第一章-水轮机的类型构造及工作原理PPT

1、四川农业大学水建系四川农业大学水建系1第一章第一章 水轮机的类型、构造及工作原理水轮机的类型、构造及工作原理n第一节第一节 水轮机主要类型水轮机主要类型n第二节第二节 水轮机工作参数水轮机工作参数n第三节第三节 水轮机的基本构造水轮机的基本构造n第四节第四节 水轮机型号水轮机型号n第五节第五节 水流在反击式水轮机转轮中的运动水流在反击式水轮机转轮中的运动n第六节第六节 水轮机的基本方程式水轮机的基本方程式n第七节第七节 水轮机效率及最优工况水轮机效率及最优工况四川农业大学水建系四川农业大学水建系2123水轮发电机组的基本概念水轮发电机组的基本概念水轮机的主要类型水轮机的主要类型水轮机的工作参数

2、水轮机的工作参数本节课教学内容及教学要求掌握水轮发电机组的基本概念。掌握水轮发电机组的基本概念。掌握各水轮机的基本类型、特点及适用范围；掌握各水轮机的基本类型、特点及适用范围；理解反击式、冲击式水轮机的划分原则。理解反击式、冲击式水轮机的划分原则。理解水轮机五个主要工作参数：水头、流量、理解水轮机五个主要工作参数：水头、流量、转速、出力与效率的定义、表达式及其意义。转速、出力与效率的定义、表达式及其意义。四川农业大学水建系四川农业大学水建系3水力发电的基本原理水力发电的基本原理1、水力发电水力发电：利用天然水资源中的水能，输入水轮机，让它带动利用天然水资源中的水能，输入水轮机，让它带动发电机发

3、电，这种发电方式就称为水力发电。发电机发电，这种发电方式就称为水力发电。2、水力发电的转换原理水力发电的转换原理在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定的流量将在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定的流量将“载载能水能水”输送到水轮机中，使输送到水轮机中，使水能水能旋转机械能旋转机械能带动发电机组发电带动发电机组发电输电线路输电线路用户用户。天 然 水 流可 用 水 能旋 转 机 械 能电 能水 工 建 筑和 设 备水 轮 机水 轮 发 电 机四川农业大学水建系四川农业大学水建系4天然水能天然水能可利用水能可利用水能旋转机械能旋转机械能电能电能建筑物和设备建筑物和设备水轮机水

4、轮机发电机发电机四川农业大学水建系四川农业大学水建系5水能水能四川农业大学水建系四川农业大学水建系6 河段水流的出力河段水流的出力 从这个式子可以看出：从这个式子可以看出： 水头和流量是构成水能的两个基本要素，它们是水水头和流量是构成水能的两个基本要素，它们是水电站动力特性的重要特征。电站动力特性的重要特征。21211trQHtrwHEN四川农业大学水建系四川农业大学水建系7水轮发电机组 水轮机是将水轮机是将水能转变水能转变为旋转机械能为旋转机械能，从而带，从而带动发电机发出电能的一动发电机发出电能的一种机械。种机械。 水轮机与发电机联接水轮机与发电机联接成的整体称为成的整体称为水轮发电水轮发

5、电机组机组。 水轮发电机组水轮发电机组四川农业大学水建系四川农业大学水建系8第一节第一节 水轮机主要类型水轮机主要类型一、水轮机定义一、水轮机定义 水轮机是将水能转换成轴的旋转机械能的水力机械。能量转换水轮机是将水能转换成轴的旋转机械能的水力机械。能量转换是借助转轮叶片与水流的相互作用来实现。是借助转轮叶片与水流的相互作用来实现。二、分类二、分类按水流能量的转换特征分为按水流能量的转换特征分为反击式和冲击式水轮机反击式和冲击式水轮机。1 1）反击式水轮机：利用水流的）反击式水轮机：利用水流的势能和动能势能和动能做功的水轮机。做功的水轮机。 反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴方向的不同分为混流式

