水轮机在冷却塔中的作用
2010-02-24 09:34 来源:未知作者:jinri 字体大小：[大中小]
水动风机冷却塔或冷却塔改造，水轮机是关键，运行成功与否，完全取决于水轮机的设计、制造是否合理。我们在技术上突破双击式水轮机效率低的难度，使水轮机效率大于0.90，张普妲的发明专利双击式蛙鸣状水轮机设置在中心部位的湿热恶劣环境中，完全能够长寿命运转不用维修。从而大大提高冷效而节约了能源，节约了企业成本。
凡水轮机的共同点是：
利用水流与转轮叶片的作用力和反作用力原理将水流能量传给转轮，使转轮释放出机械能。
不同点是：
①在冲击式水轮机中，喷管（相当于反击式水轮机的导水机构）的作用是：引导水流，调
节流量，并将水流机械能转变为射流动能，而反击式水轮机的导水机构，除引导水流，调节流量，在转轮前形成一定的旋转水流，以满足不同比转速水轮机对转轮前环量的要求。冷却塔用双击式蛙鸣状水轮机的导水机构具有引导水流，形成水流速度，转变成为动能，在进入转轮前形成一定的方向水流，满足转轮的进水冲击力均匀相等的要求。
②在冲击式水轮机中，水流自喷嘴出口直至离开转轮的整个过程，始终在空气中进行，则位于各部分的水流压力保持不变（均等于大气压），它不像反击式水轮机那样，在导水机构，工作轮以及转轮后的流道中，水流压力是变化的。故冲击式水轮机又称为无压水轮机，反击式水轮机称之为有压水轮机。冷却塔用双击式蛙鸣状水轮机的转轮有部分在空气中，有部分在高速水流中，有部分在低速水流中，所以双击式水轮机是有较低压力的水轮机。
②在反击式水轮机中，由于各处水流压力不等，并且不等于大气压力，故在导水机构，转
轮及转轮后的区域，均需有密闭的流道。冲击水轮机不需要密闭的流道。冷却塔用双击式水轮机由于冷却塔布水器一定在尾部的特殊性，所以导水机构、转轮及转轮后的区域，需密闭，水轮机内部各处水压不等。
④反击式水轮机必须设置尾水管，以恢复压力，减小转轮出口动能损失和进一步利用转轮出口至下游水面之间的水流能量。对于冲击水轮机，水流离开转轮时流速已经很小，又通常处在大气压力下，因此它不需要尾水管，由于没有尾水管，使冲击式水轮机比反击式水轮机少利用了转轮出口至下游水面之间的这部分水
流能量，冷却塔用双击式蛙鸣状水轮机因尾水尚要用于布水的原因，必须设置尾水管，恢复压力，减少动能损失，还可利用转轮出口至尾水到布水出口之间的水流能量。
⑤反击式水轮机的工作转轮淹没在水中工作，而冲击式水轮机的工作轮是暴露在大气中工作，仅部分水斗与射流接触，进行能量交换，并且为保证水轮机稳定运行和具有较高效率，工作轮水斗必须距下游水面有足够的排水高度和通气高度。冷却塔用双击式蛙鸣状水轮机由于尾水管的高度已经足够布水的压力，转轮既淹没在水，又有部分受气压，它的运行工况相对保持稳定和具有较高效率。
⑥在冲击式水轮机中，因工作轮内的水压力不变，故有可能将工作轮流道适当加宽，使水流紧贴转轮水斗正面，并由空气层把水流与水斗的背面隔开。这样可使水流不沿工作轮的整个圆周进入其内，而仅在一个或几个局部的地方，通过一个或几个喷嘴进入工作轮。由于工作水斗仅对着某个喷嘴时被水充满，而当它能到下一个喷嘴之前，该水斗中的水已倾尽，故水流沿水斗流动不会发生紊乱，没有气蚀。反击式水轮机周边进水，转轮完全浸没在水流中，容易产生气蚀。冷却用双击式蛙鸣状水轮机的戽斗是由两圆板间的弧状叶片相邻组成，进水或出水处的各戽斗之间水流速相等，水流沿叶片流动不会发生紊乱，没有气蚀。但在进出水之间的蜗流处，各戽斗之间具有剧烈的气湍流。
⑦冲击式水轮机的工作轮仅部分过水，部分水斗工作，故水轮机过流量较小，因而在一定的水头和工作轮直径条件下，冲击式水轮机的出力比较小。另外，转轮进口绝对速度大，圆周速度小。出力小，导致了较低的比转速。故水斗式水轮机适用于高水头，小流量的场合。冷却塔双击式蛙鸣状水轮机，部分过水，部分受气，过流以后水速较小，但过流量由于压力较低而可以相当大，又接受两次水流冲击，能量被充分利用，从而有较高的效率，较大的出力。它适用于低水头大流量的场合。如潮汐发电。
⑧冷却塔用双击式蛙鸣状水轮机既不是反击式水轮机的工作状态，也不是冲击式水轮机的工作状态，它是有其独特性能的工作状态，所以它既不属于反击式，也不属于冲击式。
水轮机的选型设计 水轮机选型时水电站设计的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的功能经济指标及运行稳定性，可靠性都有重要影响。 水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式，功能参数，水工建筑物的布置等，并考虑国内外已生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。 一：水轮机选型的内容，要求和所需资料 1：水轮机选择的内容 （1）确定单机容量及机组台数。 （2）确定机型和装置型式。 （3）确定水轮机的功率，转轮直径，同步转速，吸出高度及安装高程，轴向水推力，飞逸转速等参数。对于冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等。（4）绘制水轮机的运转综合特性曲线。 （5）估算水轮机的外形尺寸，重量及价格。 wertyp9 ed\结合水轮机在结构、材质、运行等方面的要求，向制造厂提出制造任务书。 2.水轮机选择的基本要求 水轮机选择必须要考虑水电站的特点，包括水能、水文地质、工程地质以及电力系统构成、枢纽布置等方面对水轮机的要求。在几个可能的方案中详细地进行以下几方面比较，从中选择出技术经济综合指标最优的方案。 （1）保证在设计水头下水轮机能发生额定出力，在低于设计水头时机组的受阻容量尽可能小。 （2）根据水电站水头的变化，及电站的运行方式，选择适合的水轮机型式及参数，使电站运行中平均效率尽可能高。 （3）水轮机性能及结构要能够适应电站水质的要求，运行稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能。在多泥沙河流上的电站，水轮机的参数及过流部件的材质要保证水轮机具有良好的抗磨损，抗空蚀性能。 （4）机组的结构先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。 （5）机组制造供货应落实，提出的技术要求要符合制造厂的设计、试验与制造水平。 （6）机组的最大部件及最重要部件要考虑运输方式及运输可行性。 3.水轮机选型所需要的原始技术材料 水轮机的型式与参数的选择是否合理、是否与水电站建成后的实际情况相吻合，在很大程度上取决于对原始资料的调查、汇集和校核。根据初步设计的深度和广度的要求，通常应具备下述的基本技术资料： （1）枢纽资料：包括河流的水能总体规划，流域的水文地质，水能开发方式，水库的调节性能，水利枢纽布置，电站类型及厂房条件，上下游综合利用的要求，工程的施工方式和规划等情况。还应包括严格分析与核准的水能基本参数，诸如电站的最大水头Hmax、最小水头Hmin,加权平均水头Ha，设计水头Hr，各种特征流量Qmin、Qmax、Qa,典型年（设计水平年，丰水年，枯水年）的水头、流量过程。此外还应有电站的总装机容量，保证出力以及水电站下游水位流量关系曲线。 （2）电力系统资料：包括电力系统负荷组成，设计水平年负荷图，典型日负荷
三峡工程实现特大型水轮发电机组国产化 一、国家决策：对三峡工程实行重大技术装备国产化 国家高瞻远瞩的重大装备设备国产化，早在三峡工程论证阶段已有安排。依托重点工程实现重大装备国产化是我国政府导向行为。在三峡工程开工前，围绕三峡机电设备国产化、国家对民族工业的扶持政策，组织开展了一系列科研攻关，制定了切实可行的支持鼓励的政策及措施，收到良好的效果。 三峡工程的重大装备科研攻关列入从“六五”到“十五”连续5个国家“五年”计划，我国相关科研机构、院校及机电设备制造厂为此作了充分准备。从1983年三峡工程可行性审查会后，到国家正式批准三峡工程开工，在这十余年的论证中，三峡工程的重大装备前期科研攻关，包括工程专用施工设备、通航设备、电站水轮发电机组设备以及三峡工程输变电成套设备等各项攻关工作一直没有停止。 在上个世纪80年代再次进行三峡工程论证时，原国务院重大装备领导小组办公室将三峡工程机电设备列入国家重大技术装备研制项目，组织XX大电机研究所、XX电机厂（哈电）、东方电机厂（东电）、中国水利水电科学研究院、长江水利委员会、东北输变电设备集团公司、XX电力机械设备制造公司、电力部XX自动化院、清华大学、XX大学、河海大学、华中科技大学、XX大学等单位开展科技攻关，先后建立了高水头水力试验台进行水轮机水力设计与模型试验的研究，建立了1000吨级、3000吨级推力轴承试验台，进行6000吨级推力轴承的计算与试验研究，总结了国内设计制造大型水电机组的经验，配合设计部门和论证小组提出了三峡工程的水轮机和水轮发电机的参数方案，为立足于国内自主设计制造做了大量的技术准备。 1993年7月，国务院三峡工程建设委员会批准了《长江三峡水利枢纽初步设计报告（枢纽工程）》，同年11月起先后邀请国外有设计制造大型水轮发电机组业绩的厂家来华技术交流，中方也曾派出各个代表团到国外考察。通过考察，了解掌握了国外大机组的技术水平
世界最大水轮机 ——三峡70万千瓦水轮机组研制概况 (下） 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，总长度643.7米，跨度39米，高度93.8米，相邻发电机组中心距38.3米。总面积相当于两艘航空母舰甲板面积，足够战斗机在里面起降。 三峡水电站32套70万千瓦发电机组由水轮机、发电机、励磁系统、调速系统、控制系统、主变压器及附属设备组成，设备总重超过
20万吨，多数为超重型特大部件。左岸厂房14套机组有Alstom和VGS两种构型，右岸厂房12套机组和地下厂房6套机组，经过Alstom、哈电、东电完善设计，成功消除了对空化敏感的特殊压力脉动区，使水轮机运行稳定性有了进一步提高。 三峡工程最早建设的左岸14台机组，中标外商都是国际一流企业，但实际制造供货分散在17个国家100多个工厂，又逢制造企业兼并改组，富有经验的原产地只生产一些关键部件，其他部件转移到子公司，甚至关键的定子线棒德国Siemens公司交给巴西生产（2号机组1941个水接头返厂重焊)，瑞士ABB磁极装配在西班牙生产(5 号机组磁极返修后，转子才耐压通过)，ABB推力头和镜板在意大利生产（5号机组推力头止口与轴领偏心0.3mm，需要修磨放大止口间隙），出现不少质量问题，经过返修最终达到了技术要求。左岸还有55%的部件由国内企业制造，这批机组质量责任在总供货外商，在运行期间逐步进行升级改造。右岸电站12台机组有8台实现国产，地下电站6台机组全部实现国产。总体来说，机组设计制造代表了当今国际先进水平。 三峡水电站由于自然条件和以防洪为主的需要，初期水头61-94米，后期水头为71-113米，每年汛前水库水位降到145米高程，防洪库容221.5亿立方米，水头变幅很大，额定水头80.6米，给水轮机设计增加了难度。每套水轮机组主要由引水管、座环、蜗壳、导水机构、转轮、主轴、下机架、顶盖、转子支架、定子铁芯、定子线圈、尾水管等部件组成。单台机组出力700MW，水轮机转轮名义直径
