水輪機(jī)技術(shù)講課內(nèi)容

1、水輪機(jī)技術(shù)講課內(nèi)容陳發(fā)軍一、 水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理1、水輪機(jī)的基本參數(shù)工作水頭：H是指水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面處單位重量水體的能量差（也稱比能差），單位是米（m）。(我廠的設(shè)計(jì)水頭為120m，最低水頭為94.2m，最高水頭為134.2m，平均水頭為126.1m)流量：Q是指單位時(shí)間內(nèi)，通過水輪機(jī)某一既定過流斷面的水量，單位是m3/s。(我廠的設(shè)計(jì)流量為203m3/s)出力：N=9.81QH是指單位時(shí)間內(nèi)，水輪機(jī)主軸所輸出的功，單位是千瓦（Kw）。(我廠水輪機(jī)的額定功率為21.43萬千瓦)效率：=102N/rQH 它等于水輪機(jī)出力N與輸入水輪機(jī)的水流出力9.81QH之比。(我廠水輪機(jī)最高效率91.5

2、%)轉(zhuǎn)速：n=60f/p是指水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，單位是轉(zhuǎn)/分（r/min）直徑D：混流式水輪機(jī)標(biāo)稱直徑指葉片進(jìn)口邊最大直徑。2、水輪機(jī)的基本類型和適應(yīng)水頭水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)換為水輪機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的一種水力原動(dòng)機(jī)。根據(jù)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換水流能量的不同方式，水輪機(jī)又分為反擊型和沖擊型兩大類：反擊型水輪機(jī)包括混流式、軸流式、斜流式、貫流式和可逆式；沖擊型水輪機(jī)有水斗式等?；炝魇胶拓灹魇剿啓C(jī)又各分為轉(zhuǎn)漿式和定漿式；可逆式水輪機(jī)又分為混流式可逆式、斜流可逆式和貫流可逆式。反擊型水輪機(jī)是利用葉片與水流的反作用原理而工作的。主要以利用水流的壓能為主，利用水流的動(dòng)能為輔，進(jìn)行水力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換。沖擊型水

3、輪機(jī)是利用水流的動(dòng)能既將射流的沖擊動(dòng)能通過斗葉轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪的機(jī)械能?；炝魇剿啓C(jī)一般適用水頭范圍為幾十米到幾百米。軸流式水輪機(jī)一般適用水頭范圍為幾米到幾十米，超過50米的都很少，它屬于低水頭水輪機(jī)。斜流式水輪機(jī)一般適用水頭范圍為40200米，位于中、低水頭之間。貫流式水輪機(jī)一般適用水頭范圍為230米，也屬于低水頭水輪機(jī)。水斗式水輪機(jī)一般適用水頭范圍為幾百米到一、二千米。屬于高水頭水輪機(jī)。3、水輪機(jī)的型號(hào)我國水輪機(jī)產(chǎn)品的型號(hào)由三部分組成，各部分之間以一短橫線相連系，除數(shù)字部分外，符號(hào)均用有關(guān)的漢語拼音（大寫）字母來表示。第一部分為水輪機(jī)型式和轉(zhuǎn)輪型號(hào)，型號(hào)采用阿拉伯?dāng)?shù)字，它代表該轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速n；第

4、二部分為水輪機(jī)主軸的布置型式和引水室的特征；第三部分為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的標(biāo)稱直徑以及其他必要數(shù)據(jù)。表1-1水輪機(jī)型式代表符號(hào)主軸的布置型式和引水室的特征代表符號(hào)混流式HL立 軸L軸流轉(zhuǎn)漿式ZZ臥 軸W軸流定漿式ZD金屬蝸殼J斜流式XL混凝土蝸殼H沖擊（水斗）式CJ燈泡式P貫流轉(zhuǎn)漿式GZ明槽式M貫流定漿式GD罐 式G可 逆 式N豎井式S雙 擊 式SJ虹吸式X（1）我廠HL638LJ520表示混流式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪型號(hào)為638，立軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪的標(biāo)稱直徑為520CM。（2）ZZ560LH1130表示軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪型號(hào)為560，立軸，混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪的標(biāo)稱直徑為1130CM。以上講的是已列入轉(zhuǎn)輪型

