水力發(fā)電原理及水電站類型

第一章 水力發(fā)電原理基礎(chǔ) 水力發(fā)電的原理基礎(chǔ) 水電站的類型 水輪機的主要類型 水輪機的型號和裝置形式 水輪機的基本工作參數(shù) 水輪機的工作原理 水 電 站 水電站是將水能轉(zhuǎn)換成水輪旋轉(zhuǎn)的機械能， 再由發(fā)電機最終將旋轉(zhuǎn)的機械能轉(zhuǎn)換成電能 的場所。 在水力發(fā)電的過程中，為了實現(xiàn)電能的連續(xù) 產(chǎn)生需要修建 一系列水工建筑物。 包括：進(jìn) 水、引水、廠房、排水等，安裝水輪發(fā)電機 組及其附屬設(shè)備的廠房和變電站，總體稱為 水電站。 水電站是水、機、電的綜合體 。 一、水力發(fā)電的概念 水力發(fā)電 :利用河流中蘊藏的水能來生產(chǎn)電 能。 在天然河流上，修建水工建筑物，集中水 頭，通過一定方式將 “ 載能水 ” 輸送到水 輪機中，使： 水能 水輪機旋轉(zhuǎn)的機械能 帶動發(fā)電機組 發(fā)電 輸電線路 用戶。 水輪發(fā)電機組裝置原理圖 建壩 蓄水 發(fā)電 電站 水力發(fā)電的轉(zhuǎn)換過程 天然水能 可利用水能 旋轉(zhuǎn)機械能 電能 建筑物和設(shè)備 水輪機 發(fā)電機 水利系統(tǒng) 機電系統(tǒng) 水力發(fā)電的幾個要素 N 水電站裝機容量或水輪機的功 率 Q 通過水輪機的流量 H 水輪機的水頭 水輪機的效率 QHN 81.9 （一）水力發(fā)電特點 優(yōu)點： 不耗燃料，成本低廉 水火互濟，調(diào)峰靈活 綜合利用，多方得益 取之不盡，用之不竭 環(huán)境優(yōu)美，能源潔凈 （一）水力發(fā)電特點 缺點： 受自然條件限制； 一次性投資大，移民多，工期長； 事故后果嚴(yán)重； 大型工程對環(huán)境、生態(tài)影響較大。 （二）我國水電事業(yè)的發(fā)展 1. 我國的水能資源狀況 水能資源是河川徑流所具有的天然資源、 是能源的重要組成部分。 國家發(fā)展改革委 2005年發(fā)布的全國水力資 源復(fù)查結(jié)果，我國水電資源理論蘊藏量年 電量 6.08萬億千瓦時，理論蘊藏量裝機 6.94億千瓦；技術(shù)可開發(fā)裝機 5.42億千瓦， 技術(shù)可開發(fā)年電量 2.47萬億千瓦時；經(jīng)濟 可開發(fā)裝機 4.02億千瓦，經(jīng)濟可開發(fā)年電 量 1.75萬億千瓦時。 特點一：總量豐富，開發(fā)不足 可開發(fā)總量世界第一，占世界總量 16.7。 到 2008年底，水電裝機容量達(dá)到了 1.65億千瓦， 按技術(shù)可開發(fā)量計算占可開發(fā)量 30%，低于發(fā)達(dá)國 家 60的平均水平。 東部，已開發(fā) 70%以上 (可開發(fā)的大型水電站只 剩下 3座，共 1610MW， 即浙江攤坑電站 (600MW， 目前在建 )、 大均電站 (46萬 kW)和福建街面電站 (30 萬 kW)； 西部，開發(fā)率僅 7.5% 大有可為！ 2. 我國水能資源的特點 特點二：地區(qū)分布不均，與經(jīng)濟發(fā)展不匹配 東部地區(qū) (13個省市 )水 電資源占全國總量的 8%， 中部地區(qū) (6個省 )占 11%， 而西部地區(qū) (12個省、市、 自治區(qū) )高達(dá) 81 ； 但 51用電量在東部。 雅魯藏 布江 西電東送 地 區(qū) 水能蘊藏量 可能開發(fā)的水能資源 裝機 容量 (MW) 年發(fā) 電量 億 (kW. h/a) 占全 國比 重 (%) 裝機 容量 (MW) 年發(fā) 電量 (億 kW.h/ a) 占全 國 比重 (%) 華北 1229 9.3 1077. 4 1.8 691.98 232.25 1.2 東北 12126.6 1062.3 1.8 1199.45 383.91 2.0 華東 30048.8 2632.3 4.4 1790.22 687.94 3.6 中南 64083.7 5613.8 9.5 6743.49 2973.65 15.5 西南 473312 41462.1 70.0 23234.33 13050.36 67.8 西北 84177 7373.9 12.5 4193.77 1904.93 9.9 全 國 6760 47 5922 1.8 100. 0 37853. 24 19233. 04 100.0 年內(nèi)降雨集中在汛期； 年際間江河來水量變化大。 特點三：江河來水量時間分布不均 汛期 70% 30% 非汛期 須建設(shè)（年調(diào)節(jié)、多年調(diào) 節(jié)）大型水庫。 特點四：我國水電資源相對集中在一些高山 大河地區(qū)，不少水電站的裝機容量超過 1000MW。 三峽 (長江 ) 1820萬 kW， 溪落渡 (金沙江 ) 超 過 1000萬 kW。 雅魯藏布江下游的墨脫電站， 計劃開鑿 35km長的隧洞，引水 2000m3/s以 上，落差可超過 2000m， 電站裝機可達(dá) 4500 萬 kW。 