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水电站的类型
第一章 绪论
一、水电站的类型
根据集中水头方式的不同,水电站分为:
坝式水电站,引水式水电站和混合式水电站
二、水力发电
原理:
水能→水轮机→机械能→发电机→电能→输变线路→用户
三、水轮机
概念:
水流能量转换成旋转机械能的动力机械。
四、水轮机的基本工作参数
㈠工作水头H
1、定义:
水轮机进口断面和出口断面之间单位重量水流能量的差值。
设计水头Hr、最大水头Hmax、最小水头Hmin
2、公式:
水能由位置水头、压力水头、速度水头组成。
图1-1立式水轮机的水头示意图
(1-1)
式中——单位重量水体的能量,m;
——相对某一基准的位置高度,m;
——相对压力,N/m2或Pa;
——断面平均流速,m/s;
——断面动能不均匀系数;
——水的重度,其值为9810N/m3;
——重力加速度,m/s2。
式(1-1)中,计算常取称为某截面的水流单位动能,即比动能(m);称为某截面的水流单位压力势能,即比压能(m);称为某截面的水流单位位置势能,即比位能(m)。
、与的三项之和为某水流截面水的总比能。
水轮机水头又称净水头,是水轮机做功的有效水头。
上游水库的水流经过进水口拦污栅、闸门和压力水管进入水轮机,水流通过水轮机做功后,由尾水管排至下游。
上、下游水位差值称为水电站的毛水头,其单位为m。
水轮机的工作水头又可表示为
(1-2)
式中——水电站毛水头,m;
——水电站引水建筑物中的水力损失,m。
从式(1-2)可知,水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变,常用取几个特征水头表示水轮机水头的范围。
特征水头包括最大水头Hmax、最小水头Hmin、加权平均水头Ha、设计水头Hr等,这些特征水头由水能计算给出。
1.最大水头Hmax,是允许水轮机运行的最大净水头。
它对水轮机结构的强度设计有决性的影响。
2.最小水头Hmin,是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。
3.加权平均水头Ha,是在一定期间内(视水库调节性能而定),所有可能出现的水轮机水头的加权平均值,是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。
4.设计水头Hr,是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。
对于冲击式水轮机,卧轴水斗式水轮机为例,净水头H则为喷嘴进口断面与射流中心线(两者距离为a)跟转轮节圆相切处单位质量水流机械能之差,即
(1-3)
水轮机的水头,表明水轮机利用水流单位机械能的多少,是水轮机最重要的基本工作参数,其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。
㈡流量Q
1、定义;单位时间内通过水轮机的水流总量(体积)。
2、单位:
m3/s
㈢转速n
1、定义:
水轮机单位时间内旋转次数。
2、单位:
r/min(或rpm)
㈣出力和效率
1、定义:
水轮机出力是水轮机轴端输出的功率,常用符号表示,常用单位kW。
水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量,即水流的出力,常用符号表示。
2、公式:
水流输入功率:
(KW)(1-4)
水轮机的出力可写成:
(KW)(1-5)
五、水轮机的类型、各类型的特点及应用范围
(一)、基本类型
水轮机分类:
根据转轮转换水流能量方式的不同,水轮机分成两大类:
反击式水轮机和冲击式水轮机。
反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机;冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。
可用如下表示:
利用能量形式:
反击型:
势能与动能,以压能为主。
冲击型:
只有动能。
(二)、各类水轮机特点及应用范围
一、反击式水轮机
1、混流式水轮机(又称法兰西斯式水轮机或辐向轴流式水轮)
如图1-2所示,水流从四周沿径向进入转轮,然后近似以轴向流出转轮。
特点:
结构简单,运行可靠,效率比较高,应用最广泛的机型。
应用范围:
在25~700m之间。
图1-2混流式水轮机 图1-3轴流式水轮机
2、轴流式水轮机
如图1-3所示,水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动,而在转轮区内水流保持轴向流动。
轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。
轴流转浆式:
特点:
复杂,有双重调节,适应水头负荷的变化大。
应用范围:
3~80m
轴流定浆式:
特点:
较简单,叶片为固定,有些作成季节性可调节作用叶片,适应于水头负荷的变化不大。
否则效率会急剧降低。
应用范围:
3~50m
3、斜流式水轮机.(新机型-水流经转轮叶片与轴线有一角度)
如图1-4所示,水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。
斜流式水轮机的转轮叶片大多做成可转动的形式,具有较宽的高效率区,适用水头在轴流式与混流式水轮机之间,约为40~200m。
特点:
与ZZ相似,具有双重调节,外形、性能及适用范围均介于HL、ZL之间。
应用范围:
40~200m,应用于抽水蓄能电站。
如天荒坪6×30万KW
图1-4斜流式水轮机1-5贯流式水轮机
4、贯流式水轮机(水流一直贯通)
如图1-5所示,贯流式水轮机是指过流通道呈直线(或S形)布置的轴流式水轮机。
贯流式水轮机为卧轴布置,进水管、转轮室与尾水管为同一中心线,水流在整个水轮机流道中“直贯”而过,故称为贯流式。
特点:
与轴流式相似,卧轴,其流道畅通,引排水损失小,过流能力大。
应用范围:
<20m,应用于潮汐电站。
类型:
全贯式:
发电机转子安装在水轮机转办外缘。
半贯式:
常用,有灯泡式、轴伸式、竖井式、虹吸式。
二、冲击式水轮机
1、切击式水轮机(水斗式,又称培尔顿式水轮机)
水斗式水轮机,亦称切击式水轮机,如图1-6所示。
从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮圆周切线方向垂直冲击轮叶。
这种水轮机适用于高水头、小流量的水电站,特别是当水头超过400m时,由于结构强度和空化等条件的限制,混流式水轮机已不太适用,则常采用水斗式水轮机。
特点:
结构简单。
应用范围:
几百米以上甚至上千米,应用于高水头、小流量电站。
是冲击式中应用最广泛的机型。
目前水斗式水轮机的最高水头已用到1767m(奥地利莱塞克电站),我国天湖水电站的水斗式水轮机设计水头为1022.4m。
图1-6水斗式水轮机
1-水斗;2、4-转轮;3-机壳;5-喷嘴;6-针阀;7-调速手轮;8-压力水管;9-尾水渠
2、斜击式水轮机(小型整机)
如图1-7所示,斜击式水轮机是指转轮叶片呈碗形,且射流中心线与转轮转动平面呈斜射角度的冲击式水轮机。
图1-7斜击式水轮机
1-机壳;2-转轮;3-挡水盘;4-发电机;5、7-喷嘴6-阀门
特点:
与水斗式相比,其过流量较大,但效率较低,射流进口一转轮平面成一角度α=22.5°。
应用范围:
25~300m。
3、双击式水轮机
图1-8双击式水轮机
1-尾水渠;2-转轮;3-调节档板;4-压力水管;
如图1-8所示,从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。
这种水轮机结构简单、制作方便,但效率低、转轮叶片强度差,仅适用于单机出力不超过1000kW的小型水电站。
特点:
水流流经转轮两次冲击叶片。
应用范围:
5~150m。
六、水轮机的型号及装置方式
1.水轮机型号的编制方法
现在我国水轮机型号的编制依照JB/T9579-1999《水轮机型号编制方法》。
水轮机产品型号由三部分代号组成,各部分之间用“—”(其长度相当于一个汉字宽)分开。