6、、反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴方向的不同分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。轴流式、斜流式和贯流式。2 2、冲击式水轮机：主要利用水流的、冲击式水轮机：主要利用水流的动能动能做功的水轮机。做功的水轮机。 冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式和双击式。和双击式。四川农业大学水建系四川农业大学水建系9 一、一、反击式水轮机反击式水轮机 (reaction water turbine) 定义：利用水流的定义：利用水流的势能和动能势能和动能做功的水轮机称为做功的水轮机称为 反击式水轮机。反击式水轮机。特征：转轮的叶片为空间扭

7、曲面。流过转轮的水特征：转轮的叶片为空间扭曲面。流过转轮的水 流是连续的，而且在同一时间内，所有转流是连续的，而且在同一时间内，所有转 轮叶片之间的流道都有水流通过，积水流轮叶片之间的流道都有水流通过，积水流 充满转轮室。充满转轮室。原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、 方向均发生变化，因此动量也发生了改方向均发生变化，因此动量也发生了改 变，水流产生反作用力，作用与每个转轮变，水流产生反作用力，作用与每个转轮 叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。四川农业大学水建系四川农业大学水建系10水流在反击式水轮机转轮中

8、的运动水流在反击式水轮机转轮中的运动四川农业大学水建系四川农业大学水建系11混流式水轮机混流式水轮机在转轮区内水流径向流入转轮，轴向流出在转轮区内水流径向流入转轮，轴向流出。视频1四川农业大学水建系四川农业大学水建系12u适用范围：适用范围：H=20-700 m , 单机容量：几万单机容量：几万kW-几十万几十万kWu优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用于高优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用于高水头小流量电站。水头小流量电站。 （能适应很宽的水头范围。是目前应用最广泛的水轮机之一）（能适应很宽的水头范围。是目前应用最广泛的水轮机之一）混流式水轮机混流式水轮机四川农

9、业大学水建系四川农业大学水建系13水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动。动，而在转轮区内水流保持轴向流动。视频2轴流式水轮机轴流式水轮机四川农业大学水建系四川农业大学水建系141)定桨式：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。定桨式：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。 u特点：结构简单，效率低。适用特点：结构简单，效率低。适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定）。变化不大的情况（工况较稳定）。u适用范围：功率不大，水头变化不大适用范围：功率不大，水头变化不大(水头为水头为3-5

10、0米米)的小型电站。的小型电站。2）转桨式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度）转桨式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度）u适用范围：水头、流量变化大，特别是出力变化较大的大中型电站。适用范围：水头、流量变化大，特别是出力变化较大的大中型电站。 水头为水头为3-80米米轴流式水轮机轴流式水轮机四川农业大学水建系四川农业大学水建系15转轮区水流斜向流入，斜向流出。转轮区水流斜向流入，斜向流出。视频3斜流式水轮机斜流式水轮机四川农业大学水建系四川农业大学水建系16 斜流式水轮机斜流式水轮机适用范围：适用于水头变幅大的电站，一般用于适用范围：适用于水

11、头变幅大的电站，一般用于40-200m水头范围水头范围特点：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，特点：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动， 运行效率高，强度高，气蚀性好，但制造工艺复杂运行效率高，强度高，气蚀性好，但制造工艺复杂 技术要求高。技术要求高。四川农业大学水建系四川农业大学水建系17水头4080m 60130m 120200m四川农业大学水建系四川农业大学水建系18水流特点：水流特点：转轮区水流轴向流入，轴向流出；转轮区水流轴向流入，轴向流出；结构特点：结构特点：水轮机主轴装置成水平或倾斜（卧式布置）；水轮机主轴装置成水平或倾斜（卧式布置）； 不设蜗壳，水

12、流直贯转轮；不设蜗壳，水流直贯转轮；贯流式水轮机贯流式水轮机四川农业大学水建系四川农业大学水建系19 贯流式贯流式特点：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。特点：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。 不设蜗壳，水流直贯转轮。不设蜗壳，水流直贯转轮。 水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。 H20m, H20m,小型河床电站。小型河床电站。分类分类: :全贯流式：全贯流式： 发电机转子安装在转轮外缘。发电机转子安装在转轮外缘。 优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。半贯流式：半贯流式： 轴伸式、竖井式、灯泡式。轴伸式、竖井式、灯泡式