大型電站，水頭高、單機容量大，帶來很多 技術(shù)難題，且淹沒損失大，移民數(shù)量多。 （三）我國水電開發(fā)狀況 我國水電開發(fā)有三大特點： 1、成績很大。 突出表現(xiàn)在以下三方面： 水電裝機容量躍居世界第一 。 水電建設(shè)技術(shù)已具世界水平。 初步建立了適應(yīng)市場經(jīng)濟的、有中國特色 的水電開發(fā)和建設(shè)機制。 2. 困難不少 制約水電發(fā)展的五個問題 生態(tài)環(huán)境問題 上網(wǎng)電價 法律法規(guī)還不健全 移民問題 地震問題 3. 機遇難得 : 今后 15 20年是水電建設(shè)的良好機遇期 西部大開發(fā)戰(zhàn)略的機遇 東部：水能資源占 6，開發(fā)率大于 70； 西部：水能資源占 78%，開發(fā)率僅 8。 實施“西電東送”，變資源優(yōu)勢為經(jīng)濟優(yōu)勢。 全面建設(shè)小康社會對電力的要求； 符合電力工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃，提供清潔、優(yōu)質(zhì)電能； 可再生能源法 確認(rèn)水能為可再生能源； 京都議定書 ： 溫室氣體減排； 當(dāng)前我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，投資環(huán)境良好。 我國的能源概況與水電建設(shè) 能源結(jié)構(gòu) ：“煤為基礎(chǔ)、多元發(fā)展”； 煤炭為主體、電力為中心，油氣、新能源全面展； 提高煤炭利用效率和清潔性。 需求預(yù)測 ：全面建設(shè)小康社會： 2020年 GDP翻兩番， 預(yù)測電力需求 9.2億 kW，估計水電達(dá) 2.3億 kW，每年需 新增近千萬 kW。 發(fā)展戰(zhàn)略 ：“大力開發(fā)水電，優(yōu)化發(fā)展煤電，積極推 進(jìn)核電，適度發(fā)展天然氣發(fā)電，鼓勵新能源發(fā)電”（電 力工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃）。 （ 四 ） 我國水電事業(yè)發(fā)展設(shè)想 三峽水利樞紐 三峽水利樞紐 三峽工程采用“一級開發(fā)，一次建成，分期蓄水，連續(xù)移民” 方案。大壩為混凝土重力壩，壩頂總長 3035m， 壩頂高程 185m， 正常蓄水位 175 m， 總庫容 393 億 m3，其中防洪庫容 221.5億 m3。 裝機容量 1820萬 kW， 26 70萬 kW， 年均發(fā)電量 849億度。泄洪 壩段每秒泄洪能力為 11萬 m3/s， 左岸通航建筑物，年單向通過能 力 500萬 t。 雙線五級船閘，可通過萬噸級船隊；單線一級垂直升 船機，可快速通過 3000t級客貨輪。 三峽工程竣工后，將發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運、養(yǎng)殖、旅游、 保護(hù)生態(tài)、凈化環(huán)境、開發(fā)性移民、南水北調(diào)、供水灌溉等十大 效益，是世界上任何巨型電站都無法比擬的！ 三峽水利樞紐 世界施工難度最大的水利工程。 2000年砼澆筑量為 548.17萬立方米，月澆筑量最高達(dá) 55萬立方米。 施工期流量最大的水利工程。 三峽工程截流流量 9010 立方米 /秒，施工導(dǎo)流最大洪峰流量 7.9萬立方米 /秒 世界泄洪能力最大的泄洪閘。 最大泄洪能力 10.25萬立 方米 /秒。 世界規(guī)模最大、難度最高的升船機。 世界水庫移民最多、 工作量最為艱巨的移民建設(shè)工程 三峽工程水庫動態(tài)移民最終可達(dá) 113萬 。 小浪底水利樞紐 小浪底水利樞紐 小浪底水利樞紐位于河南省洛陽市以北 40km的黃 河干流上，是以防洪為主，兼顧防凌、減淤、灌溉和 發(fā)電綜合利用的一座特大型工程。工程由大壩、泄洪 建筑物及發(fā)電系統(tǒng)組成。大壩為粘土斜心墻堆石壩， 壩頂長 1667m， 最大壩高 154m， 庫容 126.5億 m3， 泄水 建筑物包括集中布置的 10座進(jìn)水塔， 9條泄洪排沙隧 洞、一個正常溢洪道和三個消力塘組成；發(fā)電系統(tǒng)由 6條引水隧洞和一座地下廠房、主變室、尾閘室及三 條尾水洞組成。總裝機容量 6 30萬千瓦，多年平均 發(fā)電量 51億度。 新安江水電站 新安江水電站 新安江水電站位于錢塘江支流新安江上， 浙江省建德縣境內(nèi)，由中國自己設(shè)計、施工， 自制設(shè)備，自行安裝的第一座大型水電工程。 電站以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運等 綜合利用效益，電站裝機容量 662.5MW， 保 證出力 178MW， 多年平均年發(fā)電量 18.6億 KWh， 以 220KV和 110KV高壓輸電線路各 4 回接入華東電力系統(tǒng)。