大型反击式水轮机调速设备的设计实践(上)
反击式水轮机工作原理
反击式水轮机工作原理一、引言反击式水轮机是一种常见的水力发电设备，其工作原理是利用水流的动能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。
本文将详细介绍反击式水轮机的工作原理。
二、反击式水轮机的结构反击式水轮机主要由导叶、转子、定子和出口管道等组成。
其中导叶用于控制水流进入转子，转子则是将水流动能转化为旋转动能的部件，定子则是固定在反击式水轮机壳体内部的部件，用于支撑和固定转子，出口管道则是将旋转后的水流引出。
三、反击式水轮机的工作原理1. 水流进入导叶当水流进入反击式水轮机时，首先会遇到导叶。
导叶的作用是将进入反击式水轮机的高速液体流量控制并引导到适当位置。
导叶可以调整其位置和角度以改变液体进入转子的速度和方向。
2. 水流进入转子经过导叶控制后，液体会进入到具有特殊形状和角度的叶片上。
这些叶片被称为转子，它们旋转的动能会将水流动能转化为机械能。
由于转子的叶片形状和角度不同，因此液体在进入和离开叶片时会发生压力变化，这种变化会使得叶片产生反作用力。
3. 反作用力反作用力是指液体在进入和离开叶片时产生的压力变化所产生的反向力量。
这种反向力量可以使得转子旋转，并将机械能传递给发电机。
4. 转子传递机械能当水流进入并离开叶片时，会产生反作用力，这些反作用力可以使得转子旋转。
由于液体的运动速度很高，因此可以通过增加叶片数量和角度来增加液体对叶片的冲击力，从而提高机械能输出。
5. 发电机将机械能转化为电能最后，通过与反击式水轮机相连的发电机将机械能转化为电能。
发电机中包含了一系列线圈和磁铁等部件，在机械运动下产生磁场变化从而产生电流。
四、总结综上所述，反击式水轮机是一种利用水流动能转化为机械能的设备。
水流经过导叶进入转子，由于叶片形状和角度的不同，液体在进入和离开叶片时会产生反作用力，从而使得转子旋转并将机械能传递给发电机，最终将机械能转化为电能。
反击式水轮机原理
反击式水轮机原理
反击式水轮机的原理是基于动量守恒原理和能量守恒原理。
该水轮机是通过利用水的
动能和重力势能等自然能源来驱动水轮机旋转产生电力。
1. 水的动能转换：水从水力引入管内进入水轮机喷嘴处，由于水喷出来时流速变大，压力变小，因而动能增加，能够将水中的动能转换为水轮机的动力。
2. 反作用力转换：水流从喷嘴喷出来时会产生反作用力，这种反作用力可以通过转
子的叶片来吸收，产生力矩驱动水轮机旋转。
3. 射流作用力转换：当水流通过转子时，水流的射流作用力也会转化为转子的旋转
力矩。
4. 能量转换：水轮机通过旋转，使得机械能转化为电能，从而产生电力。
反击式水轮机的特点是效率高，设计简单，且容易维护。
其主要缺点是对水流速度的
要求较高，需要较高的水头才能保证发电量。
此外，水轮机运转过程需要定期清理叶片，
以保证其正常工作。
总之，反击式水轮机是一种利用自然水力资源产生电能的重要设备。
其运转过程涉及
动量守恒和能量守恒等基本物理原理，其设计和优化需要考虑众多因素。
在未来的经济发
展中，反击式水轮机将继续发挥其重要的经济和环保作用。
水轮机调节
2.Mt＞Mg，水轮机的动力矩大于发电机的阻力矩，当发电机的负荷减小时会出现这种情况 ，此时dω/dt＞0，机组转速上升，在这种情况下，应对水轮机进行调节，减小流量Q，从 而减小Mt，以达到新的平衡状态。
谢谢
根据偏差的情况通过放大器向执行元件发出指令，执行元件根据指令改变导水机构的 开度，反馈元件则将导叶开度的变化情况反回给计算器，以检查开度变化是否符合要求， 如变化过头，则发出指令进行修正。
在图中，测量、计算、放大、执行和反馈元件总称为自动调速器。导水机构包括机组 在内，统称为调节对象。调速器和调节对象构成水轮机自动调节系统。
反馈元件
水轮机调节系统方框图 13
图中的方块表示水轮机调节系统的元件： 箭头表示元件间信号的传递关系： 箭头朝向方块表示信号的输入， 箭头离开方块表示信号的输出，前一个元件的输出是后一个元件的输入。 从图中可以看出，由导水机构输人的水能经机组转换成电能输送给系统。
