多种水轮发电机组结构原理.ppt

水轮发电机组结构及工作原理,主讲：王高理 2016年10月18日,水轮发电机,1,水轮发电机组概述,本次培训内容,2,水轮机的型号及标称直径,3,水轮机的工作参数,4,公司电厂主机参数,5,水轮机基本结构,6,水轮发电机基本结构,第一章 水轮机发电机组概述,坝后式水电站,水电站的分类,引水式水电站,水电站的分类,混合式水电站,水轮发电机组,水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械。水轮机与发电机联接成的整体称为水轮发电机组。,水轮发电机组,水轮机的主要类型,水轮机的分类,利用水流的势能和动能进行工作；转轮完全淹没在密闭的水体中。,利用水流的动能进行工作；转轮露在空气中。,水流在反击式水轮机转轮中的运动,反击式：水流方向和流速大小受叶片约束而改变,从而对叶片一个反作用力,反击式水轮机,混流式水轮机 水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。应用水头范围较广，约为20700m，结构简单、运行稳定且效率高，是应用最广泛的一种水轮机。,1主轴；2叶片；3导叶,反击式（Reaction Hydraulic Turbine）,混流式：幅向进流，轴向出流,1主轴；2叶片；3导叶；4蜗壳；5尾水管,1,2,3,4,5,radiaxial turbine，Francis turbine,反击式水轮机,轴流式水轮机 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。应用水头约为380m，在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。,1导叶；2叶片；3轮毂,反击式（Reaction Hydraulic Turbine）,轴流式：轴向进流，轴向出流,axial flow turbine,Kaplan turbine,1导叶；2叶片；3轮毂4蜗壳；5尾水管,1,2,3,4,4,5,反击式水轮机,斜流式水轮机 水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动，其转轮叶片大多做成可转的形式。适用水头在轴流式与混流式水轮机之间，约为40200m。,1蜗壳；2导叶；3转轮叶片；4尾水管,反击式（Reaction Hydraulic Turbine）,斜流式：斜向进流，斜向出流,diagonal flow turbine,1,2,3,4,1蜗壳；2导叶；3叶片；4尾水管,可转动叶片,反击式水轮机,贯流式水轮机 一种流道近似为直筒状的卧轴式水轮机，它不设饮水蜗壳，叶片可做成固定的和可转动的两种。贯流式水轮机的适用水头为125m，适用于低水头、大流量的水电站。根据其发电装置形式的不同，分为全贯流式和半贯流式两类。全贯流式水轮机的发电机转子直接安装在转轮叶片的外缘，它的优点是流道平直、过流量大、效率高。但由于转轮叶片外缘的线速度大、周线长，因而旋转密封困难，目前已很少使用。,全贯流式水轮机,1转轮叶片；2转轮轮缘；3发电机转子轮辋；4发电机定子；5、6支柱；7轴颈；8轮毂；9锥形插入物；10拉紧杆；11导叶；12推力轴承；13导轴承,半贯流式水轮机 半贯流式水轮机有轴伸式、竖井式和灯泡式等装置形式。轴伸式和竖井式结构简单、维护方便，但效率较低，一般只用于小型水电站。灯泡贯流式水轮机，其结构紧凑、稳定性好、效率较高，使用广泛。