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水轮机概述
第一节水轮机概述
一、水轮机工作参数
1、水轮机工作水头
(1)水轮机槪念:
水流付出的能量转换成旋转机械能的机器。
(2)水轮机工作水头:
水轮机进口断面与出口断面水流单
位能量之差。
公式H=Hst-Δh
即:
水轮机工作水头等于水电站净水头。
Hst---水电站毛水头,等于上下游水位差
Δh----水头损失,引水管的沿程水力与局部水力损失
(3)设计水头:
水轮机发额定出力是的最小水头。
2、水轮机的功率和效率
(1)水轮机的功率:
单位时间内,水流对水轮机所做的功。
用N表示。
公式:
N=9.81QHη
其中:
Q为水轮机流量
η为水轮机效率,现在的水轮机效率可达90%以上,而模型效率可达95%。
(2)水轮机效率:
水轮机把水轮机出力与水流出力之比,主要有三方面的效率损失:
1容积效率:
即一部分水量没有流经转轮做功,损失了。
如:
主轴漏水,下迷宫环漏水等。
用ηq表示。
2水流效率:
转轮在旋转过程中,克服水的阻力所损失的功率,用ηd表示。
3机械效率:
克服主轴与轴承之间的摩擦阻力所消耗的功率,用ηm表示。
则:
水轮机的效率为η=ηq×ηd×ηm
3、流量
单位时间内流过转轮的水量,以Q表示,单位m³/s。
两种说法:
①水轮机发额定出力时的最大流量
②在设计´水头下,水轮机发额定出力时的流量。
4、水轮机的转速
(1)定义:
单位时间内水轮机旋转次数,以n表示。
n10´
公式n=──────
D1
其中:
n10´为最优单元转速
Hav为加权平均水头,在某些情况下可取设计水头。
(2)水轮机额定转速
按
(1)式计算结果,取相近发电机同步转速为水´轮机额定转速,可大于计算结果。
同步转速按n=f×60/P计算。
其中f=50HZ,P为磁极对数。
(3)飞逸转速:
水轮机发额定出力时,突然跳闸,而调速器又失灵,不能关/闭导水机构,以致转速快速上升,并达到某一最高值后稳定,这个空转的最高转速就是水轮机的飞逸转速。
用nR表示。
水轮机的飞逸特性一般用单元飞逸转速表示,单元飞逸转速通过模型试验测定。
二、水轮机类型
(1)分类原则
根据转轮前后水流单位压能P1/γ与P2/γ是否相等把水轮机分成反击型和冲击型两种。
(P2-P1)/γ›0的为反击型水轮机
(P2-P1)/γ=0的为冲击型水轮进
其中P1,P2为水轮机前后水的压力,γ为水的重度,单位为N/m²,水的γ=9810N/m²,可取1000N/m²。
2、反击型水轮机分类
按转轮中水流流动形式及水流方向的不同,反击型水轮机分为:
混流式(HL)、轴流式(ZL)贯流式(GL)。
其中轴流式和贯流式又分为定浆式和转浆式两种。
定浆:
转轮叶片不能转动,通常用于小机组。
转浆:
可根据水头及出力的变化,改变转轮叶片角度,达到提高水轮机效率的目的,通常用于大机组。
3、冲击式水轮机分类
按转轮构造特征及转轮水流方向分为:
切击式(QJ)、斜击式(XJ)、双击式(SJ)。
三、水轮机的型号
1、混流式:
HL702-WJ-71
HL—表示混流式水轮机
702---水轮机比转速
WJ----表示卧轴金属窝壳
71----转轮标称直径
2、冲击式:
QJ26—W-42/1×7.8
QJ---表示切击式水轮机
26---水轮进比转速
W----表示卧轴
42---转轮标称直径
1---表示一个喷嘴
7.8----表示喷嘴直径为7,8cm
四、其它有关水轮机槪念
1、比转速
定义:
(1)同系列水轮机在1米水头下发出1KW功率时的转速,以ns表示。
(2))同系列水轮机在1米水头下发出1马力功率时的转速,以Ns表示。
计算公式:
ns=3.13n1´√Q1´η
Ns=3.65n1´√Q1´η
在相似工况下,Ns与ns相等。
2、蚀汽
