适宜调峰运行(讨论：为什么？)。

适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。

单喷嘴冲击式水轮机运行中

分类：

水斗式（切击式）CJ（QJ）: 特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转

轮上的水斗作功。目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。

斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站。

水斗式水轮机

斜击式（XJ）：由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮上的水斗。

斜击式水轮机转轮

双击式（SJ）：水流两次冲击转轮。

双击式水轮机转轮

水轮机总分类图

二、水轮机的型号及标称直径HL D2-LJ-1130

1、型号说明

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，其中拼音字母表示水轮机型式，阿拉伯数字表示转轮型号，入型谱的转轮的型号为比转速数值(比转速：保持水轮机形状与运行工况相似，改变其尺寸大小，在单位水头下发出单位出力所具有的水轮机转速)，未入型谱的转轮的型号为各单位自己的编号，旧型号为模型转轮的编号；可逆式水轮机在水轮机型式后加“N”表示。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。水轮机型号中常见的代表符号如表所示。

对于冲击式水轮机，上述第三部分应表示为：转轮标称直径(cm)/每个转轮上的喷嘴数×射流直径(cm)。

比转速：保持水轮机形状与运行工况相似，改变其尺寸大小，在单位水头下发出单位出力所具有的水轮机转动的速度 (即：几何相似的水轮机，当工作水头为1m ，输出功率为1kW 且机械效率为100%时水轮机自身的转速。) 。

比转数可以作为机器分类、系列化和相似设计的依据。比转数小反映机器的流量小，全压(或扬程、水头)高；反之,比转数大则机器的流量大,全压（或扬程、水头）低。前者适合离心式,后者适合轴流式,混流式（斜流式）介于两者之间，所以可用比转数大小划分机器类型。在设计机器时先按给定的参数计算比转数，再根据比转数大小决定机器类型。 比转数大小也反映叶轮的形状。[比转数与叶轮形状的关系]为不同类型泵的比转数与叶轮形状的关系。比转数越大叶轮外径就越小，而宽度越大。反之，比转数越小，则叶轮外径越大，宽度越小。在一定流量和全压（或扬程、水头）下，比转数与机器转速成正比。提高转速可减小叶轮外径，增加宽度；而降低转速，则须增加叶轮外径，减小宽度。

型号第三部分的说明 对反击式水轮机：表示转轮的标称直径 水斗式或斜击式水轮机，其表示方法为：

1d D 射流直径嘴数作用在每个转轮上的喷转轮标称直径 对双击式水轮机，其表示方法为：

L

D 1转轮轴向长度转轮标称直径 2、水轮机的型号举例 HL D2-LJ-1130：混流式(东方电机第二代转轮)立式金属蜗壳，转轮直径1130cm 。

(1) HL240 —— LJ —— 410

混流式水轮机，型号240（比转速)，立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cm

(2) ZZ440 ——LH —— 430

轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm

(3) 2CJ30——W —— 120/2×10

转轮型号为20，水斗式水轮机，卧轴，一根轴上装设两个转轮，转轮直径为120cm, 每个转轮两个喷嘴，设计射流直径为10cm 。

(4) GZ440—WP —750

表示贯流转浆式水轮机，转轮型号440，卧轴，灯泡式机组，转轮标称直径750cm 。

(5) SJ40—W —50/40：表示双击式水轮机，转轮型号40，卧轴布置，转轮标称直径50cm ，转轮轴向长度40cm 。

(6) XLN —LJ —300：表示斜流可逆式水泵水轮机，转轮型号200，立轴布置，金属蜗壳，转轮标称直径300cm 。

3、各种水轮机转轮标称直径D 1

HL ：转轮叶片进口边上最大直径

ZL 、XL ：转轮叶片轴心线相交处的转轮室直径

CJ ：转轮与射流中心线相切处节圆直径

反击式水轮机转轮标称直径系列(cm)