,反击式水轮机,轴伸贯流式水轮机,1转轮；2水轮机主轴；3尾水管；4齿轮转动机构；5发电机,竖井贯流式水轮机,反击式（Reaction Hydraulic Turbine）,灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体,through flow turbinebulb turbine,1导叶；2转轮；3发电机；4灯泡,1,2,3,4,1,2,冲击式（impulse turbine）,inclined jet turbine,（a）水斗式；（b）斜击式；（c）双击式,冲击式水轮机：高速射流在空气中冲击转轮,Banki turbine,Pelton turbine,冲击式水轮机,水斗式水轮机 亦称切击式水轮机，从喷嘴出来的高速自由射流沿转轮周围切线方向垂直冲击轮叶。适用于高水头、小流量的水电站，特别是当水头超过400m时，常采用水斗式水轮机。大型水斗式水轮机的应用水头约3001700m，小型水斗式水轮机的应用水头约为40250m。,水斗式水轮机,1转轮叶片；2导叶；3发电机定子；4发电机转子；5灯泡体,冲击式水轮机,斜击式水轮机 从转轮的一侧进入轮叶再从另一侧流出轮叶。多用于中小型水电站，适用水头为20300m。,（a）转轮；（b）斜击式转轮进水示意图 1管帽；2针阀；3轮叶,冲击式水轮机,双击式水轮机 从喷嘴出来的射流先后两次冲击在转轮叶片上。适用于单机出力不超过1000KW的小型水电站，其适用水头一般为5100m。,1工作轮；2喷嘴；3调节闸板；4舵轮；5引水管；6尾水槽,小结,1、悬挂式发电机:推力轴承位于转子上方的发电机，它适用于转速在100r/min以上。其优点是推力轴承损耗小，装配方便，运转较稳定；缺点是机组高度较大，耗费钢材多。,水轮发电机组的形式,悬式发电机,2、伞式发电机,推力轴承位于转子下方，设在下机架上传力方式：机组转动部分重量推力头 镜板推力轴瓦下机架机座基础 上机架：只支撑上导轴承和励磁机定子。类型：1.普通伞式：有上、下导轴承 2.半伞式:有上导轴承，无下导轴承 3.全伞式:无上导轴承，有下导轴承,高压油膜,(1)普通伞式,有上、下导轴承,(2)半伞式,有上导，无下导。发电机通常将上机架埋入发电机层地板以下。,(3)全伞式,无上导，有下导。转动部分重量推力轴承支撑结构顶盖座环,第二章 水轮机的型号及标称直径,一、反击式水轮机的型号,二、冲击式水轮机的型号,举例,关于转轮直径D1的规定,第三章 水轮机的工作参数,水轮机出力水轮机工作水头水轮机流量水轮机效率水轮机转速,水轮机的主要工作参数有5个,一、水头 Head,水轮机流量：水流在单位时间内通过水轮机的水流体积,通常用Q表示，其单位为m3/s水轮机 的引用流量主要随着水轮机的工作水头和出力的变化而变化在设计水头下水轮机以额定出力工作时其过水流量最大,H和Q是水力发电的两大要素，H大Q小也发不出大量电，Q大H小也发不出大量电,转速n：水轮机组每分钟转动的转数,对于大中型水轮发电机组，水轮机与发电机是同轴运行的，所以它们的转速相同，并需要满足同步转速的要求。,磁极对数p 3 4 5 6 7 8 9.同步转速n 1000 750 600 500 428.6 375 333.3.,出力P与效率 水轮机的出力是指水轮机轴端输出的功率，常用符号P表示，单位为KW。水轮机出力P与水流出力Pn之比称为水轮机的效率，用符号t表示。