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水轮机讲义
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水轮机概论
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19灯泡贯流式水轮机
第一章灯泡贯流式水轮机的结构；灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一；1．效率高、结构简单、施工方便；贯流式水轮发电机组从进水到出水方向基本上轴向贯通；2．尺寸小；贯流式水轮机有较大的比转速，所以在水头和功率相同；3．土建投资少；贯流式水电站的机组结构紧凑，与同一容量的轴流转桨；4．运行方式多；贯流式水轮机适合作可逆式水轮机运行；5．见效快；贯流式水电
第一章 灯泡贯流式水轮机的结构灯泡贯流式水轮机是贯流式水轮机的主要类型之一。1919年初，美国工程师哈尔扎(Harza)首先提出其设计理念。经过瑞士爱舍维斯公司(Escher Wyss)公司近20年的研究，于1936年研制成功，并开始生产。该水轮机应用水头一般在25m以下，主要应用于潮汐电站，近年来逐渐应用到江河上的低水头电站。贯流式水电站是开发低水头水力资源较好的方式。它与中、高水头水电站和低水头立轴的轴流式水电站相比，具有如下显著的特点。1．效率高、结构简单、施工方便贯流式水轮发电机组从进水到出水方向基本上轴向贯通，不拐弯，流道尺寸大而短，过流通道的水力损失少，效率高，结构简单，施工方便。2．尺寸小贯流式水轮机有较大的比转速，所以在水头和功率相同的条件下，贯流式水轮机的直径要比转桨式水轮机的小10％左右。3．土建投资少贯流式水电站的机组结构紧凑，与同一容量的轴流转桨式机组相比，其尺寸较小，可布置在坝体内，取消了复杂的引水系统，可以减少厂房的建筑面积，减少电站的开挖量和混凝土用量。根据有关资料分析，土建费用可以节省20％～30％。4．运行方式多贯流式水轮机适合作可逆式水轮机运行。由于进出水流道没有急转弯，使水轮机发电和抽水均能获得较好的水力性能。它可应用于潮汐电站，具有双向发电、双向抽水和双向泄排水等6种功能。因此，很适合综合开发利用低水头水力资源。5．见效快贯流式水电站一般比轴流式水电站建设周期短、投资小、收效快、淹没移民少；电站靠近城镇，有利于发挥地方兴建电站的积极性。第一节 贯流式水轮机的分类及简介贯流式水轮机组按总体布置方式的不同可分为以下几种：(1)全贯流式。(2)灯泡贯流式。(3)竖井贯流式。(4)轴伸贯流式。第1页(5)虹吸贯流式。按运行工况不同可分为以下3种：(1)单向贯流式。(2)双向贯流式。(3)可逆贯流式。一般习惯按总体布置方式的不同来分类，而很少按运行工况分类，所以本节按总体布置方式的不同分类，介绍贯流式机组的类型。一、全贯流式水轮机全贯流式水轮机的流道平直，水流可沿轴向一直流过导叶、转轮叶片和尾水管，故称为全贯流式水轮机，也称为直线流动的水轮机――管型水轮机。由于全贯流式发电机转子布置在水轮机转轮的外缘，故称为轮缘贯流式水轮机，如图1―1所示。 世界上第一台贯流式水轮发电机是全贯流式水轮机，由瑞士爱舍维斯(EscherWyss)公司于1937年制造，并安装在德国的莱茵河上。单机容量．为1753kW，转轮直径为2．05m。经过若干次改进，目前单机容量最大的全贯流式机组也是由爱舍维斯公司制造，安装在加拿大的安纳波利斯电站，于1983年投产发电。