1、,绪论1.水力发电的基本原理是什么？利用天然水资源中的水能进行发电的方式称为水力发电，是现代电力生产的重要方式之一，也是开发利用天然水资源的重要方式。 水电站生产电能的过程是有压水流通过水轮机，将水能转变为旋转的机械能，水轮机带动水轮发电机转动，再将旋转机械能转变为电能。 2. 水能资源开发方式有哪些？ 1.坝式2.引水式3.混合式4.潮汐能5.抽水蓄能,第一章,1、水轮机有那些类型？划分类型的依据是什么？ 按其对水流能量的转换特征的不同分为反击式和冲击式每一大类根据其转轮区内水流的流动特征和转轮的结构特征的不同又分为。,转轮代号,水轮机型式代号,第一部分,转 轮 型号用 比转速表示,转 轮
2、标 称 直 径m,第三部分,第二部分,2、水轮机型号由哪几部分代号组成？各代号的含义是什么？试举两个实例加以说明,水轮机型号示例： （1）HL220一LJ一550，表示转轮型号为220的混流式水轮机，立轴，金属蜗壳，转轮直径为550cm。（丹江口） （2）ZZ560LH 1130，表示转轮型号为560的轴流转桨式水轮机，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径为1130cm。（葛洲坝二江） （3）GD600WP 300，表示转轮型号为600的贯流定桨式水轮机，卧轴，灯泡式引水，转轮直径为300cm。 （4）2CJ20W 120210，表示转轮型号为20的水斗式水轮机，一根轴上装有2个转轮，卧轴，转轮直径为1
3、20cm，每个转轮具有2个喷嘴，设计射流直径为10cm。 （5）HL261一LJ一1040，表示转轮型号为261的混流式水轮机，立轴，金属蜗壳，转轮直径为1040cm。（三峡）,3. 反击式水轮机的损失有哪些内容？,1.水力损失 水流经过水轮机的蜗壳、座环、导水机构、转轮及尾水管等过流部件时，由于摩擦、撞击、涡流、脱流等所产生的能量损失统称为水力损失。水力损失是水轮机能量损失中的主要部分。 2.容积损失 进入水轮机的流量Q不可能全部进入转轮做功：其中有一小部分流量q会从水轮机的旋转部分与固定部分之间的缝隙(如混流式水轮机的上、下止漏环间隙、轴流式水轮机的桨叶与转轮室之间的间隙)中漏损。这一小部
4、分流量对转轮不做功，所以称之为容积损失。 3.机械损失 水流作用于转轮的有效功率Ne不可能全部转换成转轮的出力N，其中有一小部分功率Nm消耗在各种机械损失上，如轴承及轴封处的摩擦损失，转轮外表面与周围水体之间的摩擦损失等。,4、试阐述尾水管的作用及其动能回收系数,尾水管的作用可归纳为： (1)汇集并引导转轮出口水流排往下游； (2)当H20时，利用这一高度水流所具有的位能； (3)回收转轮出口水流的部分动能。 动能回收系数？,5、水轮机最优工况的含义，如何提高反击式水轮机的水力效率,水轮机的最优工况即效率为最高的工况。对效率大小起决定作用的是水力损失，而水力损失的大小主要取决于转轮进口水流的撞
5、击损失和转轮出口尾水管内的涡流损失。当水轮机在 的工况下工作时，则水流在转轮进口无撞击损失，出口无涡流损失，此时水轮机的效率最高，称为水轮机的最优工况。,第二章,1、尾水管有哪些型式？ 主要有直锥形、弯锥形和弯肘形三种型式 直锥形用于小型水轮机（D10.50.8m）,效率为8085 弯锥形用于卧轴水轮机，效率为4060 弯肘形用于大中型电站，效率为7580 2、什么事水轮机的气蚀现象？它易发生在水轮机的那些部位？气蚀有什么危害？如何减轻和防止其实的危害？什么是气蚀系数？,所谓的气蚀是指顺轮机流道内流动水体中的微小气泡在形成、发展、溃灭过程中水轮机过流部件表面所产生的物理化学侵蚀作用气蚀的存在对