电能的频率f(亦即机组的转速n)信号输入调速器的测量元件，测量元件将频率f信号转化 成位移(或电压)信号输送给计算器(图中的⊕)并与给定的f值作比较，判定频率是否有偏差 和偏差的方向，
水轮机调节系统以频率 f (亦即机组转速)为被调节参数，根据实测 f 与给定值间的偏差 调节导水机构的开度，从而改变机组的出力和转速(频率)，但要使改变后的频率符合给定 值需要一个调节过程，这个过程又称为调节系统的过渡过程，在这个过程中，频率、开度 等参数随时间不断变化。
各参数随时间的变化情况，及在经过一段时间以后是否能达到新的平衡状态(即稳定工 况)，与调节系统的特性有关，这种特性称调节系统的动特性。
水轮机调节
2、水轮机调节原理 调节流量的途径：
反击式：通过改变(gǎibiàn)导叶开度a0 ，ZZ：同时改 变(gǎibiàn)叶片转角
冲击式：通过改变(gǎibiàn)喷嘴开度（针阀行程）。 水轮机调节的定义：
随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变 (gǎibiàn)导叶开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并 保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。
精品资料
（3）电液转换器（步进电机）结构原理及 作用
电液转换器的作用是将电气部分信号输出 的综合信号，转换成具有一定操作(cāozuò) 力的机械位移信号或具有一定压力的流量信 号。
电液转换器有电气位移转换信号和液压放 大两部分组成。
精品资料
工作线圈：实现控制(kòngzhì)操作 线圈
振荡线圈：防止卡阻，提高工作可靠性
精品资料
（2）油压设备 当油压降低(jiàngdī)到正常工作油压下限
(2.3~2.7MPa)时，油泵自动启动，将回油箱 内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油 压上限时，油泵停止工作。 （3）接力器 接力器是调速器的执行元件，控制导叶开度， 改变流量，大型电站设两个或两个以上接力 器。
精品资料
油压装置(zhuāngzhì)
电液转换器中一般有两个线圈，一个工作 线圈，一个振荡线圈。工作线圈通的是工作电 流，振荡线圈通入振荡电流。通入工作电流后 ，使控制(kòngzhì)套产生位移，使下一级随 动。振荡电流使线圈和控制(kòngzhì)套产生 微小振动，以提高控制(kòngzhì)套的灵敏度 ，防止卡阻。
精品资料
（4）紧急停机电磁阀 属于(shǔyú)保护设施之一 动作的条件：机组运行中，几乎所有
化
化→发电机调速器动作→发电机的转速恢
反击式水轮机
反击式水轮机反击式水轮机（Counter-attack type water turbine）引言：水力发电是一种环保、可再生的能源，被广泛应用于发电行业。
水轮机作为水力发电的核心设备之一，不断进行改进和创新以提高发电效率和可靠性。
本文将介绍一种新型水轮机——反击式水轮机，它采用特殊的设计和工作原理，能够在不同水流条件下获得较好的发电效果。
一、反击式水轮机的工作原理反击式水轮机采用的是一种全新的工作原理，以反击式的方式将水流的动能转化为机械能并驱动发电机。
其基本构造包括水轮机叶片、反击式机构和发电机三部分。
1. 水轮机叶片：反击式水轮机的叶片采用独特设计，可以更好地适应不同水流条件下的工作。
其材料选择和叶片结构强化使得水轮机能够承受较高的水流冲击，并能有效转换水流的动能。
2. 反击式机构：反击式水轮机的核心组成部分是反击式机构，通过该机构可以将水流的动能转化为机械能。
当水流进入水轮机，水流的冲击力使得反击式机构受到反向压力，进而产生反击力。
这种反击力使得水轮机的转动更加平稳，有效利用水流的动能。
3. 发电机：反击式水轮机通过转动发电机发电。
发电机的工作原理是将机械能转化为电能。
水轮机通过反击式机构驱动发电机转动，产生电能供应给电网或存储设备。
