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(chǔ),水力發(fā)電的原理基礎(chǔ),水 電 站,水電站是將水能轉(zhuǎn)換成水輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)最終將旋轉(zhuǎn)的機(jī)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(jìn)水、引水、廠房、排水等，安裝水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備的廠房和變電站，總體稱為水電站。 水電站是水、機(jī)、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(yùn)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(jī)中，使： 水能→水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能→帶動發(fā)電機(jī)組發(fā)電→輸電線路→用戶。,水輪發(fā)電機(jī)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(jī)械能,電能,水力發(fā)電的幾個要素,N ——水電站裝機(jī)容量或水輪機(jī)的功率 Q ——通過水輪機(jī)的流量 H ——水輪機(jī)的水頭 η——水輪機(jī)的效率,（一）水力發(fā)電特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 不耗燃料，成本低廉 水火互濟(jì)，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(diǎn),缺點(diǎn)： 受自然條件限制； 一次性投資大，移民多，工期長； 事故后果嚴(yán)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(fù)查結(jié)果，我國水電資源理論蘊(yùn)藏量年電量6.08萬億千瓦時，理論蘊(yùn)藏量裝機(jī)6.94億千瓦；技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)5.42億千瓦，技術(shù)可開發(fā)年電量2.47萬億千瓦時；經(jīng)濟(jì)可開發(fā)裝機(jī)4.02億千瓦，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)年電量1.75萬億千瓦時。,特點(diǎn)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(jī)容量達(dá)到了1.65億千瓦，按技術(shù)可開發(fā)量計算占可開發(fā)量30%，低于發(fā)達(dá)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(diǎn),特點(diǎn)二：地區(qū)分布不均，與經(jīng)濟(jì)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(dá)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(diǎn)三：江河來水量時間分布不均,,須建設(shè)（年調(diào)節(jié)、多年調(diào)節(jié)）大型水庫。,,特點(diǎn)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(jī)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(jī)可達(dá)4500萬kW。 大型電站，水頭高、單機(jī)容量大，帶來很多技術(shù)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(diǎn)： 1、成績很大。突出表現(xiàn)在以下三方面： 水電裝機(jī)容量躍居世界第一。 水電建設(shè)技術(shù)已具世界水平。 初步建立了適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的、有中國特色的水電開發(fā)和建設(shè)機(jī)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(jī)遇難得: 今后15－20年是水電建設(shè)的良好機(jī)遇期 西部大開發(fā)戰(zhàn)略的機(jī)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(jì)優(yōu)勢。 全面建設(shè)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(rèn)水能為可再生能源； 《京都議定書》： 溫室氣體減排； 當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，投資環(huán)境良好。,我國的能源概況與水電建設(shè) 能源結(jié)構(gòu)：“煤為基礎(chǔ)、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(yù)測：全面建設(shè)小康社會：2020年GDP翻兩番，預(yù)測電力需求9.2億kW，估計水電達(dá)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(jìn)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(shè)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(jī)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(jī)，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(yùn)、養(yǎng)殖、旅游、保護(hù)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(dá)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(dǎo)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(jī)。 世界水庫移民最多、工作量最為艱巨的移民建設(shè)工程三峽工程水庫動態(tài)移民最終可達(dá)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(jìn)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(jī)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(shè)計、施工，自制設(shè)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(yùn)等綜合利用效益，電站裝機(jī)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(jī)組發(fā)電，1978年最后一臺機(jī)組投運(yùn)。,二灘水電站,二灘水電站,二灘工程是二十世紀(jì)建成的中國最大的水電站?？