6、水轮机运行极为不利，其影响主要表现为以下几方面：(1)破坏水轮机的过流部件，如导叶、转轮、转轮室、上下止漏环及尾水管等。 (2)降低水轮机的出力和效率，因为气蚀会破坏水流的正常运行规律和能量转换规律，并会增加过流部件的糙率，增加水流的漏损和水力损失。 (3)气蚀严重时，可能使机组产生强烈的振动、噪音及负荷波动，导致机组不能安全稳定运行。 (4)缩短了机组的检修周期，增加了机组检修的复杂性。气蚀检修不仅耗用大量钢材，而且延长工期，影响电力生产。,翼形(叶片)空蚀：转轮叶片背面出口处产生的空蚀，与叶片形状、工况有关。反击式水轮机主要汽蚀形式。 间隙空蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，
7、压力降低而产生空蚀。 空腔空蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生空蚀破坏，可能造成尾水管振动。 局部空蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。,在反击式水轮机整个流道中的压力降低区，根据气蚀产生的部位和发生的条件，将气蚀分为四种类型：,流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。 目前常采用的措施主要有以下三个方面。 1设计制造采用合理的翼型，以尽可能使叶片背面的压力分布趋向均匀，并缩小低压区范围。在加工时尽量提高翼型曲线的精度和叶片表面的光洁度，以保证叶片具有平滑的流线型断面形状。必要时
8、，应选用耐蚀、耐磨性能较好的材料。 2运行维护拟定合理的水电站运行方式，尽可能避免在气蚀严重的工况区运行。在发生空腔气蚀时，可采取在尾水管进口补气的办法以破坏尾水管中的真空涡带。对于遭受破坏的叶片，一般采用不锈钢焊条补焊或采用非金属涂层(如环氧树脂、环氧金刚砂、氯丁橡胶等)作为叶片的保层。 3工程措施选择合理的水轮机安装高程，确保叶片流道内最低压力不低于汽化压力。对于多泥沙河流上的水电站，应设置沉沙、排沙设施，以防止粗颗粒沙进入水轮机。,吸出高度:发生气蚀最危险的点到下游水面的垂直高度 影响因素：水轮机的安装高程 (1)立轴混流式水轮机的 为导叶下部底环平面到设计尾水位的 垂直高度。 (2)立
9、轴轴流式水轮机的 为转轮叶片轴线到设计尾水位的垂直高度。 (3)卧轴反击式水轮机的 为转轮叶片的最高点到设计尾水位的垂直高度。 (4)冲击式水轮机的 为喷嘴中心线到下游水位高度,3、何谓水轮机的吸出高度？影响水轮机吸出高度的因素是什么？各种水轮机允许吸出高度如何计算？,1）立轴混流式水轮机,式中 -设计尾水位，m； -导叶高度，m。,2）立轴轴流式水轮机,4、各种类型的水轮机安装高程指哪个部位的高程？应如何确定?安装高程对水电站厂房设计有什么意义?对立轴反击式水轮机，Zs是指导叶中心的位置高程；对立轴水斗式水轮机，Zs是指喷嘴中心高程；对卧轴水轮机，Zs是指主轴中心线的位置高程。,式中 -转轮
10、标称直径，m； -轴流式水轮机的高度系数，可从表2-4中查取。,3）卧轴反击式水轮机,4）水斗式水轮机,立轴 卧轴,意义：直接影响水电站的如建工程开挖量和水轮机运行气 蚀性能根据机组运行条件，经过技术经济比较后确定,第三章,1、水轮机的相似条件和相似定律是什么？研究目的是什么？水轮机水流流动力学相似的必要充分条件是什么? 相似条件： 1）几何相似 两个水轮机过流通道表面的所有对应角相等及其所有对应线性尺寸成比例 2）运动相似 各对应点的速度三角形相似 3）动力相似 两个水轮机过流通道内所有对应点的水流质点所收到的作用力是同名力，且方向相同，大小成比例,相似定律：水轮机在相似工况下运行时，其各工