第三节水轮机的基本构造

反击式水轮机的主要组成部件：

(1)进水(引水)部件引水室—蜗壳：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入

转轮。

(2) 导水机构（导叶及控制设备)：控制工况。改变进入转轮的水流环量，根据机组所带负荷的变化情况随时调节水轮机的引用流量，以改变机组出力的大小，并进行开、停机操作。 ①导叶：直接调节流量的过流部件，其水力性直接影响水轮机的工作效率； ②底环：安放导叶下轴套的底部圆环； ③顶盖：安装导叶上部轴套的场所，防止水流外溢。轴流式机组还可起引导水流平稳转弯的作用，卧式机组中又叫后环。 ④导叶转动机构：作用是用以转动导叶，调节导叶开度达到调节流量的目的，主要由接力器、推拉杆、控制环、连杆和拐臂组成。

(3) 转轮（水轮机将水能转换为刚性机械能的核心部件)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。反击式水轮机转轮分为： ①混流式：通过导水机构的水流径向流入转轮，从转轮扭曲形叶片之间的流道引水室

蜗壳式：以沿水流方向过水断面的面积逐渐减小的

蜗形流道，紧紧围住导水机构，使水流进

入导水机构具有一定的旋转环量，并基本

保证水流的对称、均匀性，从而提高效率。

贯流式：灯泡贯流引水室为贯流式引水室，是水流从进口引进后，直

接贯流过水轮机，水流方向不转弯，引水室中的水流呈均匀

轴对称状，水力损失很小，水流利用率高。 蜗壳

座环：水轮机过流部件，也是水轮机承

重部件，是水轮机的支柱，支撑

水轮机的固定导水叶(导叶)，其作

用是合理分配流量，及导流，使

水流有方向、均匀地进入转轮。 1.金属蜗壳：适用于水头在35m 以上水流相对较小

（精致合理，能承受较大压力，结构紧密，安装方便）。

2. 混凝土蜗壳：适用于水头低于40m

进口向出口流动，水流到达流道出口时，由于扭曲形流道改变了水流的前进方向，水流给转轮一个反作用力，使转轮转动的旋转力矩，将水能转换为机械能；

②轴流式：通过导水机构的水流进入转轮叶片之间的流道进口时，水流轴向流进，又从出口轴向流出转轮，进入尾水管。

轴流式与混流式转轮概念上的区别：轴流式水轮机，水流沿轴向流入，轴向流出，而混流式机组水流沿径向流入，轴向流出转轮。

(4)泄水部件泄水锥(尾水管)：回收能量、排水至下游。

泄水锥：螺旋焊接在轮毂下方，用于引导由轮叶间流道出来的水流顺利变成轴向，减少涡流，避免水流互相碰撞及向上旋转造成的水力损失，从而提高转换效率。

(5) 尾水管。其性能好坏对水轮机能量转换和气蚀特性有明显影响。

作用：①将转轮出口的水流引向下游，为检修水轮机提供条件；

②充分利用上游水位至转轮高程处的水头；

③充分利用出口的水流能量增加机组出力。

类型：①直锥型：结构简单，应用早；

②弯肘型：开挖工程最少，节能投资；一般用于小电站。

③曲膝型：水流损失较大，能量回收率低。一般用于卧式机组和小电站。

（6）水轮机的非过流部件。

①导轴承：防止和减少主轴的振动和摆动，从而减小机组摆度，使转轮和转子不与固定部分相碰，保证机组正常运行，还可减少磨损并承受机组的径向力。

结构：由轴丸、轴衬、轴承支架三部分组成。

推力轴承：承受机组轴向力的轴承。

导轴承分类：a、巴氏合金导轴承（油润滑）；

b、橡胶导轴承（小型、水润滑）；

c、胶木导轴承（0.5-1cm松木：易变形，开裂，桦木，经油煮，水润滑）；

d、聚四氟乙烯

②主轴：是将水轮机所获得全部机械能传递给发电机，带动发电机转子转动，并承受机械能扭曲力。

分类：无法兰式、单法兰式、双法兰式三种。

③主轴密封：采用在转动部件不固定部件之间，设置耐磨材料堵水，达到封水的目的。

类型：a、石绵根填料密封（耐高温）；

b、尼龙断面密封；

c、平板橡胶密封（耐磨）；

④飞轮：通过机组的转动惯量，保证水轮机的输出功率与所承担的负荷平衡，是机组以额定转速运行（小型电站）。

⑤真空破坏阀：作用是破坏真空，即向真空区补气，减少水轮机的气蚀。

水轮机的工作原理：

当水轮机转轮在水流中，由于水头和流量在不断变化，当水轮机内的导水机构调节作用与水轮机的叶片所形成一个复杂的扭曲面，水流在水轮机转轮内形成两个运动的三角形，是水流在叶片间的流道内流速大小、方向也随时间不断变化，在水流的动能与时能的作用下，使转轮产生一个转矩，从而使水能转换为机械能。

