學(xué)習情景一緒論項目14

1、水輪機組運行與維護1學(xué)習情景1水電廠動力設(shè)備的認識 工作任務(wù) 1.水電站的認知 2.水電站動力設(shè)備的認識3.水輪機的發(fā)展歷程職業(yè)能力 1.感知水力發(fā)電過程2.掌握水電站動力設(shè)備構(gòu)成，并熟知其功能 3.感知水輪機發(fā)展的新材料新技術(shù)新工藝應(yīng)用，訓(xùn)練創(chuàng)新思維能力 2學(xué)習情景1水電廠動力設(shè)備的認識知識要求 1.清楚水電站型式、水力發(fā)電過程2.知道水電站動力設(shè)備及其作用、地位3.掌握水輪機的類型與應(yīng)用4.了解現(xiàn)代大型特大型水輪機的材料、技術(shù)、工藝的發(fā)展 技能與態(tài)度要求 技能要求：具備利用水能進行發(fā)電的設(shè)想態(tài)度要求：能獨立學(xué)習和工作，能夠進行交流，具有團隊合作精神和職業(yè)道德。3項目一 水電站與水輪機水 能

2、自然界有多種能源，目前已被開發(fā)利用的能源中主要有熱能、水能、風能和核能。水能是一種可再生能源：地球上江河縱橫，湖泊星羅棋布，海洋遼闊，蘊藏著豐富的水力資源。借助太陽的幫助，地球上的水蒸發(fā)成水蒸氣，在天空中水蒸氣又凝聚成雨雪降至大地，通過江河又流入海洋，如此循環(huán)不已，永無止境。利用水能發(fā)電的優(yōu)點：與火力發(fā)電和核能發(fā)電相比有許多的優(yōu)點，例如成本低，運行管理簡單，啟動快，消耗少，適于調(diào)峰和調(diào)頻，污染少等。4水能利用自然界的河流都具有一定的坡降，水流在重力作用下，沿著河床流動，在高處的水蘊藏著豐富的位能，如果沒有把這種水能加以利用，當水流向低處流動時，則所有的能量都消耗在克服水流的粘性、摩阻、沖刷河床

3、和夾帶泥沙等方面去了 水輪機：是一種將河流中蘊藏的水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能的原動機。水流流過水輪機時，通過主軸帶動發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換成電能。水輪發(fā)電機組：水輪機與發(fā)電機聯(lián)接成的整體稱為水輪發(fā)電機組，它是水電站的主要設(shè)備之一。5水 電 站水電站：是借助水工建筑物和機電設(shè)備將水能轉(zhuǎn)換為電能的企業(yè)。為了利用水流發(fā)電，就要將天然落差集中起來，并對天然的流量加以控制和調(diào)節(jié)（如建造水庫），形成發(fā)電所需要的水頭和流量。水電站的型式主要取決于集中水頭的方式，根據(jù)集中水頭的方式的不同： 水電站分為壩后式水電站 圖1-1 引水式水電站 圖1-2 混合式水電站 圖1-36 圖1-1壩后式水電站廠壩橫剖面示意圖78壩

4、后式水電站9圖1-2有壓引水式水電站示意圖1水庫；2閘門室；3進水口；4壩；5泄水道；6調(diào)壓室7有壓隧道；8壓力管道；9廠房；10尾水渠10圖1-3混合式水電站樞紐布置示意圖11項目一 水電站與水輪機 小結(jié)水輪機：是將水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能的動力設(shè) 備，它用來帶動發(fā)電機工作，產(chǎn)生電能。水輪發(fā)電機組：水輪機和發(fā)電機連在一起稱為水 輪發(fā)電機組水電站：將水能轉(zhuǎn)換為電能的企業(yè)水電站形式：壩后式： 圖1-1 引水式: 圖1-2 混合式： 圖1-312項目一水電站與水輪機作業(yè)1.何為水輪機？2.何為水輪發(fā)電機組？3.何為水電站？4.水電站可根據(jù)水頭集中的不同分為哪幾類？5.熟悉白盆珠水電站的類型、主