13、。四川农业大学水建系四川农业大学水建系20四川农业大学水建系四川农业大学水建系21四川农业大学水建系四川农业大学水建系22四川农业大学水建系四川农业大学水建系23 冲击式水轮机冲击式水轮机 定义：利用水流的动能来做功的水轮机。定义：利用水流的动能来做功的水轮机。 工作原理：利用特殊的导水装置，将高压水流变为工作原理：利用特殊的导水装置，将高压水流变为 高速射流，通过射流与转轮的相互作用高速射流，通过射流与转轮的相互作用 将水流的动能传递给转轮。将水流的动能传递给转轮。四川农业大学水建系四川农业大学水建系24水斗式：水斗式：喷嘴出来的射流沿喷嘴出来的射流沿圆周切线圆周切线方向冲击转轮上的水方向冲

14、击转轮上的水斗作功。斗作功。视频视频4 4斜击式：斜击式：喷嘴出来的射流沿喷嘴出来的射流沿圆周斜向圆周斜向冲击转轮上的水斗。冲击转轮上的水斗。双击式：双击式：水流两次冲击转轮。水流两次冲击转轮。冲击式水轮机冲击式水轮机四川农业大学水建系四川农业大学水建系25类型：类型：(1)(1)水斗式水斗式：特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线：特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。适用于负荷变化大而方向冲击转轮上的水斗作功。适用于负荷变化大而水头变幅不大的电站。水头变幅不大的电站。它是唯一运用于水头在它是唯一运用于水头在700700米以上的水轮机。适用米以上的水轮机。适用H H：10020

15、00m1002000m；使用最广泛（高水头，小流量）；使用最广泛（高水头，小流量）(2)(2)斜击式斜击式：H H：25-300m25-300m 斜击、双击水轮机构造简斜击、双击水轮机构造简单，效率低单，效率低(3)(3)双击式双击式：H H：5-80m5-80m。 多用于小型电站。多用于小型电站。冲击式水轮机冲击式水轮机四川农业大学水建系四川农业大学水建系26四川农业大学水建系四川农业大学水建系27 水斗式水轮机转轮轮叶轮叶轮盘轮盘四川农业大学水建系四川农业大学水建系28四川农业大学水建系四川农业大学水建系29四川农业大学水建系四川农业大学水建系30可逆式水轮机可逆式水轮机 可逆式水轮机：又

16、称水泵水轮机、发电电动机。它既可可逆式水轮机：又称水泵水轮机、发电电动机。它既可作水轮机运行，又可作水泵运行，主要用于作水轮机运行，又可作水泵运行，主要用于抽水蓄能电抽水蓄能电站站。可逆式水轮机也分为混流式、斜流式和轴流式。可逆式水轮机也分为混流式、斜流式和轴流式3种。其中以混流式应用最广种。其中以混流式应用最广,因为它的应用水头范围广因为它的应用水头范围广（30600米）。米）。 世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊纳巴什塔电站纳巴什塔电站,水头为水头为600.3米，水泵扬程为米，水泵扬程为623.1米，米，单机功率为单机功率为31

17、5兆瓦。兆瓦。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系31总结：水轮机的分类水轮机冲击式反击式混流式轴流式斜流式贯流式水斗式双击式斜击式轴流定浆式轴流转浆式全贯流式半贯流式灯泡式轴伸式竖井式水轮机冲击式反击式混流式轴流式斜流式贯流式水斗式双击式斜击式轴流定浆式轴流转浆式全贯流式半贯流式灯泡式轴伸式竖井式利用水流的势能和动能进行工作；利用水流的势能和动能进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。转轮完全淹没在密闭的水体中。 利用水流的动能进行工作；利用水流的动能进行工作；转轮露在空气中。转轮露在空气中。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系32小结小结四川农业大学水建系四川农业大学水建系33第二节第二

18、节 水轮机的工作参数水轮机的工作参数1 1、水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量、水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机时水流能量转换为转轮机械能过程中的一些特性数据。转换为转轮机械能过程中的一些特性数据。2 2、水轮机的基本工作参数主要有水头、流量、转速、出、水轮机的基本工作参数主要有水头、流量、转速、出力、效率。力、效率。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系34工作水头工作水头(working head)1、 水电站的毛水头水电站的毛水头(静水头静水头) Hg=Z上-Z下2 、水轮机的工作水头水轮机的工作水头(净水头净水头) H=Hg - hA-B (即毛水头 - 水头损失=净水

