第三章 水轮机工作原理
本章教学要求：
1． 了解水流在反击式水轮机中的运动规律；
2． 熟练掌握水轮机的速度三角形及其作用；
3． 熟练掌握水轮机的基本方程极其意义；
4． 掌握水轮机效率的定义；
5． 掌握水轮机在最优工况、非最优工况下的运行特点。
第一节 水流在反击式水轮机转轮中的运动
一、蜗壳中的水流运动 反击式水轮机蜗壳的主要作用是以最小的水力损失把水流引向转轮前的导水机构，并使水流能均匀而轴对称地进入导水机构，同时，让水流具有一定的速度环量，以提高作用于工作轮上的有效水能及转轮的运行稳定性。蜗壳的水力设计就是以完成蜗壳的上述任务为前提。而蜗壳中的水流运动规律又取决于蜗壳的内壁轮廊线，故蜗壳内壁轮廓线的形状控制了蜗壳内的水流运动规律。
关于蜗壳中的水流运动规律，一般认为有两种形式。根据设计者的意图，设计出来的蜗壳形状也稍有不同。这两种规律是：
1．蜗壳断面的平均速度周向分量均u V 为常数的规律
常数均==0V V u （3-1）
式中0V 为蜗壳进口断面的水流速度。
2． 蜗壳中水流按等速度矩规律运动。即位于蜗壳内任一点水流速度的切向分量u V 与该点距水轮机轴线的半径r 的乘积不变。
C r V u ==?常数 （3-2）
式中u V ——某一点水流速度的圆周分量，见图3-1所示；
r ——研究点距水轮机轴线的半径。
图3-1 蜗壳中的水流运动
实践证明，水轮机按“等速度矩规律”设计的蜗壳性能较好。“等速度矩”规律对蜗壳中的水流运动作如下假设：
1．忽略水流粘性及与管壁的磨擦损失。
2．蜗壳内壁是光滑的，认为蜗壳中的水流运动是无旋流动。
3．蜗壳中的水流运动是以水轮机轴为对称的运动。即蜗壳内水流速度V ，压力P 等运动要素有：0,0=??=??θ
θP V 。 因此，蜗壳内的水流运动为理想液体作轴对称流动。
由式3-2可知，蜗壳中距水轮机轴线半径相同的各点，其水流切向速度u V 相等；蜗壳中距水轮机轴线半径不同的点，其切向速度u V 与半径r 成反比。
蜗壳中各断面所通过流量变化规律。为了提高机组的运行稳定性，使蜗壳中的水流能均匀地，轴对称地进入导水机械及转轮，要求通过蜗壳各断面的流量均匀地减小。
设通过水轮机的全部流量为Q ，则通过蜗壳任一断面的流量i Q ，为：
Q Q i i ?= 360? （3-3）
式中i Q ——自蜗壳鼻端至任一蜗壳计算断面包围的角度。
蜗壳中水流流线的特点。为研究蜗壳中水流流线的特点，假设蜗壳各断面高度b 相等。并且，水流速度沿蜗壳断面高度方向均匀分布。由图3-1可知，蜗壳中任一点水流速度V ，可分解为切向速度u V 和径向速度r V 。设该点速度V 与圆周方向夹角为α，则：
u
r V V tg =
α（3-4） 又因水流沿圆周方向均匀进入水轮机导水机构和转轮，故： rb
Q V r π2=
（3-5） 式中r ——计算点距水轮机轴线的距离；
b ——蜗壳高度；
Q ——通过水轮机流量。
由式（3-2）、（3-4）、（3-5）可得 bc
Q r
c rb Q
V V tg u r ππα22===（3-6） 当水头和流量一定时，则αtg 为常数。因此，蜗壳内的水流流线呈对数螺线状。另外，当α一定时，即在给定蜗壳中，若流量改变时，蜗壳中任一点水流速度V 的大小也随之改变（r V 与u V 均与Q 成正比例变），但V 的方向始终恒定不变，始终以一个方向进入座环支柱。可是在实际中，水轮机的蜗壳断面大多不是等高的。所以，严格讲，蜗壳中的水流流线并不是等角螺线，蜗壳中任一点的水流速度方向也并非始终不变。
二、转轮中的水流运动
水流通过水轮机转轮流道时，一方面随转轮旋转，同时又沿着弯曲的转轮叶片作相对运动。因此，转轮中的水流形成一种复杂的运动。
为了研究这种水流运动，一般采用圆柱坐标系。坐标系统选择如图3-2所示。Z 为水轮机轴向方向，r 为径向，?为圆周方向（切向）。此切向垂直于由径向及轴向所构成的平面。由r ，Z 组成的平面称子午平面，因它通过水轮机的轴心线，故又称为轴平面。图3-2中阴影部分即为某个轴平面。
混流式转轮在某个轴平面上的投影称为转轮的轴面投影。但此投影与一般制图上的所谓正投影不同，它是转轮叶片进、出水边以其相应的半径旋转到某同一轴平面上再投影。对混流式水轮机而言，由于轴平面与转轮上冠，下环正交，因此，在其轴面投影图上，上冠，下环的投影线为实际的轮廓形状。而叶片进、出水边在轴面上的投影线保持了真实的径向尺寸。这是使用轴面投影的优点。叶片的轴面投影如图3-3所示：
图3-2 转轮的圆柱坐标系
图3-3 转轮的轴面投影图
水流在导水机构中的流动基本上是沿垂直于水轮机轴心线的径向方向流动。但当水流离开导叶后，进入转轮前，以及在转轮区域内，两种机型的水流流动方向有着明显的不同。这种流动方向的改变，在混流式水轮机中是在转轮叶片流道中完成的。而在轴流式水轮机中，则在转轮叶片流道前基本完成的。因此，混流式水轮机转轮中水流流线是曲线，而在轴流式转轮中的轴面流线则近似为与轴线平行的直线。由这些流线绕轴旋转构成的回转面称流面。混流式转轮中的水流流面呈花篮形，轴流式则近似为圆柱表面。图3-4中表示出混流式与轴流式中水流运动的比较。在转轮流道中，从上冠到下环的范围内有无限多的流面，水流质点就在这些流面上运动。如果把某一流面展开，可以得到由一系列叶片组成的流道。分析水流在转轮中的流道就是在这样的一些展开面上进行的。
图3-4 混流式与轴流式转轮中水流流动比较
)(a 混流式；)(b 轴流式 三、水流运动的合成与分解
水轮机中某一点的水流运动情况可用该点的速度三角形来描述。速度三角形是流场中同一点的速度与分速度按平行四边形法则构成的向量三角形。转轮进，出口处的速度三角形，是研究水轮机工作过程和进行转轮水力设计的工具。
轮转中的水流运动是一种复杂的运动。一方面是水流相对于叶片流动，即相对流动，另一方面是水流随转轮运动，即圆周运动或牵连运动。转轮中的水流动动可以看成这两种运动的合成。根据这个特点可以用下列速度构成速度三角形。
绝对速度V ，即在静止地面上看到的水流速度。
相对速度W ，即随转轮运动时见到的水流速度。
圆周速度U ，即考察点随转轮转动时的线速度，其数值为：
60Dn
U π=
式中U ——圆周速度（m/s ）；
D ——考察点所在圆周直径（m ）
； n ——水轮机转速（r/min ）。
若用速度关系表示，则有： U W V += （3-7）
构成的速度三角形如图3-5)(a
图3-5 速度三角形
在实际应用中为了分析的方便又常把绝对速度沿圆周速度方向和垂直于圆周速度的方向正交分解，可得到两个分速度：
1．速度的圆周分速度u V ，即绝对速度按正交分解在圆周速度方向的分速度，称绝对速
度圆周分速度。 2．轴面速度m V ，即绝对速度按正交分解在轴向平面上的分速度，因m V 在轴平面上，故m V 称为轴面速度。
若用速度关系表示，则有 m u V V V += （3-8）
构成的速度三角形如图3-5)(b
在转轮的水力设计时，或当分析水流在转轮中的流动，常常要应用到这两个速度分量，图3-6表明了速度三角形中各速度的空间相互关系。
图3-6 各速度的空间关系 为了便于研究方便，又常将位于某点的水流绝对速度V 用它的三个坐标分量来表示，
如图3-6所示 u m z u r V V V V V V +=++=（3-9）
式中 V ——转轮内某一点水流绝对速度； r V ——该点绝对速度V 的径向分量； z V ——该点绝对速度V 的轴向分量； u V ——该点绝对速度V 的圆周分量； m V ——该点绝对速度V 的轴面分量。 四、转轮进、出口速度三角形
水轮机通过转轮时，转轮获得能量的大小主要取决于水流流经转轮进，出口其运动状态的变化，而速度三角形实质上表征着水轮机的工作状态，因此有必要研究转轮的进出口速度三角形。
图3-7 混流式转轮进、出口速度三角形
图3-7给出了混流式水轮机转轮的进出口速度三角形，对位于转进水边某一点的水流速度三角形，可以根据如下条件求出： 1．圆周速度i U 1
601n D U i i π=
（3-10） 式中 i U 1——进口边上计算点i 处的圆周速度（m/s ）；
i D ——考察点所在圆周直径（m ）；
n ——水轮机转速r/min 。 2．轴面速度i m V 1 i
i m F Q V 11 η=
（3-11） 式中Q ——水轮机过流量； η——水轮机容积效率；
i F 1——考察点i 处的过水断面面积。
为了求得通过考察点（如图3-8的i 点）的过水断面面积i F 1，可在轴面上作出通过该点与轴面水流线（E D C B A 、、、、等）垂直的线段ae ，并以ae 为母线的旋转面积就是i F 1，由古鲁金定理：
ae g i L R F π21=（3-12）
式中g R ——线段ae 的重心所在圆半径；
ae L ——线段ae 的长度。
图3-8 轴面水流的过水断面
在式（3-12）中，若考虑由于叶片厚度对水流的排挤，则实际轴面水流过水断面面积为：
11
11112212?ππδπδae g g ae g ae
i i L R R Z L R L Z F F =???