11、作参数之间的固定关系 研究目的：进行不同结构方案，不同转轮型式及不同运行工况的对比试验研究，获得水轮机的特性，将模型试验成果应用到原型上去 水流流动力学相似的充要条件：几何相似、运动相似、动力相似、边界条件、起始条件相似,2、什么是水轮机的轮系、单位参数和比转速？比转速和转速、机组尺寸、汽蚀系数有什么关系？,轮系-具有几何相似、尺寸不同的水轮机所形成的系列称为水轮机系列，简称系列或轮系。 单位参数：任一模型试验所得到的参数按照相似定律换算成D1m=1.0m和Hm=1.0m的标准条件下的参数 比转速：同一轮系水轮机，当其工作水头H=1m，出力N=1kW 时，所具有的转速。 关系：,3.模型试验的
12、意义是什么？能量试验的任务和测量参数是什么？如何测定?水轮机制造厂可从通过模型试验来检验原型水力设计计算的结果，优选出性能良好的水轮机，为制造原型水轮机提供依据，向用户提供水轮机的保证参数。水电设计部门可根据模型试验资料，针对所设计的电厂的原始参数，合理地进行选型设计，并运用相似定律利用模型试验所得出的综合特性曲线，绘出水电站的运转特性曲线，为运行部门提供发电依据。水电厂运行部门可根据模型水轮机试验资料，分析水轮机设备的运行特性，合理地拟定水电厂机组的运行方式，提高水电厂运行的经济性和可靠性。当运行中水轮机发生事故时，也可以根据模型的特性分析可能产生事故的原因。水轮机效率是水轮机能量转换性能的
13、主要综合指标，因此，模型水轮机的能量试验主要是确立模型水轮机在各种工况下的运行效率。,4、水轮机的参数和特性曲线有哪些？模型综合特性曲线的作用及其组成？轴流式和混流式水轮机的特性曲线有什么区别？,水轮机参数：参数关系反映水轮机特性。(1) 结构参数：转轮直径D1，导叶高度b0，导叶开度a0，叶片转角(2) 工作参数：H、Q、n 、Hs(3) 综合参数： ， 轴功率N、,特性曲线有线性特性曲线、水头特性曲线、转速特性曲线 模型综合特性曲线，是以单位转速n1和单位流量Q1为纵、横坐标而绘制的几组等值曲线等效率曲线；导叶(或喷针)等开度a0线；等气蚀系数线；混流式水轮机的出力限制线；转桨式水轮机转轮
14、叶片等转角线。 区别：,5、为什么混流式水轮机综合特性曲线上要绘制5%出力限制线,当水轮机处于最大单位处理点及其右侧运行时，如系统要求机组增大出力，则调速器将增大导叶开度以增大Q1，但其结果反而是N1降低，此时调速器将更大地增加导叶开度造成水轮机调节的恶性循环，为避免这种情况，留有5%的出力储备。,第四章,1、水轮机调节的任务是什么？它通过什么途径来完成其任务？ (1)根据负荷图的安排，随着负荷的变化迅速改变机组的出力，以满足系统的要求。 (2)担负系统短周期的不可预见的负荷波动，调整系统频率。 根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的出力并维持机组转速在规定范围内。 除以上的基本任务外，水轮机调
15、节的任务尚有机组的起动、并网和停机等。,2.什么叫有差调节？什么叫无差调节？各有什么特性？,(1)无差特性 机组转速与出力无关，在任何出力情况下，调节系统均能保持机组转速为n0。 (2)有差特性 机组出力小时保持较高的转速，出力大式保持较低的转速，即调节前后两个稳定工况间的转速有一微小偏差。,第五章,1、水电站有哪几种基本型式？ 坝式、引水式、河床式、抽水蓄能、潮汐 2、水电站由哪些建筑物组成？ 当水建筑物、泄水建筑物、水电站进水建筑物、水电站引水及尾水建筑物、水电站平水建筑物、发电，变电和配电建筑物、其他建筑物,第九章,1.什么叫调节保证计算?其任务是什么? 水锤和机组转速变化的计算，一般称