气蚀：由于水的流动，某一点的压力降低，且此部分水在常温下沸腾形成气泡，继而气泡溃灭，使水轮机产生一种破坏性的现象，称为气蚀。

气蚀产生的主要原因：1、机械作用；

2、电化腐蚀；

3、化学作用；

4、气蚀与你傻摩擦使气蚀加大。

气蚀类型：

1、间隙气蚀；

2、局部气蚀；

3、空腔气蚀。

防止气蚀的措施：

1、改善水轮机的水力设计；

2、提高加工工艺水品，采用抗磨材料；

3、改善运行条件，采用适当的运行措施；

4、采用零气蚀检修工艺与方法。

水轮机的摆度：由于主轴不垂直、机组安装中心不正或其他原因引起的机组在运行中，主轴偏离中心，沿径向运动的现象。

原因：1、镜板与机组轴线不垂直；

2、联轴器法兰面和轴线不垂直；

3、镜板工作面不平；

4、推力头与轴配合松动。

机组运行前的检查项目：

1、各部已安装完工，检验合格，不遗留杂物；

2、真空破坏阀安装竣工，不漏油；

3、顶盖排水装置检验合格，自流排水通道畅通无阻；

4、主轴密封安装完工，检修密封完好；

5、轴承润滑及冷却系统检验合格；

6、导水机构安装完工，检验合格并处于关闭状态；接力器锁定投入。导叶最大开度和关闭后压紧行程验收合格；

7、各压力表、示流器、摆度、振动测量表计安装完毕，管道及附件连接良好；

水轮机运行中的维护检查项目：

1、运行稳定，无强烈振动及异常响声，轴承温度正常；

2、水导轴承的有循环正常，无明显漏油现象；

3、冷却水及水封水压正常；

4、顶盖排水畅通，导叶拐臂无错位，状态正常，之间无杂物；

5、接力器无漏油，无抽动，锁定的液压阀位置正常；

6、剪断销无跳动、无剪断；

7、蜗壳排水阀及真空破坏阀无漏水；

8、水轮机各表计指示正常。

扩展阅读：

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冲击式水轮机的主要组成部件

喷管，转轮，折流器，机壳，射流制动器等组成。

一、混流式水轮机基本构造

水流—蜗壳—座环—导叶—转轮—尾水管—下游

1、蜗壳：蜗壳的作用:使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机。

2、座环：位于导水叶的外围。由上、下环和立柱组成。

作用：是水轮机的骨架，承受机墩及传来的荷载，并传到下部基础；支承活动导叶；故必须有足够的强度和刚度。

断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。

导水机构

作用：根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力引导水流按切向进入转轮，形成速度矩；

组成：导水叶及其轴、调速器、接力器

3、导水叶

导水机构的主体，上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。也称为活动导

叶。

导水机构结构图

接力器示意图

作用：改变导叶开度以改变流量。导叶转动是通过调速成器和接力器来实现的。

导叶参数：导叶数、高度、开度

主要几何参数

(i) 导叶数Z0：与D1有关。D1 =1.0~2.25m时，Z0=16；D1 =2.5~8.5m时，Z0 =24。

(ii) 导叶相对高度b0/D1：

HL：0.1~0.39; ZL:0.35~0.45

(iii) 导叶轴分布圆直径D0，应满足导叶在最大可能开度时不碰到固定导叶和转

轮。一般取D0=1.13~ 1.16D1

(iv) 导叶开度a0：两导叶之间的垂直距离，最大开度为a max。

4、转轮

是由水能转换为机械能的主要部件。

组成：轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥

(a) 低水头(b) 高水头

混流式水轮机转轮