2.1水轮机类型和型号
水轮机类型
• 水轮机是将水能转换为机械能的水力机械，利用水能机带
•
动发电机将旋转机械能变为电能的设备，称为水能发电机 组。按水流能量转换特征，可将水轮机分为：反击式和冲 击式。 （1）反击式水轮机利用水的压能型式为主，动能型式为 辅，通过转轮转换为机械能，转轮中的水流具有压力且充 满流道。反击式水轮机按水流流经转轮的方向不同，又分 为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种类型。 ①混流式水轮机。水流流经转轮时是辐向流进而轴向流 出。其结构简单，运行可靠，效率较高，是现代应用最广 泛的水轮机。适用水头范围一般为20～450米，目前最高 已达800米。 ②轴流式水轮机。水流流经转轮时是轴向流进而又轴向 流出。按其叶片在运行时能否转动又分为定浆式和转浆式 两种。
–水轮机型号
– 水轮机的型号由三部分组成，第一部分之间用短横线 隔开。第一部分由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成， 前者表示水轮机型式，后者表示转轮型号（入型谱者 采用该转轮的比转速作为代号）。第二部分由两个汉 语拼音字母组成，前一字母表示主轴装置方式，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D1。对冲击式水轮机，第三部分表示为：水 轮机转轮标称直径/（作用在每一个转轮上的喷嘴数× 射流直径）。 – 各种类型水轮机转轮的标称直径D1规定如下： – ①混流式水轮机是指转轮叶片进口边的最大直径。 – ②轴流式水轮机是指转轮室的最大内径。 – ③斜流式水轮机是指与转轮叶片轴线相交处的转轮室 内径。 – ④冲击式水轮机是指转轮与射流中心线相切处的节圆 直径。 – 各型水轮机第一、二部分的代表符号见下表：
• 各型水轮机第一、二部分的代表符号
水轮机型式 主轴装置方式
立轴L 卧轴W 斜轴X
引水室特征
混流式HL 轴流转浆式ZZ 轴流定浆式ZD 斜流式XL 贯流转浆式GZ 贯流定浆式GD 水斗式CJ 斜击式XJ 双击式SJ
金属蜗壳J 混凝土蜗壳H 明槽M 罐式G 灯泡式P 竖井式S 虹吸式X 轴伸式Z
注：可逆式水轮机在水轮机型式代号后加“N”（逆）。•• •1.2 水电站的基本类型
坝后式 水电站
厂房与 大坝关系
河床式
引水式
地下式
溢流式
坝内式
• 坝后式水电站：厂房建在坝的后面，厂房本身不
承受上游水压。对于水头较高的坝式水电站，为 了不使厂房承受上游的水压力，一般常采用这种 布置方式。这时厂房设在坝后，水流经由埋藏于 坝体内的管道进入厂房。 河床式水电站：水电站厂房代替一部分坝体作为 抬高水位的建筑物，直接承受着上游水压力，它 没有专门的水轮机管道，水流由上游进入厂房转 动水轮机后泄回下游。这类水电站水头较低，一 般不超过30米。 引水式水电站。水头由引水道形成。这类水电站 在布置上的特点是具有较长的引水道，水电站建 筑物比较分散。
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细 节 决 定 成 败
第一章 水电站概述
1.1水电站枢纽的组成
• 水电站枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、进水建筑物及厂区建筑物等 •