水轮机型号排列顺序如下。
第一部分第二部分第三部分
转轮代号水轮机结构特征代号转轮直径D1(cm)或
水轮机型式代号主轴布置形式代号转轮直径和其他参数
型号的第一部分由水轮机型式和转轮的代号组成。
水轮机型式用汉语拼音字母表示,其代号规定见表1-1。
水泵水轮机在水轮机型式代号后增加汉语拼音字母“B”。
转轮代号采用水轮机比转速(代号统一由归口单位编制)或转轮代号(由制造厂自行编号)表示,用阿拉伯数字表示。
表1-1水轮机型式的代号
水轮机型式
代号
水轮机型式
代号
混流式
HL
贯流调桨式
GT
斜流式
XL
贯流定桨式
GD
轴流转桨式
ZZ
冲击(水斗)式
CJ
轴流调桨式
ZT
斜击式
XJ
轴流定桨式
ZD
双击式
SJ
贯流转桨式
GZ
型号的第二部分由水轮机的主轴布置形式和结构特征的代号组成,用汉语拼音字母表示,其代号规定见表1-2。
表1-2主轴布置形式和结构特征的代号
名称
代号
名称
代号
立轴
L
罐式
G
卧轴
W
全贯流式
Q
金属蜗壳
J
灯泡式
P
混凝土蜗壳
H
竖井式
S
明槽式
M
虹吸式
X
有压明槽式
My
轴伸式
Z
注:
主轴非垂直布置形式均用“W”表示。
型号的第三部分由水轮机转轮直径D1(以cm表示)或转轮直径和其他参数组成,用阿拉伯数字表示。
①若为轴流定浆式水轮机:
第三部分后有个括号(Ψ=+10°)表示转轮叶片安装角〔装置角〕为+10°。
②若为水半式水轮机:
其第一部分水轮机型式前的数字,为一根主轴上装有转轮的个数,未标明为1个。
第三部分应表示为:
③对暂未列入型谱的转轮,采用带有厂家代号和序号来表示。
如:
A-哈尔滨电机厂D-东方电机厂T-天津发电设备厂
J-金华水轮机厂
对于水斗式或斜击式水轮机,表示为:
转轮直径/喷嘴数目×射流直径
对于双击式水轮机,表示为:
转轮直径/射流宽度
2.水轮机转轮公称直径
据GB/T2900.45—1996《电工术语 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机》,转轮公称直径
D1的规定如图1-9所示:
(a)(b)
(c)(d)
图1-9各种水轮机转轮的标称直径
(a)轴流式;(b)混流式;(c)斜流式;(d)水斗式
对于混流式水轮机是指叶片出水边与下环相交处的直径。
对于离心式蓄能泵是指叶轮前盖板进口直径。
对于轴流、斜流和贯流式水轮机(轴流蓄能泵和斜流蓄能泵)是指与叶片轴线相交处的转轮室内径。
对于水斗式水轮机是指转轮节圆直径。
为了水轮机设计制造上的便利,对水轮机转轮公称直径尺寸系列(cm)规定为:
25,30,35,42(40),50,60,71,84(80),100,120,140,160,180,200,225,250,275,300,380,410,450,500,550,600(以下按每50cm进级),···。
上述带括号的直径仅用于轴流式水轮机。
实际上,对于大型或巨型水轮机的转轮直径,常考虑机组额定出力、机组的优化运行等条件,有时不严格按系列值确定转轮直径。
3.水轮机型号示例
例1HL220/A153—WJ—84:
表示为新入谱转轮型号,转轮代号为220、转轮研制单位的轮转编号为A153、卧轴、金属蜗壳的混流式水轮机,转轮直径为84cm。
例2ZZ560—LH—1130:
表示转轮代号为560、立轴、混凝土蜗壳的轴流转桨式水轮机,转轮直径为1130cm。
例3XLB200—LJ—300:
表示转轮代号为200、立轴、金属蜗壳的斜流式水泵水轮机,转轮直径为300cm。
例4GD800—WP—250:
表示转轮代号为800、卧轴、灯泡贯流定桨式水轮机,转轮直径为250cm。
例5CJ22—W—120/2×10:
表示转轮代号为22、卧轴、两喷嘴冲击(水斗)式水轮机,转轮直径为120cm,设计射流直径为10cm。
例6SJ40—W—50/40:
表示转轮代号为40、卧轴、双击式水轮机,转轮直径为50cm,转轮宽度为40cm。
二、水轮机的装置方式
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