该机组最大出力达20MW，转轮直径7．6m，最大应用水头7．1m。目前全世界已有100多台这类机组投入运行。由于全贯流式水轮机的发电机密封止水较困难，因此它在世界上应用不多，我国应用得更少。目前正在研制500kW的机组，已通过鉴定。正在运行的机组有1958年哈尔滨工业大学试制的功率为200kW的全贯流式水轮机，该水轮发电机组安装在黑龙江青年水电站：湖北白莲河水库渠首的机组容量为120kW，转轮直径1．2m，最大运行水头5m。全贯流式水轮机的优点是：无传动轴、结构紧凑、便于整装，这可直接放在溢洪道内或大坝溢流段的下部闸墩内。因该机组的发电机布置在过流道以外的宽敞处，所以通风好，检修方便。当发电机布置在轮缘外时，转子飞轮力矩大，运行易于稳定。实际上这类机组的发电机转子和水轮机的转轮已经结合为一体，所以厂房跨度很小，可节省大量土建投资．第二章 灯泡贯流式水轮发电机的结构灯泡贯流式水轮发电机由贯流式水轮机驱动。贯流式水轮机是一种带有固定或可调转轮叶片的轴流式水轮机的特殊型式，它的主要特征是转轮轴线采取水平或倾斜布置，并与水轮机进水管和出水管水流方向一致，整个机组置于水中。贯流式水轮发电机具有结构紧凑、重量轻的优点。发电机总体结构通常采用两支点悬吊型结构，发电机与水轮机共用一根主轴。发电机通风冷却系统通常采用径、轴向混合强迫通风冷却方式。灯泡贯流式水轮发电机主要包括定子、转子、泡头、组合轴承。位于水轮机的上游侧，泡头与定子相连，定子与水轮机座环相连，水轮机座环作为发电机定子及泡头的主要支撑。为增加机组刚度，防止振动，在泡头部分设有辅助支撑。转子为无轴结构，悬垂于水轮机主轴上。第一节 灯泡贯流式水轮发电机定子的结构一、定子结构方式目前，灯泡贯流式机组定子结构采用较普遍的结构方式，定于机座式结构方式和定子贴壁式结构方式。1．定子机座式结构方式该结构方式与一般立式机组相同。发电机定子铁心叠压成形后，通过螺栓将其固定在定子机座上，定子机座再同灯泡体外壁结合在一起，如图2―1所示。
这种结构方式的优点是定子机座机械强度高，运输中变形小，发电机定子安装容易，适用于直径大、发电机采用强迫通风密闭循环、冷却采用空气冷却器的通风冷却方式的发电机。2．定子贴壁式结构方式该结构方式与一般立式机组不同，省去了定子机座，利用灯泡体外壳作为发电机定子机座，要求机座壁与定子铁心接触良好，如图2―2所示。在机座内、外壁表面喷涂一层软质的传热材料，如铜、锡、铝等，使铁心热态膨胀时与机座壁充分贴紧，增加发电机贴壁结构的散热能力。由于定子铁心同灯泡体外壁结合在一起，可充分利用灯泡体的外壁将定子产生的热量直接传散到流道中的河水中，并可减小发电机和灯泡体外壳直径，缩小发电机组灯泡比，进一步优化过流条件，是一种经济、效率高的结构方式。但这种结构方式因定子机座利用了灯泡体外壳，必须加厚灯泡体外壳才能保证其强度和刚度。同时，对定子安装技术也要求较高，对于定子发热后的变形，也要充分考虑。第33页
第三章 灯泡贯流式水轮发电机辅助设备的结构及特点第一节 概 述灯泡贯流式水电站的主体设备为灯泡贯流式水轮发电机组。它的辅助设备有与机组配套的附属设备，如通风冷却系统、调节设备、油系统、压缩空气、技术供水、排水、水力监测设备等，这些辅助设备是为控制机组的启动、并网调整负荷，保持转速恒定、停机润滑、冷却、制动、水力参数的监测和防止飞逸等服务的，因此，辅助设备对保证水电站和水力机组的安全经济运行、机组出力和电能质量等方面起着决定性作用。水电站的容量越大，自动化水平越高，则辅助设备的内容越复杂，其作用也越重要。因此．