5、譜的水輪機(jī)型號(hào)。對(duì)于暫未列入型譜的轉(zhuǎn)輪，常采用帶有廠家代號(hào)的序號(hào)，如A 代表哈爾濱電機(jī)廠，D代表東方電機(jī)廠，T代表天津發(fā)電設(shè)備廠等。如：HLA06、HLD06等。二、 混流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和作用 混流式水輪機(jī)主要由引水機(jī)構(gòu)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)和泄水機(jī)構(gòu)四大部分組成。1、引水機(jī)構(gòu)的作用：將引水室或壓力鋼管的水流均勻地引入水輪機(jī)的導(dǎo)水結(jié)構(gòu)，并使之進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，以減少水力損失、提高水輪機(jī)的效率。部件有：引水室或壓力鋼管、蝸殼。2、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用與型式：導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用：使進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前的水流形成環(huán)量，并可改變水流的入射入角度；當(dāng)外界負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，用它來調(diào)節(jié)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的流量；正常與事故停機(jī)時(shí)用它來截?cái)噙M(jìn)入水輪機(jī)的

6、水流。反擊式水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)按其導(dǎo)葉軸線的布置位置，可分為三種型式：（1）圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)：導(dǎo)葉的軸線布置在以機(jī)組中心線為中心圓柱面上（導(dǎo)葉軸線與機(jī)組中心線平行）。這種導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，被廣泛應(yīng)用于反擊式水輪機(jī)中。（2） 圓錐式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)：導(dǎo)葉軸線與機(jī)組中心線成某一錐角。這種導(dǎo)水機(jī)構(gòu)一般應(yīng)用于燈泡式和斜流式水輪機(jī)中。（3） 徑向式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)：這種導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的導(dǎo)葉軸線與機(jī)組中心線相垂直。主要應(yīng)用于全貫流式水輪機(jī)。3、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的組成與作用：圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要由操縱機(jī)構(gòu)（推拉桿、接力器及鎖定裝置等）、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（拐臂、控制環(huán)、雙聯(lián)臂等）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（導(dǎo)葉及軸套等）和支撐機(jī)構(gòu)（頂蓋、底環(huán)等）四大部分組成

7、。（1） 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)之操縱機(jī)構(gòu)的作用是：在壓力油的作用下，克服導(dǎo)葉的水力 矩及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦力矩，形成對(duì)導(dǎo)葉在各種開度下的操縱力矩。（2） 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)之傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是；將操縱機(jī)構(gòu)的操作力矩傳遞給導(dǎo)葉軸并使之轉(zhuǎn)動(dòng)。（3） 支撐機(jī)構(gòu)頂蓋的作用是：與底環(huán)一起構(gòu)成過流通道；防止水流上溢；支撐導(dǎo)葉、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及機(jī)組的操縱機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軸承和其他附屬裝置等等。（4） 支撐機(jī)構(gòu)底環(huán)的作用是：與頂蓋一起構(gòu)成過流通道；安裝導(dǎo)葉下部軸套，用螺栓將其把合在座環(huán)的下環(huán)上。4、工作機(jī)構(gòu)和泄水機(jī)構(gòu)的組成和作用（1） 轉(zhuǎn)輪的作用是：充分將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能并通過水輪機(jī)主軸傳遞給發(fā)電機(jī)主軸和轉(zhuǎn)子。（2） 轉(zhuǎn)輪的組成及各部件的作用：

8、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪主要由上冠、葉片、下環(huán)、泄水錐、減壓裝置和止漏裝置等六部分組成。上冠的主要作用：上部連接水輪機(jī)主軸，下部支撐葉片并與下環(huán)一起構(gòu)成過流通道。葉片：是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪實(shí)現(xiàn)水能轉(zhuǎn)換的核心，它對(duì)水輪機(jī)的性能起著決定性的作用。葉片的光潔度、波浪度、尺寸、形狀和厚度是否均勻、合理，符合設(shè)計(jì)要求，將對(duì)水輪機(jī)的性能產(chǎn)生不同程度的影響。下環(huán)的作用是：將轉(zhuǎn)輪的葉片連成整體，以增加轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度和鋼度，并以上冠一起形成過流通道。泄水錐的作用是：引導(dǎo)經(jīng)葉片流道流出的水流迅速而又順暢地向下渲泄，防止水流相互撞擊，以減少水力損失，提高水輪機(jī)效率。止漏裝置的作用是：減少轉(zhuǎn)輪上、下轉(zhuǎn)動(dòng)間隙的漏水量。減壓裝置的作用是：減

