水轮机常识.doc

1、水 轮 机 早 在 公 元 前 100 年 前 后 ， 中 国 就 出 现 了 水 轮 机 的 雏 形 水 轮 ， 用 于 提 灌 和 驱动 粮 食 加 工 器 械 。 现 代 水 轮 机 则 大 多 数 安 装 在 水 电 站 内 ， 用 来 驱 动 发 电 机 发 电 。 在 水电 站 中 ， 上 游 水 库 中 的 水 经 引 水 管 引 向 水 轮 机 ， 推 动 水 轮 机 转 轮 旋 转 ， 带 动 发 电 机 发 电。 作 完 功 的 水 则 通 过 尾 水 管 道 排 向 下 游 。 水 头 越 高 、 流 量 越 大 ， 水 轮 机 的 输 出 功 率 也 就越 大 。早 期

2、 的 冲 击 式 水 轮 机 的 水 流 在 冲 击 叶 片 时 ， 动 能 损 失 很 大 ， 效 率 不 高 。 1889 年， 美 国 工 程 师 佩 尔 顿 发 明 了 水 斗 式 水 轮 机 ， 它 有 流 线 型 的 收 缩 喷 嘴 ， 能 把 水 流 能 量 高 效率 地 转 变 为 高 速 射 流 的 动 能 。 水 轮 机 之 最20 世 纪 80 年 代 初 ， 世 界 上 单 机 功 率 最 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 19

3、80 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 。80 年 代 ， 世 界 上 尺 寸 最 大 的 转 桨 式 水 轮 机 是 中 国 东 方 电 机 厂 制 造 的 ， 装 在 中 国 长江 中 游 的 葛 洲 坝 电 站 ， 其 单 机 功 率 为 170 兆 瓦 ， 水 头 为 18.6 米 ， 转 速 为 54.6 转 分 ， 转 轮 直 径 为 11.3 米 ， 于 198

4、1 年 投 入 运 行 。 世 界 上 水 头 最 高 的 转 桨 式 水 轮 机 装 在意 大 利 的 那 姆 比 亚 电 站 ， 其 水 头 为 88.4 米 ， 单 机 功 率 为 13.5 兆 瓦 ， 转 速 为 375 转 分 ， 于 1959 年 投 入 运 行 。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 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 ，

5、 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 。世 界 上 最 大 的 混 流 式 水 泵 水 轮 机 装 于 联 邦 德 国 的 不 来 梅 蓄 能 电 站 。 其 水 轮 机 水 头 237.5 米 ， 发 电 机 功 率 660 兆 瓦 ， 转 速 125 转 /分 ； 水 泵 扬 程 247.3 米 ， 电 动 机 功 率 700 兆 瓦 ， 转 速 125 转 /分 。世 界 上 容 量 最 大 的 斜 流 式 水 轮 机 装 于 苏 联 的 洁 雅 电

6、站 ， 单 机 功 率 为 215 兆 瓦 ，水 头 为 78.5 米 。 工 作 原 理水 轮 机 按 工 作 原 理 可 分 为 冲 击 式 水 轮 机 和 反 击 式 水 轮 机 两 大 类 。 冲 击 式 水 轮 机 的 转轮 受 到 水 流 的 冲 击 而 旋 转 ， 工 作 过 程 中 水 流 的 压 力 不 变 ， 主 要 是 动 能 的 转 换 ； 反 击 式 水轮 机 的 转 轮 在 水 中 受 到 水 流 的 反 作 用 力 而 旋 转 ， 工 作 过 程 中 水 流 的 压 力 能 和 动 能 均 有 改变 ， 但 主 要 是 压 力 能 的 转 换 。冲 击 式 水 轮

7、 机 按 水 流 的 流 向 可 分 为 切 击 式 (又 称 水 斗 式 )和 斜 击 式 两 类 。 斜 击 式 水轮 机 的 结 构 与 水 斗 式 水 轮 机 基 本 相 同 ， 只 是 射 流 方 向 有 一 个 倾 角 ， 只 用 于 小 型 机 组 。理 论 分 析 证 明 ， 当 水 斗 节 圆 处 的 圆 周 速 度 约 为 射 流 速 度 的 一 半 时 ， 效 率 最 高 。 这 种水 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 ，

