水力發(fā)電原理及水電站類型.ppt

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第一章 水力發(fā)電原理基礎,水力發(fā)電的原理基礎,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：進水、引水、廠房、排水等，安裝水輪發(fā)電機組及其附屬設備的廠房和變電站，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,,,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,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 η——水輪機的效率,（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,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查結果，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；技術可開發(fā)裝機5.42億千瓦，技術可開發(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，水電裝機容量達到了1.65億千瓦，按技術可開發(fā)量計算占可開發(fā)量30%，低于發(fā)達國家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81％； 但51％用電量在東部。,雅魯藏布江,西電東送,,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,,須建設（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4500萬kW。 大型電站，水頭高、單機容量大，帶來很多技術難題，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。 水電建設技術已具世界水平。 初步建立了適應市場經(jīng)濟的、有中國特色的水電開發(fā)和建設機制。,2. 困難不少 制約水電發(fā)展的五個問題 ① 生態(tài)環(huán)境問題 ② 上網(wǎng)電價 ③ 法律法規(guī)還不健全 ④ 移民問題 ⑤ 地震問題,,3. 機遇難得: 今后15－20年是水電建設的良好機遇期 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》確認水能為可再生能源； 《京都議定書》： 溫室氣體減排； 當前我國經(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 能源結構：“煤為基礎、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。 需求預測：全面建設小康社會：2020年GDP翻兩番，預測電力需求9.2億kW，估計水電達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，2670萬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工程三峽工程水庫動態(tài)移民最終可達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?？傃b機容量630萬千瓦，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)，由中國自己設計、施工，自制設備，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?？傂顾?2480m3/s，在高壩中為世界第一。 進水口高度為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、通風洞、排水洞（廊道）、進風豎井、排風豎井、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,萬家寨壩后式水電站,向家壩水電站,三峽水電站,(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：8~10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,(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，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 進水建筑物：進水口、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、開關站等,本節(jié)小結：,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：,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：,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 ⑴特點： ①轉(zhuǎn)輪是由若干個具有空間扭曲面的鋼性葉片組成（當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）。 ②轉(zhuǎn)輪完全浸于水中。 ③葉片進口壓力＞葉片出口壓力。 ⑵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） ①特點： a.水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時，以輻向從四周進入轉(zhuǎn)輪而以軸向流出轉(zhuǎn)輪。 b.適用水頭范圍廣，結構簡單，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.靠活動導葉控制流量。 ②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） ①特點： a.水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時軸向進入又依軸向流出，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，結構簡單；轉(zhuǎn)漿式運行時葉片是可以轉(zhuǎn)動的，并和活動導葉保持協(xié)聯(lián)關系，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)3~8片，常用4~6片。葛洲壩17萬機組4片，12.5萬千瓦5片。 e.流量控制：定漿式只用活動導葉控制，而轉(zhuǎn)漿式由活動導葉和漿葉共同控制。 ②適用范圍： a.定漿式多用在負荷變化不大，水頭和流量比較固定的小型電站上，適用范圍3~50m。 b.轉(zhuǎn)漿式多應用在大中型電站上，負荷變化較大，應用水頭范圍為3~80m。,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） ①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8~14片（適應水頭有所提高） d.容量：以禮河一級毛家村電站，單機容量為8000KW小浪底可達15萬KW。 ②適用范圍：適用水頭范圍為40~120m（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） ①特點： a. 主軸裝置成水平或傾斜，不設置蝸殼，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口到出口全部是軸向的，可以認為當軸流式機組裝成水平臥軸時，不設蝸殼，水流直貫轉(zhuǎn)輪而成為貫流式。 c. 