,水力效率:容积效率:机械效率：,水轮机效率还可表示为,第四章 公司电站主机设备参数表（部分）,一、小水电厂设备参数(点击)二、大水电厂设备参数(点击),第五章 水轮机的结构,反击式水轮机通常由四大部分组成进水部件：蜗壳 和座环导水部件：导叶及其传动机构工作部件：转轮泄水部件：尾水管 这四大部分对于不同类型的水轮机各不完全相同，有着自身的特点,引水部件蜗壳和座环,蜗壳以沿水流方向过水断面的面积逐渐减小的蜗形流道，紧紧围住导水机构，使水流进入导水机构具有一定的旋转环量。并基本保证水流的对称、均匀性，从而提高效率。,三峡电站的一台机组蜗壳，由高强度钢板卷制焊接而成，与大坝引水管相连，蜗壳中间是座环及固定导叶。,焊接后的蜗壳用混凝土浇筑在发电厂房地下。,引水部件蜗壳和座环,座环水轮机过流部件，也是水轮机承重部件，是水轮机的支柱，支撑水轮机的固定导水叶(导叶)，其作用是合理分配流量，及导流，使水流有方向、均匀地进入转轮。,座环,蜗壳分节,座环,蝶形边,功用：引导水流按一定方向进入转轮；形成与改变进入转轮的速度环量；根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力；关机时截断水流。,导水机构（distributor）,组成：导叶和传动机构。导叶：导水机构的主体，由导叶体和导叶轴两部分组成。上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。传动机构：由控制环、连杆、转臂三部分组成，用于传递接力器操作力矩，使导叶转动，改变导叶开度以改变流量。导叶转动是通过调速器和接力器来实现的。,导水机构（distributor）,导水机构（distributor）,接力器示意图,接力器用于操作控制环的转动。接力器的基本部件:接力器缸和活塞。,工作部件转轮是水轮机的核心,转轮转轮是直接将水能转换为旋转的机械能的过流部件，它对水轮机的性能、结构、尺寸等起着决定性的作用，是水轮机的核心部分。,功用 引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。,尾水管（draft tube）,型式：直锥形用于小型水轮机；弯锥形用于卧轴水轮机；弯肘形（大中型电站）。,直锥形,弯锥形,尾水管（draft tube）,组成：进口直锥段、肘管、出口扩散段。,尾水管（draft tube）,龙滩水电站尾水管施工,上冠 下环 泄水锥 翼型扭曲叶片(1221片)止漏环(迷宫环)减压装置,混流式水轮机转轮,轴流式水轮机转轮,轴流式水轮机的转轮是由轮毂、轮叶和泄水锥三部分组成。在轮毂四周按悬臂方式安装轮叶，轮叶是扭曲面。边缘薄，根部厚，外形类似螺旋桨。轮叶数目按工作水头大小而定，工作水头较低，轮叶数较少；反之，较多。一般为38片,水轮机导水机构,圆柱式导水机构。这种结构的导水机构制造方便，能保证水轮机有足够高的效率，因而获得了广泛采用。,图5-13 径向式导水机构示意图,图5-14 圆锥式导水机构示意图,导水机构的组成,目前在混流式和轴流式水轮机中，普遍采用圆柱式导水机构，如圆柱式导水机构示意图。它位于蜗壳座环内圈，主要组成部分有顶盖、底环、控制环、导叶、导叶套筒、导叶传动机构（包括导叶臂、连杆、连接板）和接力器等部件组成。,1）导叶。导叶是导水机构的主要组成部件，均匀分布于转轮的外围、底环和顶盖之间。导叶的断面形状为翼型，首端较厚，尾端较薄，这样即可以保证强度又可以减少水力损失。导叶一般由导叶体和导叶轴组成，有三种结构型式：第一种是整体铸造，如图 5-16(a)所示，为了减轻导叶重量，通常做成中空导叶，壁厚由强度计算或铸造工艺可行性确定。第二种是铸焊导叶，如图5-16(b)所示，导叶体和轴分别铸，然后再焊接在一起。第三种是焊接导叶，如图5-16(c)所示，导叶体都用钢板压制后，再焊接成型，最后与导叶轴焊成整体。