9、少作用在轉(zhuǎn)輪上冠的軸向水推力，以減輕推力軸承的負(fù)荷。5、埋設(shè)部件的結(jié)構(gòu)和作用（1） 蝸殼的作用：使進(jìn)入導(dǎo)葉以前的水流形成一定的旋轉(zhuǎn)并對(duì)稱地、均勻地將水流引入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。（2） 蝸殼的類型：按構(gòu)成材料分有金屬蝸殼、混凝土蝸殼及鋼板鋼筋混凝土蝸殼等。當(dāng)水輪機(jī)的應(yīng)用水頭H>40m時(shí)，多采用金屬蝸殼。當(dāng)H=40200m左右的大、中型水輪機(jī)，多采用鋼板焊接蝸殼。當(dāng)H>200m時(shí)采用鑄鋼蝸殼。（3）座環(huán)的作用：是承受整個(gè)機(jī)組及其上部混凝土的重量以及水輪機(jī)的軸向水推力；以最小的水力損失將水流引入導(dǎo)水結(jié)構(gòu)；機(jī)組安裝時(shí)以它為基準(zhǔn)。所以，座環(huán)既是承重件，又是過流件，也是基準(zhǔn)件。座環(huán)通常由上、下環(huán)和固定導(dǎo)

10、葉三大部分組成。（4）基礎(chǔ)環(huán)的作用：是在機(jī)組安裝時(shí)放置座環(huán)，作為座環(huán)的基礎(chǔ)；在水輪機(jī)安裝及檢修時(shí)，用來放置轉(zhuǎn)輪。 它的上法蘭與座環(huán)下環(huán)相連接，下法蘭與尾水的錐管里襯上口相連接。（5） 尾水管的作用：將經(jīng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水流經(jīng)尾水管排至下游河床，以減少水頭損失，并提高水輪機(jī)的效率。有直錐型和彎曲型兩種類型，大、中型反擊式機(jī)組采用彎曲型尾水管。它由進(jìn)口錐管、肘管和出口擴(kuò)散段組成。肘管里襯由進(jìn)口的圓形斷面漸變過渡到出口矩形斷面。6、水導(dǎo)軸承的作用和類型（1） 水導(dǎo)軸承的作用是：承受機(jī)組在各種工況下運(yùn)行時(shí)，通過主軸傳來的徑向力；維持已調(diào)好的軸線位置。按潤(rùn)滑劑的不同導(dǎo)軸承主要分為水潤(rùn)滑橡膠瓦導(dǎo)軸承和油潤(rùn)滑的

11、烏金瓦導(dǎo)軸承。烏金瓦導(dǎo)軸承又分為稀油自循環(huán)分塊瓦導(dǎo)軸承和筒式導(dǎo)軸承等。潤(rùn)滑油的自循環(huán)過程：軸領(lǐng)帶動(dòng)潤(rùn)滑油旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，形成一定的油的動(dòng)壓頭，使油進(jìn)入軸領(lǐng)下部油孔，一部分油進(jìn)入瓦間，一部分油進(jìn)入軸瓦與軸領(lǐng)的間隙，從瓦側(cè)及其上部流出的熱油向外流，經(jīng)頂瓦螺釘孔轉(zhuǎn)向軸承體空洞向下，通過冷卻器降溫后向里（對(duì)流作用），再經(jīng)軸領(lǐng)進(jìn)油孔向上，如此反復(fù)循環(huán)，從而達(dá)到潤(rùn)滑、冷卻軸瓦的目的。7、水輪機(jī)密封裝置的作用（1） 工作密封的作用：是有效地阻擋水流從主軸與頂蓋之間的間隙上溢，防止水輪機(jī)導(dǎo)軸承及頂蓋被淹，以維持軸承和機(jī)組的正常運(yùn)行。（2） 檢修密封的作用：當(dāng)尾水位的高程高于水輪機(jī)導(dǎo)軸承的下部高程、且軸