構造簡單，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，結構緊湊，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。燈泡式結構緊湊，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)4~6片 g.流量控制與軸流式相同。 ②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—導葉；12—推力軸承；13—導軸承,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) ⑴特點： ①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。 ②轉(zhuǎn)輪工作時，水流不充滿過流流道，在大氣壓下工作。 ③水輪機一般沒有尾水管，只設集水槽，利用水頭是上游水位與噴嘴高程差。 ⑵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） ①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。 ②適用范圍：其應用水頭較高，小型水斗式用于水頭40~250m，大型水斗式用于400~450m以上，最高可達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） ①特點：噴嘴出來的射流，是沿著與轉(zhuǎn)輪平面成某α角（約為22.5）的方向沖擊轉(zhuǎn)輪。 ②適用范圍：中小型水電站，水頭在400m以下，出力達4000KW。,,圖1-13 斜擊式轉(zhuǎn)輪 （a） 轉(zhuǎn)輪； (b)斜擊式轉(zhuǎn)輪進水示意圖 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） ①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。 ②適用范圍：只適用于小型水電站，應用水頭10~150m，出力達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 水輪機類型及應用水頭范圍,第二節(jié) 水輪機的主要類型,本節(jié)小結：,,,,,,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,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。,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)輪標稱直徑D1(cm) 反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪標稱直徑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)輪標稱直徑D1(cm)/作用在每個轉(zhuǎn)輪上的噴嘴數(shù)設計射流直徑(cm),例：HL180-LJ-550 HL240-LJ-140 ZZ560-LH-500 GD600-WP-250 2CJ26-W-120/210,2、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)輪葉片進口邊上的最大直徑，即轉(zhuǎn)輪下環(huán)與葉片進口邊交點處直徑。 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計有密切的關系，下面對水輪機常見的幾種裝置形式進行簡要介紹。 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，結合當?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水管中的水力損失及轉(zhuǎn)輪的風損，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)輪標稱直徑。 2.各型水輪機的轉(zhuǎn)輪標稱直徑位置都有規(guī)定，且標稱直徑有標準化。 3.水輪機的裝置形式。,本節(jié)小結：,當水流通過水輪機時，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ηt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）應為水輪機進口斷面（Ⅰ-Ⅰ）和尾水管出口斷面（Ⅱ-Ⅱ）處單位重量水流能量之差。（采用下游水面為基準面） H=EⅠ–EⅡ,第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù),H=Hg-Δh （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、加權平均水頭Ha、設計水頭（也稱計算水頭）Hr 其中：①加權平均水頭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)時相應的持續(xù)時間和出力。,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： ②設計水頭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，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（ηt）：水輪機的出力與其輸入功率的比值稱為水輪機的效率ηt=P/Pn 4．出力P的計算： 由上述可知：P=Pnη=9.81QHηt（kw）,第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù),5．實際水輪機效率ηt情況：目前水輪機的效率較高，大型機組可達90%~95%，小型機組可達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η發(fā)。 所以 Pf=9.81QHη水η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=9.81QHηt表示外，還可用旋轉(zhuǎn)機械運動的公式來表示： P=Mω=M 2．轉(zhuǎn)速 ①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。 ②水輪機轉(zhuǎn)速要符合標準同步轉(zhuǎn)速，即滿足 f=（Pn）/60,第四節(jié) 水輪機的基本工作參數(shù),③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，其標準同步轉(zhuǎn)速不同。 ④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)速應保持為相應的固定轉(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： Hηt= 1/g(u1v1cosa1-u2v2cosa2) 式中g為重力加速度；v1、v2分別為水流進入和流出轉(zhuǎn)輪時的絕對速度；u1、u2分別為轉(zhuǎn)輪進口、出口的旋轉(zhuǎn)速度；a1、a2分別為水流進入和流出轉(zhuǎn)輪時的絕對速度與圓周分速度的夾角。在設計水輪機轉(zhuǎn)輪的通流部分時應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、導水機構、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：ηh=(H-Δh)/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：ηv=(Q-Δq)/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ΔN表示。 機械效率：ηm=(Pe-Δ Pm)/Pe,第五節(jié) 水輪機的工作原理,