研究辅助设备对水力机组、水电站及电力系统的影响，探讨各辅助设备系统的结构原理、运行、维护及检修等问题，是水电站动力设备系统技术工作的重要组成部分。第二节 灯泡贯流式水轮发电机的通风与冷却水轮发电机的通风冷却方式与其发电机的结构方式有很大关系。发电机的通风冷却方式必须结合发电机组的结构来讨论。由于灯泡式水轮发电机组的直径小、转速低、λ值又很大，依靠发电机转子所产生的风压较常规水轮发电机低很多，本能满足通风冷却的要求，故不宜采用常规的自通风冷却方式，而需要采用具有外鼓风的强迫循环通风冷却方式。采用空气作第一冷却介质是绝大多数灯泡式发电机首选的冷却方式。空气将发电机产生的损耗带出成为热风，通过水空热交换器(水空冷却器)将空气冷却，冷风通过外鼓风吹入发电机。一、灯泡贯流式水轮发电机的通风方式灯泡贯流式发电机的通风方式通常采用以下3种方式。1．轴向通风方式该方式就是冷风只沿轴向流动，由轴流风机使冷风通过转子支架上的通风孔从上游侧流至转子的下游侧，然后进入发电机定子与转子之间，流经磁极端部、定子支架、磁极间气隙、磁极与定子间气隙、定子冲片齿上通风气隙等，在上游侧端部汇合后，通过空气冷却器进入轴流风机，达到对发电机转子、定子的冷却，完成密封空气的循环，如图3―1所示：这种通风方式的优点是定子铁心无径向通风沟，铁心长度可缩短，适用于定子铁心长度小于1．5m的发电机。第46页 2．轴、径向通风方式该通风方式中，冷风沿发电机轴向、径向都有流动，在发电机定子、转子都设有径向风孔和轴向风沟，如图3―2所示。该方式是利用转子上能够产生径向风压的鼓风作用，加上轴向通风，使冷风比较均匀地在发电机内流动，通风效果较好，适用于定子铁心长度大于1．5m的发电机。 3．径向通风方式径向通风方式中，冷风只沿发电机径向流动对发电机进行冷却，如图3―3所示。这种冷却方式与常规机组一样，主要是利用转子本身的元件(如风扇)产生径向风压，通过定、转子上的径向风孔让冷风流动。它的优点是发电机定子铁心结构简单，适用于转速较高的发电机组。近年来，径向通风方式有较大的发展，即利用转于支臂磁轭和磁极的风扇作用获得较高的负压，再通过磁轭上的径向风沟，将冷风吹入定子铁心，对发电机进行冷却。此方式称为磁轭风沟通风系统，它可以减小或完全省去外加电动鼓风机，提高发电机的效率。第四章 灯泡贯流式水轮发电机组的安装第一节 灯泡贯流式水轮发电机组安装概述灯泡贯流式水轮发电机组是一种卧式水轮发电机组。由于该机型具有库区淹没小、建设时间短、效率高、投资小、收益快等优点而应用逐渐广泛。灯泡贯流式水轮发电机组按桨叶是否能操作可分为转桨式和定桨式两种。转桨式水轮机比定桨式水轮机安装复杂，本章主要介绍转桨式水轮发电机组的安装工艺，其基本的安装流程和方法亦可供定桨式水轮机安装时参考。1．灯泡贯流式机组的基本安装程序灯泡贯流式水轮发电机组因型号、容量、应用水头及生产厂家的不同，结构上有所区别，如单支腿支承、多支腿支承、两轴承结构、三轴承结构等。由于结构不同，安装方法也有所异。同时由于土建进度、设备到货情况、场地条件的不同也会有所变化。但是，灯泡贯流式水轮发电机的基本结构大同小异，安装的程序也基本相同。施工队伍要充分利用施工条件和设备，先进行基础埋设，大部件组装，然后将已组装好的大件按顺序吊人机坑进行安装。贯流式水轮机组的安装大致按以下3部分进行：(1)埋设部分的安装。灯泡贯流式水轮发电机组的埋设部分包括尾水管里衬、外(内)管形壳(座)、灯泡头下支撑基础板、侧向支撑基础板、墩子盖板、发电机吊装孔框架、接力器支墩基础、管路埋设等，如图1―21所示。(2)转动部分的安装。