12、承或主軸密封檢修時(shí)，防止水流上溢。水輪機(jī)保護(hù)裝置的作用和機(jī)組振動(dòng)一、 水輪機(jī)保護(hù)裝置的作用1、 事故配壓閥：調(diào)速器中裝設(shè)事故配壓閥（又叫過速限制器）是防止水輪機(jī)長(zhǎng)期在飛逸轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的有效措施。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，事故配壓閥僅作為壓力油的通道，使調(diào)速器主配壓閥通至接力器的管道接通；當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷又遇調(diào)速器系統(tǒng)故障時(shí)，事故配壓閥動(dòng)作，迅速切斷主配壓閥與接力器的聯(lián)系，而直接把壓力油次油壓裝置接入接力器，使接力器快速關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的緊急停機(jī)，以縮短機(jī)組過速時(shí)間，起到對(duì)水輪機(jī)的保護(hù)作用。2、 快速閘門或蝴蝶閥（球閥）：在水輪機(jī)前面裝設(shè)快速閘門或蝴蝶閥（球閥）是防止飛逸的有效措施。中、低水頭電站一般裝設(shè)平板式快

13、速閘門或蝴蝶閥；高水頭電站一般裝球閥。當(dāng)機(jī)組過速達(dá)額定轉(zhuǎn)速的140%時(shí)，關(guān)閉快速閘門或蝴蝶閥（球閥），截?cái)嗨?，使機(jī)組停機(jī)，以縮短機(jī)組在過速或飛逸轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行時(shí)間，起到對(duì)水輪機(jī)的保護(hù)作用。3、 剪斷銷：剪斷銷保護(hù)裝置由剪斷銷及其信號(hào)器組成。在水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，連接板與導(dǎo)葉臂之間是通過剪斷銷連接在一起的。正常情況下，導(dǎo)葉在動(dòng)作過程中，剪斷銷有足夠強(qiáng)度帶動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，但當(dāng)某導(dǎo)葉間有異物卡住時(shí)，導(dǎo)葉軸和導(dǎo)葉臂都不能動(dòng)了，而導(dǎo)葉臂在連接板的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，因而對(duì)剪斷銷產(chǎn)生剪切，當(dāng)該剪切應(yīng)力增加到正常操作應(yīng)力的1.5倍時(shí)，剪斷銷首先被剪斷，使該導(dǎo)葉脫離控制環(huán)，而其他導(dǎo)葉仍可正常轉(zhuǎn)動(dòng)，以保護(hù)導(dǎo)葉不受損

14、壞，避免事故擴(kuò)大。同時(shí)，剪斷銷剪斷后，立即發(fā)出剪斷銷剪斷信號(hào)告訴運(yùn)行人員或機(jī)組自動(dòng)停機(jī)，以達(dá)到的對(duì)機(jī)組部件保護(hù)的目的。4、 真空破壞閥：真空破壞閥的主要作用是當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷或因其他故障緊急停機(jī)，導(dǎo)葉迅速關(guān)閉時(shí)，水流由于慣性作用繼續(xù)向下游流去，在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)產(chǎn)生很大真空，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)尾水在壓差的作用下，尾水流水又向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)返回，沖擊轉(zhuǎn)輪葉片及頂蓋等部件。由于水擊的作用產(chǎn)生很的的沖擊力，出現(xiàn)抬機(jī)現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)使機(jī)組出現(xiàn)破壞性的重大事故。真空破壞閥就是用來補(bǔ)氣，破壞尾水管內(nèi)的真空，以起到對(duì)水輪機(jī)的保護(hù)作用。二、水輪機(jī)組振動(dòng)1、 水輪機(jī)振動(dòng)的原因水輪機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)是常見的現(xiàn)象，但不允許超過規(guī)定的允許振動(dòng)值。表

