课程目标 Objectives 掌握水轮机发电机的基本知识 Common understanding of Turbine and Generator:– 工作原理 How it works; – 主要部套及功能 Main units and their function; – 部套结构 Structure of units.1

中国水电资源及市场前景 中国是世界上水力资源最为丰富的国家：

– 理论水力资源蕴藏量为5.9万亿千瓦时，可开 发水力资源为：3.97亿千瓦； 随着经济的飞速发展，中国的能源需求逐年增长：

– 2002年全国总装机容量为7885万千瓦； – 2020年计划提高到2.7亿千瓦，占可开发水力 资源的68%;

水力发电 原理：– 水力发电即开发水力资源，将水能转换为转动 的机械能，最终转化为电能的发电方式；

优势：– 清洁无污染：不产生温室气体； – 运营成本低：不需要燃料供应； – 水库和大坝还能有效地预防洪灾、提供灌溉用 水并改善通航条件。

水轮机的分类 水轮机分类：反击式水轮机

水轮机 Hydro Turbine

贯流式 Bulb Turbine水头 <25m

轴流式 混流式 冲击式 Kaplan Turbine Francis Turbine Pelton Turbine3 ~ 80m 30 ~ 700m 300 ~ 1800m

*水泵水轮机 Pump Turbine4

水轮机的分类混流式 Francis 贯流式 Bulb

轴流式 Kaplan

冲击式 Pelton

水轮机的分类 分类： 根据水流通过转轮时能量转换的方式，分为冲击式水轮与反击式水轮机 冲击式水轮机：水流以速度水头的开工作用于转轮，将动能转换为旋转机械能 的水轮机，转轮是在空气中工作的。 反击式水轮机：水流以压力能和动能在转轮流道内被转换为机械能，转轮是全 部浸没在水中的。

Pump Turbine:水泵水轮机，既可作为水轮机运行又可作为水泵运行，由于两种运 行工况下水轮机转动方向不同，水流方向也相反，因而又为可逆式水泵水轮机， 应用于抽水蓄能电站。根据使用水头的不同，可分为混 流式、斜流式、贯流式。

混流式水轮机结构 Francis Structure部套名称接力器Servomotor

主要功能 推动 控制环 转动，通过传动机构带动 活动导叶 Wicket gates 转动，从而控制机组流量。 与转轮相连，向发电机传递水轮机的机械能。 支撑 导叶轴颈 、水导轴承、 主轴伸出部分 和控制环； 具有封水作用。顶盖固定在 座环Stay ring 上，其中心主 轴伸出处安装水导轴承和主轴密封。 控制流入转轮的水流量，导叶全关时应有可靠的封水 性能。 外圆和蜗壳相连，内圆和顶盖、底环、基础环相连。 承受机组的重量、涡壳上部混凝土的重量、水轮机水推 力及蜗壳内部水压力。 使水轮机的进水形成一定环量并沿整个圆周均匀地输 送给导水机构 将水轮机转轮流出的液流排至下游；能量恢复作用。 将

水能直接转换为机械能，是水轮机最重要的部件。 位于主轴通过顶盖部分，起防止水通过转轮侵入主轴 作用。 承受水轮机转动部分的径向力，保持转轮和主轴绕旋 转中心转动。

控制环 Operating ring主轴 Main Shaft 顶盖 Head cover

导叶 Wicket gates 座环 Stay ring

涡壳 Spiral Case

尾水管Draft tube 转轮Runner 主轴密封Shaft seal 水导轴承Guide bearing

混流式水轮机：发电机部分 Francis: Generator部套名称 集电环 上导轴承 主要功能 固定在上端轴上，用来向转子传导励磁电流。 承受发电机转动部分的径向力并传递给上机架，保 持上端轴绕旋转中心转动,安装在上机架内。 承受来自上导轴承、集电环罩和发电机上盖板等各 方面的力，传递给电机层基础，并具有足够的刚度。 固定定子铁芯；承受上机架、上导轴承和机组所有 转动部分等的重量以及水轮机水推力等总和的轴向力。 发电机的转动部件，用来产生旋转磁场,转换能量。 是发电机磁路的主要组成部分，用来固定定子线棒 承受水轮发电机组所有转动部分的重量和水轮机最 大水推力。 上机架 定子机座