19、头) hA-B：水电站引水建筑物中的水力损失3 、特征水头特征水头(characteristic head) 水轮机的工作水头随上下游水位而变化，因此提出特征水头的概念，用于表示水轮机的运行工况和运行范围。四川农业大学水建系四川农业大学水建系35工作水头（净水头）工作水头（净水头） 如图所示，A-A为引水道进口，B-B为水轮机进口，C-C为尾水管出口，D-D为尾水渠。四川农业大学水建系四川农业大学水建系36u 最大工作水头Hmax： Hmax=Z正Z下minhA-BZ正为上游正常设计水位，Z下min为下游最低水位，一般取一台机组发电时下游水位。u最小工作水头Hmin: Hmin=Z死Z下max

20、hA-B Z死为上游死水位，Z下max为下游最高水位，一般取全部机组发电时的下游水位或汛期下泄安全泄量时的水位。u设计水头(计算水头)Hr水轮机发额定出力时的最小水头，一般由设计者根据电站情况确定。u平均水头: Ha=Z上aZ下a 即上下游平均水位差。四川农业大学水建系四川农业大学水建系37 流量流量单位时间内通过水轮机的水量Q(m3/s)。Q=f(H，N)，Q随H、N的变化而变化，H、N一定时，Q也一定。设计流量设计流量Qr：当H=Hr、N=N额时的最大流量。 转速转速转速：转速：水轮机转轮在单位时间内的旋转次数。r/min额定转速额定转速n：一般我国所用的电流频率为50赫兹，所以在正常情况

21、下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并与发电的同步转速相等。 u发电机的同步转速=水轮机的额定转速=机组的额定转速四川农业大学水建系四川农业大学水建系38出力出力1、水流出力水流出力N N=9.81QHg2、水轮机输入功率水轮机输入功率 (通过水轮机的水流出力通过水轮机的水流出力) 水流传给水轮机的能量3、水轮机输出功率（水轮机出力）水轮机输出功率（水轮机出力） N=Nwt4、机组出力机组出力(单机容量单机容量) 机组的最大出力5、水电站装机容量水电站装机容量 水电站发出的最大出力,是各台机组容量的总和QHN81. 9ggtQHQHNw81. 9四川农业大学水建系四川农业大学水建系

22、39思 考 题2 2、水轮机的过流部件有哪些？、水轮机的过流部件有哪些？观看观看视频视频并思考以下问题：并思考以下问题：1 1、水电厂电能生产流程图？、水电厂电能生产流程图？3 3、水轮机的输出功率与水头、水轮机的输出功率与水头H H、流量、流量Q Q有关，有关，那么混流式水轮机如何调节流量？那么混流式水轮机如何调节流量？QHNNw81. 9四川农业大学水建系四川农业大学水建系40天然水流天然水流坝坝水库水库取水口取水口有压隧洞有压隧洞压力钢管压力钢管水轮水轮机机发电机发电机输变电装置输变电装置用户。用户。水电厂电能生产流程图水电厂电能生产流程图四川农业大学水建系四川农业大学水建系41有压引水

23、式水电站示意图有压引水式水电站示意图1 水库；水库；2闸门室；闸门室；3进水口；进水口；4坝；坝；5泄水道；泄水道；6调压室；调压室；7有压隧道；有压隧道；8压力管道；压力管道；9厂房；厂房；10尾水渠尾水渠四川农业大学水建系四川农业大学水建系42水轮机主要由水轮机主要由引水机构、导水机构、转轮和泄水机构引水机构、导水机构、转轮和泄水机构组成。组成。 (1) 引水机构（引水机构（引水室引水室(蜗壳蜗壳) 、座环）、座环）： 引导水流均匀、引导水流均匀、轴对称进入导水机构；轴对称进入导水机构； 形成一定速度环量。形成一定速度环量。 (2) 导水机构（导叶及控制设备导水机构（导叶及控制设备)：调节