一、水轮机选型计算的依据及其基本要求.....................................................................1 1 水轮机选型时需由水电勘测设计院提供下列原始数据.................................1 2 水轮机选型计算应满足下述基本要求......................................................1 二、反击式水轮机基本参数的选择计算..................................................................1 1 根据最大水头及水头变化范围初步选定水轮机的型号.................................1 2 按已选定的水轮机型号的主要综合特性曲线来计算转轮参数.................................1 3 效率修正..........................................................................................4 4 检查所选水轮机工作范围的合理性.........................................................4 5 飞逸转速计算....................................................................................5 6 轴向推力计算....................................................................................5 三、水斗式水轮机基本参数的选择计算......................................................10 1 水轮机流量.......................................................................................10 2 射流直径d 0.......................................................................................10 3 确定D1/d 0.......................................................................................10 4 水轮机转速n ....................................................................................10 5 功率与效率................................................................................................11 6 飞逸转速..........................................................................................12 7 水轮机的水平中心线至尾水位距离A ......................................................12 8 喷嘴数Z 0的确定....................................................................................12 9 水斗数目Z1的确定.................................................................................12 10 水斗和喷嘴的尺寸与射流直径的关系...................................................13 11 引水管、导水肘管及其曲率半径.........................................................13 12 转轮室的尺寸..............................................................................14 A 水机流量..........................................................................................17 B 射流直径.............................................................................................17 C 水斗宽度的选择..........................................................................................17 D D/B 的选择.............................................................................................17 E 