傃b機(jī)容量330萬kW，單機(jī)容量55萬kW，這在21世紀(jì)初三峽電站建成之前，均列全 國第一，單機(jī)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(jìn)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(fēng)洞、排水洞（廊道）、進(jìn)風(fēng)豎井、排風(fēng)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(diǎn)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(dāng)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(jī)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(diǎn)： 水頭相對較高，目前最大水頭已達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jī)容量僅為1440kW，1910年7月開工建設(shè)，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(fù)荷低時，利用系統(tǒng)多余的電能帶動泵站機(jī)組將下庫的水抽到上庫(電動機(jī)+水泵)， 以水的勢能形式貯存起來； 放水發(fā)電：系統(tǒng)負(fù)荷高時，將上庫的水放下來推動水輪發(fā)電機(jī)組(水輪機(jī)+發(fā)電機(jī))發(fā)電，以補(bǔ)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(yùn)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(jī)械能，再把機(jī)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(yùn)行，是第一個商業(yè)化電站。該電站裝機(jī)24臺，每臺1萬千瓦，共24萬千瓦。設(shè)計年平均發(fā)電量5.44億度。機(jī)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(jìn)水建筑物：進(jìn)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(guān)站等,本節(jié)小結(jié)：,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(jié)：,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(shè)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(jié)：,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(diǎn)? 5.壩后式和河床式水電站樞紐的特點(diǎn)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(diǎn)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(jī)的主要類型,水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的水力機(jī)械。利用水輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能變?yōu)殡娔艿脑O(shè)備，稱為水輪發(fā)電機(jī)組。 按水流能量轉(zhuǎn)換特征，可將水輪機(jī)分為反擊式和沖擊式兩大類。,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,一、反擊式水輪機(jī) ⑴特點(diǎn)： ①轉(zhuǎn)輪是由若干個具有空間扭曲面的鋼性葉片組成（當(dāng)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(jìn)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(jī)。,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,1.混流式水輪機(jī)（HL） ①特點(diǎn)： a.水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時，以輻向從四周進(jìn)入轉(zhuǎn)輪而以軸向流出轉(zhuǎn)輪。 b.適用水頭范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，效率高。 c.單機(jī)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(dǎo)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(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,2.軸流式水輪機(jī)（ZZ，ZD） ①特點(diǎn)： a.水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時軸向進(jìn)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(yùn)行時葉片固定不動，結(jié)構(gòu)簡單；轉(zhuǎn)漿式運(yùn)行時葉片是可以轉(zhuǎn)動的，并和活動導(dǎo)葉保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，使水輪機(jī)保持較高的效率。 c.單機(jī)容量一般幾十KW ~十幾萬KW,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,d.葉片數(shù)3~8片，常用4~6片。葛洲壩17萬機(jī)組4片，12.5萬千瓦5片。 e.流量控制：定漿式只用活動導(dǎo)葉控制，而轉(zhuǎn)漿式由活動導(dǎo)葉和漿葉共同控制。 ②適用范圍： a.定漿式多用在負(fù)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(yīng)用在大中型電站上，負(fù)荷變化較大，應(yīng)用水頭范圍為3~80m。,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,3．斜流式水輪機(jī)（XL） ①特點(diǎn)： 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(yīng)水頭有所提高） d.容量：以禮河一級毛家村電站，單機(jī)容量為8000KW小浪底可達(dá)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(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,4．貫流式水輪機(jī)（GD，GZ） ①特點(diǎn)： a. 主軸裝置成水平或傾斜，不設(shè)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(jìn)口到出口全部是軸向的，可以認(rèn)為當(dāng)軸流式機(jī)組裝成水平臥軸時，不設(shè)蝸殼，水流直貫轉(zhuǎn)輪而成為貫流式。 c. 構(gòu)造簡單，造價低，過水能力大。 d. 按發(fā)電機(jī)裝置方式不同分為全貫流式與半貫流式。,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,全貫流式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)輪外緣，優(yōu)點(diǎn)為水力損失小，過流量大，結(jié)構(gòu)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(jī)安裝、運(yùn)行及檢修方便，但水頭低，效率也低，機(jī)組容量不大，適合小型水電站。燈泡式結(jié)構(gòu)緊湊，流道平直，過流量大，適用于大容量機(jī)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(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,,圖1-8 全貫流式水輪機(jī) 1—轉(zhuǎn)輪葉片；2—轉(zhuǎn)輪輪緣；3—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輪輞；4—發(fā)電機(jī)定子；5、6—支柱；7—軸頸；8—輪轂；9—錐形插入物；10—拉緊桿；11—導(dǎo)葉；12—推力軸承；13—導(dǎo)軸承,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,二．