24、流量、形成环量、控调节流量、形成环量、控制工况。制工况。 (3) 转轮（工作核心转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。结构。 (4) 泄水机构泄水机构(尾水管尾水管)：回收能量、排水至下游。回收能量、排水至下游。 此外还有主轴、轴承等非过流部件。此外还有主轴、轴承等非过流部件。第三节第三节 水轮机的基本构造水轮机的基本构造四川农业大学水建系四川农业大学水建系43反击式水轮机的主要构造四川农业大学水建系四川农业大学水建系44上游水库上游水库 压力水管压力水管 蜗壳蜗壳 座环座环 导导水机构（导叶）水机构（导叶） 转轮转轮 尾水管尾水管 下游。

25、下游。水流流动方向四川农业大学水建系四川农业大学水建系45四川农业大学水建系四川农业大学水建系46三门峡水电站水轮机蜗壳三门峡水电站水轮机蜗壳蜗蜗 壳壳 (Volute)四川农业大学水建系四川农业大学水建系47( (一一) ) 功用功用 使水流产生圆周运动，并引导水流均匀、轴对称使水流产生圆周运动，并引导水流均匀、轴对称地进入座环。设置在尾水管末端。地进入座环。设置在尾水管末端。蜗蜗 壳壳 (Volute)四川农业大学水建系四川农业大学水建系48( (二二) ) 型式型式 金属蜗壳金属蜗壳和和混凝土蜗壳。混凝土蜗壳。蜗蜗 壳壳 (Volute)四川农业大学水建系四川农业大学水建系49三峡右岸电

26、站三峡右岸电站1212根直径根直径12.812.8米的特大型压力引米的特大型压力引水钢管，和大坝下方的发电厂房水钢管，和大坝下方的发电厂房1212台水轮发电台水轮发电机组。机组。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系50三峡电站的一台机组蜗壳，由高强度钢板卷制焊三峡电站的一台机组蜗壳，由高强度钢板卷制焊接而成，与大坝引水管相连，蜗壳中间是座环及接而成，与大坝引水管相连，蜗壳中间是座环及固定导叶。固定导叶。四川农业大学水建系四川农业大学水建系51焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系52组成：位于导叶的外围组成：位于

27、导叶的外围。由上、下环和立柱组成。由上、下环和立柱组成。 功用：功用：支撑件和安装基准件。支撑件和安装基准件。 承受发电机组轴向荷载承受发电机组轴向荷载并传到下部基础；并传到下部基础； 支承活动导叶；支承活动导叶；使水流以一定方使水流以一定方向、轴对称进入导水机构向、轴对称进入导水机构断面设计：断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。的一半。 座环（座环（Stay ring）四川农业大学水建系四川农业大学水建系53座环（座环（Stay ring）四川农业大学水建系四川农业大学水建系54固定导叶与活动导叶固定导叶与活动导叶四川农业大学水建系四

28、川农业大学水建系55三峡水轮机座环，重达三峡水轮机座环，重达300300多吨，竖立的是座环固定导叶，多吨，竖立的是座环固定导叶，内侧安装活动导叶，座环中间安装水轮机转轮。内侧安装活动导叶，座环中间安装水轮机转轮。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系56蜗壳分节座环蝶形边四川农业大学水建系四川农业大学水建系57功用功用： 引导水流按一定方向进入转轮引导水流按一定方向进入转轮； 形成与改变进入转轮的速度环量；形成与改变进入转轮的速度环量； 根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力； 关机时截断水流。关机时截断水流。导水机构（导水机构（distribut

29、or ） 四川农业大学水建系四川农业大学水建系58组成组成：导叶和传动机构导叶和传动机构。 导叶导叶：导水机构的主体，：导水机构的主体，由由导叶体和导叶轴导叶体和导叶轴两部分组成。两部分组成。上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。 传动机构传动机构：由由控制环、连杆、转臂控制环、连杆、转臂三部分组成，用于传递三部分组成，用于传递接力器操作力矩，使导叶转动，接力器操作力矩，使导叶转动，改变导叶开度以改变流量。改变导叶开度以改变流量。 导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。导水机构（导水机构（distributor ）