二、反击式水轮机的优势1. 适应性强：由于反击式水轮机的叶片和机构设计独特，能够适应不同水流条件下的工作。
无论是水流的流速、流量或者水流的冲击力大小，反击式水轮机都可以保持较好的发电效果。
2. 效率高：反击式水轮机的工作原理使得转换水流的动能更加高效。
通过反击式机构的驱动，水轮机能够转动较为平稳，转换效率更高，从而提高发电效率。
3. 可靠性强：反击式水轮机在设计时考虑了水流冲击的特点，采用了适当的材料和结构强化，从而使得水轮机的耐久性更强。
其特殊的工作原理使得水轮机能够承受较大的冲击力，减少设备损坏的风险。
4. 维护成本低：反击式水轮机的结构相对简单，维护成本较低。
水轮机类型与构造—反击式水轮机的主要部件
➢ 叶片的作用是直接将水能转换为机械能。叶片断面形状为翼
形，转轮叶片数的多少对水力性能和强度有显著的影响，随 比转速的不同叶片数在9～21的范围内变化。
3.3.4 混流式转轮
3.3.4.1 混流式转轮的结构
➢ 转轮下环的作用是增加转轮强度和刚度并与上冠形成过流通道。
➢ 泄水锥的作用是引导经叶片流道流出的水流迅速而顺畅地向下渲
相对开度是某一位置开度与最大开度的比值，用百分数表示，一
般所说开度即相对开度。
➢ 开度的变化导致流量变化，
进而改变机组出力。
➢ 导叶开度由调速器控制。
3.3.2 导水部件
3.3.2.3 导水机构的开度
小流量时开度
大流量时开度
3.3.3 工作部件
3.3.3.1 工作部件的作用
➢ 工作部件即转轮。
➢ 转轮作用是将水能转换为旋转机械能。它对水轮机的性能、结构、
轴流定桨式
泄水锥 叶片
轮毂
3.3.5 轴流式转轮
3.3.5.1 轴流式转轮的结构
轴流转桨式
桨叶操作机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ示意图 1-桨叶；2-转轴；3、4-轴承； 5-转臂；6-连杆；7-操作架；
8-接力器活塞；9活塞杆
3.3.5 轴流式转轮
3.3.5.2 轴流式转轮的适用范围
➢ 轴流式水轮机根据转轮叶片在运行中能否调节，又分为轴流定桨
导水机构，基本保证水流的轴对称性与均匀性，并形成一定的环 量，以提高水能转换效率。
3.3.1 混流式引水部件 3.3.1.2 引水部件的类型
➢ 为了适应不同流量与水头条件，各种型式反击式水轮机所采用的
引水室形状和材料是不一样的。归纳起来有开敞式引水室、罐式 引水室和蜗壳式引水室三大类。 1.开敞式引水室
电大水利水电 —水电站__课程设计 (本科)
《某小型水电站设计》课程设计学生姓名：学号：专业：水利水电指导教师：第一章内容简介内容摘要本设计为一座引水式径流开发的水电站。
拦河坝的坝型为5.5米高的砌石滚水坝，在河流右岸开挖一条356米长的引水渠道，获得平均静水头57.0米，最小水头50m，最大水头65m。
电站设计引用流量7.2立方米每秒，渠道采用梯形断面，边坡为1：1，底宽3.5米，水深1.8米，纵坡1：2500，糙率0.275，渠内流速按0.755米每秒设计，渠道超高0.5米。
在渠末建一压力前池，按地形和地质条件，将前池布置成略呈曲线形。
池底纵坡为1：10。
通过计算得压力前池有效容积约320立方米。
大约可以满足一台机组启动运行三分钟以上，压力前池内设有工作闸门、拦污栅、沉砂池和溢水堰等。
整个设计根据地形及地质条件和相关资料、规格等要求，进行全面结合考虑，力图合理、科学，有较强的实用性。
关键词：引水式径流水电站设计规划第二章有关设计资料2.1 厂区地形和地质条件水电站厂址及附近经地质工作后，认为山坡坡度约30度左右，下部较缓。
沿山坡为坡积粘土和崩积滚石覆盖，厚度约1.5米。
并夹有风化未透的碎块石，山脚可能较厚，估计深度约2～2.5米。
以下为强风化和半风化石英班岩，厂房基础开挖至设计高程可能有弱风化岩石，作为小型水电站的厂址地质条件还是可以的。
2.2 水电站尾水位厂址一般水位10.0米。
厂址调查洪水痕迹水位18.42米。
2.3 对外交通厂房主要对外交通道为河流右岸的简易公路，然后进入国家主要交通道。
2.4 地震烈度本地区地震烈度为六度，故设计时不考虑地震影响。