8、 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 。反 击 式 水 轮 机 可 分 为 混 流 式 、 轴 流 式 、 斜 流 式 和 贯 流 式 。 在 混 流 式 水 轮 机 中 ， 水流 径 向 进 入 导 水 机 构 ， 轴 向 流 出 转 轮 ； 在 轴 流 式 水 轮 机 中 ， 水 流 径 向 进 入 导 叶 ， 轴 向 进入 和 流 出 转 轮 ； 在 斜 流 式 水 轮 机 中 ， 水 流 径 向 进 入 导 叶 而 以 倾 斜 于 主 轴 某 一 角 度 的 方 向流 进

9、 转 轮 ， 或 以 倾 斜 于 主 轴 的 方 向 流 进 导 叶 和 转 轮 ； 在 贯 流 式 水 轮 机 中 ， 水 流 沿 轴 向 流进 导 叶 和 转 轮 。轴 流 式 、 贯 流 式 和 斜 流 式 水 轮 机 按 其 结 构 还 可 分 为 定 桨 式 和 转 桨 式 。 定 桨 式 的 转 轮叶 片 是 固 定 的 ； 转 桨 式 的 转 轮 叶 片 可 以 在 运 行 中 绕 叶 片 轴 转 动 ， 以 适 应 水 头 和 负 荷 的 变化 。各 种 类 型 的 反 击 式 水 轮 机 都 设 有 进 水 装 置 ， 大 、 中 型 立 轴 反 击 式 水 轮 机 的 进

10、水 装 置一 般 由 蜗 壳 、 固 定 导 叶 和 活 动 导 叶 组 成 。 蜗 壳 的 作 用 是 把 水 流 均 匀 分 布 到 转 轮 周 围 。 当水 头 在 40 米 以 下 时 ， 水 轮 机 的 蜗 壳 常 用 钢 筋 混 凝 土 在 现 场 浇 注 而 成 ； 水 头 高 于 40米 时 ， 则 常 采 用 拼 焊 或 整 铸 的 金 属 蜗 壳 。在 反 击 式 水 轮 机 中 ， 水 流 充 满 整 个 转 轮 流 道 ， 全 部 叶 片 同 时 受 到 水 流 的 作 用 ， 所 以在 同 样 的 水 头 下 ， 转 轮 直 径 小 于 冲 击 式 水 轮 机 。 它

11、 们 的 最 高 效 率 也 高 于 冲 击 式 水 轮 机 ，但 当 负 荷 变 化 时 ， 水 轮 机 的 效 率 受 到 不 同 程 度 的 影 响 。反 击 式 水 轮 机 都 设 有 尾 水 管 ， 其 作 用 是 ： 回 收 转 轮 出 口 处 水 流 的 动 能 ； 把 水 流 排 向下 游 ； 当 转 轮 的 安 装 位 置 高 于 下 游 水 位 时 ， 将 此 位 能 转 化 为 压 力 能 予 以 回 收 。 对 于 低 水头 大 流 量 的 水 轮 机 ， 转 轮 的 出 口 动 能 相 对 较 大 ， 尾 水 管 的 回 收 性 能 对 水 轮 机 的 效 率 有 显

12、著 影 响 。轴 流 式 水 轮 机 适 用 于 较 低 水 头 的 电 站 。 在 相 同 水 头 下 ， 其 比 转 数 较 混 流 式 水 轮 机为 高 。 轴 流 定 桨 式 水 轮 机 的 叶 片 固 定 在 转 轮 体 上 ， 叶 片 安 放 角 不 能 在 运 行 中 改 变 ， 效 率曲 线 较 陡 ， 适 用 于 负 荷 变 化 小 或 可 以 用 调 整 机 组 运 行 台 数 来 适 应 负 荷 变 化 的 电 站 。轴 流 转 桨 式 水 轮 机 是 奥 地 利 工 程 师 卡 普 兰 在 1920 年 发 明 的 ， 故 又 称 卡 普 兰 水 轮机 。 其 转 轮