5、要組成部分。13項目二 水輪機主要類型及適用水頭水輪機按能量轉(zhuǎn)換特征分為兩類：反擊式 沖擊式該圖為反擊式水輪機中的 混流式水輪機該圖為沖擊式水輪機中的 水斗式水輪機14根據(jù)水流進出轉(zhuǎn)輪的方向和轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特征分：反擊式混流式軸流式斜流式貫流式軸流定槳式軸流轉(zhuǎn)槳式?jīng)_擊式水斗式（切擊式）斜擊式雙擊式151.反擊式水輪機反擊式水輪機：利用水流的反作用力推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的水輪機，稱為反擊式水輪機。反擊式水輪機特點：轉(zhuǎn)輪位于水流流經(jīng)的整個通道中，在同一時間內(nèi)，所有轉(zhuǎn)輪葉片的通道都有水流通過。水流流經(jīng)葉片流道時，始終是連續(xù)充滿整個轉(zhuǎn)輪的有壓流動，并在轉(zhuǎn)輪空間曲面形葉片的約束下，連續(xù)不斷地改變流速的大小和方向，從

6、而對轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生一個反作用力，這個反作用力推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。作用：當水流流過水輪機后，其動能和勢能大部分被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)機械能161.混流式水輪機水流從四周沿徑向進入轉(zhuǎn)輪，然后近似以軸向流出轉(zhuǎn)輪?；炝魇剿啓C應(yīng)用水頭范圍較廣，約為20700m，結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定且效率高，是應(yīng)用最廣泛的一種水輪機。圖1-4 混流式水輪機1主軸；2葉片；3導(dǎo)葉172軸流式水輪機水流在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間由徑向流動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動，而在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流保持軸向流動，軸流式水輪機的應(yīng)用水頭約為380m。軸流式水輪機在中低水頭、大流量水電站中得到了廣泛應(yīng)用。圖1-5 軸流式水輪機1導(dǎo)葉；2葉片；3輪轂18軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機

7、軸流式水輪機根據(jù)其轉(zhuǎn)輪葉片在運行中能否轉(zhuǎn)動： 可分為軸流定槳式水輪機 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機軸流定槳式水輪機：轉(zhuǎn)輪葉片是固定不動 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價較低 缺點：但它在偏離設(shè)計工況運行時效率會急劇下降 應(yīng)用：一般用于水頭較低、出力較小以及水頭變化幅度較小 的水電站。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機：轉(zhuǎn)輪葉片可以根據(jù)運行工況的改變而轉(zhuǎn)動， 優(yōu)點：擴大了高效率區(qū)的范圍，提高了運行的穩(wěn)定性。 缺點：這種水輪機需要有一個操作葉片轉(zhuǎn)動的機構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 造價較高 應(yīng)用：一般用于水頭、出力均有較大變化幅度的大中型水電站。193斜流式水輪機水流在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)沿著與主軸成某一角度的方向流動。斜流式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片大多做成可轉(zhuǎn)動的

8、形式。斜流式水輪機具有較寬的高效率區(qū)，適用水頭在軸流式與混流式水輪機之間，約為40200m。圖1-6 斜流式水輪機1蝸殼；2導(dǎo)葉；3轉(zhuǎn)輪葉片；4尾水管203斜流式水輪機的使用 它是在50年代初為了提高軸流式水輪機適用水頭而在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機基礎(chǔ)上改進提出的新機型，其結(jié)構(gòu)形式及性能特征與軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機類似，但由于其傾斜槳葉操作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，加工工藝要求和造價均較高，所以一般只在大中型水電站中使用，目前這種水輪機應(yīng)用還不普遍。214貫流式水輪機貫流式水輪機是一種流道近似為直筒狀的臥軸式水輪機，它不設(shè)引水蝸殼。葉片可做成固定的和可轉(zhuǎn)動的兩種。根據(jù)其發(fā)電機裝置形式的不同： 全貫流式： 半貫流式

9、：軸伸式圖1-8 豎井式圖1-9 燈泡式圖1-10 軸伸式和豎井式結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，但效率較低，一般只用于小型水電站。目前廣泛使用的是燈泡貫流式水輪機，其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、效率較高，其發(fā)電機布置在被水繞流的鋼制燈泡體內(nèi)，水輪機與發(fā)電機可直接聯(lián)接，也可通過增速裝置聯(lián)接。22全貫流式水輪機圖1-7 全貫流式水輪機1轉(zhuǎn)輪葉片；2轉(zhuǎn)輪輪緣；3發(fā)電機轉(zhuǎn)子輪輞；4發(fā)電機定子；5、6支柱；7軸頸；8輪轂；9錐形插入物；10拉緊桿；11導(dǎo)葉；12推力軸承；13導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)特點：全貫流式水輪機的發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接安裝在轉(zhuǎn)輪葉片的外緣優(yōu)點：是流道平直、過流量大、效率高。缺點：但由于轉(zhuǎn)輪葉片外緣的線速度大、周線長，因