大壩為混凝土寬縫隙 重力壩，最大壩高 105米。工程于 1957年 4月 開工， 1960年 4月第一臺機組發(fā)電， 1978年 最后一臺機組投運。 二灘水電站 二灘水電站 二灘工程是二十世紀(jì)建成的中國最大的水電站?？傃b機容量 330萬 kW， 單機容量 55萬 kW， 這在 21世紀(jì)初三峽電站建成 之前，均列全 國第一，單機容量排世界前 10位。 二灘拱壩壩高 240m為中國第一高壩。在雙曲拱壩排行中， 高度居亞洲第一、世界第三；承受總荷載 980萬 t， 列世界第 一。總泄水量 22480m3/s， 在高壩中為世界第一。 進(jìn)水口高度為 80m， 調(diào)壓室高度 70m， 均居全國第一。 亞洲最大的地下廠房洞室群。由廠房、主變壓器室、尾水 調(diào)壓室三大洞室及壓力管道、尾水管、尾水洞、母線洞、交 通洞、通風(fēng)洞、排水洞（廊道）、進(jìn)風(fēng)豎井、排風(fēng)豎井、電 梯豎井、電纜斜井等組成龐大洞室群。地下洞室開挖量 370 萬 m3。 其中，廠房長 280m、 寬 25.5m、 高 65m。 二、水電站的基本類型 按水電站的組成建筑物及特征分為： 壩式、河床式、引水式電站 按調(diào)節(jié)能力分成： 無調(diào)節(jié)水電站、有調(diào)節(jié)水電站 (一 )壩式水電站 用壩集中水頭的水電站稱為壩式水電站， 其特點有： 水頭取決于壩高。 引用流量較大，電站的規(guī)模也大，水能利用較 充分，綜合利用效益高。 投資大，工期長。 適用：河道坡降較緩，流量較大，并有筑壩建 庫的條件。 2.壩后式水電站 當(dāng)水頭較大時，廠房本身抵抗不了水的推力， 將廠房移到壩后，由大壩擋水。 壩后式水電站一般修建在河流的中上游。 庫容較大，調(diào)節(jié)性能好。 如為土壩，可修建河岸式電站。 舉世矚目的三峽水電站就是壩后式水電站， 其裝機容量為 18 200MW。 壩后式水電站 壩后廠房 萬家寨壩后式水電站 向家壩水電站 三峽水電站 壩后廠房 壩后廠房 泄洪壩段 (二 )河床式電站 一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段 上，為避免大量淹沒，建低壩或閘。 適用水頭：大中型： 25米以下，小型： 810 米以下。 廠房和擋水壩并排建在河床中，共同擋水， 故廠房也有抗滑穩(wěn)定問題； 廠房高度取決于水頭的高低。 引用流量大、水頭低。 注： 廠房本身起擋水作用是河床式電站的主 要特征。 河床式電站 河床式電站 河床廠房 富春江河床式電站 泄洪閘 葛州壩水電站 河床廠房 河床廠房 開關(guān)站 船閘 泄洪閘 (三 )引水式水電站 用引水道集中水頭的電站稱為引水式水電站 特點： 水頭相對較高，目前最大水頭已達(dá) 2000米以 上。 引用流量較小，沒有水庫調(diào)節(jié)徑流，水量利 用率較低，綜合利用價值較差。 電站庫容很小，基本無水庫淹沒損失，工程 量較小，單位造價較低。 適用條件：適合河道坡降較陡，流量較小的 山區(qū)性河段。 類型： 1.無壓引水電站 引水建筑物是無壓的 : 渠道或無壓隧洞 主要建筑物： 低壩，進(jìn)水口，沉沙池，引 水渠 (洞 )，日調(diào)節(jié)池，壓力前池，壓力水管， 廠房，尾水渠。 無壓引水式水電站 1-壩 ;2-進(jìn)水口 ;3-沉沙池 ;4-引水渠道 ;5日調(diào)節(jié)池 ;6-壓力前池 ; 7-壓力管道 ;8-廠房 ; 9-尾水渠 ;10-配電所 ;11-泄水道 2. 有壓引水式電站 引水建筑物是有壓的： 壓力隧洞 (pressure tunnel) 主要建筑物：低壩，有壓隧洞，調(diào)壓室，壓 力水管，廠房，尾水渠。 有壓引水式水電站 石龍壩水電站 云南昆明石龍壩 水電站是我國大 陸的第一座水電 站，其裝機容量 僅為 1440kW， 1910年 7月開工 建設(shè)， 1912年 4 月發(fā)電。 （四）混合式水電站 混合式水電站是由壩和引水道兩種建筑物 共同形成發(fā)電水頭的水電站，可以充分利 用河流有利的天然條件，在坡降平緩河段 上筑壩形成水庫，以利于徑流調(diào)節(jié)，在其 下游坡降很陡或落差集中的河段采用引水 方式得到在的水頭，如圖 1-5示 （五）抽水蓄能電站 抽水蓄能 ：系統(tǒng)負(fù)荷低時 ， 利用系統(tǒng)多余的 電能帶動泵站機組將下庫的水抽到上庫 (電 動機 +水泵 )， 以水的勢能形式貯存起來； 放水發(fā)電 ：系統(tǒng)負(fù)荷高時，將上庫的水放下 來推動水輪發(fā)電機組 (水輪機 +發(fā)電機 )發(fā)電， 以補充系統(tǒng)中電能的不足。 抽水蓄能電站示意圖 黑麋峰抽水蓄能電站 下水庫 上水庫 發(fā)電 系統(tǒng) (六）潮汐電站 潮汐： 潮汐現(xiàn)象是海水因受日月引力而產(chǎn) 生的周期性升降運動，即海水的潮漲潮落。 潮汐發(fā)電原理： 利用潮水漲、落產(chǎn)生的水 位差所具有勢能來發(fā)電的，也就是把海水 漲、落潮的能量變?yōu)闄C械能，再把機械能 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽òl(fā)電）的過程。 