? ?
?-=-=' （3-13） 式中1δ——转轮叶片进水边厚度； 1Z ——转轮叶片数目；
1?——为g
R Z πδ2111-，转轮进口叶片排挤系数。 叶片占据过水断面越多，系数越小。若不考虑叶片排挤，或假设叶片无限薄时，1?=1。 3．绝对速度1V 的方向，即11U V 与之间的夹角1α，对应用较高水头的低比转速混流式水轮机而言，转轮叶片进水边接近导叶出水边，转轮叶片进口的绝对水流角1α，可认为近
似等于导叶出口水流角0
α'；对于中、高比转速，应用水头较低的混流式水轮机和轴流式水轮机，从导叶出口至转轮进口这一区域，可应用动量矩定理，证明其速度矩保持不变，则：
2
2100
i i u u D V D V = 式中 0u V ——导叶出口处水流速度0V 的圆周分量； 0D ——导叶出水边所在圆直径；
i u V 1——转轮叶片进水边计算点i 处的水流绝对速度i V 1的圆周分量；
i D ——转轮叶片进水边上计算点i 所在圆直径。
另外，利用导叶出口速度三角形，如图3-9)(b 可确定0u V
00
000απα'='=ctg b D Q ctg V V r u
图3-9 轴流式转轮的进、出口速度三角形
因此 00
001απ'==
ctg b D Q D D V V i i u i u （3-14） 式中Q ——水轮机过流量；
0b ——导叶高度；
α'——导叶出口水流角。 根据上述三个条件即可作出转轮进口某点的速度三角形。利用此速度三角形，可求得其它的一些速度量值，如等 11,W V 。
混流式转轮出口速度三角形也可根据下列三个条件作出：
1．圆周速度i U 2 602n D U i i '=
π（3-15） 式中i D '——转轮叶片出水边某计算点所在圆直径。 2．轴面速度i m V 2
i i m F Q V 202η=
（3-16） 或 2
202?ηi i m F Q V =
（3-17） 式中 2?——转轮出口叶片排挤系数； i F 2——转轮叶片出水边计算点i 的过水断面面积，计算方法同i F 1。 3．相对速度2W 的方向，即2W 与-2U 的夹角2β。这是按叶片无限薄假定出发的，这个
夹角等于叶片出口部分骨线与圆周切线的夹角2b β。实际上叶片是有限数目的，在叶片流道中水流因自身惯性，只有紧贴叶片的水流质点才符合上述假设，而其余部分的水流并不按照叶片扭曲方向改变运动方向。因而在转轮出口处的相对速度方向与叶片方向不完全一致，即出流角2β与叶片出口安放角总是有些差别。 作出转轮出口速度三角形，就可以求出2V 、2u V 、2W 、2α。
轴流式水轮机进，出口某点处的水流速度三角形，常采用下列假定：
1．在转轮区域内，水流速度的径向分量r V 很小，可忽略，因而水流质点系沿圆柱层流动，转轮区域的m V 与转轮轴线平行，则有 z z r m V V V V =+=
2．轴面速度均匀分布，位于不同半径各圆柱面上的轴面流速均相等，则： ()221214h m m m d D Q V V V -=
==π （3-18）
式中1D ——转轮标称直径（图3-9a ）； h d ——转轮轮毂直径。 3．转轮进、出口水流21,U U 的大小，因轴流式转轮内水流上速特点，故位于同一流线
上进，出口两点水流圆周速度有
6021n
D U U i π==（3-19）
式中i D ——位于同一流面上的转轮进，出口计算点所在圆直径（即该圆柱流面直径）。 4．1u V 的大小，2W 的方向（2β），采用与混流式转轮相同的分析方法确定。
001απ'=ctg D b Q V i
u
22b ββ=（叶片出口安放角）
这样，即可求出轴流式转轮进、出口某一点的速度三角形。
图3-9)(c 是直径为D 的圆柱面（流面）展开和按上述已知条件作出的转轮进、出口速度三角形。
例题
1．已知混流式水轮机的下列数据：21=D m,2.00=b m,15=Q m 3
/s,500=n r/min,导叶出口部分与圆周切线夹角?='140α。试求转轮进口速度三角形的1V 、1u V 、1W 和1β。
解：
4.526050026011=??==
ππn D U m/s 9.112
.0215011=??===ππb D Q F Q V m m/s 因1.010=D b ，故水轮机进水边轴面投影与转轮旋转轴线平行并比较靠近导叶，可取
?='=140
1αα 由此 2.4914sin 9.11sin 111=?