16、为调节保证计算。 调节保证计算的任务：(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；(2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。(3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。(4) 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。,4.什么叫间接水击?什么叫第一相水击和末相水击?如何计算第一相水击和末相水击的水击压力值,如果水轮机调节时间Ts 2L/c，则开度变化结束之前水库反射波已经回到阀门处，阀
17、门处的水锤压力由向上游传播的F波和向下游传播的f波相叠加而成称为间接水锤。,间接水锤的两种类型 第一类：当 1时，最大水锤压力出现在第一相末， 称为第一相水锤。 第二类：当 1时，最大水锤压力出现在第一相以后的某一相，其特点是最大水锤压力接近极限值 ，即 ，称为极限水锤。,5.采取哪些措施可减小水击压强？其原理是什么？,(一) 缩短压力管道的长度缩短压力管道长度，使从进水口反射回来的水锤波能够较早地回到压力管道末端，从而减小水锤值。从管道特性系数LVmax/gH0Ts中可看出，减小L可以减小 ，在较长的引水系统中，设置调压室，是缩短压力管道的常用措施。,(二) 减小压力管道中的流速减小流速可减
18、小压力管道中单位水体的动量，从而减小水击压力。但是水电站在运行中要求流量是一定的，要减低流速势必要加大管径，增加管道造价。因此用加大管径办法降低水击压强，往往是不经济的，但在一定条件下，如果适当加大管径后便可不设调压室，还是比较合理的。,(三) 延长有效的关闭时间延长有效的关闭时间Ts，可降低水锤压力，但使机组转速变化率值增加，甚至超过允许值，要解决这个矛盾，可采取以下措施：1反击式水轮机设置减压阀(空放阀)：在蜗壳的进口附近装设减压阀。注：减压阀在机组增加负荷时不起作用,第十章,1、调压室的设置条件 1）上游调压室的设置条件(初步判定) 用水流加速时间(也称为压力引水道的惯性时间常数)Tw来
19、判断是否设置调压室,Tw24s时，可不设调压室。 L压力管道的长度，包括机组的蜗壳、尾水管，m； V压力管道中水流的平均流速，m/s； g重力加速度； H电站设计水头，m。,当水电站单独运行时，或机组在电力系统中所占的比例超过50%时，取小值(2s)；当比重小于10%20%时，可取大值。,2）下游调压室的设置条件 以尾水管内不产生液柱分离为前提，条件为：,Lw压力尾水道长度，m；实际长度大于Lw时设。Ts水轮机导叶关闭时间，s；Vw0稳定运行时尾水管平均流速，m/s；Vwj尾水管入口处流速，m/s ；安装高程，m；Hs吸出高度，m。,最终通过调节保证计算，当机组丢弃全部负荷时，尾水管内的最大真
20、空度不宜大于8m水柱。但在高海拔地区应作高程修正(见规范)。,2、调压室的功用,调压室的功用可归纳为： 反射水锤波。基本上避免了(或减小)压力管道传来的水锤波进入压力引水道。 减小了水锤压力(压力管道及厂房过水部分)。缩短了压力管道的长度 改善机组在负荷变化时的运行条件。,3、影响调压室水位波动稳定的因素有哪些？如何影响？,1.水电站水头的影响 水电站水头越小，要求的稳定断面越大。 中低水头的水电站多采用简单式、差动式或阻抗式调压室；高水头水电站中，主要受振幅控制，多采用双室式调压室。 调压室的稳定断面采用水电站正常运行时可能出现的最低水头进行计算。,2. 引水系统糙率的影响引水系统糙率愈大，
21、水头损失系数愈大，虽然H1=H0-hw03hwm0随糙率的增大而减小，但其影响远比小。因此，为了安全，计算Fk时应采用可能的最小糙率。,3. 调压室位置的影响由H1=H0hw03hwm0可知，在引水线路不变的情况下，调压室愈靠近厂房，H1愈大，有利于水位波动的衰减。因此，调压室应尽量靠近厂房。,4、调压室底部流速水头的影响 对引水道而言，流速水头的作用与水头损失相似，相当于加大了摩阻损失。 引水道直径越大，长度越短，流速水头影响越显著。 调压室底部的流速水头将对波动稳定是有利的。但由于调压室底部水流状态紊乱，故不能考虑全部流速水头的作用。在设计时，不考虑调压室底部流速水头的影响，计算出的Fk值