10、而旋轉(zhuǎn)密封困難。使用情況：目前這種機型已很少使用。23圖1-8 軸伸貫流式水輪機1轉(zhuǎn)輪；2水輪機主軸；3尾水管；4齒輪轉(zhuǎn)動機構(gòu)；5發(fā)電機24圖1-9 豎井貫流式水輪機25燈泡貫流式水輪機1轉(zhuǎn)輪葉片；2導(dǎo)葉；3發(fā)電機定子；4發(fā)電機轉(zhuǎn)子；5燈泡體26貫流式水輪機貫流式水輪機的適用水頭為125m，適用于低水頭、大流量的水電站。由于其臥軸式布置及流道形式簡單，所以土建工程量少，施工簡便，因而在開發(fā)平原地區(qū)河道和沿海地區(qū)潮汐等水力資源中得到較為廣泛的應(yīng)用。目前我國自行研制的最大的燈泡貫流式水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為5.5m，單機出力為15MW。27該圖為反擊式水輪機中的混流式水輪機該圖為沖擊式水輪機中的水斗式水輪

11、機28二、沖擊式水輪機特點：當水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時，不像反擊式水輪機那樣整個轉(zhuǎn)輪位于水流流經(jīng)的通道中，只有部分轉(zhuǎn)輪葉片充滿水其余部分則處在大氣之中。水流以射流形式?jīng)_擊轉(zhuǎn)輪。 沖擊式水輪機實際上是利用水流的動能推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。而且在同一時間內(nèi)水流只沖擊著部分水斗。所以利用水流沖擊的動能推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的水輪機，稱為沖擊式水輪機。應(yīng)用：反擊式水輪機多用于中、低水頭水電廠，沖擊式水輪機多用于高水頭水電廠。291水斗式水輪機水斗式水輪機，亦稱切擊式水輪機，從噴嘴出來的高速自由射流沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向垂直沖擊輪葉。圖1-11 水斗式水輪機301水斗式水輪機這種水輪機適用于高水頭、小流量的水電站，特別是當水頭超過400

12、m時，由于結(jié)構(gòu)強度和氣蝕等條件的限制，混流式水輪機已不太適用，則常采用水斗式水輪機。大型水斗式水輪機的應(yīng)用水頭約為3001700m，小型水斗式水輪機的應(yīng)用水頭約為40250m。目前水斗式水輪機的最高水頭已用到1767m（奧地利萊塞克電站），我國天湖水電站的水斗式水輪機設(shè)計水頭為1022.4m。312斜擊式水輪機從噴嘴出來的自由射流沿著與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面成一角度的方向，從轉(zhuǎn)輪的一側(cè)進入輪葉再從另一側(cè)流出輪葉。與水斗式相比，其過流量較大，但效率較低，因此這種水輪機一般多用于中小型水電站，適用水頭一般為20300m。圖1-12 斜擊式轉(zhuǎn)輪（a）轉(zhuǎn)輪；(b)斜擊式轉(zhuǎn)輪進水示意圖1管帽；2針閥；3輪葉；32

13、3雙擊式水輪機從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊在轉(zhuǎn)輪葉片上。優(yōu)點：這種水輪機結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，缺點：但效率低、轉(zhuǎn)輪葉片強度差，應(yīng)用：僅適用于單機出力不超過1000kW的小型水電站，其適用水頭一般為5100m。33圖1-13 帶有閘板閥門的雙擊式水輪機1工作輪；2噴嘴；3調(diào)節(jié)閘板；4舵輪；5引水管；6尾水槽34表1-1 水輪機類型及應(yīng)用水頭范圍類 型型 式 適應(yīng)水頭范圍（m） 反 擊 式 混流式混 流 式20700混流可逆式80600軸流式軸流轉(zhuǎn)槳式380軸流定槳式350斜流式斜 流 式40200斜流可逆式40120貫流式貫流轉(zhuǎn)槳式125貫流定槳式 沖 擊 式 水斗式401700斜擊式20300雙