包括水轮机转轮、发电机转子、主轴及主抽内的操作油管等。为了便于安装，将部分非转动部分小部件，如组合轴承、水导轴承、支持环和导水锥等组装在主轴上吊装。(3)非转动部分的安装。包括发电机顶罩(灯泡头、中间环、进入竖井及踏板等)、受油器、定子、支持环、组合轴承、水轮机导轴承、导水机构、转轮室及机组附属设备等。2．灯泡贯流式机组安装的一般要求(1)设备在安装前应进行全面清扫、检查。对重要部件的尺寸及配合公差应进行校核。厂家预装设备，应进行分解检查、清扫并作相关试验。(2)设备组装时，设备分瓣组合面和安装法兰面均应进行清洗、除毛刺、去高点等工作。安装时组合面应按要求涂密封胶，组合面和法兰面间隙用0．05mm塞尺检查，且不能通过。组合面允许有局部间隙，用0．10mm塞尺检查，深度不应超过法兰宽度的1／3，总长不超过周长的20％。连接螺栓和销钉周围不应有间隙。组合缝处安装面错牙不超过0．10mm。定子上、下游端面法兰组装后，应根据实际情况进行水压渗漏试验。第52页(3)M42及以上螺栓应进行仔细检查、清洗及试装。检查螺栓螺纹有无损坏及不良现象，如有损坏，应根据厂家意见进行处理。安装时，细牙螺纹应涂润滑剂。连接螺栓应对称并分次均匀紧固。对有预紧力要求的螺栓，其实际预紧度与设计偏差不得超过+10％。采用热把合工艺紧固的螺栓，应在室温时抽查20％左右。螺栓、螺母、销钉均应按设计要求锁定或点焊牢固。各部件安装定位后，应按设计要求钻销钉孔。包含各类专业文献、中学教育、生活休闲娱乐、应用写作文书、文学作品欣赏、外语学习资料、幼儿教育、小学教育、19灯泡贯流式水轮机等内容。　
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水轮机 - 正文
　　将水流的能量转换为旋转机械能的水力原动机。主要应用于驱动产生电能，为水电站的关键动力设备。 发展简史&　水轮机系由古代的水轮或水车演变而来。1827年法国工程师B.富尔内隆制成 6马力的。1849年经美国工程师J.B.弗朗西斯设计改进形成了现代混流式水轮机，故称为弗朗西斯水轮机。1850年出现冲击式水轮机。到1880年美国工程师L.A.佩尔顿取得水斗型冲击式水轮机的专利，世人称之为佩尔顿水轮机。随着水电开发的进展，水轮机的类型、性能和结构日趋完善。1912年奥地利工程师V.卡普兰设计出第一台转桨，故称为。到20世纪40～50年代又相继出现贯流式和，同时水轮机又发展为，应用于。水轮机的类型已能适应水电开发的不同任务和不同水头的要求。中华人民共和国成立以后，很快建成中国的水轮机制造工业，拥有20多个水轮机制造厂，已生产出2000万kW以上的水轮机装备全国的水电站，并向国外出口。 水轮机分类&　水轮机分为反击式和冲击式两大类。反击式水轮机按转轮区域内水流运动的方向分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。其组成部件有蜗壳(引水室)、导水机构、转轮、尾水管、轴和轴承等。冲击式水轮机按射流冲击水斗的方式不同分为水斗式、斜击式和双击式，后两种仅适用于小型水轮机。其组成部件有喷嘴、转轮、机壳、轴与轴承等。各类水轮机在使用水头、单机容量和尺寸方面的世界最高水平见表。（见彩图） 水轮机&水轮机&水轮机水轮机&水轮机　　混流式水轮机&　水流沿径向进入转轮然后沿轴向自转轮流出的水轮机（图1）。适用水头一般为20～700m，适用水头范围广，结构简单，运行可靠，应用最为广泛。中国制造的最大混流式水轮机安装在青海省龙羊峡水电站,水轮机容量32.65万kW。