水輪機(jī)工作原理綜述

1、水水 電電 站站第二章第二章 水輪機(jī)的調(diào)速設(shè)備水輪機(jī)的調(diào)速設(shè)備一、水輪調(diào)節(jié)的任務(wù)一、水輪調(diào)節(jié)的任務(wù) 系統(tǒng)負(fù)荷變化系統(tǒng)負(fù)荷變化系統(tǒng)電壓發(fā)生變化系統(tǒng)電壓發(fā)生變化發(fā)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置動(dòng)作電機(jī)勵(lì)磁裝置動(dòng)作發(fā)電機(jī)的端電壓恢發(fā)電機(jī)的端電壓恢復(fù)并保持在許可范圍內(nèi)。復(fù)并保持在許可范圍內(nèi)。系統(tǒng)負(fù)荷變化系統(tǒng)負(fù)荷變化系統(tǒng)電流的頻率系統(tǒng)電流的頻率f發(fā)生變發(fā)生變化，由于化，由于f是磁極對(duì)數(shù)是磁極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速n的函數(shù)的函數(shù)發(fā)電機(jī)調(diào)速器動(dòng)作發(fā)電機(jī)調(diào)速器動(dòng)作發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恢復(fù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恢復(fù)并保持在許可范圍內(nèi)。并保持在許可范圍內(nèi)。系統(tǒng)負(fù)荷變化水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)：水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)：v 隨外界負(fù)荷的變化，迅速改變機(jī)組的出力。隨外界

2、負(fù)荷的變化，迅速改變機(jī)組的出力。v 保持機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)，最大偏保持機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)，最大偏差不超過(guò)差不超過(guò)0.5Hz，大電力系統(tǒng)不超過(guò)，大電力系統(tǒng)不超過(guò)0.2Hz。1. 啟動(dòng)、停機(jī)、增減負(fù)荷，對(duì)并入電網(wǎng)的機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)、停機(jī)、增減負(fù)荷，對(duì)并入電網(wǎng)的機(jī)組進(jìn)行成組調(diào)節(jié)成組調(diào)節(jié)(負(fù)荷分配負(fù)荷分配)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行。，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行。二、水輪機(jī)調(diào)節(jié)原理二、水輪機(jī)調(diào)節(jié)原理v水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程式為：水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程式為：式中：式中：Mt水輪機(jī)主動(dòng)力矩水輪機(jī)主動(dòng)力矩(水流推動(dòng)葉片做功水流推動(dòng)葉片做功) Mg 發(fā)電機(jī)的阻力矩發(fā)電機(jī)的阻力矩 J 機(jī)組慣性矩；機(jī)組

3、慣性矩； 角加速度；角加速度；dtdJMMgtdtd所以當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)所以當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)Mt，使，使Mt=Mg，n=ne又：又： 要使要使 ，一般不能改變，一般不能改變H和效率和效率，而是通過(guò)，而是通過(guò)改變改變Q而達(dá)到改變主動(dòng)力矩而達(dá)到改變主動(dòng)力矩Mt的目的。的目的。 ndtdMMMNndtdMMMNnncdtd，MMgtggtgegt0)3(0)2(, 0)1(QHMQHMttCv調(diào)節(jié)流量的途徑：調(diào)節(jié)流量的途徑： 反擊式：通過(guò)改變導(dǎo)葉開(kāi)度反擊式：通過(guò)改變導(dǎo)葉開(kāi)度a0 ，ZZ：同時(shí)改變?nèi)~：同時(shí)改變?nèi)~片轉(zhuǎn)角。片轉(zhuǎn)角。 沖擊式：通過(guò)改變噴嘴開(kāi)度。沖擊式：通過(guò)改變噴嘴開(kāi)度。 v水輪機(jī)調(diào)節(jié)

