第一章 绪论.ppt
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1、水轮机能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第一章第一章 绪绪 论论v第一节第一节 水电站与水轮机水电站与水轮机v第二节第二节 水轮机的工作参数水轮机的工作参数v第三节第三节 水轮机的类型及使用范围水轮机的类型及使用范围v第四节第四节 水轮机结构概述水轮机结构概述v第五节第五节 水轮机的牌号及装置方式水轮机的牌号及装置方式v第六节第六节 现代水轮机的发展现代水轮机的发展能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第一节第一节 水电站与水轮机水电站与水轮机v自然界有多种能源,目前已被开发利用的能源中主自然界有多种能源,目前已被开发利用的能源中主要有要有热能热能、水能水能、风能风能、核能
2、核能和和太阳能太阳能。其中水能。其中水能是一种最经济的能源,也是一种永远消耗不尽的能是一种最经济的能源,也是一种永远消耗不尽的能源。利用水能发电是最经济的电能转换方式。源。利用水能发电是最经济的电能转换方式。1.1.设备简单。设备简单。2.2.发电成本低,运行、维护、管理等简单。发电成本低,运行、维护、管理等简单。3.3.启动快。启动快。4.4.污染少。污染少。适于调峰、调频、事故备用等。适于调峰、调频、事故备用等。优点:优点:能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海水电站水电站:借助水工建筑物和机电设备将水能转借助水工建筑物和机电设备将水能转换为电能的生产部门。换为电能的生产部门。坝后
3、式水电站枢纽断面图坝后式水电站枢纽断面图能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海水电站的型式水电站的型式根据集中水头的方式分为:根据集中水头的方式分为:1 1.坝式水电站坝式水电站由坝抬高上游水位形成水头。如丰满、葛洲坝、由坝抬高上游水位形成水头。如丰满、葛洲坝、三峡等。三峡等。2.2.引水式水电站引水式水电站由引水管(渠)道形成水头。如隔河岩等。由引水管(渠)道形成水头。如隔河岩等。3.3.混合式水电站混合式水电站 电站的水头一部分由坝集中,另一部分由引水电站的水头一部分由坝集中,另一部分由引水道形成。如白山、龙羊峡等。道形成。如白山、龙羊峡等。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海
4、何宝海坝后式水电站枢纽横剖面示意图坝后式水电站枢纽横剖面示意图能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海水库;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尾水渠尾水渠有压引水式水电站示意图有压引水式水电站示意图能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海水轮机:水轮机:能将河流能将河流水中蕴藏的水能转换水中蕴藏的水能转换成旋转机械能的机械。成旋转机械能的机械。水轮机通过主轴带动水轮机通过主轴带动发电机将旋转机械能发电机将旋转机械能转换成电能。转换成电能。水轮发电机组:水轮水轮发电机组:水
5、轮机与发电机联接成的机与发电机联接成的整体称为水轮发电机整体称为水轮发电机组,它是水电厂的最组,它是水电厂的最主要的动力设备。主要的动力设备。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第二节第二节 水轮机的工作参数水轮机的工作参数v工作水头(工作水头(H H)v流量(流量(QQ)v转速(转速(n n)v功率(功率(NN)和效率()和效率()v例题例题 水轮机作为水力原动机将水能转换成机械能的水轮机作为水力原动机将水能转换成机械能的过程称为水轮机的工作过程。反映工作过程特性过程称为水轮机的工作过程。反映工作过程特性的参数称为水轮机工作参数的参数称为水轮机工作参数。能源动力工程学院能源动力工程
6、学院 何宝海何宝海一、水轮机工作水头一、水轮机工作水头水电站和水轮机的水头示意图水电站和水轮机的水头示意图水轮机工作水头水轮机工作水头是指水轮机进、出口断面处单位重量的水流能是指水轮机进、出口断面处单位重量的水流能量之差,用量之差,用H H表示,单位为表示,单位为m m。水电站水头水电站水头是指电站水库上、下游水位之差,也称电站静水是指电站水库上、下游水位之差,也称电站静水头,用头,用HgHg表示,单位为表示,单位为m m。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海上式中上式中H H是水轮机做功是水轮机做功的有效水头,也称为的有效水头,也称为水水轮机的净水头。轮机的净水头。电站水头和水轮机