,导水机构环形部件,导水机构的环形部件有底环、控制环、顶盖和支持盖，它们受力比较复杂，制造要求比较高。底环。是一个扁平的环形部件，位于导叶下方，安装在座环或基础环上，它与顶盖或支持盖形成流道，并用来安装导叶下轴套。底环的结构如图5-17所示。大多数底环都采用ZG270-500铸钢铸造，大型机组中因受运输条件限制，可分为两半或更多瓣组合。在制造安装时，要注意底环上的导叶轴孔应与顶盖上相应的导叶轴孔同心，为此，中小型机组通常采用,控制环。是传递接力器作用力，并通过传动机构转动导叶的环形部件。为了减少摩擦和转动灵活，在控制环的底面和侧面装有抗磨板。如图5-18所示，控制环可采用ZG270-500铸钢铸造或Q235钢板焊接结构，大型的控制环受运输限制，也可设计成分瓣结构。控制环上部有耳环与推拉杆相连接，下部与叉头或耳柄相连，通过它使每个导叶传动机构同步动作，开启或关闭导叶。根据耳环数目和布置不同，控制环可分为单耳式、双耳交叉式、双耳平行式和无耳式。大中型多采用双耳平行式，当采用环形接力器时，则采用无耳式。,图5-18 控制环结构示意图,顶盖和支持盖。顶盖和支持盖是水轮机的主要部件，在顶盖的导叶轴孔中装有导叶套筒，顶盖上平面的支持环支承着控制环，是水轮机的主要受力部件，要求有足够的强度和刚度，所以多数的顶盖和支持盖为箱形结构。,图5-20 混流式水轮机顶盖示意图,水轮机主轴,图5-27 主轴示意图（a）单法兰主轴；（b）无法兰主轴；（c）双法兰主轴,水轮机主轴,主轴是水轮机的主要部件之一，它的一端与发电机轴连接，另一端接水轮机转轮。它的作用是将水轮机转轮的旋转机械能传递给发电机，从而带动发电机转子旋转。此外，主轴还承受转轮的轴向水推力和转动部件的重量。,水轮机主轴,（2）主轴与水轮机转轮的连接型式。中小型的水轮机，常采用无法兰与单法兰的主轴，它与转轮的连接简单，一般采用锥度配合定心和用键传递扭矩的方式。对于大中型水轮机，通常采用双法兰主轴,水轮机主轴,图5-28与混流式转轮的连接示意图1-主轴；2-护罩；3-沉头螺钉；4、10-联轴螺母；5-连接螺栓；6-转轮上冠；7-螺钉；8-键；9-螺栓,水轮机主轴密封装置,主轴密封装置是用以减少主轴与固定部件之间漏水的装置。水轮机主轴密封是水轮机正常工作的重要保护装置。一种是机组正常运行中，橡胶轴承压力水箱的密封和稀油润滑轴承下部防止机组漏水的密封，称为工作密封。另一种检修主轴密封时阻止主轴与固定部件之间漏水的可膨胀式密封，称为检修密封。,工作密封,图5-29 填料密封 图5-30 单层橡胶平板密封1-主轴；2-压环；3-填料箱；4-填料；5-顶盖 1-转环；2-抗磨板；3-压板；4-橡胶板,检修密封,图5-33 检修密封(a)围带式；(b)抬机式；(c)机械式,水轮机导轴承,导轴承是保持主轴中心位置，并承受径向力的轴承。水轮机导轴承的型式很多，按润滑介质不同，分为水润滑导轴承和油润滑导轴承两种。,水轮机导轴承,图5-34 橡胶轴承1-轴承体；2-水箱；3-橡胶瓦；4-排水管；5-压力表；6-密封；7-进水管；8-调整螺钉,油润滑导轴承,稀油润滑导轴承的结构型式有分块瓦式和圆筒瓦式导轴承两种。,图5-35 分块瓦轴承1-主轴轴领；2-轴瓦；3-挡油箱；4-轴承体；5-调整螺钉；6-轴承盖；7-油位计；8-主轴,水轮机的辅助装置,图5-37 轴心孔补气阀(a)球形真空吸力阀；(b)平板式真空吸力阀1-垫板；2-橡皮球、橡胶平板；3-托架；4-弹簧；5-主轴中心孔；6-主轴；7-外罩；8-底座,水轮机的辅助装置,1、补气装置当混流式水轮机偏离最优工况运行时，在尾水管内会不同程度地存在着压力脉动,导致机组剧烈振动、负荷摆动、效率降低等不良情况，可向尾水管适当补入空气，利用空气的吸振作用，降低涡带的强度，提高机组运行的稳定性。