1、水轮机原理及构造1、概述混流式水轮机工作原理：水流经压力钢管在开启蝶阀后进入蜗壳形成封闭的环流（形成环流是为了使水流作用转轮时，使转轮各方向受力均匀，达到机组稳定运行的目的） ，在导叶开启后，水流径向进入转轮又轴向流出转轮（所以称之为混流式水轮机） ，在这个过程中由水流和水轮机的相互作用，水流能量传给水轮机，水轮机开始旋转作功。水轮机带动直流励磁的同步发电机转子旋转后，根据电磁感应原理（问题） ，在三相定子绕阻中便感应出交流电势，带上外负荷后便输出电流。注：电磁感应闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，产生的电流叫做感应电流。产生感应电流的
2、必要条件是：a、电路要闭合；b、闭合电路中一部分导体做切割磁感线运动，缺一不可；若是闭合电路的一部分导体，但不做切割磁感线运动则无感应电流，若导体做切割磁感线运动但电路不闭合，导体上仍无感应电流则导体两端有感应电压。感应电流的方向跟磁场方向和导体切割磁感线运动方向有关 三者互相垂直 ，改变磁场方向或改变导体切割磁感线方向都会改变感应电流的方向。在电磁感应现象中机械能转化为电能。应用：发电机是根据电磁感应原理制成的，它使人们大规模获得电能成为现实。交流发电机主要由转子和定子两部分组成，另外还有滑环、电刷等。交流电的周期与频率周期和频率是用来表示交流电特点的两个物理量，周期是指交流发电机中线圈转动
3、一周所用的时间，所以单位是“秒”；频率是指每秒钟内线圈转动的周数，它的单位是“赫” 。我国使用的交流电周期为 0.02 秒，频率是 50 赫，其意义是发电机线圈转一周用时 0.02 秒，即 1 秒内线圈转 50 周，因为线圈每转一周电流方向改变两次，所以，频率为 50 赫的交流电在 1 秒钟内方向改变 100 次。2、水轮机的主要类型：水轮机基本类型有：反击式冲击式反击式：混流式（HL） 、东风：HLA722C-LJ-192HL 混流式水轮机设计序号为 A722C 为 L 立轴 J 金属蜗壳 192 转轮直径为 192cm轴流式（ZL）：轴流转桨式（ZZ）轴流定桨式（ZD） 、斜流式（XL）
4、、贯流式（GL）：贯流转桨式（ GZ）贯流定桨式（GD）特点：将位能（势能） 、动能转换为压能，进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。冲击式：切击式（QJ）：水斗式斜击式（XJ）双击式（SJ）特点：利用水流的动能，进行工作；转轮都露在空气中。3、水轮机的主要工作参数：水头（H）：水轮机进口断面与出口断面之间单位水流能量的差值。流量（Q）：单位时间内通过水轮机的水流总量（体积） 。出力（N）：单位时间内水轮机轴端输出的功率。效率（）：水流出力与水轮机出力的比值再乘上百分之百。转速（n）：水轮机单位时间内旋转的次数。n=60f/p p 为极对数 f 为频率375=（6050）/8水头（H）：（工作
5、水头 88m）流量（Q）：（设计流量 31.33m3/s）出力（N）：N=9.81QH效率（）：=N/9.81QH转速（n ）：375r/min4、混流式水轮机：水流径向进入转轮又轴向流出转轮。特点：结构简单、运行稳定、工作可靠、效率高、汽蚀系数小。混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于 1849 年发明，故又称弗朗西斯水轮机。水轮机的最高效率有的已超过 95。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为 5700 米，但采用最多的是 40300 米。世界上水头最高的混流式水轮机装于奥地利的罗斯亥克电站，其水头为 672 米，单机功率为 58.4 兆瓦，于 1967 年投入运