中国混流式水轮机的最高使用水头为318m，安装在四川省渔子溪一级水电站，水轮机额定出力为4.15万kW。 　　轴流式水轮机&　水流进、出转轮沿轴向流动的水轮机（图2）。轴流式水轮机的转轮没有转环，叶片形如螺旋桨，又可分为转桨式和定桨式。定桨式水轮机的叶片固定，常用于单机容量不大和水头变化幅度不大的电站，适用水头一般为3～70m。转桨式水轮机桨叶可以转动并与的开度相配合。其平均效率比混流式水轮机高，运行稳定,缺点是结构复杂,适用水头一般为3～80m。中国葛洲坝水利枢纽转轮直径 11.3m水轮机是世界上最大尺寸的轴流转桨式水轮机，出力为17.55万kW。陕西省的水轮机最大水头77m，是中国水头最高的转桨式水轮机。 水轮机&水轮机　　斜流式水轮机&　水流经转轮叶片时倾向于轴线某一方向的水轮机（图3）。其叶片可转动，在结构和特性方面介于混流式和轴流式水轮机之间，适用水头一般为40～120m，比轴流式水轮机的适用水头高，比混流式水轮机的平均效率高，对水头、负荷变化的适应性好。缺点是制造工艺复杂，造价高，小型电站不宜采用。中国在1969年制成第一台斜流式水轮机，容量为8800kW。北京市密云水电站抽水蓄能机组水轮机设计出力1.3万kW，是中国最大容量的斜流式水轮机。 水轮机&　流道呈直线状的卧轴水轮机(图4),分为定桨式和转桨式两种。其转轮与轴流式水轮机相似,但效率和过流量比轴流式水轮机大,适用水头一般为3～20m，是开发低水头和潮汐水力资源的新型水轮机。按发电机的布置方式分为全贯流式和半贯流式两种。半贯流式又分为竖井式、轴伸式和灯泡式,其中以应用最广泛。中国的贯流式水轮机自20世纪70年代才开始发展，最大单机容量的灯泡式水轮机为1万kW,而用于潮汐发电的灯泡式水轮机单机容量最大为700kW，安装在温岭县,该机具有双向发电，双向泄水的功能。 水轮机　　水斗式水轮机&　由喷嘴喷射的高速射流沿转轮圆周切线方向冲击水斗的水轮机(图5)。它的转轮是由若干个瓢形水斗固定在轮缘上所组成，适用水头一般为100～1700m。四川省磨房沟二级水电站的1.3万kW容量水轮机是中国制造的最大水斗式水轮机。中国制造的水斗式水轮机最高水头已超过600m。 水轮机工作原理&　不论何种类型的水轮机均系利用水流的能量给叶片的反力推动转轮作功，以达到能量转换的目的。水流传递给水轮机的功率为9.81QHzs其中Q为通过水轮机的流量；H为有效水头;ηs为水轮机水力效率。水轮机得到的功率为Mω（M为水流对转轮的作用力矩,ω为角速度）。水轮机基本方程式为： 式中 g为重力加速度；v1、v2分别为水流进入和流出转轮时的绝对速度；u1、u2分别为转轮进口、出口的旋转速度；α1、α2分别为水流进入和流出转轮时的绝对速度与圆周分速度的夹角。在设计水轮机转轮的通流部分时应遵循这一基本方程式。 　　反击式水轮机利用水流的压能（位能）和动能，水流经过转轮叶片时受叶片的作用而改变压力与流速的大小和方向，而对转轮叶片产生反作用，形成转轮的使水轮机工作。冲击式水轮机利用水流的动能，通过喷嘴把高压水流全部转化为动能以高速射向转轮叶片而使转轮旋转。 水轮机基本参数&　反映水轮机工作过程的特性，有以下参数：①工作水头即作用在水轮机上作功的有效水头,以m计。水轮机设计水头指水轮机发出额定功率时的最低水头。②流量即单位时间内通过水轮机的水流体积，以m3 /s计。在设计水头、额定转速下发出额定功率时通过水轮机的流量称为额定流量。③轴功率指水轮机立轴输出的机械功，以kW计。轴功率随工作水头而变化，在设计水头、额定流量、额定转速下水轮机输出的轴功率称为额定功率。