13、叶 片 一 般 由 装 在 转 轮 体 内 的 油 压 接 力 器 操 作 ， 可 按 水 头 和 负 荷 变 化 作 相 应 转动 ， 以 保 持 活 动 导 叶 转 角 和 叶 片 转 角 间 的 最 优 配 合 ， 从 而 提 高 平 均 效 率 ， 这 类 水 轮 机 的最 高 效 率 有 的 已 超 过 94 。贯 流 式 水 轮 机 的 导 叶 和 转 轮 间 的 水 流 基 本 上 无 变 向 流 动 ， 加 上 采 用 直 锥 形 尾 水 管， 排 流 不 必 在 尾 水 管 中 转 弯 ， 所 以 效 率 高 ， 过 流 能 力 大 ， 比 转 数 高 ， 特 别 适 用 于

14、 水 头 为3 20 米 的 低 水 头 电 站 。 这 种 水 轮 机 装 在 潮 汐 电 站 内 还 可 以 实 现 双 向 发 电 。 这 种 水 轮 机有 多 种 结 构 ， 使 用 最 多 的 是 灯 泡 式 水 轮 机 。灯 泡 式 机 组 的 发 电 机 装 在 水 密 的 灯 泡 体 内 。 其 转 轮 既 可 以 设 计 成 定 桨 式 ， 也 可 以 设计 成 转 桨 式 。 世 界 上 最 大 的 灯 泡 式 水 轮 机 (转 桨 式 )装 在 美 国 的 罗 克 岛 第 二 电 站 ， 水 头 12.1 米 ， 转 速 为 85.7 转 /分 ， 转 轮 直 径 为 7

15、.4 米 ， 单 机 功 率 为 54 兆 瓦 ， 于 1978 年 投入 运 行 。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 。 与 轴 流 转 桨 式 相 比 ， 其 结 构 较 简 单 ， 最 高 效 率 也比 轴 流 式 的 高 ， 但 在 水 头 和 负 荷 变 化 大 时 ， 平 均 效 率 比 轴 流 转 桨 式 的 低 ， 这 类 水 轮 机 的最 高 效 率 有 的 已 超 过 95 。 混 流 式 水 轮 机 适 用 的

16、 水 头 范 围 很 宽 ， 为 5 700 米 ， 但采 用 最 多 的 是 40 300 米 。混 流 式 的 转 轮 一 般 用 低 碳 钢 或 低 合 金 钢 铸 件 ， 或 者 采 用 铸 焊 结 构 。 为 提 高 抗 汽蚀 和 抗 泥 沙 磨 损 性 能 ， 可 在 易 气 蚀 部 位 堆 焊 不 锈 钢 ， 或 采 用 不 锈 钢 叶 片 ， 有 时 也 可 整个 转 轮 采 用 不 锈 钢 。 采 用 铸 焊 结 构 能 降 低 成 本 ， 并 使 流 道 尺 寸 更 精 确 ， 流 道 表 面 更 光 滑， 有 利 于 提 高 水 轮 机 的 效 率 ， 还 可 以 分 别

17、 用 不 同 材 料 制 造 叶 片 、 上 冠 和 下 环 。斜 流 式 水 轮 机 是 瑞 士 工 程 师 德 里 亚 于 1956 年 发 明 ， 故 又 称 德 里 亚 水 轮 机 。 其 叶片 倾 斜 的 装 在 转 轮 体 上 ， 随 着 水 头 和 负 荷 的 变 化 ， 转 轮 体 内 的 油 压 接 力 器 操 作 叶 片 绕 其轴 线 相 应 转 动 。 它 的 最 高 效 率 稍 低 于 混 流 式 水 轮 机 ， 但 平 均 效 率 大 大 高 于 混 流 式 水 轮 机； 与 轴 流 转 桨 水 轮 机 相 比 ， 抗 气 蚀 性 能 较 好 ， 飞 逸 转 速 较

18、低 ， 适 用 于 40 120 米 水头 。由 于 斜 流 式 水 轮 机 结 构 复 杂 、 造 价 高 ， 一 般 只 在 不 宜 使 用 混 流 式 或 轴 流 式 水 轮 机 ，或 不 够 理 想 时 才 采 用 。 这 种 水 轮 机 还 可 用 作 可 逆 式 水 泵 水 轮 机 。 当 它 在 水 泵 工 况 启 动 时， 转 轮 叶 片 可 关 闭 成 近 于 封 闭 的 圆 锥 因 而 能 减 小 电 动 机 的 启 动 负 荷 。 应 用水 泵 水 轮 机 主 要 用 于 抽 水 蓄 能 电 站 。 在 电 力 系 统 负 荷 低 于 基 本 负 荷 时 ， 它 可 用