水工建筑物组成，机电设备则安装在各种建筑物上，主要是安装在厂 房内及其附近。 （1）挡水建筑物：是拦截水流、抬高水位、形成水库，以集中落差、 调节流量的建筑物，例如坝和闸。 （2）泄水建筑物。其作用主要是泄放水库容纳不了的来水，防止洪 水漫过坝顶，确保水库安全运用，因而是水库中必不可少的建筑物， 例如溢流坝、河岸溢洪道、坝下泄水管等。 （3）进水建筑物：使水轮机从河流或水库取得所需的流量，如进水 口、进水流道。 （4）厂区建筑物：包括厂房、升压站。厂房是水电站枢纽中最重要 的建筑物之一，它不同于一般的工业厂房，而是是水力机械、电气设 备等有机地结合在一起的特殊的水工建筑物；升压站是安装升压变压 器和各种高压配电装置的地方。
水轮机牌号示例：
• HL220-LJ-550，表示混流式水轮机，转轮型号为220，立 • • • • •
轴，金属蜗壳，转轮直径为550cm。 ZZ560-LH-800，表示轴流转浆式水轮机，转轮型号为560， 立轴，混凝土蜗壳，转轮直径为800cm。 ZDT03-LH-300，表示轴流定浆式水轮机，转轮型号为03， 立轴，混泥土蜗壳，转轮直径为300cm。 GD600-WZ-250，表示贯流定浆式水轮机，转轮型号为 600，卧轴，轴伸式引水室，转轮直径为250cm。 GZ1250a-WP-530，表示贯流转浆式水轮机，转轮型号为 1250a，卧轴，灯泡式引水室，转轮直径为530cm。 2CJ30-W-120/（2×10），表示一根轴上具有两个转轮的 水斗式水轮机，转轮型号为30，卧轴，转轮直径为120cm， 每个转轮有两个喷嘴，射流直径为10 cm。
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1.3 水电站厂区建筑物简述
• 厂区建筑物：包括厂房、升压站。厂房是
水电站枢纽中最重要的建筑物之一，它不 同于一般的工业厂房，而是是水力机械、 电气设备等有机地结合在一起的特殊的水 工建筑物；升压站是安装升压变压器和各 种高压配电装置的地方。
发电机层
升压场 主厂房
变压器
水轮机层 蜗壳层 水泵层 尾水管层
2.2 轴流式水轮机的特点
• 轴流式水轮机用于开发较低水头，较大流量的水利资源。
它的比转速大于混流式水轮机，属于高比转速水轮机。在 低水头条件下，轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有 较明显的优点，当它们使用水头和出力相同时，轴流式水 轮机由于过流能力大，可以采用较小的转轮直径和较高的 转速，从而缩小了机组尺寸，降低了投资。当两者具有相 同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多 的效率。 轴流式水轮机的工作过程和混流式水轮机基本相同。水流 经压力水管、蜗壳、座环、导叶、转轮、尾水管到下游。 轴流式水轮机转轮位于转轮室内，轴流式水轮机转轮主要 由转轮体、叶片、泄水锥等部件组成。 转轮体上部与主轴连接，下部连接泄水锥，在转轮体的四 周放置悬臂式叶片。 轴流式水轮机广泛应用于平原河流上的低水头电站，应用 水头范围为3～55m，目前最大应用水头不超过70m。限制 轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的 条件。
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2.3 轴流定浆式水轮机结构
一、引水机构（蜗壳)
蜗壳的作用是将水的压力平顺、均匀、轴对 称的引入导水机构，使水流形成一定的环 量，减少水力损失
轴流式水轮机的蜗壳一般采用混凝土结构， 对于水头高于40m的，则用金属蜗壳。
• 混凝土蜗壳透视图
二、座环
• 座环位于蜗壳和活动导叶之间，由上环板、
八、水导轴承
• 水导轴承承受水轮机的径向力，防止和减少主轴的振动与 •