水轮机转速的选择.......................................................................................17 F 单位流量的计算..........................................................................................17 G 水轮机效率................................................................................................18 H 飞逸转速................................................................................................18 I 转轮重量的计算..........................................................................................18 四、调速器的选择.............................................................................................20 1 反击式水轮机的调速功计算公式.....................................................................20 2 冲击式水轮机的调速功计算公式.....................................................................20 五、阀门型号、大小的选择.................................................................................21 1 球阀的选择................................................................................................21 2 蝴蝶阀的选择 (22) 目 录
水轮机结构 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 2）、轴流式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=9.81QH n（Kw） 效率：n 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 15.0:射流直径三、水轮机主要部件（一）、组成 引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件 1、引水部件 组成:引水室（蜗壳）、座环作用：以较小的水力损失把水流均匀地、对称地引入导水部件，并在进入导叶前形成一定的环量。 2、导水部件 组成：导叶及其操作机构、顶盖、底环 作用：调节进入转轮的流量和形成转轮所需的环量 3、工作部件
保证出力与额定出力之间有什么关系，他们之间的区别是什么？分别怎样计算？ 保证出力指的是机组在各个运行水头稳定运行的出力范围。有最大保证出力，也有最小保证出力。各种机型的保证出力是不一样的。比如混流式的保证出力定义是：在最小到最大水头范围内水轮机出力是45~100%。那么最大保证出力就是某水头时的100%，最小出力为最大出力的45%。保证出力受能量性能（效率），气蚀等诸多因素的影响。例如，某水轮机出力在设计水头下为8333kw，那么，在这个水头下最大出力就8333kw,最小出力就是8333X45%=3750kw.。以上最大最小出力在行业规范中有具体的规定。额定出力是指机组在最优工况点的出力（既选择的运转特性曲线上效率最大点的水头和流量）。设计出力指的是在设计点的出力（设计水头，设计流量，设计效率）。 出力计算公式：N=9.81QHη（千瓦） 其中：9.81是水的比重常数 Q—通过水轮机的流量（立方米/秒） H—水轮机的工作水头（米） η—水轮机的工作效率（％） 水轮机的线型特性曲线可用转速特性曲线、工作特性曲线及水头特性曲线三种不同形式表示。线型特性曲线具有简单、直观等特点，所以常用来比较不同型式水轮机的特性。 一、转速特性曲线 转速特性曲线表示水轮机在导水叶开度、叶片转角和水头为某常数时，其他参数与转速之间的关系。在水轮机的模型试验中，常规的做法是保持一定的水头，通过改变轴上的负荷（力矩）来改变转速，达到调节工况的目的。故整理模型试验的数据时，以转速特性曲线最为方便，水轮机的其他特性曲线，实际上都是从转速特性曲线换算而得。 如图下图所示。由水轮机转速特性曲线可以看出水轮机在不同转速时的流量、出力与效率，还可以看出水轮机在某开度时的最高效率、最大出力及水轮机的飞逸转速。