转子定子铁芯 下机架

推力轴承 下导轴承

安装在下机架内，承受水轮发电机组所有转动部分 的重量及水推力的部件。 承受发电机转动部分的径向力，保持转子和下端轴 绕旋转中心转动。

混流式水轮发电机结构 Francis Structure 集电环、电刷Power house 上端轴 上导轴承 上机架 定子 (定子机座) 转子 (转子支架) 推力轴承 下机架 主轴 蜗壳 导水机构 水导轴承与主轴密封 转轮

尾水锥管9

安装过程简介 Erection Process1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 尾水管安装 基础环、座环吊装 蜗壳挂装、焊接 导水机构安装 转轮、水机轴安装 导轴承安装 水轮机的调试

安装过程简介 Erection Process 发电机安装

1基础安装

2子机座与下线

3端轴和下机架安装

4转子安装

5上端轴安装

6上机架安装11

水轮发电机的主要参数 水轮机– 水头：指单位重量水流通过水轮机时的能量减 值，该能量减速值除去部分损耗外，在水轮机 内转换成固体机械能向外输出。H(m) – 流量：单位时间内通过水轮机的水流体积称为 水轮机流量。Q(m3/s) – 出力：是水轮机轴上向外输出的机械功率。 N(千瓦) – 转速：水轮机转子单位时间内旋转的次数。n (转/分)12

功能：

混流式水轮机结构：进口 与出口部份

– 进口部份 保证导水叶片进口圆周处均匀进水，使液流呈轴对称状态， 提高转轮工作的稳定性； 保证液流在进入导水叶片之前形成一定的旋转(速度环量); 水轮机主支撑。 – 出口部份 将水轮机转轮流

出的液流排至下游； 能量恢复作用。

重要部件：– – – – – 蜗壳 座环 基础环、伸缩节 尾水管(尾水锥管、尾水肘管) 排水阀(蜗壳排水阀、尾水管排水阀)13

尾水管和基础环 Draft tube & Foundation ring 功能：使转轮出口处水流压力下降，造 成一定的真空，来收回水流离开转轮时 的部分动能和收回转出下游水面的那一 段位能；将水流排向下游。 结构：– 进口锥管：简单的直圆锥形，锥角为14~20度 – 尾水肘管：为连结锥管和扩散管的过渡段 – 出口扩散管：矩形或扁圆形断面的扩散管

材料：钢板焊接，工厂成形，分段运至 工地焊接 设计：– 尾水管高度h和转轮直径D1决定各部件尺寸； – 肘管是关键部件：肘管内的水流处于转弯状 态，形状复杂，对尾水管的回能系数影响最 大。

功能

混流式水轮机结构:导水机 构 Distributor

– 形成和改变进入转轮的液流的速度环量； – 按电力系统负荷的变化，调节水轮机流量和功率； – 防止机组甩负荷时发送飞逸以及使水轮机停止运行。

构成– – – – – 21 顶盖: 支承导叶臂、水导轴承、主轴伸出部分和控制环；封水。 22 底环 23 轴承支架 24 导叶装配 25 控制环装配

导水机构的结构要求：

混流式水轮机结构:导水机 构 Distributor

– 最大开度可靠，其余量不小于5%,以保证水轮机 有足够的过水能力； – 在关闭状态下，导叶之间及导叶与顶盖、底环之间 的缝隙应尽可能的小，以保证水轮机在停机时仅有 微小漏水以及当机组作调相运行时，通入转轮的压 缩空气很少泄漏。 – 传动机构中应有保护装置(拉断销、剪断销、弹簧 连杆),以使得在导水机构关闭过程中，若导叶之 间卡有大块异物时，可不损坏导水机构的主要构件。 – 导叶轴颈、活动铰节及其它磨擦面，就能灵活运动。 – 导水机构的结构及其零件的公差，应保证导水机构 能正确装配、调整及拆卸。