==αm V V m/s 7.47149.11111=??==ctg ctg V V m u αm/s
8.129.11)7.474.52()(22212111=+-=+-=m u V V U W m/s
72689
.117.474.521111'?=-=-=arcctg V V U arcctg
m u β 2.已知轴轮式水轮机的下列数据（参看图3-9）：7.01=D m,28.0=h d m,28.00=b m,
2=Q m/s,500=n r/min,?='550α。试求53.0=D m 的圆柱层上（其中?=252b β）转轮进、出口速度三角形中的1V 、1W 、1β和2V 、2W 、2α（不考虑叶片排挤，转轮进口无撞击）。
解：
9.136050053.060
21=??====ππDn
U U U m/s 19.6)28.07.0(42)42222121=-=-=
==ππh m m m d D Q V V V （m/s
353.028.05520001=????='==ππαctg D b Qctg V V u u m/s 88.6319.62221211=+=
+=u m V V V m/s 5.1219.6)39.13()(22221221211=+-=
+-=m u V V U W m/s 14295
.1219.6arcsin arcsin
111'?===W V m β 7.1425sin 19.6sin 222=?==b m V W βm/s 58.025cos 7.149.13cos 2222=??-=-=b u W U V βm/s
22.619.658.02222
222=+=+=m u V V V m/s
938458
.019.6222'?===arctg V V arctg u m α
第二节 水轮机的基本方程与应用
一、水轮机的基本方程
水轮机的转轮是将水流的能量转化为转轴上的旋转机械能，那么是如何转化的呢？学习了下面的水轮机基本方程以后，我们这个疑问就会得到很好的回答。
水轮机基本方程式可用动量矩定理导出。 当质量为m 以速度V 运动时，其动量是V m ，若质量m 至o 轴的距离为半径r ，而m 所在处的速度V 与半径r 的圆周切线之夹角为α，则质量m 对o 轴的动量矩等于αcos r V m ??或r mV u ，如图3-10，根据动量矩定理，单位时间内水流质量对定轴的动量矩变化等于作用在该质量上的全部外力对定轴的力矩和，即
αcos r V m dt
d M W ??∑=
∑ （3-20） 式中W M ∑——外力矩 。 现考虑水流通过转轮时的动量矩变化。
图3-10 质量m 的动量矩
如图3-11，在时刻t ，水流质量充满转轮流道微元aabb ，经过dt 时间后，该部分质量运动至ccdd ，此时bbdd 部分水流从流道中流出，其质量为q qdt ,?ρ为进入转轮流道微元的流量。在流道进口处，经dt 时间后空出的aacc 部分为后继水流充满，根据连续性定理，其质量也是qdt ?ρ。
在dt 时间内将转轮中的水流运动看成是稳定流动，则ccbb 部分的动量矩没变化，而流道元的动量矩变化就等于bbdd 部分的动量矩减去aacc 部分的动量矩，即
111222cos cos αραρr qdtV r qdtV ?-?
假定在整个转轮进出口处222cos αr V 与111cos αr V ，分别为常数，则整个转轮流道水流质量总的动量矩变化为：
)cos cos (cos 111222ααραr V r V q mVr dt
d -=∑∑ 亦即： )(1122r V r V Q r mV dt
d u u
e u -=∑ρ 式中 e Q ——水轮机有效过流量，即通过转轮流道流量；
2u V ——转轮出口处水流速度圆周分量；
1u V ——转轮进口处水流速度圆周分量。
上述的水流动量矩变化是dt 时段内作用在水流上的外力对水轮机旋转轴线的力矩引起的。下面三种外力并不产生这种力矩。
1．重力：因重力的合力与轴线重合式相交；
2．上冠、下环的内表面对水流压力：因这些表面为旋转面，故压力与轴线重合；
3．转轮外的水流在转轮进、出口处对所考虑水流的压力，因这两部分水流在转轮进、
出口处的接触面可看作是旋转面，故压力与轴线相交。
图3-11 水流通过转轮时的动量矩变化
可见，水流通过转轮时动量矩变化仅由转轮叶片的作用力M '引起，即
M M W '=∑
由此 )(1122r V r V Q M u u e -='ρ （3-21） 而水流对转轮叶片的作用力矩
)(2211r V r V Q M M u u e -='-=ρ （3-22）
M 为水流作用于转轮上的力矩，故它与转轮旋转角速度ω的乘积ωM ，就是单位时间内水流传给转轮的能量。换句话说，也就是作用于转轮上的水流所具有的有效功率e P ，则：
))((h H Q Q g H gQ P e e e ?-?-==ρρ （3-23）
式中，Q ——水轮机过流量；
Q ?——水轮机容积损失；
H ——水轮机工作水头；
h ?——水轮机中的水力损失，即包括水流流经蜗壳，导水机构，转轮及尾水
管时所产生的水力损失总和；
e Q ——水轮机有效过流量，即通过转轮流道流量；
e H ——水轮机有效工作水头，S e H H η=。
式中，S η——水轮机的水力效率。
式(3-23)亦可写作:
s e e H gQ M P ηρω==（3-24）
由式(3-22)和(3-24)得：
S e u u e H gQ r V r V Q ηρωρ=-)(2211
)(2211r V r V g H u u s -=ω
η（3-25）
由于，2211,r u r u ?=?=ωω，则可得到水轮机的基本方程式：
)(12211u u s V u V u g
Hn -= (3-26) 方程左边，表示作用于水轮机工作转轮单位重量水流所具有的有效水能，也就是单位重量水流所传给转轮的有效能量。方程右边，则表示转轮进、出口处水流速度矩的变化（即水流本身运动状态的变化）。因此，水轮机基本方程式给出了水轮机能量参数与运动参数的关系。
此外，方程还经常用环量的形式表示，即
)(221C C g
H s -=πωη（3-27）
《水利工程概论》复习资料 第一章绪论 一、地球上及我国水资源的总量 地球上138.6×108亿m3；我国2.77万亿m3 二、我国水资源的特点 1、水资源总量丰富，人均占有量低 2、水资源在空间上分布不平衡 3、水资源在时间上分布不平衡 4、水资源分布与人口、耕地布局不相适应 三、水利工程的分类 河道整治与防洪工程；农田水利工程；水力发电工程；供水和排水工程；航运工程 四、水力发电工程的两个基本要素 落差、流量 第二章水库、水利枢纽、水工建筑物 一、水库的概念及分类（按库容，径流调节周期） 水库是指在山沟或河流的狭口处建造拦河坝形成的人工湖泊。 按库容大小水库分为：大（1）型水库<库容不小于10×108 m3>； 大（2）型水库<库容为（1.0~10）×108m3>； 中型水库<库容为（0.10~1.0）×108m3>；
小（1）型水库<库容为（0.01~0.10）×108m3>；小（2）型水库<库容为（0.001~0.01）×108m3>。 按径流调节周期长短分为：无调节、日调节、周调节、年调节和多年调节水库。 二、水库的径流调节 水库的径流调节是指利用水库的蓄泄功能有计划地对河川径流在时间上和数量上进行控制和分配。 三、水库的特征水位和特征库容的概念 特征水位：水库工程为完成不同任务，在不同时期和各种水文情况下，需控制达到或允许消落的各种库水位。 特征库容：相应于水库的特征水位以下或两特征水位之间的水库容积。 四、水工建筑物的分类 1、挡水建筑物 2、泄水建筑物 3、输水建筑物 4、取水建筑物 5、整治建筑物 6、专门性水工建筑物 五、水利枢纽布置 水利枢纽布置是水利工程设计研究首要的主要内容。在选择水利枢纽布置方案时，既要满足枢纽的各项任务和功能要求，又要适应枢纽工程区的自然条件，还要便于施工布置，有利于节省投资和缩短工期，因此应在保证运行方便和安全可靠地前提下，力求做到节省工程量、便于施工、缩短工期。一般应进行多方案比较，优选技术经济效益最佳的方案。在
XJ22－W－70/1×9 水轮机结构、安装、使用、维护 说明书
目录 一、概述 二、该水轮机的特点 三、型号说明 四、水轮机的技术数据 （一）基本参数 （二）结构数据 （三）安装高程 （四）调保计算主要参数 （五）性能参数与配套表 五、水轮机主要零部件结构和作用 六、水轮机安装 （一）安装前准备 （二）安装的技术要求 （三）安装