30、 四川农业大学水建系四川农业大学水建系59导水机构（导水机构（distributor ） 四川农业大学水建系四川农业大学水建系60接力器示意图接力器示意图视频06n接力器用于操作控制环的转动。接力器用于操作控制环的转动。n接力器的基本部件接力器的基本部件: :接力器缸和活塞。接力器缸和活塞。四川农业大学水建系四川农业大学水建系61（1）导叶数）导叶数Z0：与：与D1有关，一般有关，一般1624。（2）导叶相对高度）导叶相对高度b0/D1： HL：0.10.39; ZL:0.350.45（3）导叶轴分布圆直径）导叶轴分布圆直径D0 一般一般 D0=1.131.16D1 (4) 导叶开度导叶开度a

31、0：两导叶之间的垂直距离，最大：两导叶之间的垂直距离，最大 开度为开度为amax。导叶的主要几何参数导叶的主要几何参数四川农业大学水建系四川农业大学水建系62四川农业大学水建系四川农业大学水建系63功用功用：水能：水能机械能。机械能。组成组成：主要部件：上冠、叶片、下环、泄水锥。：主要部件：上冠、叶片、下环、泄水锥。 辅助部件：止漏环、减压孔。辅助部件：止漏环、减压孔。转轮（转轮（Runner）四川农业大学水建系四川农业大学水建系64混流式 轴流式 转轮（转轮（Runner）四川农业大学水建系四川农业大学水建系65装于湖北宜昌葛洲坝水利枢纽、世界最大尺寸的轴流转桨装于湖北宜昌葛洲坝水利枢纽、世

32、界最大尺寸的轴流转桨式水轮机转轮（直径式水轮机转轮（直径11.3m11.3m，17.5517.55万万kW)kW)。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系66斜流式斜流式 四川农业大学水建系四川农业大学水建系67装于云南会泽毛家村水电站、中国最大容量的斜流式水装于云南会泽毛家村水电站、中国最大容量的斜流式水轮机（轮机（0.880.88万万kWkW）模型试验转轮。）模型试验转轮。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系68三峡右岸三峡右岸7070万千瓦水轮机转轮。该转轮由上冠、下环和万千瓦水轮机转轮。该转轮由上冠、下环和1515块块叶片组焊而成。其外径叶片组焊而成。其外径10.4410.44米，高

33、米，高5.25.2米，总重量米，总重量445445吨吨 。四川农业大学水建系四川农业大学水建系69 转轮叶片数控加工转轮叶片数控加工四川农业大学水建系四川农业大学水建系70加工的叶片需要用激光跟踪仪精确测量曲面数据。加工的叶片需要用激光跟踪仪精确测量曲面数据。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系71转轮叶片为防止变形，需要十几个工人同转轮叶片为防止变形，需要十几个工人同时焊接，焊接耗时时焊接，焊接耗时3 3个多月。个多月。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系72转轮发运至三峡工地转轮发运至三峡工地 四川农业大学水建系四川农业大学水建系73功用功用 引导水流进入下游河道，并回收部分动能和引导

34、水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。势能。 尾水管尾水管 （draft tube）四川农业大学水建系四川农业大学水建系74型式：型式： 直锥形直锥形用于小型水轮机；用于小型水轮机； 弯锥形弯锥形用于卧轴水轮机；用于卧轴水轮机； 弯肘形弯肘形（大中型电站）。（大中型电站）。 直锥形直锥形弯锥形弯锥形尾水管尾水管 （draft tube）四川农业大学水建系四川农业大学水建系75 组成组成：进口直锥段、肘管、出口扩散段。进口直锥段、肘管、出口扩散段。尾水管尾水管 （draft tube）四川农业大学水建系四川农业大学水建系76尾水管内的真空涡带尾水管内的真空涡带四川农业大学水建系四川农业大学水建

