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水轮机

2020-04-09 21:01

将水能转换成机械能的一种水力原动机。水轮机把水流从引水系统导入其转轮,使水能转换成机械能输出。将水轮机与发电机相联可进行发电,成为水轮发电机组;水轮机与电动发电机相联,可进行抽水和发电,成为抽水蓄能机组;水轮机与水泵联接,成为水轮泵,可进行抽水。

水轮机发展历史

据文字记载,公元前2世纪希腊就出现了水磨。中国在东汉、魏晋时期就有关于水碓、水排、水磨等的记载,利用水激木轮进行舂米、鼓风和灌溉等。这些都是水力原动机的雏型。近代形式的水轮机主要是18世纪后随着工业生产的发展而发展起来的。1754年瑞士著名数学家、力学及物理学家L.欧拉奠定了反击式水轮机的理论基础。1834年法国的富尔内龙(Fourneyron,曾译富聂隆)造出了第1台功率为4.5 kW的向心式水轮机。此后近代形式的冲击式、混流式等水轮机相继出现。经过近两个世纪的不断改进与完善,近代水轮机已发展成为性能完善、效率极高的水力机械。大型水轮机的最高效率达95%~96%以上,单机最大出力达700~800mW以上。各种水头(从几米到千米以上)和各种流量,都可选择相应的水轮机加以开发利用。

中国的水轮机制造工业主要是1949年以后发展起来的。到1999年底已投产水电站总装机容量73 GW。投产机组的总容量中,80%以上的机组是国内自己制造的。已投产的水轮机中,最大的混流式水轮机为550mW(二滩水电站),最大轴流式机组为200mW(水口水电站)。20世纪90年代后抽水蓄能用的水泵水轮机和贯流式水轮机也有了较快的发展。中国已建成年产可达4 GW的哈尔滨、东方等大型水电设备制造厂和一批中小水电设备制造基地,产品已出口到世界其他国家和地区。

水轮机类型

水轮机通常按能量转换的原理分成反击式与冲击式两大类。在反击式水轮机中,水流在叶片流道内改变压力和流速的大小与方向,对转轮产生反作用力,形成旋转力矩。这类水轮机的转轮是浸没在水流中的。反击式水轮机,可根据水流在转轮区内运动的方向,分成混流式水轮机、斜流式水轮机、轴流式水轮机和贯流式水轮机。各类水轮机见图。每一类水轮机按水头的不同又有若干型号的转轮。冲击式水轮机是利用高速水流射向水斗或叶轮使之旋转做功的。这类水轮机的转轮不浸于水中。

水轮机示意图

(a)混流式;(b)轴流式;(c)贯流式;(d)斜流式;(e)冲击式1—蜗壳;2—座环;3—导水机构;4—转轮;5—尾水管;6—主轴;7—转轮室

水轮机还可按主轴布置的方式分成立轴、卧轴或斜轴。卧轴水轮机在轴上有时带有2个转轮,叫双转轮。高水头水泵水轮机有时有多个转轮串联在一起,按串联个数分单级、双级或多级。水轮机还可按水流的流动方向分成单向式或可逆式等。

转轮是带有叶片可以旋转的轮体,也是转换能量的核心部件。不同水头采用不同类型的水轮机转轮。

水轮机部件

反击式水轮机的主要部件有蜗壳(引水室)、座环、导水机构、转轮、顶盖、主轴、导轴承、尾水管等。座环和导水机构又称引水部件,尾水管为泄水部件。

蜗壳是把引水道(管)来的水沿圆周方向导入水轮机,其外形如蜗牛的壳体。它的尺寸是确定厂房机组间距的重要依据。

座环由上下环和若干个固定导叶组成。它支承着水轮发电机组和座环上混凝土的重量,以及水轮机的轴向水推力,并把这些荷载传给厂房基础。

导水机构是调节进入转轮水流量的部件,主要由沿圆周对称均匀布置的多片可转动的导叶组成。由调速器通过接力器操作水轮机顶盖上的控制环,调节导叶开度,控制通过水轮机的流量。

尾水管,又称吸出管,是水轮机转轮向下游泄水的部件。它使转轮出口形成一定的负压,通过尾水管的扩散回收利用转轮出口的一部分动能。尾水管需与转轮相匹配,由模型试验确定。尾水管形式和尺寸是确定厂房开挖深度的主要因素。

主轴是传递转轮旋转力矩的部件。通过两端法兰联结水轮机转轮和发电机转子。

导轴承是维持主轴旋转摆动在允许范围内的部件。通常采取油润滑,在有清洁水源时可采用水润滑。

冲击式水轮机的结构部件,参见冲击式水轮机。

水轮机选择

一般根据利用水头、流量所确定的水电站装机容量和水电站的具体条件,先拟定几个不同机组台数、单机容量方案,选择不同参数的水轮机;然后综合考虑发电机、土建以及动能经济效益等情况进行技术经济比较,优选出水轮机型式、比转速、出力、直径、转速等。 大中型水电站要获得最适合的水轮机,通常需针对水电站的具体条件和运行要求进行专门的水轮机模型设计和试验,优选出水轮机的流道和参数。小型水电站的水轮机则往往从已有的型谱或系列产品中选用。

大中型水轮机通常适用的水头范围见表。

如在水电站发电水头的范围内,同时有几类水轮机可以选用时,则需进行技术经济比较。

确定水轮机的型式后,就可按该类水轮机的水头和比转速的经验曲线或经验公式,初步选择合适的比转速和其他参数。

水轮机适用水头范围表

水轮机的发展趋势是:积极采用各种新技术,不断提高各类水轮机的参数和性能,增大单机容量,向更高的使用水头发展,并不断降低单位功率材料消耗量和造价,改进结构,提高运行可靠性,研究各种新型的水轮机等,使水轮机能更好满足水电站各种使用条件下的要求,获得最大的经济效益。

水轮机型号标志方法

中国1974年编制了水轮机型号标志方法。反击式水轮机型号由3部分组成:第1部分表示水轮机型式;第2部分表示主轴和引水室(蜗壳)特征;第3部分表示转轮标称直径。3部分均由汉语拼音第1个字母组成。型号表示方法如下:

冲击式水轮机型号标志方法如下:

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