七、水轮机运行与维护 （一）试运行 （二）操作注意事项 （三）维护与保养 八、水轮机常见故障与处理方法 九、水轮机备件、易损件图表 一、概述 现代水轮机主要用作水力发电，是水电站最基本的设备之一。 切击（水斗）式水轮机是属于冲击型高水头的一种，它的喷咀与转轮在同一平面上，射流方向为转轮园周的切线方向，来自压力管的水，经喷咀转换为高速射流，切向冲击轮的斗叶，推动转轮旋作功。由主通赤与飞轮做成一体报送轴器带动发电机发电。 这种水轮机的转轮露出水面，不存在因汽蚀要求开挖的间题，比其它水轮机汽蚀，磨损轻。部分负荷时效率较高，各尾水管，蜗和复杂的导水机构因此构造简单，维护，管理方便。采用了折向器，可使喷针关闭时间延长，降低水锤效应。对引钢管很长的高水头电站比较有利，具有运行可靠的优点。 二、该水轮机的特点 （一）该水轮机组是我厂在全国统一设计产品的基础上作了较大改进。它集中了近年来国内同类机型的优点，同时具有较高的“三优”水平。 （二）本机组配用CJJ--1GA型调整器，省去了协联机构和喷针配压阀。 （三）机组来用与飞轮做成统一体的弹性圈联轴器与发电机直联。转轮旋转方向，从发电机端朝水轮机看为顺时针。 （四）水轮机采用了水力性能较好的62./45。长喷咀和1350喷水弯管，
第一章 一、填空题： 1．水电站生产电能的过程是有压水流通过水轮机，将转变为，水轮机又带动水轮发电机转动， 再将转变为。 2．和是构成水能的两个基本要素，是水电站动力特性的重要表征。 3．我国具有丰富的水能资源，理论蕴藏量为kW，技术开发量为kW。 4．水轮机是将转变为的动力设备。根据水能转换的特征，可将水轮机分为和 两大类。 5．反击式水轮机根据水流流经转轮的方式不同分为、、、几种。 6．反击式水轮机的主要过流部件（沿水流途经从进口到出口）有：，，， ，。 7．冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为、和三种。 8．混流式水轮机的转轮直径是指；轴流式水轮机的转轮直径是 指。 9．冲击式水轮机的主要过流部件有、、、。 10．水轮机的主要工作参数有、、、、等。 包括、、，其关系是。11．水轮机的总效率 12．水轮机工作过程中的能量损失主要包括、、三部分。 二、简答题 1．水力发电的特点是什么？ 2．我国水能资源的特点？ 3．反击式水轮机主要过流部件有哪些？各有何作用？ 4．当水头H，流量Q不同时，为什么反击式水轮机转轮的外型不相同？ 5．水轮机是根据什么分类的？分成哪些类型？。 6．反击式水轮机有哪几种？根据什么来区分？ 7．冲击式水轮机有哪几种？根据什么来区分？ 三、名词解释 1．HL240—LJ—250： 2．2CJ30—W—150/2×10： 3．设计水头： 4．水轮机出力： 5．水轮机效率： 6．最优工况： 7．水头： 8．转轮的标称直径
第二章 一、填空题 1．水轮机工作过程中的能量损失主要包括、、三部分。 2．根据水轮机汽蚀发生的条件和部位，汽蚀可分为：、、三种主要类型。3．气蚀现象产生的根本原因是水轮机中局部压力下降到以下. 4．水轮机的总效率 包括、、，其关系是。 5．立式水轮机的安装高程是指高程，卧式水轮机的安装高程是指。 6．水轮机的吸出高度是指转轮中到的垂直距离。 7．蜗壳根据材料可分为蜗壳和蜗壳两种。 8．金属蜗壳的断面形状为形，混凝土蜗壳的断面形状为形。 二、名词解释 1．汽化压力： 2．汽蚀现象： 3．水轮机安装高程： 4．吸出高度： 5．气蚀系数： 4．包角φ： 5．尾水管高度： 三、简答题 1．为什么高水头小流量电站一般采用金属蜗壳，低水头大流量电站采用混凝土蜗壳？ 2．水轮机的尾水管有哪些作用？ 3．蜗壳水力计算有哪些假定原则，各种计算方法的精度如何？ 4．汽蚀有哪些危害？ 5．防止和减轻汽蚀的措施一般有哪些？ 6．水轮机安装高程确定的高低各有什么优缺点？ 7．各类水轮机的安装高程如何确定？特别是要注意到哪些因素？ 8．尾水管的作用、工作原理是什么？尾水管有哪几种类型？ 四、计算 1．某水轮机采用金属蜗壳，最大包角为345○，水轮机设计流量Q○=10 m3/s，蜗壳进口断面平均流速v e=4m3/s，试计算蜗壳进口断面的断面半径ρe。 2．某水电站采用混流式水轮机，所在地海拔高程为450.00米，设计水头为100米时的汽蚀系数为0.22，汽蚀系数修正值为0.03，试计算设计水头下水轮机的最大吸出高度H S。
情景1 水轮机概论 1.1 水轮机基本参数 水轮机是把水流能量转换成旋转机械能的水力机械，是水电厂最主要的动力设备。水轮机主轴带动发电机轴旋转，利用发电机将机械能转换成电能。水轮机一般装在水电站的厂房内，如图1-1所示，当水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流的能量便传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转而做功。因为水轮机轴和发电机轴相连，水轮机便把它获得的能量传给了发电机，并驱动带有磁场的发电机转子转动而形成旋转磁场，发电机定子绕组切割磁力线而感应出电动势，带上外负荷后便输出了电流。 当水流通过水轮机时，水能即转变成机械能，这一工作过程的特性可用水轮机基 本参数来表征。其基本参数有：水头H 、流量Q 、功率P 、效率η和转速n 等。 1.1.1 水轮机水头H 1．净水头H 净水头是水轮机进口与出口测量断面的总水头差，即水轮机做功用的有效水头，用符号H 表示，单位为m 。图1-2为反击式水电站水轮机装置示意图。 对于反击式水轮机，进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ-Ⅰ断面，出口断面取在尾水管出口Ⅱ-Ⅱ断面，则净水头为 ??? ? ??++-???? ??++=I I g g p Z g g p Z H II II II II I I 2222υαρυαρ （1-1） 式中：Z I 、Z II 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处相对于某基准的位置高度，m ；I p 、II p 分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的流体压强，Pa ； I υ、II υ分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处过流断面的平 图1-1 拦河坝式水电站坝后式厂房 1-水轮机；2-发电机；3-尾水管；4-桥机；5-引水道
均流速，m/s ；I α、II α分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处的过流断面速度分布不均匀系数；ρ为水的密度，kg/m 3；g 为重力加速度。 净水头H 又可表示为： 1-?-=A g h H H （1-2） 式中：H g 为水电站水头（毛水头）；1-?A h 为水电站引水建筑物中的水力损失。 毛水头是水电站上、下游水位的高程差，用符号g H 表示，单位为m 。 2．额定水头H r 额定水头是水轮机在额定转速下，输出额定功率时的最小净水头，单位为m 。 3．设计水头H d 设计水头是水轮机在最高效率点运行时的净水头，单位为m 。 4．最大（最小）水头H max （H min ） 最大（最小）水头是在运行范围内，水轮机水头的最大（最小）值，单位为m 。 5．加权平均水头H w 加权平均水头是在电站运行范围内，考虑负荷和工作历时的水轮机水头的加权平均值，单位为m 。 图1-2 立轴反击式水轮机的工作水头
一、简介 （一）、简介 水轮机是水电厂将水轮转换为机械能的重要设备。 1、按能量方式转换的不同，它可分为反击式和冲击式两类。反击型利用水流的压能和动能，冲击型利用水流动能。 2、反击式中又分为混流、轴流、斜流和贯流四种； 3、冲击式中又分为水斗、斜击和双击式三种。 1）、混流式： 水流从四周沿径向进入转轮，近似轴向流出 应用水头范围：30m~700m 特点：结构简单、运行稳定且效率高
水流在导叶与转轮之间由径向运动转变为轴向流动 应用水头：3~80m 特点：适用于中低水头，大流量水电站 分类：轴流定桨、轴流转桨 3）、冲击式 转轮始终处于大气中，来自压力钢管的高压水流在进入水轮机之前已经转变为高速射流，冲击转轮叶片作功。 水头范围：300~1700m 适用于高水头，小流量机组。 （二）、水轮机主要类型归类 二、水轮机主要基本参数 1、水轮机主要基本参数