35、系77龙滩水电站尾水管施工龙滩水电站尾水管施工四川农业大学水建系四川农业大学水建系78本本 节节 小小 结结1 1、引水机构：、引水机构：蜗壳（金属、混凝土蜗壳）蜗壳（金属、混凝土蜗壳） 引导水流均匀、轴对称进入导水机构；形成一定速度环量。引导水流均匀、轴对称进入导水机构；形成一定速度环量。 座环座环 组成：由上、下环和立柱组成；组成：由上、下环和立柱组成； 作用：承受发电机组轴向荷载并传给基础；作用：承受发电机组轴向荷载并传给基础； 支承活动导叶。支承活动导叶。2 2、导水机构、导水机构 组成：导叶及其轴、导叶的控制机构（调速器、接力器、转臂、组成：导叶及其轴、导叶的控制机构（调速器、接力器

36、、转臂、连杆、控制环连杆、控制环) ) ； 功用：调节流量；形成环量；关机时截断水流。功用：调节流量；形成环量；关机时截断水流。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系79本本 节节 小小 结结3 3、转轮（工作核心）、转轮（工作核心） 作用：作用：能量转换。能量转换。4 4、泄水机构（弯肘型尾水管）、泄水机构（弯肘型尾水管） 组成组成：进口直锥段、肘管、出口扩散段。进口直锥段、肘管、出口扩散段。 作用：作用：回收能量；排水至下游。回收能量；排水至下游。5 5、主轴、主轴 作用：作用：将转轮机械能传递给发电机。将转轮机械能传递给发电机。四川农业大学水建系四川农业大学水建系80案 例四川农业大学水

37、建系四川农业大学水建系81Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系82Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系83Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系84Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学

38、水建系85Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系86Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系87Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系88Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系89Com

39、plete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系90Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系91Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT开度开度四川农业大学水建系四川农业大学水建系92Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系93Complet

40、e Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系94Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系95Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系96Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系97Complete Franci

41、s Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系98Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系99Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系100Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系101Complete Francis Turb

42、ine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系102Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系103Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系104Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系105Complete Francis Turbine

43、Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系106Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系107Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系108Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系109Complete Francis Turbine Flow

44、 Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系110Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT四川农业大学水建系四川农业大学水建系111Complete Francis Turbine Flow Simulation using FLUENT水力机械计算流体动力学水力机械计算流体动力学 四川农业大学水建系四川农业大学水建系112轴流式水轮机的构造轴流式水轮机的构造轴流式水轮机除了转轮外，其它部件均与混流式相似。轴流式水轮机除了转轮外，其它部件均与混流式相似。四川农业大学水建系四川农业大学水建系

45、113四川农业大学水建系四川农业大学水建系114轴流式水轮机特点轴流式水轮机特点( (1)1)转速高，当转速高，当H H，N N相同时，是混流式的相同时，是混流式的2 2倍，且机组尺倍，且机组尺寸较小，降低投资。寸较小，降低投资。(2)(2)转轮叶片可以转动（双调），转轮叶片可以转动（双调），H H、N N变化时，水轮机具变化时，水轮机具有较高的效率。有较高的效率。( (3)3)轴流转浆式多用于轴流转浆式多用于低水头大流量低水头大流量大型电站大型电站四川农业大学水建系四川农业大学水建系115 组成：叶片、轮毂、泄水锥、转动机构组成：叶片、轮毂、泄水锥、转动机构 转轮构造转轮构造四川农业大学水建

46、系四川农业大学水建系116第四节第四节 水轮机的型号水轮机的型号 各种水轮机的标称直径规定：各种水轮机的标称直径规定：混流式（混流式（HLHL）：下环与叶片进水边的交点对应的直径。）：下环与叶片进水边的交点对应的直径。斜流和轴流式：叶片轴线与转轮室交点处圆断面的直径。斜流和轴流式：叶片轴线与转轮室交点处圆断面的直径。冲击式：转轮与射流中心线相切的节圆直径。冲击式：转轮与射流中心线相切的节圆直径。四川农业大学水建系四川农业大学水建系1172 2、水轮机的型号、水轮机的型号四川农业大学水建系四川农业大学水建系118如为可逆式机组则在第一部分水轮机型式代号后面加如为可逆式机组则在第一部分水轮机型式代