4、的定義：水輪機(jī)調(diào)節(jié)的定義： 隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷變化，水輪機(jī)相應(yīng)地改變導(dǎo)葉隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷變化，水輪機(jī)相應(yīng)地改變導(dǎo)葉開(kāi)度開(kāi)度(或針閥行程或針閥行程)，使機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)并保持為額定，使機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)并保持為額定轉(zhuǎn)速的過(guò)程，稱(chēng)為水輪機(jī)調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速的過(guò)程，稱(chēng)為水輪機(jī)調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)：調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 水輪機(jī)調(diào)節(jié)所用的調(diào)節(jié)裝置稱(chēng)為水輪機(jī)調(diào)速器。水輪機(jī)調(diào)節(jié)所用的調(diào)節(jié)裝置稱(chēng)為水輪機(jī)調(diào)速器。 離心擺測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速，并把轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)槲灰菩盘?hào)，由于離心擺的負(fù)載能力很小，采用了二級(jí)液壓放大。引導(dǎo)閥和輔助接力器構(gòu)成第一級(jí)液壓放大裝置，主配壓閥和主接力器則構(gòu)成第二級(jí)液壓放大裝置，從輔助接力器輸出引一信號(hào)至引導(dǎo)閥，作為局

5、部反饋，從主接力器輸出引信號(hào)經(jīng)緩沖器和調(diào)差機(jī)構(gòu)至引導(dǎo)閥，作為主反饋信號(hào)。三、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成三、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng):單調(diào)節(jié)的調(diào)速器原理簡(jiǎn)圖單調(diào)節(jié)的調(diào)速器原理簡(jiǎn)圖v水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng): : 調(diào)速柜調(diào)速柜+ +油壓設(shè)備油壓設(shè)備+ +接力器。其中中小型水輪機(jī)調(diào)速接力器。其中中小型水輪機(jī)調(diào)速器將這三部分組合成一個(gè)整體，稱(chēng)為組合式，運(yùn)行器將這三部分組合成一個(gè)整體，稱(chēng)為組合式，運(yùn)行方便。方便。 v調(diào)速柜的作用：調(diào)速柜的作用： 以轉(zhuǎn)速偏差為依據(jù)，迅速自動(dòng)地調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度，已以轉(zhuǎn)速偏差為依據(jù)，迅速自動(dòng)地調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度，已達(dá)到改變出力恢復(fù)轉(zhuǎn)速的目的。達(dá)到改變出

6、力恢復(fù)轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置油壓裝置調(diào)速柜主要有以下幾個(gè)部分組成：調(diào)速柜主要有以下幾個(gè)部分組成：v測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)量機(jī)構(gòu)：測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差，并把偏差信號(hào)轉(zhuǎn)變：測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差，并把偏差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?hào)，然后輸出。為位移信號(hào)，然后輸出。v放大機(jī)構(gòu)放大機(jī)構(gòu)：(引導(dǎo)閥引導(dǎo)閥+輔助接力器、主配閥輔助接力器、主配閥+主接力主接力器，二級(jí)放大器，二級(jí)放大)：位移變化：位移變化油壓變化。油壓變化。v執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：主接力器，控制導(dǎo)葉開(kāi)度，改變流量：主接力器，控制導(dǎo)葉開(kāi)度，改變流量v反饋機(jī)構(gòu)反饋機(jī)構(gòu)：緩沖器和杠桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)調(diào)節(jié)使：緩沖器和杠桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)調(diào)節(jié)使=時(shí)，反時(shí)，反饋信號(hào)使調(diào)節(jié)停止。饋信號(hào)使調(diào)節(jié)

7、停止。v油壓設(shè)備的作用：供給調(diào)速器壓力油，傳遞操作力。油壓設(shè)備的作用：供給調(diào)速器壓力油，傳遞操作力。由壓力油罐、回油箱、油泵、輸油管、附件等組成。由壓力油罐、回油箱、油泵、輸油管、附件等組成。v額定工作油壓分為兩種：有的電站采用低油壓，為額定工作油壓分為兩種：有的電站采用低油壓，為2.5MPa；有的電站采用高油壓，為；有的電站采用高油壓，為4.0MPa。v調(diào)速器工作時(shí)的高油壓來(lái)自油罐，低壓側(cè)的油通過(guò)調(diào)速器工作時(shí)的高油壓來(lái)自油罐，低壓側(cè)的油通過(guò)回油管路進(jìn)入回油箱?；赜凸苈愤M(jìn)入回油箱。v當(dāng)油壓降低到正常工作油壓下限當(dāng)油壓降低到正常工作油壓下限(2.32.7MPa)時(shí)，時(shí)，油泵自動(dòng)啟動(dòng)，將回油箱內(nèi)的