摆动，减小机组摆度，使转子、转轮不与固定部分碰撞， 摩擦，减少磨损，保证机组的正常运行。 水导轴承离转轮越近，转轮的悬臂愈小，水轮机运行越稳 定。 水导轴承由轴瓦、轴衬、轴衬支撑架（桶）组成，根据轴 瓦材料的不同，一般常见的有巴氏合金导轴承和橡胶导轴 承。 巴氏合金导轴承一般采用分半瓦，稀油润滑，内置冷却用 黄铜环管，通以压力冷却水达到冷却作用。巴氏合金导轴 承耐磨性能好，工作可靠，运行、维护工作量较大，用于 多泥沙河流水电站。 橡胶导轴承采用水润滑，对水质的要求很高，一般用在河 道水流较清的水电站。橡胶轴承有良好的耐磨性和弹性， 能消除运转中的振动。
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(a)叶片与枢轴整体；(b)叶片与枢轴用螺栓连接
• 转轮整体装配图
五、转轮室
• 转轮室是水轮机流道的一部分，转轮室的上端与底环相连，下端与尾
水管里衬相连。转轮室的形状要求与转轮叶片的外缘相吻合，以保证 在任何叶片角度时叶片和转轮室之间都有最小的间隙。转浆式水轮机 的转轮室，一般由上环和下环(也有三环的)组成，转轮室采用ZG30铸 钢或A3钢板焊接。 • 转轮室刚度要好，保证转轮转动时有均匀的间隙，严格避免由于变形 而出现叶片碰撞转轮的现象。 • 转轮室的内壁与叶片外圆间隙处，容易产生间隙汽蚀，这一部分最好 采用不锈钢材料制造或在其内表面铺焊一层不锈钢。
•
导水机构传动原理图
• 导水机构制造厂内预装图
四、转轮
• 轮毂（转轮体）：轮毂上端与主轴相连，下端与泄水锥连接。轮毂四周安装 •
均与分布的悬臂式叶片，轮毂的形状为圆柱形或球型，转浆式轮毂内装有轮 叶的传动机构，根据与导叶的协联关系操作浆叶转动，确保机组高效率运行。 轮叶：轮叶为扭曲状翼型断面，靠近轮毂处短而厚，外缘较薄。转浆式机组 轮叶与轮毂相邻处有轮叶法兰用螺栓与轮叶枢轴连接。定浆式转轮的叶片用 卡环固定于轮毂上，用定位销确定叶片的安放角，在叶片根部法兰上预留若 干定位销孔，随季节水位或流量变化人工调节叶片安放角可在某一时期内提 高运行效率。我站转轮与叶片为整体铸钢。 泄水锥：泄水锥的外形尺寸由模型试验确定。中小型机组的泄水锥大多采用 ZG30铸造，泄水锥与转轮体采用螺栓连结。 作用是引导由轮叶间流道出来的 水流顺利的变成轴向，减小涡流和能量损失。
六、尾水管
• 尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸影响厂房
基础开挖、下部块体混凝土尺寸。
• 尾水管尺寸越大，η 越高，工程量及投资增大。 • 型式：
直锥形——用于小型水轮机——用于卧轴水轮机 屈膝型——用于卧轴水轮机 弯肘形——（大中型电站）
弯肘型尾水管示意图
减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机均采用弯 肘型尾水管。 组成：直锥段、肘管、出口扩散段。
七、主轴与主轴密封
• 水轮机主轴将转轮输出的机械力矩传递给发电机，带动发
电机转子转动，是承受机械扭矩的部件。主轴一般由35号、 40号、45号或20SiMn等钢整锻而成。直径较小的主轴采用 实心结构，直径较大的主轴一般中间为空心以节省钢材， 同时为轴心补气以及装设操作油管用。 • 主轴密封是设置在主轴上的止漏密封装置，在转动部件与 固定部件之间用耐磨材料堵水达到封水母的。包括工作密 封和检修密封。 • 检修密封在机组检修和停机状况下工作密封故障时才投入 使用，一般采用空气围带的结构形式。 • 工作密封大多采用水压式端面密封和石棉盘根填料密封两 种结构。在大中型水轮机中，采用水压式端面密封的居多， 密封环用耐热且耐磨的丁腈橡胶管制成，内通压力水。密 封座采用不锈钢材料制造，转环磨擦面应铺焊一层不锈钢， 且通常采用转环在上、密封环在下的结构形式。