潮汐發(fā)電原理 法國朗斯潮汐電站 1966年投入運行，是第一個商業(yè)化電站。該電站裝 機 24臺，每臺 1萬千瓦，共 24萬千瓦。設(shè)計年平均發(fā) 電量 5.44億度。機組為燈泡貫流式，轉(zhuǎn)輪直徑 5.3米。 法國朗斯潮汐電站 江夏潮汐電站 一、樞紐建筑物 擋水建筑物： 壩、閘 泄水建筑物： 溢洪道、泄水洞、溢 流壩 過壩建筑物： 過船、過木、過魚 二、發(fā)電建筑物 進(jìn)水建筑物： 進(jìn)水口、沉沙池 引水建筑物： 引水道、壓力管道、尾水道 平水建筑物： 前池、調(diào)壓室 廠區(qū)樞紐： 主廠房、副廠房、變電站、開關(guān) 站等 本節(jié)小結(jié)： 三、水電站的基本類型有壩式、引水式及混 合式。 壩式水電站分為河床式、壩后式； 引水式水電站分有壓引水式和無壓引水式 電站； 混合式開發(fā)多為有壓引水式電站。 本節(jié)小結(jié)： 四、抽水蓄能電站和潮汐電站是水能利用的重 要型式。 抽水蓄能電站主要解決電力系統(tǒng)的調(diào)峰問題，尤 其在我國東北、華北、華東等水能資源相對短缺 的地區(qū)，加快抽水蓄能電站的建設(shè)速度很有必要； 潮汐電站是開發(fā)海水能源的主要型式 本節(jié)小結(jié)： 思 考 題 1.試闡述水能利用原理。 2.什么是水電站的出力 ? 3.按照集中落差方式的不同，水電站的開發(fā)可分為幾種基本方 式 ?何為壩式水電站、引水式水電站和混合式水電站 ? 4.壩式水電站水利樞紐和引水式水電站水利樞紐各有哪些主要 特點 ? 5.壩后式和河床式水電站樞紐的特點是什么 ?其組成建筑物有哪 些 ? 6.無壓引水式和有壓引水式水電站樞紐的特點是什么 ?其組成建 筑物有哪些 ? 7.水電站有哪些組成建筑物 ? 第二節(jié) 水輪機的主要類型 水輪機是將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的水力 機械。 利用水輪機帶動發(fā)電機將旋轉(zhuǎn)機械能 變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備，稱為 水輪發(fā)電機組 。 按水流能量轉(zhuǎn)換特征，可將水輪機分為 反 擊式 和 沖擊式 兩大類。 第二節(jié) 水輪機的主要類型 一 、 反擊式水輪機 特點： 轉(zhuǎn)輪是由若干個具有空間扭曲面的鋼性葉 片組成 （ 當(dāng)壓力水流通過整個轉(zhuǎn)輪時 ， 由于 彎曲葉道迫使水流改變其流動的方向和流速 的大小 ， 因而水流便以其勢能和動能給葉片 以反作用力 ， 并形成旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動 ） 。 轉(zhuǎn)輪完全浸于水中 。 葉片進(jìn)口壓力葉片出口壓力 。 分類： 按轉(zhuǎn)輪區(qū)分水流相對于主軸的方向 不同分為混流式 、 軸流式 、 斜流式和貫流式 水輪機 。 第二節(jié) 水輪機的主要類型 1.混流式水輪機（ HL） 特點： a.水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時，以輻向從四周進(jìn)入轉(zhuǎn)輪而 以軸向流出轉(zhuǎn)輪。 b.適用水頭范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，效 率高。 c.單機容量幾十 幾十萬 KW。 d.葉片數(shù) 10-20片（通常 14-19片） e.靠活動導(dǎo)葉控制流量。 適用條件：適用水頭范圍 20-700m。 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 2.軸流式水輪機 （ ZZ， ZD） 特點： a.水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時軸向進(jìn)入又依軸向流出 ， 故 稱軸流式 b.分為定漿式與轉(zhuǎn)漿式兩種 ， 定漿式在運行時 葉片固定不動 ， 結(jié)構(gòu)簡單；轉(zhuǎn)漿式運行時葉片 是可以轉(zhuǎn)動的 ， 并和活動導(dǎo)葉保持協(xié)聯(lián)關(guān)系 ， 使水輪機保持較高的效率 。 c.單機容量一般幾十 KW 十幾萬 KW 第二節(jié) 水輪機的主要類型 d.葉片數(shù) 38片 ， 常用 46片 。 葛洲壩 17萬機組 4片 ， 12.5萬千瓦 5片 。 e.流量控制：定漿式只用活動導(dǎo)葉控制 ， 而轉(zhuǎn) 漿式由活動導(dǎo)葉和漿葉共同控制 。 適用范圍： a.定漿式多用在負(fù)荷變化不大，水頭和流量比 較固定的小型電站上，適用范圍 350m。 b.轉(zhuǎn)漿式多應(yīng)用在大中型電站上，負(fù)荷變化較 大，應(yīng)用水頭范圍為 380m。 