水头：Hg、H、Hmax、Hmin、Hr（设计水头）流量：Q 转速:f=np/60 出力：N=9.81QHη（Kw） 效率：η 2、水轮机型式代号 混流式：HL 斜流式：XL 轴流转桨式：ZZ 轴流定桨式：ZD 冲击（水斗式）：CJ 双击式：SJ
斜击式：XJ 贯流转桨式：GZ 贯流定桨式：GD 对于可逆式，在其代号后增加N 3、混流式水轮机 型号：HL100—LJ—210 HL：代表混流式水轮机100：转轮型号（也称比转速）LJ：立式金属蜗壳 210：转轮直径（210厘米）4、轴流式水轮机
ZZ560—LH—1130 ZZ：轴流转桨式水轮机 560：转轮型号 LH：立式混凝土蜗壳 1130：表示转轮直径为1130厘米5、冲击式水轮机 CJ47—W—170/2X15.0 CJ：冲击式 W：卧轴 170：转轮直径170cm 2：2个喷嘴
第三章 水轮机工作原理 本章教学要求： 1． 了解水流在反击式水轮机中的运动规律； 2． 熟练掌握水轮机的速度三角形及其作用； 3． 熟练掌握水轮机的基本方程极其意义； 4． 掌握水轮机效率的定义； 5． 掌握水轮机在最优工况、非最优工况下的运行特点。 第一节 水流在反击式水轮机转轮中的运动 一、蜗壳中的水流运动 反击式水轮机蜗壳的主要作用是以最小的水力损失把水流引向转轮前的导水机构，并使水流能均匀而轴对称地进入导水机构，同时，让水流具有一定的速度环量，以提高作用于工作轮上的有效水能及转轮的运行稳定性。蜗壳的水力设计就是以完成蜗壳的上述任务为前提。而蜗壳中的水流运动规律又取决于蜗壳的内壁轮廊线，故蜗壳内壁轮廓线的形状控制了蜗壳内的水流运动规律。 关于蜗壳中的水流运动规律，一般认为有两种形式。根据设计者的意图，设计出来的蜗壳形状也稍有不同。这两种规律是： 1．蜗壳断面的平均速度周向分量均u V 为常数的规律 常数均==0V V u （3-1） 式中0V 为蜗壳进口断面的水流速度。 2． 蜗壳中水流按等速度矩规律运动。即位于蜗壳内任一点水流速度的切向分量u V 与该点距水轮机轴线的半径r 的乘积不变。 C r V u ==?常数 （3-2） 式中u V ——某一点水流速度的圆周分量，见图3-1所示； r ——研究点距水轮机轴线的半径。 图3-1 蜗壳中的水流运动 实践证明，水轮机按“等速度矩规律”设计的蜗壳性能较好。“等速度矩”规律对蜗壳中的水流运动作如下假设： 1．忽略水流粘性及与管壁的磨擦损失。 2．蜗壳内壁是光滑的，认为蜗壳中的水流运动是无旋流动。 3．蜗壳中的水流运动是以水轮机轴为对称的运动。即蜗壳内水流速度V ，压力P 等运动要素有：0,0=??=??θ θP V 。 因此，蜗壳内的水流运动为理想液体作轴对称流动。 由式3-2可知，蜗壳中距水轮机轴线半径相同的各点，其水流切向速度u V 相等；蜗壳中距水轮机轴线半径不同的点，其切向速度u V 与半径r 成反比。 蜗壳中各断面所通过流量变化规律。为了提高机组的运行稳定性，使蜗壳中的水流能均匀地，轴对称地进入导水机械及转轮，要求通过蜗壳各断面的流量均匀地减小。 设通过水轮机的全部流量为Q ，则通过蜗壳任一断面的流量i Q ，为：
第二章水轮机的工作原理 第一节水流在反击式水轮机转轮中的运动 一、复杂的空间非恒定流 水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流 1) 水头、流量在不断变化 2) 叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。 二、恒定流状态 水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、η不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动是恒定流。 水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。 水流在转轮中的运动非常复杂，上述假定可以简化分析。 三、水流运动是空间三元流 水流运动规律用速度三角形表达 = + V——水流绝对流速（相对于地球） U——水流随转轮旋转牵连流速 W——水流沿叶片流动的相对流速 用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。 对于混流式水轮机，可以认为任一水流质点在转轮中的运动是沿着某一喇叭形的空间曲面(称之为流面)而作的螺旋形曲线运动。 流面即由某一流线绕主轴旋转而成的回旋曲面。在整个转轮流道内有无数个这样的流面。 流面上每一个进口点的速度三角形是相同的；每一个出口点的速度三角形也是相同的。
根据恒定流假定可知，任一水流质点在转轮进口的运动状态及其流动到转轮出口的运动状态可由同一时刻该流面上任意进、出口点的速度三角形表示。 速度与分速度的空间矢量关系 第二节 水轮机工作的基本方程式 一、动量矩定理 单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。即： ) (2211r V r V g Q M u u e -= γ
其中M 为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。 二、水轮机的基本方程 在稳定工况下(n 、Q 、H 均不变)，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为： ?γ?)(2211r V r V g Q M N u u e e -= =)(2211u u e V U V U g Q -= γ s e e H Q N ηγ= 所以，水轮机的基本方程为： 2211u u s V U V U g H -=η 该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。 三、基本方程的物理意义 方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程，方程左边为转换成的机械能。 水流与叶片相互作用，使得水轮机做功。水流通过水轮机时，叶片迫使水流动量矩发生变化，而水流以反作用力作用在叶片，从而使转轮获得力矩。 水能转变为旋转机械能的必要条件：水流在转轮出口的能量小于进口处的能量，即转轮的进口和出口必须存在速度矩的差值。 第三节 水轮机的效率及最优工况 一、水轮机的效率(efficiency) 水轮机的能量损失导致N < N s ，效率η<1 效率是由水力效率、流量效率、机械效率组成 1. 水力损失(head loss)及水力效率 蜗壳、导叶、转轮、尾水管 —— 沿程损失 旋涡、 脱流、 撞击 —— 局部损失 水轮机的水力效率为: H H H H H e H =??∑-= %100η
世界最大水轮机 ——三峡70万千瓦水轮机组研制概况(上) 工程总投资：150亿元以上 工程期限：1996年——2012年 三峡左岸电站厂房入口 三峡水电站是目前世界最大的水电站，这里安装着世界最大的水轮发电机组。在三峡泄洪坝两侧底部的水电站厂房内，共安装有32台70万千瓦级水轮发电机组；其中左岸厂房14台，右岸厂房12台，右岸地下厂房6台，另外还有2台5万千瓦的电源机组，总装机容量2250万千瓦；相当于20座百万千瓦级核电站，比巴西伊泰普水电站多了850万千瓦。左岸厂房和右岸厂房已建成投产的26台机组，日均发电量3.3亿度，满负荷运行可达4亿度，年发电量近1000亿度，约占全国发电量的33分之一。
三峡水电站安装的32台70万千瓦水轮机组是目前世界上出力最大、尺寸最大的混流式水轮发电机组。大型水轮发电机组是水电站核心设备，也是制造难度最高的顶尖工业产品之一，涉及众多复杂加工技术。长期以来，核心技术一直为少数发达国家所垄断。 在1996年三峡左岸14台机组招标前，全世界已建成的70万千瓦水机组仅有21台，分别位于美国大古力（Grand Coulee）水电站和巴西伊泰普（Itaipu）水电站。1970年代，加拿大通用电气公司（GE Canada）和美国阿里斯-查尔摩斯公司，为当时世界最大的水电站——美国大古力水电站第三厂房建造了3台70万千瓦水轮发电机，这三台机组原来按照60万千瓦水轮机设计，后来改进了水轮机转轮，使转轮直径放大到9.23米。首台机组于1978年4月建成投产，成为世界第一台额定出力达到70万千瓦的水轮发电机组。 1980年代，法国阿尔斯通、瑞士ABB、德国Voith以及加拿大通用电气、德国西门子等企业，共同为巴西和巴拉圭两国合建的伊泰普水电站，制造了18台两种规格的70万千瓦水轮机组，陆续于1984年5月至1991年5月间投产发电，使其一跃成为当时世界最大的水电站。2001年，伊泰普水电站又在预留机坑位置扩建2台70万机组，使装机总量从1260万千瓦增加到1400万千瓦。