第三章 水轮机型号及主要参数选择本水电站的最大水头H max =65m ，，最小水头H min =50m ，平均水头H av =57.0m ；水轮机的装机容量N y =3380kW ，装机台数4台，单机容量N y1=845kW 。
对于引水式电站，设计水头H r =H av =57m 。
大型反击式水轮机调速设备的设计实践(下)
种不锈钢保护应 当是用螺栓 固定的 可拆 卸钢板 。在磨蚀性 泥沙问题严重的场合 ． 当考 虑用抗磨硬 质陶瓷或塑料来 覆 应
盖 导叶、 面板 和 基 准 板 。
任何特定的应用而 言 ， 由计算 流体 动力学 （ Ｆ 和／ 模型 Ｃ Ｄ） 或
试验确定。导 叶及其 枢轴设计 应承受 使破断销 断裂所要 求 的力矩 ， 并舫止在相邻导 叶之间处于最不利的垂直位置时卡 住。应考虑由水力 引起的导 叶及顶 盖的挠 度 以保证不使导 叶和顶盖弯 曲。 利用今天的制造技术 ． 相邻导叶之间 以及导叶端面与外 壳之间的间隙可以做 得最小 ． 当关闭时 于新机组 ， 叶漏 对 导 水可小于水轮机 设计流 量的０ ２ ％。如果这 个漏水在 经济 ５ 上仍太大 ， 则对有进水 口阀的水轮机 ， 应考虑在 导 叶上 下端 面安装密封元 件 ， 以限 制停机 时 的漏水 及 随之而来 的 水浪
到 ２ 世纪 ５ Ｏ ０年代为 止 ， 水轮机 中的水流速度都 是保守
的， 当关 闭导 叶， 有杂物卡在两片导叶之间 ， 需要保护调节机
构时 ， 采用 简单 的破断装 置 ， 一旦导叶 的剪断元件剪断， 此时
自由的导 叶将转到 中性位置 水轮 机运行没有 随之而来 的 对 不利影响。出于经 济考 虑 ， 当发 电机组 的 尺 寸和出力 增大 时 ， 于任何绪定 的应 用 ， 对 规定水 轮机较 小较高 比转 速是必
［ 奥］ ＪＨ． ｍ ． Ｇｔｍｒ ［ ］ Ｍ． ｉｔ 德 Ｗｒ ｓ
摘要 ： 在过去 几年 ， 随着电子调连 嚣和无润滑轴 瓦的 出现 ， 以及 对水轮 机导 叶调 节设备 上所 受水力的
更透 彻 了解 ． 水轮 机 调 速 系统的 设 计 发 生 了 巨大 的 变 化 。讨 论 现 代 水 轮 机 调 速 系统 当今 的 实践 ． 以要 目前 和 将 来可 能 的发 展 。
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电压互感器取得信号时， 由齿 轮提供 转速 信号。辅助 设备诸 如推 力轴承油泵， 以及机组保 护和蠕变保护过速 传感 的转速 开关信号， 通常取 自装在齿轮测速元 件上的单独接近传感器。 轴转速传感器设备， 通常 由一个测速 齿轮和 多到 ３十接 近变进器构成。虽然该测速 齿轮可 装在水 轮机 轴上， 但是
式 的 水 流调 节 倒 外 的是 小 型 水 轮 机 和 多 缀 水 泵 水 轮 机 ． 这 些 水 轮 机 在恒 定 负荷 下运 行 ． 通 过 打 开 和 关 闭水 轮 机 进 水 并 阀 来启 停 。
１ 调 节设 备
鎏
一 一
控 制
１ Ｌ 传 感设备 ．
现在 的实践是从位 于发 电机输 出端 的电压互感器和／ 或
高得 多。 双调 节 水 轮机 比 单 调 节 的 贵 得 多 ， 常 限 于净 水 头 通 低于 ５ 。 ０ｍ 在 过 去 几年 ． 虑到 成 本 和 在 整 体 系 统 中水 轮 机尺 寸 的 考 收 稿 日期 ： ０２０ ５ ２ ０ ２２
中应当有该要求的事先通知。
维普资讯
从 接近 变 送 器 工作 的齿 轮 获 得 发 电 机 组 的 转 速 。 然 后拟信号， 并与参考额率相 比较 ，
调速 器依 此 偏 差工 作。
电压 互感 器 的 信 号 比 齿 轮 的信 号 更 灵 敏。 但 是 ， ２号 当 圉 １ 现 代 水轮 机 调节 系统 框 图 水 轮 ｝可 以是 单调 节 的 ． 固 定 桨 叶 的 混 流式 或 螺 桨 式 几 如 机组 离线 时， 即在 起 动 时依 靠发 电机 残压 ， 能 不 足 以 给 出 足 可