47、号后面加N四川农业大学水建系四川农业大学水建系119n水轮机型号示例：水轮机型号示例：n1 1HL220-LJ-250HL220-LJ-250 表示转轮型号为表示转轮型号为220220的混流式水轮机，立轴、金属蜗壳，转轮直径为的混流式水轮机，立轴、金属蜗壳，转轮直径为250cm250cm。n2 2ZZ560-LH-500ZZ560-LH-500 表示转轮型号为表示转轮型号为560560的轴流转桨式水轮机，立轴、混凝土蜗壳，转轮直径为的轴流转桨式水轮机，立轴、混凝土蜗壳，转轮直径为500cm500cm。n3 3GD600-WP-300GD600-WP-300 表示转轮型号为表示转轮型号为6006

48、00的贯流定桨式水轮机，卧轴、灯泡式引水，转轮直径为的贯流定桨式水轮机，卧轴、灯泡式引水，转轮直径为300cm300cm。n4 42CJ20-W-120/22CJ20-W-120/21010 表示转轮型号为表示转轮型号为2020的水斗式水轮机，一根轴上装有的水斗式水轮机，一根轴上装有2 2个转轮，卧轴、转轮直个转轮，卧轴、转轮直径为径为120cm120cm，每个转轮具有，每个转轮具有2 2个喷嘴，射流直径为个喷嘴，射流直径为10cm10cm。四川农业大学水建系四川农业大学水建系120 练练 习习HL180-LJ-550ZZ560-LH-1130GZ440-WP-750XLN200-LJ-300

49、CJ20-L-170/215四川农业大学水建系四川农业大学水建系121第五节第五节 水流在转轮中的运动水流在转轮中的运动原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，因此动量也发生了改变，水流产生反作用力，作用与每个转轮叶因此动量也发生了改变，水流产生反作用力，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。四川农业大学水建系四川农业大学水建系122水流在转轮中的运动水流在转轮中的运动 相对运动：水流质点沿着轮叶的流动相对运动：水流质点沿着轮叶的流动 ，w表示表示 牵连运动：水流质点随转轮

50、的旋转运动，牵连运动：水流质点随转轮的旋转运动， u表示表示 绝对运动：水流质点对大地的运动，绝对运动：水流质点对大地的运动，v表示表示 绝对速度绝对速度v与圆周速度与圆周速度u的夹角为的夹角为 相对速度相对速度w与圆周速度与圆周速度u的夹角为的夹角为四川农业大学水建系四川农业大学水建系123速度三角形速度三角形 WUVVWU 水流绝对流速（相对于地球） 水流随转轮旋转牵连流速 水流沿叶片流动的相对流速四川农业大学水建系四川农业大学水建系124 第六节第六节 水轮机基本方程式水轮机基本方程式 一、动量矩定理一、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单位时间内水流对转

51、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：的外力的力矩总和。即： 其中其中M 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。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。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。 )(2211rVrVgQMuue四川农业大学水建系四川农业大学水建系125n在稳定工况下在稳定工况下(n(n、Q Q、H H均不变均不变) )，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：轮的出力为： n所以，水轮机的基本方程为：所以，水轮机的

52、基本方程为： n该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。 )(2211rVrVgQMNuuee)(2211uueVUVUgQseeHQN）（2211rrguuHVVH）（2211g1uuHVUVUH上列方程式说明了单位重量水流的有效出力是和转轮进、出口速度上列方程式说明了单位重量水流的有效出力是和转轮进、出口速度矩的改变相平衡的，所以速度矩的变化是转轮作功的主要依据矩的改变相平衡的，所以速度矩的变化是转轮作功的主要依据 。四川农业大学水建系四川农业大学水建系126n水轮机的基本方程式还可以用环量来表示。转轮的速度环量，水轮机的基本方程式还可以用环量来表示。转轮的速度环量，可以看作是速度可以看作是速度Vu沿圆周所做的功。将式两端各乘以沿圆周所做的功。将式两端各乘以2后后得得12进口速度环量，进口速度环量，主要由导水机构所形成主要由导水机构所形成为出口速度环量，所以转轮的输出功率主要为出口速度环量，所以转轮的输出功率主要决定于转轮进、出口的环量变化。决定于转轮进、出口的环量变化。 四川农业大学水建系四川农业大学水建系127 第七节第七节 水轮机效率及最优工况