液力传动与流体机械项目: 三峡大坝水轮机发电原理 汇报人：刘宝 张文辉 赵俊伟 吕九九 指导教师：赵静一 燕山大学机械工程学院 2012年9月
目录 一、水力发电简介 (3) 二、三峡水轮机组简介 (5) 三、混流式水轮发电机结构 (7) 四、混流式水轮机的工作原理 (10)
一、水力发电简介 水是自然中最有用的动力，因为它最容易被掌控。流水可经由水闸或管线被输送，更重要的，一条流可藉水坝区隔成能容纳大量水的水库，当需要时便释出其所需的量。水力常被规划成水力发电厂，通常建基于大型的水坝，最佳的地理位置是在高山地区且狭窄而两侧陡峭的河谷，水坝建于如此的河谷可以产生超过100公里长的蓄水库。大规模的计划或许就不只一个简单的水坝和蓄水库。在澳洲的雪山，雪河的水藉由一连串的地下通道，转至十六个发电厂。水力亦被用来储存其他发电厂多余的能量，这可所谓的抽蓄发电厂来处理，及使用两个分离且不同水平面的蓄水库。正常运作下，位置较高的水库的水被用来驱动涡轮产生电，而经过涡轮的水便储存在较低的水库。一但有多余的电，便被用来抽取较低水库的水回到较高的水库。电力的需求在白天时达到最高点，这亦意味着，大多数的发电站，抽水的工作通常在夜间完成。 水力发电是利用河川、湖泊等位于高处具有位能的水流至低处，将其中所含之位能转换成水轮机之动能，就是利用流水量及落差来转动水涡轮。再藉水轮机为原动机，推动发电机产生电能。因水力发电厂所发出的电力其电压低，要输送到远距离的用户，必须将电压经过变压器提高后，再由架空输电路输送到用户集中区的变电所，再次降低为适合于家庭用户、工厂之用电设备之电压，并由配电线输电到各工厂及家庭用户。 水轮机由古代的水轮、水车演变而来，其工作流程为上游水库中的水经大坝引水管，流入坝体下方发电厂房的蜗壳、导水机构及水轮机转轮中，将势能转化为推动转轮叶片旋转的动能。转轮通过主轴与发电机转子联轴，带动转子旋转并切割发电机定子磁力线圈，利用电磁感应原理在发电机线圈中产生高压电，再经过变压器升压通过输电线路将电力输出到电网中。水轮机中作完功的水则通过大坝尾水管排向下游。 水轮机按工作方式可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。反击式水轮机又可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。三峡电站采用的混流式机组是使用最广泛的一种。1827年法国工程师B.富尔内隆制成6马力的反击式水轮机，1849年经美国工程师J.B.弗朗西斯设计改进，形成了现代混流式水轮机，故称为弗朗西斯水轮机。1850年出现冲击式水轮机。1880年美国工程师L.A.佩尔顿取得水斗型冲击式水轮机的专利，世人称之为佩尔顿水轮机。1912年奥地利工程师V.卡普兰设计出第一台转桨轴流式水轮机，被称为卡普兰水轮机。到20世纪40-50年代又相继出现贯流式和斜流式水轮机，同时水轮机又发展为水泵水轮机，应用于抽水蓄能电站。随着二战后水电开发的进展，水轮机的性能和结构日趋完善，功率有了大幅提高。 利用天然水流为资源。水力发电则系利用筑坝蓄水，昼夜取舍，不尽不竭，既便利又为经济。故近五十年来，世界各国发电，多由火力侧重于水力，都在努力开发水力资源。美国全国发电量最初用火力者在百分之八十以上，至目前为止，水力已占将及半数，由此可见开发水力之重要。而在燃料缺乏之国家，如瑞士、意大利等国，更须大量开发水力发电，以补其缺。
第1章 概论 （一） 单项选择题 1．水轮机的工作水头是（ ）。 （A ）水电站上、下游水位差 （B ）水轮机进口断面和出口断面单位重量水流的能量差 2．水轮机的效率是（ ）。 （A ）水轮发电机出力与水流出力之比 （B ）水轮机出力与水流出力之比 3．反击式水轮机是靠（ ）做功的。 （A ）水流的动能 （B ）水流的动能与势能 4. 冲击式水轮机转轮是（ ）。 （A ）整周进水的 （B ）部分圆周进水的 5．喷嘴是（ ）水轮机的部件。 （A ）反击式 （B ）冲击式 （二）填空题 1．水电站中通过 把水能转变成旋转机械能，再通过 把旋转机械能转变成电能。 2．水轮机分为 和 两大类。 3．轴流式水轮机分为 和 两种。 4．水轮机主轴的布置形式有 和 两种。 5．冲击式水轮机有 、 和 三种。 （三）计算题 1．某水轮机的水头为18.6m ，流量为1130m 3/s ，水轮机的出力为180MW ，若发电机效率97.0=g η，求水轮机的效率和机组的出力g P 。 2．某水轮机蜗壳进口压力表的读数为a P 310650?，压力表中心高程为887m ，压力表所在钢管内径D = 6.0m ，电站下游水位为884m ，水轮机流量Q = 290 m 3/s ，若水轮机的效率%92=η，求水轮机的工作水头与出力。 第2章 水轮机的工作原理 （一） 单项选择题 1．水轮机中水流的绝对速度在轴面上的投影是（ ）。 （A ）轴向分量z v （B ）轴面分量m v 2．水轮机中水流的轴面分量m v 与相对速度的轴面分量m w （ ）。 （A ）相等 （B ）不相等 3．水轮机输出有效功率的必要条件是（ ）。 （A ）进口环量必须大于0 （B ）进口环量必须大于出口环量 4．无撞击进口是指水流的（ ）与叶片进口骨线的切线方向一致。 （A ）绝对速度 （B ）相对速度 5．法向出口是指（ ）。 （A ）出口水流的绝对速度是轴向的 （B ）出口水流的绝对速度与圆周方向垂直 （二）填空题 1．水轮机转轮中的水流运动是 和 的合成。 2．水轮机轴面上所观察到的水流速度分量是 和 。
目录 第一章基本资料 (1) 第二章机组台数与单机容量的选择 (2) 第三章水轮机主要参数的选择与计算 (5) 第四章水轮机运转特性曲线的绘制 (10) 第五章蜗壳设计 (13) 第六章尾水管设计 (17) 第七章心得体会 (20) 参考文献 (20) 第一章基本资料 基本设计资料 黄河B水电站是紧接L水电站尾水的黄河上游的一个梯级水电站。水库正常蓄水位2452 m，电站总装机容量4200 MW，额定水头205 m。 经水能分析，该电站有关动能指标如表1所示： 表1 动能指标 第二章机组台数与单机容量的选择 水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量，就可以拟定可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵循如下原则： 机组台数与工程建设费用的关系 在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。通常小机组单位千瓦耗材多、造价高，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加，整体设备费用高。另外，机组台数多，厂房所占的平面尺寸也会增大。一般情况下，台数多对成本和投资不利。因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用