不予 考 虑 。 本 文 反 映 了 当 前 调 节 设 备 设 计 的 一 般 实 践 。 但 是 ． 须 懂 得 ， 定机 组 运 行的 特 殊要 求 和 顾客 的 喜 好 可 能 意 必 特 味 着对 这 些 实践 的 重 大修 改 。
式流过水轮机流道。几乎毫无例外地每台水轮机都有某种形
大型 反 击式 水 轮 机 调速 设 备 的设 计 实 践（ ） 上
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更 遭 抽 了解 ， 轮 机调 速 系统 的设 计 发 生 了 巨大 的 变化 。 讨 论 现 代 水 轮 机 调 速 ． 当争 的 实 践 ， 水 毫统 以及 目前
维普资讯
２０ ０ ２年 ５月
水利 水 电快报
Ｅ Ｒ Ｗ ＨＩ
第 ２ 卷 第 ９期 ３
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一 一 、
； 机 ｛ 电
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文章 编号 ：１０ ．０ １２ ０ 】９０ １ —４ ０６０ ８ ０２ ０ —０ ３０ ｃ
为 了便于 维 护 和 有 更合 适 的 环 境 ， 布 置 在 水轮 机 机 坑 中 的 以 发 电机轴 上 为 好 。 同样 ． 由于合 同分 开的 缘 故 ， 发 电 机 合 同 在
单调节水轮机 固定式转轮叶片绝对地处于非最优运 行工 况非最佳入 口水流条件之下． 水头 或出 力比设计值 低得 多或
够的信号 。在这种 以互感 器为主要 转速 传蒜元 件情况 下， 通
常在 轴上 还有 单 独 的转 传感 齿轮 元件 。当 困各 种 原 因 不 能 从
水轮机， 或者是双调节的， 如斜流式或转柴式 水轮机 利用双 调节 ． 导叶和 檗叶均可按预定程序运动， 使转 轮入口处的水流 流速三角形优化 因此， 调水轮机更适合 于水头和流量都 双
增加． 使单调节水轮机稳步 地进 入原先为双 调节 承轮机保 留 的水头范围。 由于斜漉式水轮机比较复杂和峰值效率相对较
低 ， 在 新 建 电站 很 少考 虑 采 用 。 现
本文专 门涉及较大型竖轴水轮发 电机组。虽然， 在小 型 和 卧式机组 仍有许多应用， 但它们有其特殊的设计特 性， 本文
２０ ０ ２年 ５月
一
水 利 水 电 快 报 Ｅ ＨＩ ＷＲ
第２ ３卷 第 ９期
个或 多个接近 传感器用 于 电气过速跳 闸。接 惯倒、 对
很大的机组 ． 将机械式过速跳 闸作为防止水轮机 飞选 的最 后
手段。
该机械式过速传感器靠带弹簧的滑扦或摇臂的离心力来 动作。在某些情况下， 它动作 一个限位开关， 出使机 组跳 闸 发 的 电气信号 。但是 ， 根据后备系统电源完 全独立的一般 原理 ， 该传感器一般直接操作液压关机 回路 中的液压阀。 通常． 功率控制信号从发电机仪表取 得。需要时 ， 流量控 制信号从压力钢管 中的超 声波流量计 ． 采用 ｗ＿ ｋｎ ｅｙ 从 ｍ ｅｎｄ 法的压力测量获得， 或从调速 器中模型试验成 果推导 出的矩 阵． 或从水轮机 流量的计算机 流体动力 学（ Ｆ 研究获得， Ｃ Ｄ） 在 适当的场合． 该项研究靠 现场功率测 量来支 持。在要求调 逮 器根据水头变化来调整其参数 的场 合． 些参数 可从尾水 管 这 和蜗壳中的压力变送器， 或从 上、 下游测量经 流道 中摩 擦损耗
和 将 柬 可 能的 发 展 。
主 题词 ：丘 击 式水 轮 机 ； 水轮 机 调 速 系统 ； 轮 机 设 计 ； 计 方 案 水 设 中 圉分 类 号 ： Ｋ７ ３ Ｔ ３ 文献标识码 ： Ｂ
水轮机调节设备。 包括调速器 、 信号放 大器 、 油压装置 、 导
叶 ． 某些 应 用 场合 还 包 括 转轮 桨 叶 调 节 机 构 。囤 １为 典 型 在 水 轮 机 的调 节 系统 框 图。 通 过 调 节 以控 制 水 的 流 量 ， 而 控 进 制 水 轮 机的 出 力 和转 速 ， 导水 流 可 能 获 得 的最 有 效 的 方 引