水轮机类型和结构(贺智文)

第二章 水轮机的主要类型及 其构造第一节水轮机的工作参数一.水轮机的工作水头：1 .定义： 水轮机的工作水头是指参与水轮机能量转换的水头。 2 .计算： 根据定义水轮机的工作水头 H ( m )应 为水轮机进口断面(B-B)和尾水管出 口断面(C-C)处单位重量水流能量之 差。(采用下游水面为基准面) H=EB – Ec

H=Hm-hA-B (1-10) Hm:水电站的毛水头，即上下游水位之差(也称为 静水头) (1-10)式表明水轮机工作水头即等于水电站毛水 头扣除压力引水系统中水头损失后的净水头，这也 就是水轮机利用的有效水头。

3.表明水轮机运行工况及运行范围的其他特 征水头：最大水头Hmax、最小水头Hmin、加权平均水头Ha、 设计水头(也称计算水头)Hr 其中：①加权平均水头Ha是指水电站在运行期间出 现次数最多、经历时间最长的水头，通常是指电能 或时间加权的平均水头。可由计算的资料确定： H t H t N 或 H H t t Na

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式中ti,Ni—水头Hi出现时相应的持续时间和出力 ②设计水头Hr是指水轮机在发出额定出力时所需要 的最小水头，它与水轮机的受阻容量有关，经分析 比较确定。

二.流量1.定义：水轮机的流量是指水流在单位时间内通过水轮机的体积，单位m3/s。 2.计算：水轮机流量随工况的改变而改变， 由测量得到。其数值在 Hr 下，水轮机发额定出 力时，Q最大。

三.出力和效率1 .出力： 水轮机轴端的输出功率，用 N 表示,单位kw。

2 .输入功率： 当水头为 H ( m ),流量 Q (m3/s )的水流，通过水轮机时，给予水轮机的 输入功率Ns

3.效率(η):水轮机的出力与其输入功率的比值称为水轮机的效率η=N/Ns

4.出力N的计算：

由上述可知：N=Nsη=9.81QHη (kw) 5.实际水轮机效率η情况：目前水轮机的 效率较高，大型机组可达90%~95%,小型机组可 达80%。而火电站的热能效率却只有 40%左右， 这也是水电的优越性所在。

6.水轮发电机组的输出功率Nf:

由于水轮机与发电机同轴连接，当水轮机把 输出功率传给发电机时，同样存在着损失，即 发电机的效率η发。 所以 Nf=9.81QHη 水 η 发 <水轮机的输出功

四.工作力矩与转速1.工作力矩：由于水轮机的出力使主轴旋转作功，所以出力除了用水头流量公式 N=9.81QHη表示外，还可用旋转机械 运动的公式来表示： 2 n N=Mω=M 60 =γ QHη (w)

2.转速

①水轮机主轴和发电机轴都是用法兰和螺栓直 接钢性连接的，所以水轮机主轴与发电机同步 运行，二者转速相同。 ②水轮机转速要符合标准同步转速，即满足 f=(Pn)/60

③水轮机额定转速 n=3000/P (r

/min)

对不同磁极对数的发电机，其标准同步转速 不同。 ④为保证供电质量，要求电流频率不变，故在正常 情况下，机组转速应保持为相应的固定转速，此转 速即为水轮机或机组的额定转速n。本节总结： 1.掌握概念：水轮机工作水头、水轮机引用流量 、水轮机出力、水轮机效率、水轮机工作力矩、 水轮机额定转速。 2.公式：水轮机出力公式

第二节 水轮机的主要类型一.反击式水轮机⑴特点： ①转轮是由若干个具有空间扭曲面的钢性叶片 组成(当压力水流通过整个转轮时，由于弯曲 叶道迫使水流改变其流动的方向和流速的大小 ，因而水流便以其势能和动能给叶片以反作用 力，并形成旋转力矩使转轮转动)。 ②转轮完全浸于水中。 ③叶片进口压力>叶片出口压力。 ⑵分类：按转轮区分水流相对于主轴的方向不 同分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮 机。

1.混流式水轮机(HL)

①特点： a. 水流流经转轮时，以辐向从四周进入转轮而 以轴向流出转轮。 b. 适用水头范围广，结构简单，运行稳定，效 率高。 c. 单机容量几十~几十万KW。 d. 叶片数10~20片(通常14~19片) e. 靠活动导叶控制流量。 ②适用条件：适用水头范围30~700m。

2.轴流式水轮机(ZZ,ZD)(实物图)

①特点： a. 水流流经转轮时轴向进入又依轴向流出，故 称轴流式 b. 分为定浆式与转浆式两种，定浆式在运行时 叶片固定不动，结构简单；转浆式运行时叶片是 可以转动的，并和活动导叶保持协联关系，使水 轮机保持较高的效率。 c. 单机容量一般几十KW~十几万KW

d. 叶片数3~8片，常用4~6片。葛洲坝17万机组4 片，12.5万千瓦5片。 e. 流量控制：定浆式只用活动导叶控制，而转 浆式由活动导叶和浆叶共同控制。 ②适用范围： a. 定浆式多用在负荷变化不大，水头和流量比 较固定的小型电站上，适用范围3~50m。 b. 转浆式多应用在大中型电站上，负荷变化较 大，应用水头范围为3~80m。

3.斜流式水轮机(XL)

①特点： a. 水流流经转轮时倾斜于轴向，故称斜流式。 b. 转轮的叶片可以转动，叶片轴线与主轴轴线 斜交，高效区较宽广。 c. 装置较多叶片，一般为 8~14 片(适应水头有 所提高) d. 容量：以礼河一级毛家村电站，单机容量为

②适用范围：适用水头范围为40~120m(世界上 水头最高的日本向川为113.4m)

4.贯流式水轮机(GD,GZ)

①特点： a. 主轴装置成水平或倾斜，不设置蜗壳，水流 直贯转轮。 b. 不仅水流流经转轮是轴向的，而且水流从建 筑物进口到出口全部是轴向的，可以认为当轴流 式机组装成水平卧轴时，不设蜗壳，水流直贯转 轮而成为贯流式

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