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 3 斜流式水輪機 （ XL） 特點： a.水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時傾斜于軸向 ， 故稱斜流式 。 b.轉(zhuǎn)輪的葉片可以轉(zhuǎn)動 ， 葉片軸線與主軸軸線斜 交 ， 高效區(qū)較寬廣 。 c.裝置較多葉片 ， 一般為 814片 （ 適應(yīng)水頭有所 提高 ） d.容量：以禮河一級毛家村電站 ， 單機容量為 8000KW小浪底可達(dá) 15萬 KW。 適用范圍：適用水頭范圍為 40120m（世界上 水頭最高的日本向川為 113.4m） 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 4 貫流式水輪機 （ GD， GZ） 特點： a. 主軸裝置成水平或傾斜 ， 不設(shè)置蝸殼 ， 水流 直貫轉(zhuǎn)輪 。 b. 不僅水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪是軸向的 ， 而且水流從建 筑物進(jìn)口到出口全部是軸向的 ， 可以認(rèn)為當(dāng)軸流 式機組裝成水平臥軸時 ， 不設(shè)蝸殼 ， 水流直貫轉(zhuǎn) 輪而成為貫流式 。 c. 構(gòu)造簡單 ， 造價低 ， 過水能力大 。 d. 按發(fā)電機裝置方式不同分為 全貫流式 與半貫 流式 。 第二節(jié) 水輪機的主要類型 全貫流式發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)輪外緣 ， 優(yōu)點為水 力損失小 ， 過流量大 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 但密封困難 。 半貫流式又分為 軸伸式 、 豎井式 和 燈泡式 ， 前二 種發(fā)電機安裝 、 運行及檢修方便 ， 但水頭低 ， 效 率也低 ， 機組容量不大 ， 適合小型水電站 。 燈泡 式結(jié)構(gòu)緊湊 ， 流道平直 ， 過流量大 ， 適用于大容 量機組 。 e.容量為幾十 KW幾萬 KW。 f.葉片數(shù) 46片 g.流量控制與軸流式相同 。 適用范圍：適用于水頭小于 20m。 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 圖 1-8 全貫流式水輪機 1轉(zhuǎn)輪葉片； 2轉(zhuǎn)輪輪緣； 3發(fā)電機轉(zhuǎn)子輪輞； 4發(fā)電機定子； 5、 6支柱； 7軸頸； 8輪轂； 9錐形插入物； 10拉緊桿； 11導(dǎo)葉； 12推力軸承； 13導(dǎo)軸承 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 二 沖擊式水輪機 (實物圖 ) 特點： 壓力水流從噴嘴中射出后全部轉(zhuǎn)換成動能 ， 沖 動轉(zhuǎn)輪變成機械能 ， 完全利用水流動能 。 轉(zhuǎn)輪工作時 ， 水流不充滿過流流道 ， 在大氣壓 下工作 。 水輪機一般沒有尾水管 ， 只設(shè)集水槽 ， 利用水 頭是上游水位與噴嘴高程差 。 分類： 按射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式不同分為水斗 式 、 斜擊式 、 雙擊式三種 。 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 1 水斗式水輪機 （ CJ） （ 又稱培爾頓 （ Pelton 水輪機 ） 特點：由噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉(zhuǎn) 輪上水斗作功 。 適用范圍：其應(yīng)用水頭較高，小型水斗式用于水 頭 40250m，大型水斗式用于 400450m以上，最高 可達(dá) 1770m。 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 2 斜擊式水輪機 （ XJ） 特點：噴嘴出來的射流 ， 是沿著與轉(zhuǎn)輪平面成 某 角 （ 約為 22.5 ） 的方向沖擊轉(zhuǎn)輪 。 適用范圍：中小型水電站 ， 水頭在 400m以下 ， 出力達(dá) 4000KW。 圖 1-13 斜擊式轉(zhuǎn)輪 （ a） 轉(zhuǎn)輪； (b)斜擊式轉(zhuǎn)輪進(jìn)水示 意圖 1 管帽； 2針閥； 3輪葉； 第二節(jié) 水輪機的主要類型 3 雙擊式水輪機 （ SJ） 特點：由噴嘴出來的射流首先從轉(zhuǎn)輪外緣沖擊 葉片，接著水流又自內(nèi)緣再一次沖擊葉片，效率 低。 適用范圍：只適用于小型水電站，應(yīng)用水頭 10150m，出力達(dá) 300KW。 