机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系 单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单机容量制造得大些。 机组台数对水电站运行效率的影响 水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。机组台数不同，水电站平均效率也不同。机组台数较少，平均效率越低。机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。但机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显着。当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷并且程度调频任务时，由于负荷经常变动，而且幅度较大，为使每台机组都可以在高效率区工作，则需要更多的机组台数。 另外，机组类型不同，高效率范围大小也不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。对于高效率工作区较窄的，机组台数应适当多一些。轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。 机组台数与水电站运行维护的关系 机组台数多，单机容量小，水电站运行方式较灵活机动，机组发生事故停机产生的影响小，单机轮换检修易于安排，难度也小。但台数多，机组开、停机操作频繁，操作运行次数随之增多，发生事故的几率也随之增高，对全厂检修很麻烦。同时，管理人员多，维护耗材多，运行费用也相应提高。故不能用过多的机组台数。 机组台数与其他因素的关系 对于区域电网的单机：装机容量较小≯15%系统最大负荷（不为主导电站）；装机容量较大≯10%系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。 根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表1。 表2 不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域
水轮发电机组值班(上) 第一篇水电厂辅助设备及厂用电系统 第一章水力发电概论 复习题 一、填空题: 1、河段水能数值的大小取决于水的落下高度和水量的大小。(也就是落差和水量两个要素。) 2、从天然水能到生产电能的过程中,各种损失有蒸发、渗漏损失、水头损失、功率损失。 3、水电厂的开发方式有抬水式开发、引水式开发、混合式开发、潮汐式水电厂、抽水蓄能电厂、梯级水电厂。 4、水电厂的水工建筑物有拦水建筑物—坝、泄水建筑物、闸门、用水建筑物—水电厂进水建筑物和厂房。 5、闸门从其结构来看,其类型有平板闸门和弧形闸门。 6、水库的特征水位有死水位、正常蓄水位、防洪限制水位、防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位。 7、水电厂在系统中的运行原则是 8、泄水建筑物的作用是宣泻洪水。 9、泄水建筑物按泄流方式可分为溢洪道和深水泄水道。
10、水电厂的装机容量从设计角度包括最大工作容量、备用容量、重复容量。 二、选择题 1、水电站的出力公式为:( b ) (a)P=9.81QH;(b)P=9.81ηQH;(c)P=KQH;(d)E=0.00272WH 2、抽水蓄能电厂在电力系统中的主要作用是( d ) (a)抽水;(b)发电;(c)蓄能;(d)削峰填谷。 3、按坝的受力情况和结构特点分为( c、d ) (a)溢流坝;(b)混凝土坝;(c)拱坝;(d)重力坝。 4、多年调节水电厂在系统中一般( b、d ) (a)担任基荷;(b)担任峰荷;(c)侒保证出力工作;(d)可担任备用任务。 5、防洪限制水位是指( c ) (a)水库削落的最低水位;(b)允许充蓄并能保持的高水位;(c)汛期防洪要求限制水库兴利允许蓄水的上限水位;(d)水库承担下游防洪任务,在调节下游防护对象的防洪标准洪水时,坝前达到的最高水位。 三、判断题 1、水轮机效率(ηr )和发电机效率(ηc)之积就是水电厂效率。(√) 2、潮汐式水电厂只有在落潮时才能发电。(×)
第一节选型设计概述 水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的机组能否长期运行、投资的多少、经济效益的高低。它是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种性能参数。一般情况下，先根据水电站的类型、动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案，然后进行技术经济比较，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。 2.2.1水轮机选型的任务 水轮机选型的主要任务如下； (1)确定电站装机台数及单机功率； (2)选择机组类型及模型转轮型号； (3)确定机组的装置方式； (4)确定转轮直径、额定转速、飞逸转速； (5)计算所有运行水头和功率下水轮机的效率和吸出高度值，绘制水轮机运转综合特性曲线； (6)轴向水推力的计算； (7)调节保证计算； (8)辅助设备的选择； (9)计算水轮机的外形尺寸，估算重量及其价格； 上述内容为水电站水轮机初步设计的一部分，水电站初步设计还包括水轮机的通流部件的设计、如蜗壳、座环、导水机构、尾水管等的初步计算及初
步绘制水轮机剖面图等。 2.1.3水轮机选型的原则 水轮机选型设计计算是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果对水电站的投资、建设速度和发电量以及水电站的经济效益都有很大的影响。水轮机的选型并不是简单地查阅产品目录，从现代水轮机的选型设计计算来看，它是一门系统工程学，要在电站水能资源综合利用、制造、运输、安装、土建电力用户、运行方式等诸多技术经济因素中寻求最佳方案。水轮机选型设计的一般原则如下： ①所选水轮机要具有较高的能量特性。不仅要选择额定工况下max η较高的水轮机转轮型号，而且还要根据水轮机的工作特性曲线，即()f N η=及()f H η=曲线，选择平均效率η最高的水轮机型号，使水轮机在负荷和水头变化的情况下具有最高的平均运行效率。 ②所选水轮机不仅要具有良好的空蚀性能，还要有较好的工作稳定性能，运行要灵活、平稳、安全和可靠。 ③所选水轮机的尺寸应较小，结构要合理、先进，便于运输、安装、运行及检修。 ④转轮选择比较时，应尽可能选用s n 较高的水轮机，这样转速较高，相应 的 机组尺寸就小，并且使所选的水轮机经常在最优区运行。选择转轮参数时应该使11n 值稍高于110n ，而且11Q 值应接近于11max Q 值。
第三章水轮机工作原理 本章教学要求： 1．了解水流在反击式水轮机中的运动规律； 2．熟练掌握水轮机的速度三角形及其作用； 3．熟练掌握水轮机的差不多方程极其意义； 4．掌握水轮机效率的定义； 5．掌握水轮机在最优工况、非最优工况下的运行特点。 第一节水流在反击式水轮机转轮中的运动 一、蜗壳中的水流运动 反击式水轮机蜗壳的要紧作用是以最小的水力损失把水流引向转轮前的导水机构，并使水流能均匀而轴对称地进入导水机构，同时，让水流具有一定的速度环量，以提高作用于工作轮上的有效水能及转轮的运行稳定性。蜗壳的水力设计确实是以完成蜗壳的上述任务为前提。而蜗壳中的水流运动规律又取决于蜗壳的内壁轮廊线，故蜗壳内壁轮廓线的形状操纵了蜗壳内的水流运
动规律。 关于蜗壳中的水流运动规律，一般认为有两种形式。依照设计者的意图，设计出来的蜗壳形状也稍有不同。这两种规律是： 1．蜗壳断面的平均速度周向重量均u V 为常数的规律 常数均==0V V u （3-1） 式中0V 为蜗壳进口断面的水流速度。 2． 蜗壳中水流按等速度矩规律运动。即位于蜗壳内任一点水流速度的切向重量u V 与该点距水轮机轴线的半径r 的乘积不变。 C r V u ==?常数 （3-2） 式中 u V ——某一点水流速度的圆周重量，见图3-1所示； r ——研究点距水轮机轴线的半径。
图3-1 蜗壳中的水流运动 实践证明，水轮机按“等速度矩规律”设计的蜗壳性能较好。“等速度矩”规律对蜗壳中的水流运动作如下假设： 1．忽略水流粘性及与管壁的磨擦损失。 2．蜗壳内壁是光滑的，认为蜗壳中的水流运动是无旋流淌。 3．蜗壳中的水流运动是以水轮机轴为对称的运动。即蜗壳内水流速度V ，压力P 等运动要素有：0,0=??=??θ θP V 。 因此，蜗壳内的水流运动为理想液体作轴对称流淌。 由式3-2可知，蜗壳中距水轮机轴线半径相同的各点，其水流切向速度u V 相等；蜗壳中距水轮机轴线半径不同的点，其切向 速度u V 与半径r 成反比。 蜗壳中各断面所通过流量变化规律。为了提高机组的运行稳