14、擊式510035361.混流式水輪機圖1-4混流式水輪機水流從四周沿徑向進入轉(zhuǎn)輪，然后近似以軸向進出轉(zhuǎn)輪應(yīng)用水頭范圍很廣，20-700米，結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定且效率高，是應(yīng)用最廣泛的一種水輪機37混流、軸流、斜流、貫流式機組示意圖3839項目2作業(yè)6.水輪機分類方法及可分幾大類？每個大類又包括哪幾種機型？7.各類型水輪機選用條件分別是什么？各有什么特點（布置方式、流量特點、水頭高低）？8. 反擊式水輪機水流特點？9.沖擊式水輪機水流特點？40項目三水輪機的工作參數(shù)水輪機的工作參數(shù)是表征水流通過水輪機時水流能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪機械能過程中的一些特征的數(shù)據(jù)基本工作參數(shù)主要有： 水頭 H 流量 Q 轉(zhuǎn)速 n

15、 出力 P 效率41一、水頭H水輪機的水頭（亦稱工作水頭）：是指水輪機進口和出口截面處單位重量的水流能量差，單位為m。對反擊式水輪機，進口斷面取在蝸殼進口處-斷面，出口取在尾水管出口-斷面。列出水輪機進、出口斷面的能量方程，如圖1-14所示，根據(jù)水輪機工作水頭的定義可寫出其基本表達式：42圖1-14 水電站和水輪機的水頭示意圖43式中 單位重量水體的能量，m； 相對某一基準的位置高度，m； 相對壓力，N/m2或Pa； 斷面平均流速，m/s； 斷面動能不均勻系數(shù)； 水的重度，其值為9810N/m3； 重力加速度，9.81 m/s2。根據(jù)水輪機工作水頭的定義可寫出其基本表達式：44式（1-1）中，

16、 稱為某截面的水流單位動能， 即比動能（m）； 稱為某截面的水流單位壓力勢能， 即比壓能（m）； 稱為某截面的水流單位位置勢能， 即比位能（m）。、 與 的三項之和為某水流截面水的總比能。45 水輪機水頭 又稱凈水頭，是水輪機做功的有效水頭。 上游水庫的水流經(jīng)過進水口攔污柵、閘門和壓力水管進入水輪機，水流通過水輪機做功后，由尾水管排至下游，在這一過程中，產(chǎn)生水頭損失 。上、下游水位差值稱為水電站的毛水頭 ，其單位為m。因而，水輪機的工作水頭又可表示為： 式中 水電站毛水頭，m； 水電站引水建筑物中的水力損失，m。（1-2）46因而，水輪機的工作水頭 又可表示為： （1-2） 式中 水電站毛水頭

17、，m； 水電站引水建筑物中的水力損失，m。從式（1-2）可知，水輪機的水頭隨著水電站的上下水位的變化而改變，常用幾個特征水頭表示水輪機水頭的范圍。特征水頭包括最大水頭、最小水頭、加權(quán)平均水頭、設(shè)計水頭等，這些特征水頭由水能計算給出。47（1）最大水頭Hmax：是允許水輪機運行的最大凈水頭。它對水輪機結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計有決性的影響。（2）最小水頭Hmin：是保證水輪機安全、穩(wěn)定運行的最小凈水頭。（3）加權(quán)平均水頭Hav：是在一定期間內(nèi)（視水庫調(diào)節(jié)性能而定），所有可能出現(xiàn)的水輪機水頭的加權(quán)平均值，是水輪機在其附近運行時間最長的凈水頭。（4）設(shè)計水頭Hr：是水輪機發(fā)出額定出力時所需要的最小凈水頭。特征水

18、頭48水輪機的流量：是水流在單位時間內(nèi)通過水 輪機的體積，通常用Q表示， 其單位立方米/秒為m3/s，水輪機的引用流量：主要隨著水輪機的工作水 頭和出力的變化而變化。水輪機的設(shè)計流量：在設(shè)計水頭下,水輪機以 額定轉(zhuǎn)速、額定出力運行時所 對應(yīng)的水流量稱為設(shè)計流量。二、流量Q49 對于大中型水輪發(fā)電機組，水輪機與發(fā)電機是同軸運行的，所以它們的轉(zhuǎn)速相同，并需要滿足同步轉(zhuǎn)速的要求。即 其中：f-電流頻率，我國電網(wǎng)f=50Hz p-發(fā)電機的磁極對數(shù)。則：磁極對數(shù)p 3 4 5 6 7 8 9 .同步轉(zhuǎn)速n 1000 750 600 500 428.6 375 333.3 .(r/min)三、轉(zhuǎn)速n50四