世界最大水轮机 三峡70万千瓦水轮机组研制概况 投资：150亿元以上 工程期限：1996年——2012年 工程期限：1996年——2012年 三峡工程最早建设的左岸14台机组，中标外商都是国际一流企业，但实际制造供货分散在17个国家100多个工厂，又逢制造企业兼并改组，富有经验的原产地只生产一些关键部件，其他部件转移到子公司，甚至关键的定子线棒德国Siemens公司交给巴西生产（2号机组1941个水接头返厂重焊)，瑞士ABB磁极装配在西班牙生产(5号机组磁极返修后，转子才耐压通过)，ABB推力头和镜板在意大利生产（5号机组推力头止口与轴领偏心0.3mm，需要修磨放大止口间隙），出现不少质量问题，经过返修最终达到了技术要求。左岸还有55%的部件由国内企业制造，这批机组质量责任在总供货外商，在运行期间逐步进行升级改造。右岸电站12台机组有8台实现国产，地下电站6台机组全部实现国产。总体来说，机组设计制造代表了当今国际先进水平。 三峡水电站由于自然条件和以防洪为主的需要，初期水头61-94米，后期水头为71-113米，每年汛前水库水位降到145米高程，防洪库容221.5亿立方米，水头变幅很大，额定水头80.6米，给水轮机设计增加了难度。每套水轮机组主要由引水管、座环、蜗壳、导水机构、转轮、主轴、下机架、顶盖、转子支架、定子铁芯、定子线圈、尾水管等部件组成。单台机组出力700MW，水轮机转轮名义直径9.709/10.427m(VGS/Alstom)，是当今世界最大的混流式水轮机转轮。机组采用三个导轴承的半伞式结构，推力轴承负荷5050/5520吨，为当今世界之最。发电机额定出力778MVA，功率因数0.9，为提高在高水头下水轮机运行的稳定性，发电机设计最大出力840MVA，可连续运行。发电机额定电压20kV，采用定子绕组水冷、转子空冷的冷却方式。发电机定子机座外径21.42/20.9m，定子铁芯内径18.5/18.8m,铁芯高度3.13/2.95m，单台机组重约7000吨，均为世界之最。
天荒坪抽水蓄能电站 水泵水轮机特点 华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司游光华 浙江安吉313302 摘要天荒坪抽水蓄能电站的水泵水轮机组由挪威KVAERNER公司提供，是我国较早从国外引进的大型可逆式机组，自首台机组投产至今已有7年多。本文总结分析了水泵水轮机7年多的运行中出现了一些问题，以供参考借鉴。 主题词天荒坪抽水蓄能水泵水轮机性能“S”形特性不稳定轴向水推力抬机导叶关闭规律 天荒坪抽水蓄能电站安装有6台300MW水泵水轮机组，为单级、立轴、混流可逆式，额定净水头为526米，运行毛水头（扬程）为526米~610.2米，水轮机安装高程为225米，淹没深度为-70米，是目前国内已投产运行的水头和变幅最大的单级可逆式机组，在国际上也较罕见，为使其达到满意的效率和良好的运行稳定性，设计难度大，没有现成的经验可供借鉴。水泵水轮机的参数如下： 水轮机工况：水泵工况：额定容量：306MW 333MW 最大轴出力（入力）：338MW 333MW 额定流量：67.7m3/s 58.80m3/s（最大） 43.00m3/s（最小） 额定转速：500RPM 500RPM 旋向（俯视）：顺时针逆时针 转轮水轮机进口直径：4030mm 转轮水轮机出口直径：2045mm
最大瞬态飞逸转速：720 r/min 最大稳态飞逸转速：680 r/min 水泵水轮机及其辅助设备由挪威GE 公司提供。水泵水轮机大修拆卸方式采用中拆方式。首台机组于1998年9月30日投入运行，2000年12月25日所有机组投产，投产以来运行情况表明，机组性能良好，效率较高，但也出现了一些问题，在技术人员的努力下，通过采取措施，相关问题已得到了较好的解决。 1水泵水轮机的性能和结构特点 1.1效率 按照合同规定，水泵水轮机的效率按照模型试验来验收，合同要求水轮机工况的最高效率≥92.20％，加权平均效率≥90.41％，水泵工况最高效率≥ 91.70％，加权平均效率≥ 91.52％。根据模型试验报告，水轮机工况的模型最优效率为90.61%，折算为原型其整个运行范围内的最优效率为92.28%，加权平均效率为90.317%，而水泵工况下模型最优效率为89.84%，折算原型最优效率为92.17%，加权平均效率为92.01%，除水轮机工况加权平均效率略低于保证值0.083％外，其余均达到合同要求。为了检验真机效率，我们于2001年5月在5号机组上进行了部分水头（扬程）的热力法效率试验，测得水轮机工况下在试验平均净水头566.23 m时，机组出力为210~304.06 MW,水轮机最高效率为92.11％，相应机组出力272.00 MW；水泵工况试验平均净扬程为542.09 m，水泵平均效率为88.99％。从上述结果可以看出，水轮机工况的最高效率已接近模型推算值，水泵工况效率偏
大型水轮发电机的低成本设计研究 摘要：目前，随着中国的不断发展壮大，在大型水电产品的发展中也取得了优 异的成绩，并在世界各地中占据领先的地位，拥有一定的技术水平。大型水轮发 电机产品在我国乃至世界各地的应用都是非常重要的，尤其是在水资源非常丰富 的国家，其发挥着巨大的作用。但是，我们也要考虑到与经济问题，使得大型水 轮发电机的设计符合经济发展的要求。因此，本文主要研究大型水轮发电机系统 的低成本结构设计方案，阐述相关的设计步骤以及实际中的过程等，从而可以设 计出低成本，高效率的结构方案，并不断的优化设计，使得大型水轮发电机的结 构设计的质量和效率得到充分的保障。 关键词：大型水轮发电机；低成本；设计方案；研究分析 1、前言 中国在各个地区都有丰富的水资源，这对水电行业的快速发展是非常重要的，发挥着决定性的作用，以此为基础，才能使得大型水轮发动机的效率得到保证。 随着一大批一大批的大型水利工程的完成，其在中国水电开发的发展中的意义可 想而知，有效地提高了大型水利工程的工作效率，促进我国水利工程事业的不断 进步与发展。同时，相应的水电单位也在不断的面临大型和超大型的发展。但是 目前，根据国内水利工程协会的统计，在中国，大型水轮发电机的成本过高，需 要对其进行低成本的设计，从而使得其的发展符合当今经济的发展状况，创造出 更加优秀的工程项目。 