7、水头的电站水头和水轮机水头的关系关系列出水轮机进、出口断面的能量方程,根据水轮机工作水头的列出水轮机进、出口断面的能量方程,根据水轮机工作水头的定义可写出其基本表达式:定义可写出其基本表达式:能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海同样列水轮机出口同样列水轮机出口-断面和下游断面和下游T-TT-T的能量方程的能量方程列上游列上游A-AA-A断面和断面和-断面的能量方程断面的能量方程由上式得到由上式得到将上式代入进口能量表达式,得到将上式代入进口能量表达式,得到代入水轮机出口能量表达式,得到代入水轮机出口能量表达式,得到电站水头和水轮机水头的关系电站水头和水轮机水头的关系能源动力工程学院能
8、源动力工程学院 何宝海何宝海由于由于则则由此可见,水轮机工作水头是由此可见,水轮机工作水头是电站毛水头和引水建筑物电站毛水头和引水建筑物中水头损失之差。中水头损失之差。水轮机工作水头随电站上下游水位变化而改变,工程实际水轮机工作水头随电站上下游水位变化而改变,工程实际中一般用如下几个中一般用如下几个特征水头特征水头表示水轮机工作水头的范围:表示水轮机工作水头的范围:H Hmaxmax、H Hminmin、H Ha a和和H Hr r。所以所以能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海特征水头特征水头v1.1.最大水头(最大水头(H Hmaxmax ),是允许水轮机运行的最大净水头。),是允
9、许水轮机运行的最大净水头。它对水轮机结构的强度设计有决定性的影响。它对水轮机结构的强度设计有决定性的影响。v2.2.最小水头(最小水头(H Hminmin),是保证水轮机安全、稳定运行的最小),是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。净水头。v3.3.加权平均水头(加权平均水头(H Ha a),是在一定期间内(视水库调节性),是在一定期间内(视水库调节性能而定),所有可能出现的水轮机水头的加权平均值,是能而定),所有可能出现的水轮机水头的加权平均值,是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。水轮机在其附近运行时间最长的净水头。v4.4.设计水头(设计水头(H Hr r),是水轮机发出额定出力时所需
10、要的最小),是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。净水头。v水轮机的工作水头,表明水轮机利用水流单位机械能的多水轮机的工作水头,表明水轮机利用水流单位机械能的多少,是水轮机最重要的工作参数,其大小直接影响着水电少,是水轮机最重要的工作参数,其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标指标。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海二、流量二、流量流量:单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积,流量:单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积,常用符号常用符号QQ表示,常用的单位为表示,常用的单位为
11、mm3 3/s/s。设计流量设计流量:在设计水头下,水轮机以额定转速、额定出力:在设计水头下,水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应的水流量称为设计流量,常用运行时所对应的水流量称为设计流量,常用QQr r表示,它是表示,它是水轮机发出额定出力时所需要的水轮机发出额定出力时所需要的最大流量最大流量。限制流量限制流量:对应于限制工况的水轮机流量。:对应于限制工况的水轮机流量。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海 水轮机的转速是水轮机转轮(主轴)在单位时间内旋转的水轮机的转速是水轮机转轮(主轴)在单位时间内旋转的次数,常用符号次数,常用符号n n表示,常用单位为表示,常用单位为r/min
12、r/min。同步转速。同步转速。三、转速三、转速四、出力与效率四、出力与效率 由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗,所以水轮机出由于水流通过水轮机时存在一定的能量损耗,所以水轮机出力总是小于水流出力。水轮机的输入和输出功率之比称为力总是小于水流出力。水轮机的输入和输出功率之比称为水轮水轮机的效率机的效率,用符号,用符号表示,其值小于表示,其值小于1 1。表示水轮机对水流表示水轮机对水流能量的有效利用程度。能量的有效利用程度。水轮机出力水轮机出力是指水轮机轴端输出的功率,常用符号是指水轮机轴端输出的功率,常用符号N表示,常用单位表示,常用单位kw。额定出力。额定出力。水轮机的输入功率水轮机的输
13、入功率为单位时间内通过水轮机的水流为单位时间内通过水轮机的水流的总能量,即水流的出力,常用符号的总能量,即水流的出力,常用符号Ni表示,则表示,则能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海四、出力与效率(续)四、出力与效率(续)由此,水轮机的出力可写成由此,水轮机的出力可写成 水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力,产生旋转力矩用来克水轮机将水能转化为水轮机轴端的出力,产生旋转力矩用来克服发电机的阻抗力矩,并以角速度服发电机的阻抗力矩,并以角速度旋转。水轮机出力、旋转力旋转。水轮机出力、旋转力矩和角速度之间有以下关系式矩和角速度之间有以下关系式上式中上式中MM水轮机轴的旋转力矩,水轮机轴的旋转