(1)蚀汽的产生
水流经水轮机时,由于某种原因导致水压力下降,当下降到水的汽化压力时,水就会起汽泡,当气泡流经压力高于水的汽化压力地方时,气泡就会突然凝缩,周围的水就会突然冲击这些气泡,产生类似水锤的高达几百个甚至几千个大气压的压力,每秒钟内达几百上千次,在如此高的又如此快的压力的重复作用下,邻近泡的部件的金属表面会出现蜂窝状的汽蚀侵蚀,导致水轮机过流部件很快地被毁坏。
现在对汽蚀普遍认为是一种疲劳破坏。
(2)汽蚀系数
通过实验测得
ðex=(Ha-Hva-Hs´-Hv)/H
H---实验水头
Ha—大气压力
Hva---尾水箱内真空
Hs´----水轮机吸出高
Hv---实验水温下的气化压力
实验时,改变水轮机Hva值,使水轮机刚好发生汽蚀时的ðex,就是此型号水轮机的汽蚀系数。
(3)汽蚀的危害
①破坏过流部件
②产生振动和噪音
③降低材料的耐疲劳强度
④效率下降,功率下降
(4)汽蚀分类
分为翼型汽蚀、间隙汽蚀、局部汽蚀、涡带空腔汽蚀。
(5)汽蚀的防护措施
①改善叶片的翼型设法获得负荷分布均匀而且有可能小的负压值。
②叶片表面不能造成波浪形,局部不均匀性尽可能避免,间隙尽可能小。
③在安装方面,吸出高Hs不能太大。
Hs=10-▽/900-k0ðH
④在运行中应特别注意引起不定常涡带空腔汽蚀。
(5)水轮机的泥沙磨损
分为普遍磨损和局部磨损两类。
防止磨损的方法主要是采用高强度的材料。
五、水轮机的过流部件
分为引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件。
1、引水部件
作用:
在安全经济的条件下,始水流顺利流入转轮。
而对于反击型,水流以一定的方向轴对称地进入导水机构,混流式和轴流式的引水部件包括蜗壳和座环。
2、导水机构
作用:
调节进入水轮机转轮的留量,对于并网运行的机组,可以调节机组出力,对于单机运行的水轮机,则可以调节水轮机转速。
3、工作部件
作用:
实现能量的转换
转轮的标称直径;
混流式:
转轮进水口的最大直径,也就是转轮下环与叶片边缘交点处转轮所对应的直径。
轴流式:
转轮室最大直径为标称直径。
冲击式:
射流轴线与转轮相切的节圆直径为标称直径。
4、泄水部件
作用:
①让工作后的水流顺畅的流入下游,
②回收水流离开转轮时的部分动能及转轮高出下游水面的位能。
5、水轮机的相似理论
①相似理论的充分必要条件:
几何学相似,运动学相似和动力学相似是水轮机公况相似的充分必要条件。
②相似工况的各相应点的速度大小成比例,方向角相等,相应点力的大小成比例,方向角相等。
六、水轮机的安装高程和吸出高度
1、安装高程:
(1)对卧式机组,为主轴轴心线高程。
(2)对立式机组,导叶中心线高程。
2、吸出高度:
(1)水轮机转轮内压力最低点相对于下游水面高度。
(2)立轴混流式取导叶下端面(或底环上表面)与下游水面高度。
(3)立轴轴流式取转轮叶片转动轴线所在平面与下游水面高度。
(4)对卧式机组,取转轮叶片最高点所在平面与下游水面高度。
第二节混流式水轮机
一、混流式水轮机概念
水流流经水轮机转轮的方向是径向流入,轴向流出,故称为混流式水轮机。
二、混流式水轮机工作部件(转轮)
1、转轮构成;由上冠,下环与若干叶片组成。
2、转轮的标称直径:
转轮进水口的最大直径,也就是转轮下环与叶片边缘交点处转轮所对应的直径。
3、转轮的作用:
通过改变水流的速度矩,达到能量转换的作用。
三、混流式水轮机引水部件
1、构成:
由蜗壳和座环组成
2、作用:
从水力观点看,蜗壳与座环的作用是使水流形成环量,并且轴对称地进入导水机构。
3、在立式水轮机安装中,水轮机座环是基准件,对其高程、圆度、水平度要求相当高。
4、在立式水轮机中,座环有部分固定导叶是空心的,其作用是顶盖排水,通过固定导叶,水排入集水井。
四、导水部件
1、作用:
通过调节导叶开度,达到调节进入水轮机转轮的流量,对于并网运行的机组,可以调节机组出力,对于单机运行的水轮机,则可以调节水轮机转速。
通过导叶后,水流是轴对称地进入转轮。
2、分类
(1)径向导水机构,水流沿着垂直于水轮机轴线平面径向地流过导叶。
(2)斜向导水机构,水流沿着以转轮轴为中心线的圆锥面斜向流过导叶。
(3)轴向导水机构,水流沿着与水轮机同心的各个园柱面轴向地流过导叶。
其中:
径向导水机构多用于混流式、轴流式,
斜向导水机构,轴向导水机构用于贯流式。
3、导叶开度a0
(1)、导叶开度a0:
大小等于一个导叶出口边至相邻导叶表面的最短距离。
(2)公式:
a0=D1/D1m×a0m
D1---转轮标称直径
D1m---模型标称直径
a0m---模型导叶开度
4、导叶高度b0
导叶相对高度b¯0=b0/D1,不同比转速的水轮机有不同的相对高度。
5、导水机构结构
(1)在结构上,导水机构应满足以下要求:
1最大开度可靠,其裕量不少于5%。
2在关闭状态下,导叶之间、导叶与顶盖、底环之间缝隙尽可能小。
3传动机构应有保护装置,一般用剪断销。
4导叶轴颈及其它摩擦面,应灵活自如。
5导水机构节力器及传动系统,应保证导叶上的水力矩曲线与节力器牵引力曲线形成有利关系。
6导水机构结构及其零件的公差,应保证导水机构能正确装配、调整及拆除。
7对受汽蚀浸蚀和泥沙磨损的零件,应在结构及材料上采取适当的措施。
6、混流式水轮机导水机构的组成
由推拉杆、控制环、连杆(拐臂)、剪断销、顶盖、底环、轴套、轴瓦、转臂、分半键、导叶组成。
五、混流式水轮进泄水部件
1、大、中型立式混流式水轮机都采用弯曲形尾水管(肘管),用肘管的目的是为了减少开挖,达到降低投资的目的。
2、肘管的组成
(1)进口锥管。
为一竖直圆锥扩散管。
(2)肘管。
是一90°的弯管。
(3)出口扩散管。
是水平放置的扩散管。
(4)3、弯曲形尾水管的回能系数为0,6。
~0.75
3、弯锥形尾水管
用于小型卧式混流式水轮机上,由等圆断面的弯管和竖直的圆锥管组成。
回能系数为0.4~0.6。
4、尾水管尺寸的确定
(1)高度的确定:
一般取h≥2,5D1.
(2)长度的确定:
通过实验得知,当L=4.5D1时,回能系数最大,可达η=72%.
(3)对于地下电站,取h≥3.5D1.
为提高回能系数,可增大尾水管高度,但是同时会增大开挖量,增大投入。
5、尾水管的补气装置
(1)十字补气:
在尾水管架一十字架,引到外界自然补气。
作用:
破坏尾水管真空,减少汽蚀,减少振动。
(2)真空破坏阀作用补气:
防止立式机组出现抬机现象。
①抬机现象:
水轮机正常运行时,如果出现事故,导水叶突然全关,流过转轮的水流由于惯性,速度不能突然变为零,还要在尾水管中走一段距离,给尾水管内造成极大的真空,水流速度变为零后,又会以很大的速度流回来,以极大的速度冲击转轮,造成抬机现象。
一旦发生抬机现象,将会给水轮机造成很大的危害。
②真空破坏阀工作原理:
与气泵安全阀相似,当尾水管真空达到一定值时,真空破坏阀工作,直接补气,破坏尾水管真空。
六、水轮机轴承
1、水轮机轴承的作用:
固定水轮机轴轴向位置,并承受径向力。
2、水轮机轴承结构(介绍稀油润滑轴承)。
3、水轮机轴承分类
(1)稀油润滑轴承
1毕托管供油式导轴承。
优点:
这种结构水流畅通,冷却效果好,轴承温度低。
缺点:
冷却器制造工工艺复杂。
2稀油润滑筒式导轴承。
优点:
冷却水靠近轴瓦,冷却效果好,结构不复杂。
3油浸式分块瓦导轴承。
多用于大型机组,主轴上轴颈需制成轴领的形式。
(2)水润滑导轴承
1只有在河水清洁的情况下才可用。
2优点:
结构简单,工作可靠,安装检修方便。
缺点:
轴瓦与轴颈有不同程度的磨损,运行不稳定,
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