2、大型水轮发电机低成本设计的技术问题分析 2.1定子铁芯的热膨胀 随着我国的科学技术的不断发展壮大，大型水轮发电机的容量也随之被不断 的改善，逐渐扩大，相应定子铁心的直径也在增大，这就会涉及到成本问题。并 且相应的定子铁心的数量已经从之前的几米增长到了十多米，这样不断的增加很 有可能超过20m。相对直径成倍增加，势必会造成成本的增加，我们在设计时一 定要考虑到成本问题，与实际相结合，制定有效合理的设计方案。大型水轮发电 机的定子铁芯，铁芯温度一般会上升至50度，然后核心径向膨胀将达到11mm，所以干扰的半径方向的核心和基础是2mm，我们一定要按照一定的标准进行设计，促使定子铁芯在其中充分发挥自身的作用，达到良好的作用效果。 2．2定子铁芯的压缩质量 在实际的大型水利发电机的运行过程中，定子铁芯的压缩质量是非常重要， 我们在对其进行设计时，一定既要保证其的质量又要节约成本，使得大型水利发 动机可以正常工作，既达到理想的效果又能节约成本。虽然大型水轮发电机可以 自由膨胀，但随着不断的使用，相应的轴向铁心面积的压力会大幅度的下降，相 应的定子铁心会发生翘曲，所以在设计中我们要充分考虑到这方面的问题，避免 长时间使用出现问题。 2.3定子铁芯的开裂的 定子铁芯的结构是装配在襟翼上的，所以在低成本的大型水轮发动机的设计中，我们一定要注意定子铁心的核心位置，避免将相应的环节分布不均匀，从而 导致难以预测的挤压压力，使得定子铁芯受到的压力对大型水轮发动机的设计产 生不利的影响，如在很大程度上加剧了翘曲的情况等等。 2.4转子支架的刚度与轮盘结构的设计 大型水轮发电机的转子支架的结构设计在整个设计过程中也是非常重要的，
第四章水轮机选择 §4.1 水轮机的标准系列 由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同，水电站的工作水头和引用流量范围也不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。 一、反击式水轮机的系列型谱 表4—1、4—2、4—3、4—4中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。 1)、水轮机的使用型号规定一律采用统一的比转速代号。 2)、每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。 二、水斗式水轮机转轮参数 表4—5，系列型谱尚未形成 三、水轮机转轮尺寸系列表（表4—6） 四、水轮发电机标准同步转速（表4—7） 五、水轮机系列应用范围图 为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。 以H为横座标，N 单 1、根据H r、N r→范围→D1，n。 2、水轮机吸出高度的确定H s：根据h s~H的关系曲线确定。 由H r→h s，H s＝h s－▽／900
§4.2水轮机的选择 一、水轮机选择的意义、原则、内容 1、意义 水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。 2、原则 (1)、充分考虑电站特点（水文水能、电力系统技术条件，电站总体布置)。 (2)、有利于降低电站投资、运行费、缩短工期，提前发电 (3)、提高水电站总效率，多发电 (4)、便于管理、检修、维护，运行安全可靠，设备经久耐用 (5)、优先考虑套用机组 3、内容 (1)、确定机组台数及单机容量 (2)、选择水轮机型式（型号） (3)、确定水轮机转轮直径D1、n、H s、Z a；Z0、d0 (4)、绘制水轮机运转特性曲线
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 。
水轮机训练（一） 一、选择题 1．水轮机的效率η（） (A)>1; (B)<1; (C)=1; (D)≤1。 2．水轮机是实现（）转换的主要部件。 （A）水能；（B）电能；（C）动能；（D）机械能。 3．水斗式水轮机属于（）水头水轮机。 （A）低；（B）高； (C)中；（D）中高。 4．可逆式水力机组主要作用是（） （A）调频；（B）调相；（C）生产季节性电能；（D）削峰添谷。 5．目前水头大于700m时，惟一可采用的一种机型是（）。 （A）混流式水轮机；（B）轴流转浆式水轮机；（C）斜流式水轮机；（D）水斗式水轮机。6．水斗式水轮机与混流式水轮机相比较，其特点是（）。 （A）适用高水头，打流量；（B）平均效率高；（C）应用水头范围窄；（D）结构简单，工程造价低。 7．水斗试水轮机喷管相当于反击型水轮机的（）。 （A）导水机构；（B）导叶操作机构；（C）导叶；（D）泻水锥。 8．反击式水轮机能量转换主要是（）。 （A）水流动能的转换；（B）水流势能的转换；（C）水流压力的转换；（D）水头损失和压力的转换。 9．属于水轮机排水部分的是（）。 （A）尾水管；（B）导轴承；（C）止漏装置；（D）蜗壳。 10．水轮机的设计水头是（）。 （A）水轮机正常运行水头；（B）水轮机发出额定出力的最低水头；（C）水轮机发出最大出力的最低水头；（D）保证水轮机安全、稳定运行的最低工作水头。 11．ZD510-LH-180属于（）水轮机。 （A）轴流转桨式；（B）轴流定桨式；（C）混流式；（D）斜流式。 12．SF表示（）。 （A）水轮发电机；（B）气轮发电机；（C）立式发电机；（D）卧式发电机。 13．不属于反击式水轮机的是（）。