第二節(jié) 水輪機的主要類型 第二節(jié) 水輪機的主要類型 表 1-1 水輪機類型及應(yīng)用水 頭范圍 類型 應(yīng)用水頭范圍 /m 反擊式 混流式 20-700 軸流式 軸流轉(zhuǎn)槳式 3-80 軸流定槳式 3-50 斜流式 40-200 貫流式 貫流轉(zhuǎn)槳式 1-25 貫流轉(zhuǎn)槳式 沖擊式 切擊式（水斗式） 40-1700 斜擊式 20-300 雙擊式 5-100 第二節(jié) 水輪機的主要類型 本節(jié)小結(jié)： 水輪機 反擊式 沖擊式 混流式 貫流式 斜流式 軸流式 切擊式（水斗式） 雙擊式 斜擊式 全貫流式 半貫流式 燈泡貫流式 軸伸貫流式 豎井貫流式 虹吸貫流式 第三節(jié) 水輪機的型號和裝置形式 一、水輪機的型號 1、 型號的含義 我國水輪機的型號由三部分組成，各部分之間用一短 橫線相連。 （一）第一部分代表水輪機型式及轉(zhuǎn)輪型號 水輪機型式用漢語拼音字母所示。轉(zhuǎn)輪型號統(tǒng)一采用 轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速數(shù)字表示。在水輪機型式代表字母后加“ N” 表示可逆水力機械。 一、水輪機的型號 水輪機形式 代符表號 水輪機形式 代表符號 混流式 HL 貫流轉(zhuǎn)槳式 GZ 軸流轉(zhuǎn)槳式 ZZ 切擊式（水斗式） CJ 軸流定槳式 ZD 雙擊式 SJ 斜流定槳式 XL 斜擊式 XJ 貫流定槳式 GD 表 1-2 水輪機形式 一、水輪機的型號 （二）第二部分代表主軸布置方式及引水室特 征均用漢語拼音字母表示。 名稱 代符表號 名稱 代表符號 立軸 L 罐式 G 臥軸 W 燈泡式 P 斜軸 X 豎井式 S 金屬蝸殼 J 虹吸式 X 混凝土蝸殼 H 軸伸式 Z 明槽 M 表 1-3 主軸布置形式及引水 室特征 一、水輪機的型號 （三）第三部分是水輪機轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑 D1(cm) 反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑 1是用以厘米為 單位的數(shù)值表示；沖擊式水輪機牌號的第三部分表 示方式為： 水輪機轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑 D1(cm)/作用在每個轉(zhuǎn)輪上 的噴嘴數(shù) 設(shè)計射流直徑 (cm) 例： HL180-LJ-550 HL240-LJ-140 ZZ560-LH-500 GD600-WP-250 2CJ26-W-120/2 10 2、 轉(zhuǎn)輪直徑 表征轉(zhuǎn)輪的主要幾何尺寸，稱為轉(zhuǎn)輪的標(biāo)稱直徑（或 稱名義直徑）用 D1表示，單位是 cm。各種類型水輪機的 轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑（簡稱轉(zhuǎn)輪直徑），具體的規(guī)定如下： 1混流式水輪機是轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊上的最大直徑， 即轉(zhuǎn)輪下環(huán)與葉片進(jìn)口邊交點處直徑。 2軸流式和斜流式水輪機是轉(zhuǎn)輪葉片軸線與轉(zhuǎn)輪室 相交處的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)徑。 3水斗式水輪機是轉(zhuǎn)輪與射流中心線相切的節(jié)圓直 徑。 一、水輪機的型號 圖 1-16 各種類型的水輪機轉(zhuǎn)輪直徑規(guī)定示意圖 一、水輪機的型號 二、水輪機的裝置形式 水輪機的裝置形式是指水輪機的布置形式和引水室形 式相結(jié)合的總體， 它取決于使用水頭、單機容量和上下游 水位等的變化情況。水輪機按主軸布置方式不同，又分為 立式和臥式兩種。 主軸豎向裝置者稱立式， 發(fā)電機位于水 輪機上部，其位置較高，不易受潮，所占廠房面積較小， 但廠房高度大，多用于大中型水電站。 主軸橫向裝置者稱 臥式， 發(fā)電機和水輪機布置在同一高度上，可減小廠房高 度，但發(fā)電機易受潮，廠房面積較大，多用于小型水電站。 水輪機裝置形式與水電站廠房設(shè)計有密切的關(guān)系，下 面對水輪機常見的幾種裝置形式進(jìn)行簡要介紹。 1、 反擊式水輪機的裝置形式 反擊式水輪機使用水頭范圍大，單機容量差別大，機 型繁多，所以裝置形式各不相同。 大型機組：為縮小廠房面積，采用立式布置形式水輪 機與發(fā)電機軸 直接連接 。 中小型機組：根據(jù)利用方式不同，主軸可以布置成立 式或臥式。水輪機與發(fā)電機軸可以直接連接，也可以通過 齒輪、傳動帶 間接連接 。 二、水輪機的裝置形式 2、 沖擊式水輪機的裝置形式 沖擊式水輪機的裝置形式是根據(jù)其類型和機組容量的 大小，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件與生產(chǎn)制造水平?jīng)Q定的。 