6、行。功率和尺寸最大的混流式水轮机装于美国的大古力第三电站，其单机功率为 700 兆瓦，转轮直径约 9.75 米，水头为 87 米，转速为 85.7 转分，于 1978 年投入运行。三峡电站机组功率也为 700 兆瓦，26 台。切击式水轮机：靠从喷嘴出来的射流沿转轮圆周切线方向冲击转轮斗叶而作功，应用于高水头。 （水斗式水轮机）1889 年，美国工程师佩尔顿发明了水斗式水轮机。水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过 91。20 世纪 80 年代初，世界上单机功率最
7、大的水斗式水轮机装于挪威的悉西马电站，其单机容量为 315 兆瓦，水头 885 米，转速为 300 转分，于 1980 年投入运行。水头最高的水斗式水轮机装于奥地利的赖瑟克山电站，其单机功率为 22.8 兆瓦，转速 750 转/分，水头达 1763.5 米，1959 年投入运行。5、水轮机的过流部件：引水部件：蜗壳式、明槽式、虹吸式等导水部件：导叶、喷嘴等工作部件：转轮泄水部件：尾水管引水部件的功用：以最小的水力损失把水引向导水部件，从而提高水轮机的效率。尽可能保证沿导水部件周围进水流量均匀，水流对称于轴，以使转轮受力均衡，提高工作稳定性。在进入导水部件以前使水流形成一定环量。保证转轮在水中工
8、作，不与大气接触。导水部件的作用：调节流量形成环量截断水流工作部件的作用：它是水轮机的心脏，是实现能量转换的主要部件。是实现能量转换泄水部件的作用：将水流平顺的引到下游；回收水流离开转轮时的部分动能和收回转轮高出下游水面的那一段位能。第二讲1、 概述混流式水轮机工作原理：蜗壳位于最外层，从四周包围着座环，并与座环的上、下环相连接。座环、上下环间均匀分布着能承重的固定导叶 20 个。顶盖放置在座环的上环内法兰上，座环放置在下环法兰上。顶盖和座环上下相对构成环形过流通道。通道内均匀分布着 20 个活动导叶，以调节流量。活动导叶下轴颈放置在底环预留的轴孔中，活动导叶上半段轴穿过顶盖预留轴孔，与顶盖上
9、面导叶传动机构相连接。座环下端通过基础环（底环）与尾水管上端相连接。顶盖之下，尾水管之上是转轮，转轮周围被活动导叶所包围。主轴的下端与转轮相连接，上端与发电机转子主轴相连接，它把水轮机转轮和发电机转子连接成水轮发电机组转动部分整体。在顶盖上设置轴承座，其上装有水导轴承，抱在主轴外面，给水轮机转动部分，轴心线定位。在顶盖中心轴孔与主轴之间的间隙处设有密封装置，防止间隙大量漏水淹没导轴承。在顶盖上放置着导叶传动操纵机构，接力器推拉杆操纵控制环、连杆、导叶臂、导叶轴之间依次相连，使导叶动作。2、 引水部件金属蜗壳从制造工艺分：铸造蜗壳和焊接蜗壳。铸造蜗壳使用于工作水头小于 200m 的小水电站。焊接
10、蜗壳的座环和蜗壳分开制造，然后在工地组焊。东风蜗壳分为 21 节，蜗壳第 10 节后在鑫安厂内与座环焊接好，直接运到。其余在工地焊接，焊接时焊缝要相互错开，避免十字形焊缝相交焊接。2015=300座环座环位于蜗壳的内圈导水机构的外围。座环由上环、固定导叶、下环组合而成。座环的作用：承重部件，承受整个机组固定部分和转动部分的重量。通流部件，保证水流均匀轴对称地流入导水机构。安装基准件，座环的结构形式带蝶形边座环（东风）：蝶形边是 35mm 厚的钢板以 60 度角焊接在座环的上下环上面的，蜗壳的锥节在与蝶形边组焊，连接成完整的蜗壳。基础环（底环）：基础环是混流式水轮机座环与尾水管进口锥管段相连接的
11、基础部件，安装连接时的基准件，同时构成转轮室的一部分。3、 导水部件顶盖、底环、导叶、导叶臂、连杆、控制环、接力器等部件组成。导叶 由导叶体和导叶轴两部分组成。为减轻导叶重量，常做成中空导叶。导叶的断面形状为翼型。导叶轴颈通常比连接处的导叶体厚度大，在连接处采用均匀圆滑过渡形状，以避免应力集中。导叶轴承 上、中、下轴套，高水头机组为防止导叶上浮力超过导叶自重，保证导叶上端面间隙，在导叶套筒的法兰上一般设有止推装置（止推压板或止推块） 。导叶传动机构 导叶传动机构由控制环、连杆、导叶臂三部分组成，用于传递接力器操作力矩，使导叶转动，调节水轮机流量。该机构形式有叉头式受力情况较好和耳柄式受力情况相