22、偏大，偏于安全。,5.水轮机效率的影响 前面假定水轮机的效率为常数，实际上水轮机的效率随着电站水头和流量的变化而变化，其关系为：,考虑效率的变化，临界断面的计算公式为：,式中，H恒定流情况下水轮机的净水头；水轮机效率变化的无因次系数，,分别为表示水轮机效率随水头变化和随流量变化的情况，可根据水轮机特性曲线求得，它相当于效率曲线在稳定工况点的斜率。斜率变化对稳定产生的最不利的影响是发生在随的增加而增加，随的增加而减小的情况，在这两种情况下，增大，使得所需要的Fk增大。,水轮机效率、调速器和电力系统等因素对稳定断面的影响，一般只有在充分论证的基础上才加以考虑。,6.电力系统的影响对于单独运行的水电
23、站，当调压室内水位变化而引起出力变化时，只能依靠本电站水轮机调速器的调节使出力保持常数。如果水电站在系统中运行，则可由系统中各电站的机组共同来保证系统出力不变，因此可减小本电站流量变化的幅度。因此电站并网运行有利于波动稳定。,第七节 调压室水力计算条件的选择,调压室的水力计算内容应包括： 由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积； 计算调压室最高涌波水位，从而确定调压室的顶部高程； 计算调压室最低涌波水位，从而确定调压室底部和压力管道进口的高程。,4、调压室水力计算的内容有哪些，计算条件如何选择？,调压室的水力计算内容应包括： 由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积； 计算调压室
24、最高涌波水位，从而确定调压室的顶部高程； 计算调压室最低涌波水位，从而确定调压室底部和压力管道进口的高程。,一、波动的稳定性计算,由公式 可以看出： 1.水头H0按水电站在正常运行中可能出现的最小水头Hmin计算。上游的最低水位一般为死水位。 2.糙率引水道应选用可能的最小糙率(使值最小)，而压力管道则应选用可能的最大糙率。,二、最高涌波水位的计算,1. 上游水库水位：取正常发电可能出现的 最高水位，一般按设计洪水位计算。 2. 引水道的糙率：取可能的最小值（此条件下，水头损失小，水位升高值大）。3. 计算工况：一般按丢弃全负荷考虑，即流量由Qmax减至空转流量Qxx(Q=0)。或按电气主接线
25、出线回路的具体情况决定。,三、最低涌波水位的计算,1.上游水库水位：取可能的最低水位。 2.引水道糙率： 取可能的最大值（此时，供水速度慢，水位降低得多）。 3.计算工况： 初设阶段，通常采用其余所有机组均满负荷运行，而最后一台机组投入运行的情况作为设计工况，但最后加入的容量应不小于电站总容量的1/3。 对于一般的调压室，还应计算在最低库水位下丢弃全负荷后水位波动的第二振幅。 在技术设计阶段，增荷的条件应根据设计电站在系统中的工况，经专门研究确定。,第十一章,1、简述厂区建筑物的组成。如何进行厂区布置厂房枢纽的建筑物一般可以分为四部分：主厂房、副厂房、变压器场及高压开关站。变压器场一般设在主厂
26、房旁，场内布置主升压变压器，将发电机输出的电流升压至输电线电压。高压开关站常为开阔场地，安装高压母线及开关等配电装置，向电网或用户输电。,厂区布置是指水电站的主厂房、副厂房、主变压器场、高压开关站、引水道 、尾水道及厂区交通的相互位置的安排。一、主厂房主厂房是厂区的核心，对厂区布置起决定性作用。其位置要综合考虑地形、地质、水流条件、施工导流方案和场地布置、电站的运行管理等因素，注意厂区的协调配合。(1) 尽量减小压力水管的长度。对于坝后式水电站，主厂房应尽量靠近拦河坝；引水式水电站主厂房应尽量靠近前池和调压室。(2) 尾水渠尽量远离溢洪道或泄洪洞出口，防止水位波动对机组运行不利。尾水渠与下游河