第一篇水力机械 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。 第一章水轮机概述 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、流量Q、出力N、效率η，工作力矩M、机组转速n。 一、水头(head) 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 。 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、出力与效率(output and efficiency) 1. 出力(水轮机的输出功率)N ： 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)为：QH QH N w 81.9==γ 水轮机的输出功率：ηηQH N N w 81.9== 2. 效率： η=N /N w ，一般η=80%~95% 四、工作力矩和转速 水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达
第1章 概论 （一） 单项选择题 1．水轮机的工作水头是（ ）。 （A ）水电站上、下游水位差 （B ）水轮机进口断面和出口断面单位重量水流的能量差 2．水轮机的效率是（ ）。 （A ）水轮发电机出力与水流出力之比 （B ）水轮机出力与水流出力之比 3．反击式水轮机是靠（ ）做功的。 （A ）水流的动能 （B ）水流的动能与势能 4. 冲击式水轮机转轮是（ ）。 （A ）整周进水的 （B ）部分圆周进水的 5．喷嘴是（ ）水轮机的部件。 （A ）反击式 （B ）冲击式 （二）填空题 1．水电站中通过 把水能转变成旋转机械能，再通过 把旋转机械能转变成电能。 2．水轮机分为 和 两大类。 3．轴流式水轮机分为 和 两种。 4．水轮机主轴的布置形式有 和 两种。 5．冲击式水轮机有 、 和 三种。 （三）计算题 1．某水轮机的水头为18.6m ，流量为1130m 3/s ，水轮机的出力为180MW ，若发电机效率97 .0=g η， 求水轮机的效率和机组的出力g P 。 2．某水轮机蜗壳进口压力表的读数为a P 3 10650 ?，压力表中心高程为887m ，压力表所在钢管内径D = 6.0m ，电站下游水位为884m ，水轮机流量Q = 290 m 3/s ，若水轮机的效率% 92=η，求水轮机的工 作水头与出力。 第2章 水轮机的工作原理 （一） 单项选择题 1．水轮机中水流的绝对速度在轴面上的投影是（ ）。 （A ）轴向分量z v （B ）轴面分量m v 2．水轮机中水流的轴面分量m v 与相对速度的轴面分量m w （ ）。 （A ）相等 （B ）不相等 3．水轮机输出有效功率的必要条件是（ ）。 （A ）进口环量必须大于0 （B ）进口环量必须大于出口环量 4．无撞击进口是指水流的（ ）与叶片进口骨线的切线方向一致。 （A ）绝对速度 （B ）相对速度 5．法向出口是指（ ）。 （A ）出口水流的绝对速度是轴向的 （B ）出口水流的绝对速度与圆周方向垂直 （二）填空题 1．水轮机转轮中的水流运动是 和 的合成。 2．水轮机轴面上所观察到的水流速度分量是 和 。
6.2 水轮机及其附属设备安装技术措施 6.2.1.概述 1．水轮机埋设部件由尾水管里衬、转轮室、座环、机坑里衬、接力器坑衬等设备组成。 2．导水机构由底环、导叶、顶环、支持盖、拐臂、连杆、调速环、接力器等设备组成。 3．转轮与主轴联接含转轮（转轮盖）、主轴、联轴螺栓、操作油管、泄水锥等设备的安装。 4．水导轴承采用稀油润滑的巴氏合金瓦衬的自润滑轴承，由轴承座、轴瓦、转动油盆等设备组成。 5．主轴密封由工作密封和检修密封组成。 6.2.2.水轮机安装流程图 水轮机安装流程见图6－1 水轮机安装流程图
图6－1 水轮机安装流程图 6.2.3.主要设备施工技术措施 6.2.3.1.转轮室、座环安装技术措施 1．工作内容： a. 施工前的准备： 场地清理、支墩预埋垫板高程测量、基准点放置、水平梁和拉紧螺栓制作。 b. 设备开箱清点、领用、清扫、检查机组中心标记和组合面，及组合面的修整，楔形板配对检查和处理。 c. 座环组装，组合缝封焊。 d. 转轮室组装。 e. 座环与转轮室组装。 f. 座环与转轮室吊入机坑安装：中心、标高找正，上法兰面水平度调整，加固。 2．安装流程图
图6－2 转轮室、座环安装流程图
3重要工序的施工方法和要求 a. 座环组装： 在安装间布置好组装支墩，每个支墩上置一对楔子板，调整楔子板的标高。 将分块座环吊于支墩上，检查组合面应无毛剌、高点，将座环组装成整体。 检查组合面的间隙用0.05mm的塞尺检查不应通过，局部间隙充许0.10mm，但深度不应超过组合面宽度的1/3，总长不超过组合面高度的20%。 检查座环法兰面的水平度、平面度，镗口的圆度、直径，组合缝的错牙，其组合缝处的安装面错牙一般不超过0.10mm。 组合缝封焊。组合缝焊接应采用对称分段退步跳焊法，以减少焊接变形。焊接完后，应进行焊缝无损探伤检查，焊缝质量应符合要求。 b. 转轮室组装： 转轮室在安装间支墩上组装，其组装要求同座环组装相同。 c. 座环与转轮室组装： 将转轮室与座环的组合法兰面清扫干净，无毛剌、高点。将座环吊于转轮室上，再一次清扫座环、转轮室法兰面，并在法兰面上涂上白铅油。将座环徐徐下落至转轮室只有几毫米间隙时，用组合螺栓将转轮室拔于座环上，初步拧紧。 将座环与转轮室吊于支墩上，放置水平。然后检查转轮室与座环的同心，应符合图纸要求。拧紧组合螺栓。 检查组合面的间隙用0.05mm的塞尺检查不应通过，局部间隙充许0.10mm，但深度不应超过组合面宽度的1/3，总长不超过周长的20%。 d. 转轮室、座环安装： 转轮室、座环吊入前，在支墩预埋的垫板上放好已配对好的楔形板，并调整好顶面高程，使其符合计算高程。并在尾水管内搭设一工作平台。 转轮室、座环安装根据现场的实际情况，采用70~90t液压汽车吊进行吊装。 座环标高调整：座环吊入后，利用调整布置在支墩上的楔形板的方法来调整座环中心标高，并用一台J2水准仪来进行测量。 座环中心调整：其中心利用侧向千斤顶或手拉葫芦进行调整，并用已定好的“X、Y”机组中心线（拉十字交叉钢琴线）来进行测量。 座环上法兰面的水平度调整：一般采用调整布置在支墩上的楔形板来进行。并利用框型水平仪或合相水平仪（0.02mm/m）加自制的水平梁来测量座环上法兰
水轮发电机组值班（上） 第一篇水电厂辅助没备及厂用电系统 第一章水力发电概论 复习题 一、填空题： 1、河段水能数位的大小取决于水的落下高度和水量的大小。（也就是落差和水量两个要素。） 2、从天然水能到生产电能的过程中，各种损失有蒸发、渗漏损失、水头损失、功率损失。 3、水电厂的开发方式有抬水式开发、引水式开发、混合式开发、潮汐式水电厂、抽水蓄能电厂、梯级水电厂。 4、水电厂的水工建筑物有拦水建筑物一坝、泄水建筑物、闸门、用水建筑物一水电厂进水建筑物和厂房。 5、闸门从其结构來看，其类型有平板闸门和弧形闸门。 6、水库的特征水位有死水位、正常蓄水位、防洪限制水位、防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位。 7、水电厂在系统中的运行原则是 8、泄水建筑物的作用是宣泻洪水。 9、泄水建筑物按泄流方式可分为溢洪道和深水泄水道。 10、水电厂的装机容量从没计角度包拈最大工作容量、备用容量、重复界量。 二、选择题 1、水电站的出力公式为：（b ） （a） P=9.81QH；（b） P=9.81nQH; （c） P=KQH；（d） E=0.00272WH 2、抽水蓄能电厂在电力系统中的主要作用是（d ） （a）抽水；（b）发电；（c）蓄能；（d）削峰填谷。 3、按坝的受力情况和结构特点分为（c、d ） （a）溢流坝；（b）混凝土坝；（c）拱坝；（d）重力坝。 4、多年调节水电厂在系统中一般（b、d ） （a）担任基荷；（b）担任峰荷；（c）桜保证出力工作；（d）可担任备用任务。 5、防洪限制水位是指（c ） （a）水库削落的S低水位：（b）允许充蓄并能保持的高水位；（c）汛期防洪要求限制水库兴利允许蓄水的上限水位；（d）水库承担下游防洪任务，在调节下游防护对象的防洪标准洪水时，坝前达到的最高水位。 三、判断题 1、水轮机效率（nr ）和发电机效率（nc）之积就是水电厂效率。（7） 2、潮汐式水电厂只有在落潮时才能发电。（X） 3、抽水蓄能电厂因为抽水用的电比放水时发出的电要多，所以抽水蓄能电厂在电力系统中没有什么作用。（X） 4、按坝的材料分有重力坝、拱坝和支墩坝三类。（X） 5、水电厂的装机界量就是满足系统最大负荷要求的那部分界量。（X） 6、日调节水电厂在洪水期一般担任系统的调峰任务。（X）