GE 公司大型水轮发电机定子绕组 结构设计及安装特点 The Characteristics of the Structure Design and Installation for Large Water Turbine Stator Winding Made By GE 苏树昕 (哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150040) 摘要:以加拿大GE 公司设计的二滩水电厂水轮发电机为例,重点阐述了加拿大GE 公司大型水轮发电机定子绕组的结构设计及安装特点。 关键词:水轮发电机;定子绕组;结构;安装 [中图分类号]T M312.03[文献标识码]B [文章编号]1004-7913(2003)04-0046-03 加拿大GE 公司是世界上知名的水轮发电机组制造商之一, 作为主承包商先后承担制造了我国二滩水电厂550MW 、18kV ,刘家峡水电厂320MW 、18kV 和三峡水电厂700MW 、20kV 水轮发电机, 其大型水轮发电机组结构设计与国内制造商的传统设计结构有很大差别,特别是定子绕组部分有其特别之处,值得我们借鉴。现以安装在雅砻江上的二滩水电厂三相竖轴半伞式水轮发电机的定子绕组的结构设计、安装为例,介绍和分析加拿大GE 公司大型水轮发电机组定子绕组的结构设计、安装的特点。 1 定子绕组参数及结构特点 发电机额定电压18kV ,额定电流19630A , 额定功率因数(滞后)019,定子绕组为3相双层6支路Y 形联接,单匝叠形绕,绕组槽节距1-11槽,槽数486,绝缘等级F 级。定子线棒为66股8100mm ×2124mm 双玻璃丝包扁铜线,罗贝尔换 位,电磁线双边绝缘厚度为012mm ,主绝缘材料为环氧粉云母,定子线棒防晕采用T win -T one 涂料RT V (连续室温固化涂料)和CRT V (导电室温固化硅涂料),高温液压一次成型。定子线棒直线段尺寸2619mm ×92177mm 。定子线棒单根重量62kg 。定子线棒与铁心槽间采用过盈配合,最大设计 紧量0105mm 。定子线棒槽底、层间垫环氧半导体垫条。定子线棒的槽内固定,采用槽楔、斜楔、垫条、波纹板结构。定子线棒嵌装采用液压下线机。 支持环采用 2514mm 高强度无磁性合金钢弯制, 外包F 级绝缘而成。汇流环与定子线棒采用多股铜线软连接。定子线棒接头银磷铜钎焊工艺。定子线棒上下端头的绝缘采用绝缘盒灌注三组份环氧腻子。 2 定子绕组安装主要工艺步骤 主要工艺步骤见图1。 图1 主要工艺步骤 3 定子绕组的结构设计、安装特点分析 311 槽部电晕的防止 在机组运行中,定子绕组因线棒的主绝缘表面 低电阻半导体层的电阻值不同,及下线后由于线棒 6 4东北电力技术 2003年第4期
水泵水轮机全特性 1．水泵水轮机全特性曲线 抽水蓄能电站的水泵水轮机均设有活动导叶，通过导叶调节水轮机运行时的流量，故水泵水轮机的特性曲线一般为一组不同导叶开度下的全特性曲线，其区域的划分与水泵的全特性区域划分一样，只是习惯上以正常水轮机运行工况的各参数为正。同时抽水蓄能电站一般H 也总是正值，即在实际工程中实用也就是5个工况区，即水轮机工况、水轮机制动工况、水泵工况、反水泵工况、水泵制动工况。 水泵水轮机全特性曲线表示方法通常采用1111~n Q 和1111~n M 来表示。图3-7和图3-8所示为某抽水蓄能电站水泵水轮机的四象限特性曲线。 图3-7 水泵水轮机流量特性曲线 图3-8 水泵水轮机力矩特性曲线
2．水泵水轮机全特性曲线的特点 通过对不同水泵水轮机的全特性分析可以看出，水泵水轮机全特性有着下述的规律与特点： （1）在水泵工况，大开度等导叶开度曲线汇集成一簇很窄的交叉曲线，说明在此区域水泵扬程与导叶开度的关系不大，开度的改变不会造成单位转速及单位力矩的很大的变化。当导叶开度较小区域时随着导叶开度的减小其流量曲线及力矩曲线则加速分又，说明此时的导水机构可看作是节流装置，水头损失急剧增大，从而对水泵的力矩及流量产生较大的影响。在水泵实际运行中导叶开度将随着扬程的变化而沿各导叶开度特性曲线的外包络线变化，使得水力损失最小，也即使得水泵的效率在此工况最高。此外，随着单位转速的增大，也即水泵扬程的减小，水泵的流量及水力矩将快速增大，所以在水泵及电动机设计时应充分考虑此时水泵的力矩特性，电动机容量应根据可能的正常运行最低扬程工况进行设计，并留有一定的裕量；同时根据导叶小开度区域力矩分散的特性，在异常低扬程起动时（如初次向上水库异常低扬程充水时）可采取关小导叶开度来限制其水力矩，即限制水泵的入力在一定范围以内。
水轮发电机的选择计算 一、 发电机型式的选择 水轮发电机按其轴线位置可分为立式布置和卧式布置两类，大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于中小型机组及贯流式机组。本电站采用立式布置，立式布置又分为悬式和伞式两种。悬式布置和伞式布置的适用条件，查参考【2】P 149表3-1，悬式适用于转速大于150/min r ，伞式适用于转速小于150/min r 。因为水轮机的标准转速为166.7r/min ，所以水轮发电机选用悬式布置。水轮发电机的冷却方式采用径向通风密闭式空气循环冷却。 二、 主要尺寸估算 待选水轮发电机的有关参数如下： 发电机型式：悬式 标准转速：166.7r/min 磁极对数：18 外形尺寸计算如下： 1、极距τ 根据统计资料分析,极距与每极的容量关系如下: 42p s K f j =τ cm 参考【2】P 159公式3-2 式中 9 ,,,10~8,:18 ;:); (:本设计中取线速度高的取上限容量大一般为系数磁极对数发电机额定容量j f K P p KVA s = f s =N f ／cos ＆, cos ＆为功率因数角，取cos ＆取0.875。 f s =247423／ 0.875=282769KV A 。 4 18 *2282769 *9=τ=84.73 cm