19、作水 泵 ， 利 用 多 余 发 电 能 力 ， 从 下 游 水 库 抽 水 到 上 游 水 库 ， 以 位 能 形 式 蓄 存 能 量 ； 在 系 统负 荷 高 于 基 本 负 荷 时 ， 可 用 作 水 轮 机 ， 发 出 电 力 以 调 节 高 峰 负 荷 。 因 此 ， 纯 抽 水 蓄 能 电站 并 不 能 增 加 电 力 系 统 的 电 量 ， 但 可 以 改 善 火 力 发 电 机 组 的 运 行 经 济 性 ， 提 高 电 力 系统 的 总 效 率 。 50 年 代 以 来 ， 抽 水 蓄 能 机 组 在 世 界 各 国 受 到 普 遍 重 视 并 获 得 迅 速 发 展 。早

20、期 发 展 的 或 水 头 很 高 的 抽 水 蓄 能 机 组 大 多 采 用 三 机 式 ， 即 由 发 电 电 动 机 、 水 轮 机和 水 泵 串 联 组 成 。 它 的 优 点 是 水 轮 机 和 水 泵 分 别 设 计 ， 可 各 自 具 有 较 高 效 率 ， 而 且 发 电和 抽 水 时 机 组 的 旋 转 方 向 相 同 ， 可 以 迅 速 从 发 电 转 换 为 抽 水 ， 或 从 抽 水 转 换 为 发 电 。 同时 ， 可 以 利 用 水 轮 机 来 启 动 机 组 。 它 的 缺 点 是 造 价 高 ， 电 站 投 资 大 。斜 流 式 水 泵 水 轮 机 转 轮 的

21、叶 片 可 以 转 动 ， 在 水 头 和 负 荷 变 化 时 仍 有 良 好 的 运 行 性 能， 但 受 水 力 特 性 和 材 料 强 度 的 限 制 ， 到 80 年 代 初 ， 它 的 最 高 水 头 只 用 到 136.2 米 (日 本 的 高 根 第 一 电 站 )。 对 于 更 高 的 水 头 ， 需 要 采 用 混 流 式 水 泵 水 轮 机 。抽 水 蓄 能 电 站 设 有 上 、 下 两 个 水 库 。 在 蓄 存 相 同 能 量 的 条 件 下 ， 提 高 扬 程 可 以 缩 小库 容 、 提 高 机 组 转 速 、 降 低 工 程 造 价 。 因 此 ， 300 米

22、以 上 的 高 水 头 蓄 能 电 站 发 展 很 快。 世 界 上 水 头 最 高 的 混 流 式 水 泵 水 轮 机 装 于 南 斯 拉 夫 的 巴 伊 纳 巴 什 塔 电 站 ， 其 单 机 功 率为 315 兆 瓦 ， 水 轮 机 水 头 为 600.3 米 ； 水 泵 扬 程 为 623.1 米 ， 转 速 为 428.6 转 /分 ，于 1977 年 投 入 运 行 。20 世 纪 以 来 ， 水 电 机 组 一 直 向 高 参 数 、 大 容 量 方 向 发 展 。 随 着 电 力 系 统 中 火 电 容量 的 增 加 和 核 电 的 发 展 ， 为 解 决 合 理 调 峰 问 题 ， 世 界 各 国 除 在 主 要 水 系 大 力 开 发 或 扩 建大 型 电 站 外 ， 正 在 积 极 兴 建 抽 水 蓄 能 电 站 ， 水 泵 水 轮 机 因 而 得 到 迅 速 发 展 。为 了 充 分 利 用 各 种 水 力 资 源 ， 潮 汐 、 落 差 很 低 的 平 原 河 流 甚 至 波 浪 等 也 引 起 普 遍 重视 ， 从 而 使 贯 流 式 水 轮 机 和 其 他 小 型 机 组 迅 速 发 展 。