27、道衔接要平顺。 (3) 主厂房的地基条件要好，对外交通和出线方便，并不受施工导流干扰。,二、引水道、尾水道及对外交通线路的布置,引水道一般为正向引水，尽可能保证进、出水水流平顺。当水管直径很小时且根数较少时，也可侧向引水；尾水渠一般为明渠，正向将尾水导入下游河道，少数情况也可侧向导入下游河道。对外交通一般为公路，也有的采用铁路或水路的。引水式厂房一般沿河岸布置，进厂公路可沿等高线从厂房一端进入厂房。坝式电站进厂公路一般从下游侧进入。 公路、铁路要直接通入主厂房的安装间，临近厂房一段应是水平，长度不小于20m，并有回车场地。公路的坡度不宜大于10%12%，转弯半径大于20m。,三、副厂房,为了保
28、证机组正常运行，在主厂房近旁布置的各种辅助机电设备、控制、试验、管理和运行人员工作和生活的房间，称为副厂房。(一) 副厂房的组成副厂房的组成、面积和内部布置取决于电站装机容量、机组台数、电站在电力系统中的作用等因素。大型水电站的副厂房，按性质可分为三类：1. 直接生产副厂房中央控制室，继电保护盘室，电缆室，蓄电池室，酸室和套间，蓄电池的通风机室，充电机室，计算机室，载波通讯室，油、水、气系统，厂内变压器室，巡回检测装置室等。,(一) 副厂房的组成,2. 检修试验副厂房继电保护试验室，精密仪器试验室，测量表计试验室，高压试验室，电工修理间，机械修理间，电气工具间，油化验室，水化实验室等。3. 辅
29、助用房交接班室，运行分场，检修分场，水工分场，总工程师室，厂长室，生产技术科，会议室，资料室，厕所、盥洗室。,(二) 副厂房的位置,副厂房的位置应紧靠主厂房，基本上布置在主厂房的上游侧，下游侧和端部，可集中一处，也可分两处布置。 (1) 主厂房的上游侧。适用于坝后式水电站。 (2) 尾水管顶板上。影响主厂房的通风、采光，需加长尾水 管，从而增加工程量。由于尾水管在机组运行时振动较大，不宜布置中央控制室及继电保护设备。 (3) 主厂房的两端。当机组台数多时，这种布置会增加母线 及电缆的长度。,2、主厂房如何分层？各层的高程如何确定？,主厂房在高度方向分为 装配场层、发电机层、水轮机层及阀室层。
30、装配场层与发电机层楼板同高 发电机层：保证水轮机层的净高不少于3.54.0m，否则发电机出线和油气水管道布置困难。 保证下游设计洪水不淹厂房。将发电机层楼板面高程布置在下游设计洪水位以下。 水轮机层地面高程S =T + h4h4=蜗壳进口半径+蜗壳顶部混凝土层厚度。金属蜗壳顶部混凝土一般不低于1.0m，混凝土蜗壳顶板厚根据结构计算决定。,3、何谓上部结构？下部结构？下部块体结构？块体结构中有哪些设备？,发电机层以上的部分称为上部结构及主机房，发电机层以下统称为下部结构，水轮机层以下则称为下部块体结构。 下部块体结构中包含压力钢管、蝴蝶阀、蜗壳、水轮机、尾水管、尾水闸门及它们的附属设备,4、主厂房机组长度的确定原则是什么？安装间长度确定的原则是什么？边机组段为何要加长？加长的尺寸如何确定？,机组段长度应综合考虑厂房分缝、蜗壳和尾水管厚度的影响，水轮机层和发电机层的布置要求，包括排架柱的布置、调速器接力器坑布置要求、楼梯、楼板孔洞和梁格系统布置的要求。为了减小机组间距，最好不将调速器、油压装置和楼梯等布置在两台机组中间。 安装间的宽度一般与主厂房相同，安装间的长度一般取L安(1.0l.5) L0 由于外侧有主厂房的端墙，为了使机组设备和辅助设备处于桥吊工作范围内，远离安装间一端的机组段需要加长L。,L =(0.11.0)D1,