12、对较差。控制环 控制环结构形式双耳平行式导水机构安全装置 安装导水机构安全装置的目的：及时切除被卡导叶，避免因个别导叶被卡而损坏其它传动机构主要零部件。剪断销 使用最多的导水机构安全装置，在剪断销上加工一个危险断面，在正常操作力作用下，剪断销能正常工作，当超过正常操作力 1.5 倍时，剪断销连同装在其中的信号装置在危险断面破断并发出信号，被卡导叶从传动机构中解列。在机组顶盖上还设有限位块，其作用是：防止导叶发生正反向旋转而超出全关和最大可能开度的范围。 （可能造成剪断销连锁破断事故）导水机构切断水流 当停机时，导叶首尾相连，切断水流。但导叶上、下断面和顶盖、底环处存在着端面间隙，导叶首尾相接处
13、会有立面间隙。这些间隙会产生停机漏水损失；还会产生间隙汽蚀破坏。间隙较大漏水严重时，甚至可使机组停不下来。为此需要设法减小这些间隙，也是机组检修计划的一个必不可少的项目。立面间隙的调整方法：通过调整导叶传动装置的补偿环（调整螺杆） 。端面间隙的调整方法：通过导叶轴颈端盖上的调节螺钉。接力器 接力器的基本部件:接力器缸和活塞活塞把接力器缸分成了开启腔和关闭腔。单导管直缸接力器在导水机构快速关闭时，为避免活塞与缸盖发生撞击，在活塞上装有三角形封油块，封油块与缸体油口相对应，当活塞块逐渐遮住部分出油口，形成排油截流，起缓冲作用。事故配压阀：机组正常运行行时事故配压阀仅作为压力油的通道，使调速器主配压
14、阀与接力器的管道接通；当机组甩负荷又遇调速系统故障时，事故配压阀动作，切断主配压阀与接力器的联系，而直接把压力油从油压装置接入接力器，使接力器迅速关闭，实现机组紧急停机，以缩短机组过速时间，起到对水轮机的保护作用。水轮机蜗壳压力表及尾水真空压力表测量的量值反映了什么？蜗壳压力表 机组正常运行时，测量蜗壳进口压力是为了探知压力钢管在不稳定水流作用下的压力波动情况；在机组甩负荷时，可以在蜗壳进口测量水击压力的上升值。尾水真空压力表 测量尾水管进口断面的真空度及其分布，是为了分析水轮机发生汽蚀和振动的原因，并检验补气装置的工作效果。水导轴承 位于顶盖上方用以承受主轴传来的径向振摆力，约束主轴旋转轴心
15、线。圆筒瓦式导轴承：机组运行时，主轴带动下油箱及箱内润滑油旋转，在离心力作用下形成抛物油面，抛物油面产生的静压力及油旋转的动压力，使油从进油嘴进入下法兰径向油孔至轴承体环形油沟，被主轴带动沿斜油沟上升，同时被带进圆筒形瓦面，起润滑和吸收摩擦热量作用。然后油被带入挡油圈，在后续油推动下溢出挡油圈，流经冷却器，经回油管回到下油箱形成油循环。停机时，挡油圈内油缓缓下渗，使瓦面油沟处于充油状态，可防止机组启动时瞬时干摩擦。优点：结构简单、布置紧凑、使用寿命长。缺点：安装检修时刮瓦和调整间隙较困难、旋转油箱易甩油、轴承体较重。冷却器：最大工作压力位 0.6Mpa下油箱盛油约：45L 上油箱盛油约：120
16、L下油箱正常油位（图纸）：120mm最低油位：90mm混流式水轮机的密封装置：混流式水轮机转轮上冠与顶盖之间，存在着一个低压水腔，其水源为止漏环的漏水。由于止漏环的阻尼和减压装置的降压作用，此水压一般不超过 0.196Mpa。为防止此压力水从主轴与顶盖之间的缝隙中冒出，破坏稀油润滑导轴承的正常工作，故设主轴密封装置。水轮机的主轴密封装置包括：工作密封和检修密封。工作密封：可以简化为固定在转轴撒谎那个的动环和固定在顶盖上的静环组合成的摩擦副，其工作最佳状态是静环以一定压力压向动环，保持密封面的稳定接触以封水，同时要引进一定清洁压力水到密封面，形成液膜润滑，避免干摩擦引起的摩擦副快速磨损，同时要有足够的磨损补偿余量，做到低泄流、长寿命。检修密封：空气围带式检修密封，橡胶围带与转动部分圆柱面间隙为 1.52mm。围带工作压力位 0.50.7Mpa真空破坏阀：当机组紧急关机时，由于水流惯性作用，在转轮室会产生很大真空，导致尾水管及下游水迅速返回，撞击转轮和顶盖，发生台机现象，严重时引起顶盖损坏。在顶盖上装紧急真空破坏阀，能在转轮室出现真空时，迅速向转轮室补气，避免产生上述破坏。一般要出现真空压强为 14.719.6Kpa 时阀盘克服弹簧弹力下移，开始补气，真空消失后，其自动返回。