沖擊式水輪機(jī)(實物圖) ⑴特點(diǎn)： 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(jī)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(jī)一般沒有尾水管，只設(shè)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(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,1．水斗式水輪機(jī)（CJ）（又稱培爾頓（Pelton水輪機(jī)） ①特點(diǎn)：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(yīng)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(dá)1770m。,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,2．斜擊式水輪機(jī)（XJ） ①特點(diǎn)：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(dá)4000KW。,,圖1-13 斜擊式轉(zhuǎn)輪 （a） 轉(zhuǎn)輪； (b)斜擊式轉(zhuǎn)輪進(jìn)水示意圖 1— 管帽；2—針閥；3—輪葉；,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,3．雙擊式水輪機(jī)（SJ） ①特點(diǎn)：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(yīng)用水頭10~150m，出力達(dá)300KW。,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,表1-1 水輪機(jī)類型及應(yīng)用水頭范圍,第二節(jié) 水輪機(jī)的主要類型,本節(jié)小結(jié)：,,,,,,水輪機(jī),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(jī)的型號和裝置形式,一、水輪機(jī)的型號 1、型號的含義 我國水輪機(jī)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(jī)型式及轉(zhuǎn)輪型號 水輪機(jī)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(jī)型式代表字母后加“N”表示可逆水力機(jī)械。,一、水輪機(jī)的型號,表1-2 水輪機(jī)形式,一、水輪機(jī)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(jī)的型號,（三）第三部分是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑D1(cm) 反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑1是用以厘米為單位的數(shù)值表示；沖擊式水輪機(jī)牌號的第三部分表示方式為： 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑D1(cm)/作用在每個轉(zhuǎn)輪上的噴嘴數(shù)設(shè)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(biāo)稱直徑（或稱名義直徑）用D1表示，單位是cm。各種類型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪標(biāo)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(jī)是轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊上的最大直徑，即轉(zhuǎn)輪下環(huán)與葉片進(jìn)口邊交點(diǎn)處直徑。 2．軸流式和斜流式水輪機(jī)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(jī)是轉(zhuǎn)輪與射流中心線相切的節(jié)圓直徑。,一、水輪機(jī)的型號,圖1-16 各種類型的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑規(guī)定示意圖,一、水輪機(jī)的型號,二、水輪機(jī)的裝置形式,水輪機(jī)的裝置形式是指水輪機(jī)的布置形式和引水室形式相結(jié)合的總體，它取決于使用水頭、單機(jī)容量和上下游水位等的變化情況。水輪機(jī)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(jī)位于水輪機(jī)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(jī)和水輪機(jī)布置在同一高度上，可減小廠房高度，但發(fā)電機(jī)易受潮，廠房面積較大，多用于小型水電站。,水輪機(jī)裝置形式與水電站廠房設(shè)計有密切的關(guān)系，下面對水輪機(jī)常見的幾種裝置形式進(jìn)行簡要介紹。 1、反擊式水輪機(jī)的裝置形式 反擊式水輪機(jī)使用水頭范圍大，單機(jī)容量差別大，機(jī)型繁多，所以裝置形式各不相同。 大型機(jī)組：為縮小廠房面積，采用立式布置形式水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)軸直接連接。 中小型機(jī)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(jī)與發(fā)電機(jī)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(jī)的裝置形式,2、沖擊式水輪機(jī)的裝置形式 沖擊式水輪機(jī)的裝置形式是根據(jù)其類型和機(jī)組容量的大小，結(jié)合當(dāng)?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(jī)由于機(jī)組容量小，一般采用臥式裝置形式。切擊式水輪機(jī)由于機(jī)組容量范圍較大，因此裝置形式有立式也有臥式。大容量機(jī)組一般采用立式，小容量機(jī)組采用臥式。臥式切擊式水輪機(jī)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(jī)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(jī)的裝置形式,2、沖擊式水輪機(jī)的裝置形式 對于大容量機(jī)組，為了縮小廠房平面尺寸，降低開挖費(fèi)用，一般采用立式裝置形式。立式機(jī)組還可以降低進(jìn)水管中的水力損失及轉(zhuǎn)輪的風(fēng)損，提高水輪機(jī)效率。另外立式機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，在運(yùn)行中能夠根據(jù)負(fù)荷的變化自動調(diào)整投入運(yùn)行的噴嘴數(shù)，保持高效率運(yùn)行。,二、水輪機(jī)的裝置形式,1.水輪機(jī)牌號規(guī)定為：水輪機(jī)形式、比轉(zhuǎn)速——主軸布置形式、引水室特征——轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑。 2.各型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑位置都有規(guī)定，且標(biāo)稱直徑有標(biāo)準(zhǔn)化。 3.水輪機(jī)的裝置形式。