由上求出τ后,尚应校核发电机在飞逸状态下,转子飞逸线速度V f 是否在转子材料允许范围内。 V K V f f = 参考【2】P 160公式3-3 式中 飞逸线速度 秒时在数值上等于极距周当频率转子额定线速度的比值确定与额定转速机组的飞逸转速与水轮机型式有关或按飞逸系数:;/50,:;,:f e f f V f V n n K τ= f K = f n ／e n =308.4／166.7=1.85; V =τ=84.73 cm. V K V f f ==1.85*84.73=156.75m ／s 查参【2】P 160，转子磁轭的材料用整圆叠片。 2、定子内径i D 计算公式： τπ p D i 2== 3.784*18 *2π =971.43 cm 参考【2】P 160公式3-4 3、定子铁芯长度t l 计算公式： e i f t n CD S l 2= cm 参考【2】P 160公式3-5 式中： 冷却方式为空冷 取表见参考系数定子内径额定转速发电机额定容量,107,53]2[,:); (:);(:); (:6160-?=-C P C cm D rpm n KVA S i e f .7 166*3.4971*107282769 26-?= t l =256.79 cm
水轮机技术发展现状与应用热点 罗光钊 （学号：1404440226 学院：能动学院） 指导老师：李琪飞 我国可供开发的水利资源达3.78×10的5次方MW，年发电量居世界首位。到1990年底，全国水电总装机容量为36045.5MW，作为一种获取廉价电力的能源，水力发电的优缺点如下表所示。 优点缺点 它是一种不断更新的能源，取之不尽，用之不竭； 没有空气污染，对水没有热污染； 水能资源的开发，一般都能满足防洪，发电，灌溉，渔业，工业供水等综合利用要求； 如采用适当的装置，限制水压上升，启动和带负荷的时间很短，灵活可靠，具有担负尖峰负荷的能力； 设备比较简单，发热只限于轴承和电机，便于技术改造； 技术成熟，效率高； 可以采用水泵，水轮机蓄能。 受限于自然条件，地处偏远，分布不均； 远离消费中心，输电距离较长； 和火电相比，初期投资较高，施工期较长； 有淹没土地，城镇，道路的问题，要迁移人口赔偿费高； 有的电站建成后，会使盐碱地增加，可耕地减少，或使上游沉积，下游侵蚀；有的会干扰水生物的生活习性和食物链结构； 长距离输电，会增加事故机率； 有气蚀，水锤等特定问题； 高水头电站可能导致土地塌方或地震。 在引进技术，采用国际标准，扩大外贸，提高产品质量的方面，取得了显著的成绩。目前，国内生产厂已经有能力按现代标准书设计各种水头和直径的混流式和轴流式水轮机。 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。 一、水轮机的历史发展 人类利用自然力量的初步偿试是家畜, 尔后是水力机械。远在几千年前, 人们就注意到利用高山瀑布、河川、湖泊水流中蕴藏的能量来代替人力作功。追溯到公元前几世纪, 在中国、印度、埃及等地的人们已经利用水车灌溉, 带动水磨、水碾、水碓进行粮食加工[ 4~ 5]。继之公元二世纪在欧洲罗马运河上大量使用。物原上记载: 后稷作水碓, 利于踏碓百倍。晋杜预作连机之碓, 驱水转之。 15 世纪中叶到 18 世纪末 , 水力学理论开始有了发展, 又随着工业的进步, 对水力原动机提出了功率更大、转速更快、效率更高的改造要求。 1745 年英国学者巴克斯, 1750 年匈亚利的辛格聂尔分别提出了一种依靠水流反作用力工作的水动压能机其效率只有 50% 左右。见图 2。
水轮机型号选择 根据水电站的水头变化范围36.0m~38.0m,在水轮机洗力型谱表3-3，表3-4中查出适合的机型有HL240和ZZ440两种，现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出有关参数，并进行比较分析。 一）HL240型水轮机方案的主要参数选择 1).转轮直径D1计算 查表3-6和图3-12可得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量 Q '1 = 1.24 s m 3 效率m η =92%，由此可初步假定原型水轮机在该工况 下的单位流量Q '1=Q M '1=1.24s m 3 上述的 Q '1，η和额定出力r N =kw kw N gr gr 40816% 984==万η r H =36m 1D = η 2\3181.9Hr Q Nr '= 92 .03624.181.940816 2 \3??=4.109 m 选用与之接近而偏大的标称直径 D1=4.5m 2) 转速n 计算 查表3-4可得HL240型水轮机在最优工况下单位转速 M n 10 '=72min r ,初步假定10n '=M n 10'将已知的10n '和加权平均水头av H =36m, 1D =4.2m 代入 n= 965 .4367211 =?='D H n min r 故选用与之接近而偏大的用步转速n=100min r 3) 效率及单位参数修正 查表3-6可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率为 M m a x η=92% 模型转轮直径为M D 1=0.46m 根据式（3-14） ，求得原型效率 %9.945 .446.0)92.01(1)1(155 11max max =--=--=D D M M ηη则效率修正值为 %9.2%92%9.94max max =-=-=?M ηηη 考