8、油泵入壓力油罐，油油泵自動(dòng)啟動(dòng)，將回油箱內(nèi)的油泵入壓力油罐，油壓達(dá)到正常工作油壓上限時(shí)，油泵停止工作。壓達(dá)到正常工作油壓上限時(shí)，油泵停止工作。v接力器是調(diào)速器的執(zhí)行元件，大型電站設(shè)兩個(gè)或兩接力器是調(diào)速器的執(zhí)行元件，大型電站設(shè)兩個(gè)或兩個(gè)以上接力器。個(gè)以上接力器。四、調(diào)速器的類(lèi)型與系列四、調(diào)速器的類(lèi)型與系列( (一一) ) 類(lèi)型類(lèi)型1 1、按調(diào)速器元件結(jié)構(gòu)分：、按調(diào)速器元件結(jié)構(gòu)分：v機(jī)械液壓機(jī)械液壓( (機(jī)調(diào)機(jī)調(diào)) )：信號(hào)測(cè)量、信號(hào)綜合、信號(hào)反饋信號(hào)測(cè)量、信號(hào)綜合、信號(hào)反饋均由機(jī)械環(huán)節(jié)完成?，F(xiàn)在很少使用。均由機(jī)械環(huán)節(jié)完成?，F(xiàn)在很少使用。v電氣液壓電氣液壓( (電調(diào)電調(diào)) )：用電氣回路代替機(jī)調(diào)中

9、的機(jī)械元用電氣回路代替機(jī)調(diào)中的機(jī)械元件。調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，靈敏度和精確度高，成本低，件。調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，靈敏度和精確度高，成本低，便于安裝調(diào)整。目前還有不少電站在使用。便于安裝調(diào)整。目前還有不少電站在使用。v微機(jī)調(diào)速器微機(jī)調(diào)速器：用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)代替電子調(diào)速器，用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)代替電子調(diào)速器，賦予了調(diào)速器更多的控制功能，性能更優(yōu)良。賦予了調(diào)速器更多的控制功能，性能更優(yōu)良。數(shù)字式電液調(diào)速器監(jiān)控系統(tǒng)主界面數(shù)字式電液調(diào)速器監(jiān)控系統(tǒng)主界面數(shù)字式電液調(diào)速器油壓裝置顯示畫(huà)面數(shù)字式電液調(diào)速器油壓裝置顯示畫(huà)面2、按調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)數(shù)分、按調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)數(shù)分單調(diào)：一個(gè)導(dǎo)葉起閉機(jī)構(gòu)，如混流和軸流定漿機(jī)組單調(diào)：一個(gè)導(dǎo)葉起閉機(jī)構(gòu)，如混流

10、和軸流定漿機(jī)組雙調(diào)：有兩個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)雙調(diào)：有兩個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(導(dǎo)葉開(kāi)度，葉片轉(zhuǎn)置角導(dǎo)葉開(kāi)度，葉片轉(zhuǎn)置角)， ZZ、CJ（針閥、折流板轉(zhuǎn)動(dòng)）（針閥、折流板轉(zhuǎn)動(dòng)）3、按大?。ㄈ萘浚?、按大?。ㄈ萘浚┐笮停夯钊睆酱笮停夯钊睆?0mm以上以上中型：操作功中型：操作功10000Nm30000Nm小型：操作功小于小型：操作功小于10000Nm，特?。盒∮冢匦。盒∮?000Nm (二二) 調(diào)速器系列調(diào)速器系列(反擊式水輪機(jī)反擊式水輪機(jī))第一部分：基本特性和類(lèi)型第一部分：基本特性和類(lèi)型大型：無(wú)代號(hào)；大型：無(wú)代號(hào)； 中小型帶油壓裝置：中小型帶油壓裝置：Y； 特小：特?。篢機(jī)械液壓：無(wú)代號(hào)；機(jī)械液壓：無(wú)代號(hào)； 電動(dòng)