,本節(jié)小結(jié)：,當(dāng)水流通過水輪機(jī)時，水流的能量被轉(zhuǎn)換為水輪機(jī)的機(jī)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(jī)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(jī)的工作水頭H： 1．定義：水輪機(jī)的工作水頭是指參與水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換的水頭。 2．計算：根據(jù)定義水輪機(jī)的工作水頭H（m）應(yīng)為水輪機(jī)進(jìn)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(zhǔn)面） H=EⅠ–EⅡ,第四節(jié) 水輪機(jī)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(jī)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(jī)利用的有效水頭。,3．表明水輪機(jī)運(yùn)行工況及運(yùn)行范圍的其他特征水頭： 最大水頭Hmax、最小水頭Hmin、加權(quán)平均水頭Ha、設(shè)計水頭（也稱計算水頭）Hr 其中：①加權(quán)平均水頭Ha是指水電站在運(yùn)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(quán)的平均水頭?？捎捎嬎愕馁Y料確定： 或 式中ti，Ni—水頭Hi出現(xiàn)時相應(yīng)的持續(xù)時間和出力。,第四節(jié) 水輪機(jī)的基本工作參數(shù),3．表明水輪機(jī)運(yùn)行工況及運(yùn)行范圍的其他特征水頭： ②設(shè)計水頭Hr是指水輪機(jī)在發(fā)出額定出力時所需要的最小水頭，它與水輪機(jī)的受阻容量有關(guān)，經(jīng)分析比較確定。,第四節(jié) 水輪機(jī)的基本工作參數(shù),二、流量 1．定義：水輪機(jī)的流量是指水流在單位時間內(nèi)通過水輪機(jī)的體積，單位m3/s。 2．計算：水輪機(jī)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(jī)發(fā)額定出力時，Q最大。,第四節(jié) 水輪機(jī)的基本工作參數(shù),三、出力和效率 1．出力：水輪機(jī)軸端的輸出功率，用P表示，單位為W或kW。 2．輸入功率：當(dāng)單位時間內(nèi)水輪機(jī)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(jī)的出力與其輸入功率的比值稱為水輪機(jī)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(jī)的基本工作參數(shù),5．實際水輪機(jī)效率ηt情況：目前水輪機(jī)的效率較高，大型機(jī)組可達(dá)90%~95%，小型機(jī)組可達(dá)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(jī)組的輸出功率Pf： 由于水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸連接，當(dāng)水輪機(jī)把輸出功率傳給發(fā)電機(jī)時，同樣存在著損失，即發(fā)電機(jī)的效率η發(fā)。 所以 Pf=9.81QHη水η發(fā)＜水輪機(jī)的輸出功率P,第四節(jié) 水輪機(jī)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(jī)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(jī)械運(yùn)動的公式來表示： P=Mω=M 2．轉(zhuǎn)速 ①水輪機(jī)主軸和發(fā)電機(jī)軸都是用法蘭和螺栓直接鋼性連接的，所以水輪機(jī)主軸與發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行，二者轉(zhuǎn)速相同。 ②水輪機(jī)轉(zhuǎn)速要符合標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速，即滿足 f=（Pn）/60,第四節(jié) 水輪機(jī)的基本工作參數(shù),③水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速 n=3000/P （r/min） 對不同磁極對數(shù)的發(fā)電機(jī)，其標(biāo)準(zhǔn)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(jī)組轉(zhuǎn)速應(yīng)保持為相應(yīng)的固定轉(zhuǎn)速，此轉(zhuǎn)速即為水輪機(jī)或機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速n。,第四節(jié) 水輪機(jī)的基本工作參數(shù),一、水輪機(jī)的基本方程式 不論何種類型的水輪機(jī)均系利用水流的能量給葉片的反力推動轉(zhuǎn)輪作功，以達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的。水流傳遞給水輪機(jī)的功率為9.81，其中Q為通過水輪機(jī)的流量；H為有效水頭;為水輪機(jī)水力效率。水輪機(jī)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(jī)的工作原理,水輪機(jī)基本方程式為： Hηt= 1/g(u1v1cosa1-u2v2cosa2) 式中g(shù)為重力加速度；v1、v2分別為水流進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪時的絕對速度；u1、u2分別為轉(zhuǎn)輪進(jìn)口、出口的旋轉(zhuǎn)速度；a1、a2分別為水流進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪時的絕對速度與圓周分速度的夾角。在設(shè)計水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的通流部分時應(yīng)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(jī)械能的平衡方程式。,第五節(jié) 水輪機(jī)的工作原理,反擊式水輪機(jī)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(jī)工作。 沖擊式水輪機(jī)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(jī)的工作原理,二、水輪機(jī)的能量損失及效率 水能完全有效地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能傳給發(fā)電機(jī)，這是因為任何機(jī)械運(yùn)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(jī)械損失等,第五節(jié) 水輪機(jī)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(dǎo)水機(jī)構(gòu)、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(jī)的工作原理,容積損失和容積效率 容積損失：進(jìn)入水輪機(jī)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(jī)的工作原理,機(jī)械損失和機(jī)械效率 機(jī)械損失：水輪機(jī)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(jī)械效率：ηm=(Pe-Δ Pm)/Pe,第五節(jié) 水輪機(jī)的工作原理,