斜擊式和雙擊式水輪機由于機組容量小，一般采用臥 式裝置形式。 切擊式水輪機由于機組容量范圍較大，因此 裝置形式有立式也有臥式。大容量機組一般采用立式，小 容量機組采用臥式。臥式切擊式水輪機和般為了較高的水 力效率大多對每轉(zhuǎn)輪采用單噴嘴，對較大容量的臥式機組 采用雙轉(zhuǎn)輪，每個轉(zhuǎn)輪使用雙噴嘴的裝置形式。 二、水輪機的裝置形式 2、 沖擊式水輪機的裝置形式 對于大容量機組，為了縮小廠房平面尺寸，降低開挖 費用，一般采用立式裝置形式。 立式機組還可以降低進(jìn)水 管中的水力損失及轉(zhuǎn)輪的風(fēng)損，提高水輪機效率。另外立 式機組可以多裝噴嘴，一般是 1-6個噴嘴。增加噴嘴數(shù)可 以提高切擊水輪機的轉(zhuǎn)速，在運行中能夠根據(jù)負(fù)荷的變化 自動調(diào)整投入運行的噴嘴數(shù)，保持高效率運行。 二、水輪機的裝置形式 1.水輪機牌號規(guī)定為：水輪機形式、比轉(zhuǎn)速 主軸 布置形式、引水室特征 轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑。 2.各型水輪機的轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑位置都有規(guī)定，且標(biāo)稱 直徑有標(biāo)準(zhǔn)化。 3.水輪機的裝置形式。 本節(jié)小結(jié)： 當(dāng)水流通過水輪機時，水流的能量被轉(zhuǎn)換為水 輪機的機械能，我們用一些參數(shù)來表征能量轉(zhuǎn)換的 過程，稱為水輪機的基本工作參數(shù)，主要有：工作 水頭 H、 流量 Q、 轉(zhuǎn)速 n、出力 P與效率 t等。 一、水輪機的工作水頭 H： 1 定義： 水輪機的工作水頭是指參與水輪機 能量轉(zhuǎn)換的水頭 。 2 計算 ： 根據(jù)定義水輪機的工作水頭 H（ m） 應(yīng)為水輪機進(jìn)口斷面 （ - ） 和尾水管出口斷面 （ - ） 處單位重量水流能量之差 。 （ 采用下游 水面為基準(zhǔn)面 ） H=E E 第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù) H=Hg- h （ 1-10） Hg：水電站的毛水頭 ， 即上下游水位之差 （ 也稱為 靜水頭 ） （ 1-10） 式表明水輪機工作水頭即等于水 電站毛水頭扣除壓力引水系統(tǒng)中水頭損失后的凈水 頭 ， 這也就是水輪機利用的有效水頭 。 3 表明水輪機運行工況及運行范圍的其他特 征水頭： 最大水頭 Hmax、 最小水頭 Hmin、 加權(quán)平均水頭 Ha、 設(shè)計水頭 （ 也稱計算水頭 ） Hr 其中： 加權(quán)平均水頭 Ha是指水電站在運行期間出 現(xiàn)次數(shù)最多 、 經(jīng)歷時間最長的水頭 ， 通常是指電能 或時間加權(quán)的平均水頭 。 可由計算的資料確定： 或 式中 ti， Ni水頭 Hi出現(xiàn)時相應(yīng)的持續(xù)時間和出力 。 ii iiia Nt NtHH i iia t tHH 第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù) 3 表明水輪機運行工況及運行范圍的其他特 征水頭： 設(shè)計水頭 Hr是指水輪機在發(fā)出額定出力時所需要 的最小水頭 ， 它與水輪機的受阻容量有關(guān) ， 經(jīng)分析 比較確定 。 第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù) 二 、 流量 1 定義： 水輪機的流量是指水流在單位時間內(nèi) 通過水輪機的體積 ， 單位 m3/s。 2 計算： 水輪機流量隨工況的改變而改變 ， 由 測量得到 。 其數(shù)值在 Hr下 ， 水輪機發(fā)額定出力時 ， Q最大 。 第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù) 三 、 出力和效率 1 出力： 水輪機軸端的輸出功率 ， 用 P表示 ， 單 位為 W或 kW。 2 輸入功率： 當(dāng)單位時間內(nèi)水輪機的水流的總 能量 ， 即水流的出力 ， 常用符號 Pn表示 。 3 效率 （ t） ： 水輪機的出力與其輸入功率的 比值稱為水輪機的效率 t=P/Pn 4 出力 P的計算： 由上述可知： P=Pn =9.81QH t（ kw） 第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù) 5 實際水輪機效率 t情況： 目前水輪機的效 率較高 ， 大型機組可達(dá) 90%95%， 小型機組可達(dá) 80%。 而火電站的熱能效率卻只有 40%左右 ， 這也是 水電的優(yōu)越性所在 。 6 水輪發(fā)電機組的輸出功率 Pf： 由于水輪機與發(fā)電機同軸連接 ， 當(dāng)水輪機把輸 出功率傳給發(fā)電機時 ， 同樣存在著損失 ， 即發(fā)電機 的效率 發(fā) 。 