15、 立式機(jī)組各部允許雙振幅值序號(hào) 測(cè)量部位額定轉(zhuǎn)速（r/min）100及以下100250250325325750振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值（mm）1帶推力軸承支架的水平及垂直振動(dòng)0.140.120.100.082帶導(dǎo)軸承支架的水平振動(dòng)0.140.120.100.083定子鐵芯部分外殼水平振動(dòng)0.040.030.020.02水輪機(jī)運(yùn)行過程中振動(dòng)過大會(huì)影響正常工作，輕則運(yùn)行不穩(wěn)定，重則引起機(jī)組和廠房的損壞，因此查清水輪機(jī)振動(dòng)的原因，針對(duì)不同情況，采取不同的減振措施，對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和延長(zhǎng)其壽命具有重要意義。運(yùn)行實(shí)踐證明，水輪機(jī)振動(dòng)是由機(jī)械、水力和磁力等因素引起的。（1）、機(jī)械方面的因素有： 1）、由于主軸彎曲

16、或撓曲、推力軸承調(diào)整不良、軸承間隙過大、主軸法蘭連接不緊和機(jī)組中心不準(zhǔn)引起空載低轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)。2）、因轉(zhuǎn)輪等旋轉(zhuǎn)部件與靜止件相碰而引起振動(dòng)激烈并有伴聲響。3）、轉(zhuǎn)動(dòng)部分（轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)子）重量不平衡引起的，隨速度上升振動(dòng)增大而與負(fù)荷無關(guān)，這是常見的。這類振動(dòng)的特點(diǎn)是振動(dòng)頻率與水輪機(jī)轉(zhuǎn)頻一致，發(fā)電機(jī)上、下機(jī)架及導(dǎo)軸承體橫向振動(dòng)的振幅與轉(zhuǎn)速的平方成正比。對(duì)于機(jī)械原因引起的振動(dòng)，作用查清振動(dòng)原因，采取相應(yīng)的措施，如通過動(dòng)平衡試驗(yàn)，采取對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行配重，調(diào)整軸線或調(diào)整軸瓦間隙等方法，就能消除。（2）、水力方面的原因有：1）、尾水管中水流渦帶所引起的壓力脈動(dòng)誘發(fā)的水輪機(jī)振動(dòng)?；炝魇剿啓C(jī)在偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)

17、，尾水管中將出現(xiàn)渦帶，由此引起水輪機(jī)振動(dòng)，并伴聲響，常發(fā)生在30%60%額定負(fù)荷范圍內(nèi)。強(qiáng)烈的渦帶可能引起廠房振動(dòng)；若由渦帶引起的尾水管中的低頻壓力脈動(dòng)頻率與引水管固有頻率接近，則可能引起引水管強(qiáng)烈振動(dòng)；如果壓力脈動(dòng)的頻率和水輪機(jī)的轉(zhuǎn)頻接近，則可能引起功率擺動(dòng)。消除渦帶引起的振動(dòng)，常采用在轉(zhuǎn)輪出口附近的尾水管上部裝十字架補(bǔ)氣裝置，或軸心補(bǔ)氣，或加長(zhǎng)泄水錐等方法。2）、卡門渦列引起的振動(dòng)。當(dāng)水流流經(jīng)非線性型障礙物時(shí)，在其后面尾流中分裂出一系列變態(tài)漩渦，既所謂卡門渦列。這種渦列交替地作順時(shí)針或反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在其不斷形成與消失過程中，會(huì)在垂直于主流方向引起交變的振動(dòng)。當(dāng)卡門渦列的頻率與葉片固有頻率接近時(shí)，葉片動(dòng)應(yīng)力急劇增大，有時(shí)發(fā)出響聲，甚至使葉片根部振裂?？ㄩT渦列一般發(fā)生在50%額定出力以上的某種工況。消除卡門渦列引起的振動(dòng)一般是將葉片的出水邊改型，使正背兩面構(gòu)成的交流漩渦抵消或削弱；同時(shí)提高卡門渦列的振動(dòng)頻率，使其遠(yuǎn)離葉片自振頻率，避免共振。3）、轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)間隙不均勻引起的振動(dòng)。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)遭磨損（橢圓）或檢修后機(jī)組中心偏差，造成轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)間隙過大或過小，使止漏環(huán)間隙內(nèi)壓力和和徑向水推不均勻，引起轉(zhuǎn)輪偏心變大和振動(dòng)。（3）、磁力方面的原因有： 1）、由于機(jī)組轉(zhuǎn)子與定子之間的空氣間隙不均勻，使機(jī)組在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生磁力不平衡，造成機(jī)組振動(dòng)。 消除的辦法