11、調(diào)節(jié)：電動(dòng)調(diào)節(jié)：D單調(diào)：無(wú)代號(hào)；單調(diào)：無(wú)代號(hào)； 雙調(diào)：雙調(diào)：S調(diào)速器：調(diào)速器：T第二部分：工作容量第二部分：工作容量 中小型調(diào)速器中小型調(diào)速器9.81N.m；大型指主配閥直徑；大型指主配閥直徑(mm)第三部分：額定油壓第三部分：額定油壓 2.5MPa 不加注釋不加注釋例：例： YT300 中型、帶油壓裝置、機(jī)調(diào)、額定油壓中型、帶油壓裝置、機(jī)調(diào)、額定油壓2.5MPa，工，工作容量作容量3009.81Nm DST100A40 大型、電氣液壓、雙調(diào)節(jié)調(diào)速器；主配閥直徑大型、電氣液壓、雙調(diào)節(jié)調(diào)速器；主配閥直徑100mm，額定油壓，額定油壓40kg/cm2(4.0MPa)，A是第一次是第一次改型后產(chǎn)品改

12、型后產(chǎn)品 A、B、C為改型次數(shù)，系列型譜見(jiàn)表為改型次數(shù)，系列型譜見(jiàn)表51。 五、水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備的選擇五、水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備的選擇v包括：調(diào)速柜、接力器、油壓裝置包括：調(diào)速柜、接力器、油壓裝置v中小型調(diào)速器是將上面的三部分結(jié)合在一起，成中小型調(diào)速器是將上面的三部分結(jié)合在一起，成為一個(gè)整體設(shè)備，以主接力器的工作容量為一個(gè)整體設(shè)備，以主接力器的工作容量( (也稱(chēng)為也稱(chēng)為調(diào)速功調(diào)速功) )為表征組成標(biāo)準(zhǔn)系列。用調(diào)速功來(lái)進(jìn)行選為表征組成標(biāo)準(zhǔn)系列。用調(diào)速功來(lái)進(jìn)行選擇。擇。v對(duì)大型調(diào)速器，三者是分開(kāi)的，并且互不配套，對(duì)大型調(diào)速器，三者是分開(kāi)的，并且互不配套，需要分別進(jìn)行選擇。大型調(diào)速器的表征值是主配需要分別進(jìn)行

13、選擇。大型調(diào)速器的表征值是主配壓閥直徑，因此需要先求出主接力器容積，再計(jì)壓閥直徑，因此需要先求出主接力器容積，再計(jì)算主配壓閥直徑。算主配壓閥直徑。1、中小型調(diào)速器的選擇、中小型調(diào)速器的選擇v調(diào)速功：接力器活塞上的油壓力與其行程的乘積。調(diào)速功：接力器活塞上的油壓力與其行程的乘積。v反擊式水輪機(jī)的調(diào)速功：反擊式水輪機(jī)的調(diào)速功： A=(200250)Q(HmaxD1)1/2 Q為最大水頭下額定出力時(shí)的流量。為最大水頭下額定出力時(shí)的流量。v沖擊式水輪機(jī)的調(diào)速功：沖擊式水輪機(jī)的調(diào)速功： A=9.81Z0(d0+d03Hmax/6000) Z0為噴嘴數(shù)目為噴嘴數(shù)目 d0為額定流量時(shí)的射流直徑。為額定流量時(shí)

14、的射流直徑。2、大型調(diào)速器的選擇、大型調(diào)速器的選擇(1) 接力器的選擇接力器的選擇v 導(dǎo)葉接力器的選擇導(dǎo)葉接力器的選擇v 通常采用兩個(gè)接力器操作導(dǎo)水機(jī)構(gòu)通常采用兩個(gè)接力器操作導(dǎo)水機(jī)構(gòu)v 當(dāng)額定油壓為當(dāng)額定油壓為2.5MPa時(shí)，接力器直徑時(shí)，接力器直徑ds為：為： 為計(jì)算系數(shù)，查表。為計(jì)算系數(shù)，查表。b0為導(dǎo)葉高度。為導(dǎo)葉高度。v 當(dāng)額定油壓為當(dāng)額定油壓為4.0MPa時(shí)，接力器直徑時(shí)，接力器直徑ds為：為： 由計(jì)算的接力器直徑，查標(biāo)準(zhǔn)接力器系列表，選用相鄰由計(jì)算的接力器直徑，查標(biāo)準(zhǔn)接力器系列表，選用相鄰偏大的直徑。偏大的直徑。max101HDbDdssssddd81. 00 . 4/5 . 20