④效率指轴功率与水流在单位时间内输入水轮机的能量之比。⑤转速指水轮机在单位时间内旋转的次数,以r/min计。⑥转轮直径是水轮机最主要的代表性尺寸。对不同类型水轮机的转轮标称直径有统一规定。中国规定的标称直径见图1～图5中所示D1。⑦是反击式水轮机的转轮叶片上压力最低点到下游水位的高程差，又称静态真空，常用符号Hs表示。在电站设计中按允许的Hs值和电站下游水位确定水轮机的安装高程。 模型试验&　水轮机内水流运动十分复杂，计算理论至今还不完善。水轮机水力部件设计时除进行理论计算外,还应进行模型水力试验,得出模型转轮的能量和空蚀特性，然后推算原型水轮机的参数。模型是根据水流条件与原型水轮机几何相似按比例缩小制成。具有几何相似而尺寸不同的转轮的水轮机组成一个水轮机系列。同系列转轮的能量、空蚀等水力特性相同。 水轮机的选择&　由于河流自然条件不同，每个水电站都有一定的水头和流量，而且参加电网运行的要求也不同，因此需要根据电站的具体情况，经过技术经济比较并与制造部门联系,合理选择水轮机的类型和参数,优选效率高、抗空蚀性能好、运行安全可靠、尺寸小、造价低的水轮机。 发展趋势&　提高水轮机的比转速，增强抗汽蚀性能，扩大单机容量和各类水轮机适用的水头范围，在结构、工艺、材料和强度、水力计算方面进一步改进，以提高水轮机运行的可靠性，减少金属耗量，降低造价。 参考书目 程良骏主编:《水轮机》,机械工业出版社,北京,1981。 　H.M.沙波夫著，、徐纪方译：《水电站的水轮机设备》,中国工业出版社,北京，1964。
水轮机的两大部件&& 引水室和导水机构是的两大部件。 && 引水室是水流进人水轮饥的第一个部件，通过它将水引向导水机构并进入转轮区，在水轮机上工作对引水室提出下列基本要求： &&(1)尽可能减少在引水室中的水力损失以提高水轮机效率：水轮机
&&(2)保正导水机构周围的进水流量均匀，水流呈轴对弥，使水轮机四周受水流的作用力均匀，以便提高水轮机运行的稳定性： & (3)水流在进入导水机构前直具有一定的旋转，以保证水轮机正在水轮机的主要工况下导叶处在不大的冲角下被绕流； &&(4)有合理的断面尺寸及形状，以降低电站厂房投资及便于电站辅助设备的布置 &&& 显然，上述各项要求之间是有矛盾的，例如要使水力损失小就须增大引水室的尺寸，而增犬尺寸艾会使厂房投资增加！因此，对上述各项要求应作统一，全 而触考虑&
水轮机 - 配图
&冲击式水轮机（驰骋水轮机）
水轮机 - 相关连接
读懂水轮机的牌号 -------------------------------------------------------------------------------- 根据我国JBB84－74"水轮机型号编制规则"规定，水轮机牌号由三部分组成，每一部分之间用"－"分开。第一部分的符号是该水轮机型式的汉语拼音的第一个字母，阿拉伯数字表示该水轮机的特征比转速。第二部分由两个汉语拼音字母组成，前一个表示水轮机主轴的布置型式，后一个表示引水室特征。第三部分是以厘米为单位的转轮标称直径。(比如我厂生产的轴流式ZDK283-LMY-60 ZD560a-LMY-120 混流式HL260-WJ-71 HL160-WJ-84 冲击式CJ237-W-110/1*11等等)
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轴流式水轮机叶片进水边形状对其性能的影响
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