所以 Pf=9.81QH 水 發(fā) 水輪機的輸出功率 P 第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù) 四 、 工作力矩與轉(zhuǎn)速 1 工作力矩： 由于水輪機的出力使主軸旋轉(zhuǎn)作 功 ， 所以出力除了用水頭流量公式 P=9.81QH t表 示外 ， 還可用旋轉(zhuǎn)機械運動的公式來表示： P=M=M 2 轉(zhuǎn)速 水輪機主軸和發(fā)電機軸都是用法蘭和螺栓直接鋼 性連接的 ， 所以水輪機主軸與發(fā)電機同步運行 ， 二 者轉(zhuǎn)速相同 。 水輪機轉(zhuǎn)速要符合標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速 ， 即滿足 f=（ Pn） /60 60 2 n 第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù) 水輪機額定轉(zhuǎn)速 n=3000/P （ r/min） 對不同磁極對數(shù)的發(fā)電機，其標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速 不同。 為保證供電質(zhì)量，要求電流頻率不變，故在正常 情況下，機組轉(zhuǎn)速應(yīng)保持為相應(yīng)的固定轉(zhuǎn)速，此轉(zhuǎn) 速即為水輪機或機組的額定轉(zhuǎn)速 n。 第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù) 一、水輪機的基本方程式 不論何種類型的水輪機均系利用水流的能量給 葉片的反力推動轉(zhuǎn)輪作功，以達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的。 水流傳遞給水輪機的功率為 9.81，其中 Q為通過水 輪機的流量； H為有效水頭 ;為水輪機水力效率。水 輪機得到的功率為 M（ M為水流對轉(zhuǎn)輪的作用力矩 , 為角速度）。 第五節(jié) 水輪機的工作原理 水輪機基本方程式為： H t= 1/g(u1v1cosa1-u2v2cosa2) 式中 g為重力加速度； v1、 v2分別為水流進(jìn)入 和流出轉(zhuǎn)輪時的絕對速度； u1、 u2分別為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口、 出口的旋轉(zhuǎn)速度； a1、 a2分別為水流進(jìn)入和流出轉(zhuǎn) 輪時的絕對速度與圓周分速度的夾角。在設(shè)計水輪 機轉(zhuǎn)輪的通流部分時應(yīng)遵循這一基本方程式。 基本方程式的物理意義在于：水流對轉(zhuǎn)輪作用 的有效能量是與水流內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換相平衡的，它實 質(zhì)上是水能轉(zhuǎn)換成機械能的平衡方程式。 第五節(jié) 水輪機的工作原理 反擊式水輪機 利用水流的壓能（位能）和動能， 水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪葉片時受葉片的作用而改變壓力與流 速的大小和方向，而對轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生反作用，形成 轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)力矩使水輪機工作。 沖擊式水輪機 利用水流的動能，通過噴嘴把高 壓水流全部轉(zhuǎn)化為動能以高速射向轉(zhuǎn)輪葉片而使轉(zhuǎn) 輪旋轉(zhuǎn)。 第五節(jié) 水輪機的工作原理 二、水輪機的能量損失及效率 水能 完全有效地轉(zhuǎn)換為機械能傳給發(fā)電機，這 是因為任何機械運動有摩擦等損失，它對能量轉(zhuǎn)換 是無效的，稱能量損失。其中包括水力損失、容積 損失、機械損失等 第五節(jié) 水輪機的工作原理 水力損失和水力效率 水力損失： 天然水流經(jīng)過蝸殼、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn) 輪及尾水管等過流部件時產(chǎn)生水力摩擦、撞擊、渦 流、脫壁等引起能量損失。 水力效率： h=(H- h)/H 第五節(jié) 水輪機的工作原理 容積損失和容積效率 容積損失： 進(jìn)入水輪機的水流，有一部分會從 這些間隙中漏掉，這樣就會造成一部分不對轉(zhuǎn)輪做 功，這種能量損失稱為容積損失。 容積效率： v=(Q- q)/Q 第五節(jié) 水輪機的工作原理 機械損失和機械效率 機械損失： 水輪機的一些部件之間存在一定的 摩擦，這些摩擦消耗一定的能量的簡稱，用 N表 示。 機械效率： m=(Pe- Pm)/Pe 第五節(jié) 水輪機的工作原理