14、力矩,当发电机发出额定功率时相应的水轮机轴功率称为当发电机发出额定功率时相应的水轮机轴功率称为水轮机水轮机额定功率额定功率,用,用NNr r表示。表示。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海例例1 1:某河床式电站在设计工况下上游水位:某河床式电站在设计工况下上游水位Z Z上上=63m=63m,下游水,下游水位位Z Z下下=44.4m=44.4m通过水轮机的流量为通过水轮机的流量为825m825m3 3/s/s,发电机效率为,发电机效率为0.9680.968,水轮机效率为,水轮机效率为0.860.86,如忽略引水建筑物中的水力损,如忽略引水建筑物中的水力损失,求水流出力、水轮机出力和机
15、组出力。失,求水流出力、水轮机出力和机组出力。由水流出力计算公式有由水流出力计算公式有由水轮机出力计算公式有由水轮机出力计算公式有由机组出力计算公式有由机组出力计算公式有解解 由于由于h hA-1A-1=0=0,所以有,所以有能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海解解 将水轮机出口断面取在下游端面,则由水轮机水头计算公式有将水轮机出口断面取在下游端面,则由水轮机水头计算公式有例例2 2 在水轮机效率试验时,在某一开度下测得下列数据:蜗壳进在水轮机效率试验时,在某一开度下测得下列数据:蜗壳进口压力表读数口压力表读数2.26kg/cm22.26kg/cm2(22.16*103Pa22.16
16、*103Pa),压力表中心高程),压力表中心高程88.7m88.7m,压力表所在处钢管直径,压力表所在处钢管直径D=3.35mD=3.35m,电站下游水位为,电站下游水位为84.9m84.9m,流量为,流量为33m3/s33m3/s,发电机功率,发电机功率Ng=7410kwNg=7410kw。取发电机效率为。取发电机效率为0.9660.966,求机组效,求机组效率和水轮机效率。率和水轮机效率。能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海第三节第三节 水轮机的类型及使用范围水轮机的类型及使用范围 由于水能资源条由于水能资源条件的千差万别,不同件的千差万别,不同水电站所能利用的水水电站所能利用的
17、水头和流量差别也很大,头和流量差别也很大,因此需要有各种类型因此需要有各种类型的水轮机来适应不同的水轮机来适应不同水能资源条件,以便水能资源条件,以便能充分和有效地利用能充分和有效地利用水能资源。水能资源。根据水轮机利用根据水轮机利用能量的不同可分为:能量的不同可分为:1.反击式反击式;2.冲击式冲击式能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海 反击式水轮机转轮区域内的水流在通过转轮叶片流道反击式水轮机转轮区域内的水流在通过转轮叶片流道时,始终是连续充满整个转轮的有压流动,并在转轮空时,始终是连续充满整个转轮的有压流动,并在转轮空间曲面型叶片的约束下,连续不断地改变流速的大小和间曲面型叶片
18、的约束下,连续不断地改变流速的大小和方向,从而对转轮叶片产生一个反作用力,驱动转轮旋方向,从而对转轮叶片产生一个反作用力,驱动转轮旋转。当水流通过水轮机后,其动能和势能大部分被转换转。当水流通过水轮机后,其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。成转轮的旋转机械能。1.1.混流式水轮机混流式水轮机2.2.轴流式水轮机轴流式水轮机3.3.斜流式水轮机斜流式水轮机4.4.贯流式水轮机贯流式水轮机一、反击式水轮机一、反击式水轮机能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海 水流从四周沿径向进入转轮,水流从四周沿径向进入转轮,然后近似以轴向流出转轮。混流然后近似以轴向流出转轮。混流式水轮机应用水头
19、范围较广,约式水轮机应用水头范围较广,约为为2020700m700m,结构简单,运行,结构简单,运行稳定且效率高,适应水头范围广,稳定且效率高,适应水头范围广,是应用最广泛的一种水轮机。是应用最广泛的一种水轮机。1.1.混流式水轮机混流式水轮机能源动力工程学院能源动力工程学院 何宝海何宝海 水流在导叶与转轮之间由径向流水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动,而在转轮区内动转变为轴向流动,而在转轮区内水流保持轴向流动,轴流式水轮机水流保持轴向流动,轴流式水轮机的应用水头约为的应用水头约为3 380m80m。轴流式水。轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中轮机在中低水头、大流量水电站中得到了
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