19、、出力P與效率水輪機出力:是水輪機軸端輸出的功率，常用符號P表示，常用單位kW。水流的出力:水輪機的輸入功率為單位時間內(nèi)通過水輪機的水流的總能量，即水流的出力，常用符號Pn表示， (KW) （1-3）由于水流通過水輪機時存在一定的能量損耗，所以水輪機出力總是小于水流出力。水輪機出力與水流出力之比稱為水輪機的效率，用符號 表示。 （1-4）由于水輪機在工作過程中存在能量損耗，故水輪機的效率1。51水輪機的輸出功率N與輸入功率NW比值稱為效率，用 表示。水力效率: 容積效率:機械效率：水輪機效率還可表示為：水輪機出力還可以用水輪機主軸轉(zhuǎn)動力矩與角速度的乘積來表示，即：四、出力P與效率52四、出力P

20、與效率1.水輪機的出力P是水輪機軸端輸出的功率 常用符號P表示 單位為千瓦 KW 是指水流在單位時間內(nèi)所做的功（功率） 其大小與水輪機的水頭，流量有關(guān)。 計算公式如（1-3）： PN=rQH9.81QH(KW)53水輪機的輸出功率與輸入功率比值稱為效率，用 表示。水力效率: 容積效率:機械效率：水輪機效率還可表示為：水輪機出力還可以用水輪機主軸轉(zhuǎn)動力矩與角速度的乘積來表示，即：四、出力P與效率54水輪機基本參數(shù) 工作水頭H是指水輪機進、出口斷面處單位重量水體的能量差，單位是米（m），典型工作水頭有以下： 最大水頭（Hmax）：水輪機運行范圍內(nèi)允許出現(xiàn)的最大凈水頭。 最小水頭（Hmin）：水輪機

21、運行范圍內(nèi)允許出現(xiàn)的最小凈水頭。 設(shè)計水頭（H設(shè)）：水輪發(fā)電機組發(fā)出額定功率時的最小水頭。 流量Q是指單位時間內(nèi)，通過水輪機某一既定過流斷面的水量，單位是立方米/秒。 出力N是指水流在單位時間內(nèi)所做的功（功率），其大小與水輪機的水頭，流量有關(guān)，單位為千瓦。計算公式如下： N=9.81QHn55水輪機基本參數(shù) 效率是指水輪機總效率，是水輪機輸入功率與輸出功率之比，其值總是小于1，因為水輪機在工作過程中不可避免地要產(chǎn)生一些能量損失，主要包括： 水力損失：即水流經(jīng)過蝸殼、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、尾水管的水頭損失。 機械損失：即水輪機轉(zhuǎn)動部分的摩擦損失。如轉(zhuǎn)輪與水流之間、軸與軸承之間，止漏裝置之間的摩擦損失。

22、 容積損失：轉(zhuǎn)輪與固定部件因漏水而造成的損失。 現(xiàn)代大型水輪機效率可達9395。我廠水輪機最高效率為94.4。 轉(zhuǎn)速是指水輪機轉(zhuǎn)輪在單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)周數(shù)，以n 表示，單位為轉(zhuǎn)/分。5657項目四 水輪機的型號水輪機的型號就是水輪機的姓名，其目的是為了統(tǒng)一產(chǎn)品規(guī)格，提高產(chǎn)品質(zhì)量，便于選擇使用。表明水輪機性能有兩個主要參數(shù)： 轉(zhuǎn)輪直徑D1和水輪機的比轉(zhuǎn)速ns，所以在水輪機型號上不僅要表明是什么類型的水輪機，而且要表示它的轉(zhuǎn)輪直徑和比轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)輪直徑D1規(guī)定圖1-155859水輪機的型號根據(jù)我國水輪機型號編制規(guī)定，水輪機型號由三部分組成。第一部分代表水輪機的型式和轉(zhuǎn)輪型號。（見表1-2） 常見有：混流式，用HL