15、5. 1v接力器最大行程接力器最大行程Smax可由經(jīng)驗(yàn)公式求出：可由經(jīng)驗(yàn)公式求出： Smax=(1.41.8)a0maxa0max為水輪機(jī)導(dǎo)葉的最大開(kāi)度，由模型水輪機(jī)導(dǎo)為水輪機(jī)導(dǎo)葉的最大開(kāi)度，由模型水輪機(jī)導(dǎo)葉最大開(kāi)度葉最大開(kāi)度a0Mmax換算得出：換算得出： a0max= a0Mmax(D0Z0M/D0MZ0)其中，其中，D0和和Z0分別為水輪機(jī)導(dǎo)葉軸心園的直徑和分別為水輪機(jī)導(dǎo)葉軸心園的直徑和水輪機(jī)的導(dǎo)葉數(shù)目。水輪機(jī)的導(dǎo)葉數(shù)目。v將將Smax的單位轉(zhuǎn)換為的單位轉(zhuǎn)換為m，即可求出兩個(gè)接力器的，即可求出兩個(gè)接力器的總?cè)莘e：總?cè)莘e：223maxmax12(m )22sssdVSd Sv 轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)

16、轉(zhuǎn)輪葉片接力器的計(jì)算轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片接力器的計(jì)算v 轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)除了選擇導(dǎo)葉接力器以外，還要轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)除了選擇導(dǎo)葉接力器以外，還要選擇轉(zhuǎn)輪葉片接力器選擇轉(zhuǎn)輪葉片接力器(位于輪轂內(nèi)部位于輪轂內(nèi)部)。v 其直徑其直徑dc、最大行程、最大行程Scmax、容積、容積Vc可按經(jīng)驗(yàn)公式可按經(jīng)驗(yàn)公式估算。估算。 dc=(0.30.45)D1(2.5/P0)1/2 Scmax=(0.0360.072)D1 Vc=0.25dc2 Scmax(2) 主配壓閥直徑的選擇主配壓閥直徑的選擇v通常主配壓閥的直徑與通向主接力器的油管直徑相通常主配壓閥的直徑與通向主接力器的油管直徑相等。通過(guò)主配壓閥油管的流量為：等。

17、通過(guò)主配壓閥油管的流量為： Q=Vs/Ts Ts為導(dǎo)葉的直線關(guān)閉時(shí)間。為導(dǎo)葉的直線關(guān)閉時(shí)間。 則由管內(nèi)油的流速則由管內(nèi)油的流速(45m/s)確定油管直徑確定油管直徑d。v大型調(diào)速器以主配壓閥的直徑為表征而組成系列，大型調(diào)速器以主配壓閥的直徑為表征而組成系列，計(jì)算出計(jì)算出d以后，就可以查表選擇調(diào)速器型號(hào)了。以后，就可以查表選擇調(diào)速器型號(hào)了。v對(duì)于雙調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，通常使轉(zhuǎn)輪葉片的主對(duì)于雙調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，通常使轉(zhuǎn)輪葉片的主配壓閥直徑與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主配壓閥直徑相等。配壓閥直徑與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主配壓閥直徑相等。（3） 油壓裝置的選擇油壓裝置的選擇v 油壓裝置的工作容量以壓力油罐的總?cè)莘e為表征，故首先油壓裝置的工作容量以壓力油罐的總?cè)莘e為表征，故首先應(yīng)按經(jīng)驗(yàn)公式求出壓力油罐的總?cè)莘e應(yīng)按經(jīng)驗(yàn)公式求出壓力油罐的總?cè)莘eVk： Vk=(1820)Vs 對(duì)于對(duì)于HL水輪機(jī)水輪機(jī) Vk