,第六章 水轮发电机的基本结构,水轮发电机的主要作用是将水轮机的旋转机械能最终转换成电能，其结构与性能的好坏对电站的安全、稳定、高效运行起着至关重要的作用。水轮发电机主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等部件组成。,水轮发电机定子结构,水轮发电机定子主要由机座、铁芯和三相绕组线圈等组成。铁芯固定在机座上。三相绕组线圈嵌装在铁芯的齿槽内。发电机定子机座、铁芯和三相绕组统一体统称为发电机的定子，也称为电枢。,立轴水轮发电机定子结构,机座 定子机座一般呈圆形，小容量水轮发电机多数采用铸铁整圆机座，也有采用钢板焊接的箱形结构；容量较大的水轮发电机的机座由钢板制成的壁、环、立筋及合缝板等零件焊接组装而成。机座应有足够的刚度，同时还应能适应铁心的热变形。,铁芯 定子铁芯是定子的一个重要部件，由扇形冲片、通风槽片、定位筋、齿压板，拉紧螺杆及固定片等零部件装压而成。定子铁芯的作用是：作为磁路的主要组成部分，为发电机提供磁阻很小的磁路，以通过发电机所需要的磁通，并用以固定绕组。绕组三相绕组由绝缘导线绕制而成，均匀地分布于铁芯内圆齿槽中。三相绕组接成Y形，它的作用是当转子磁极旋转时，定子绕组切割磁力线而感应出电势。,水轮发电机转子结构,水轮发电机的转子是转换能量和传递转矩的主要部件，一般由主轴、转子支架、磁轭、磁极等部件组成。,立轴水轮发电机转子结构,主轴 主轴的作用是用来传递扭矩，应具有一定的强度和刚度。主轴一般由35号、40号、45号或20SiMn等钢整锻而成。小容量水轮发电机一般采用整锻实心轴，也有的采用无缝钢管作为轴；大、中型容量的发电机采用整锻空心轴。,磁极 磁极是提供励磁磁场的磁感应部件，由磁极铁芯，线圈，上、下托板，极身绝缘，阻尼绕组及钢垫板等零部件组成。磁极铁芯分实心和叠片两种结构。中、小容量高转速水轮发电机的转子，常采用实心磁极结构，整体锻造或铸造而成。转速大于或等于750rmin的小型水轮发电机，常采用磁极铁芯连同转子的磁轭与主轴整体锻造加工。磁极固定方式通常采用螺钉、T尾和鸽尾结构。,磁轭与转子支架 磁轭的作用是构成磁路并固定磁极。转子支架的作用是固定磁轭。对于定子铁芯外径小于325cm的中小容量的水轮发电机，磁轭可用铸钢或整圆的厚钢板制造，不需要专门的转子支架。对于定子铁芯外径较大的水轮发电机，磁轭通过转子支架和主轴连成一体。磁轭的外缘加工有T尾、鹇尾槽或螺孔，用以固定磁极。,机架,机架是立轴水轮发电机安置推力轴承、导轴承、制动器及水轮机受油器的支撑部件，是水轮发电机较为重要的结构件。机架由中心体和支臂组成，一般采用钢板焊接结构，中心体为圆盘形式，支臂大多为工字梁形式。机架按其所处的位置分为上、下机架，按承载性质分为负荷机架和非负荷机架。,推力轴承,推力轴承的组成和作用 推力轴承是应用液体润滑承载原理的机械结构部件，主要由轴承座及支承、轴瓦、镜板、推力头、油槽及冷却装置等部件组成。其主要作用是承受立轴水轮发电机组转动部分全部重量及水推力等负荷，并将这些负荷传给负荷机架。推力轴承的分类 推力轴承支承结构方式主要有弹性垫支承式、刚性抗重螺栓支承式、弹性油箱支承和平衡块支承式四种。弹性垫支承式只用于小容量的立轴发电机；弹性油箱支承和平衡块支承式用于大中型发电机；中小型水轮发电机的推力轴承一般采用刚性抗重螺栓支承方式。,刚性支柱螺钉支承方式的推力轴承,1上机架；2冷却器；3气窗；4导轴承装配；5密封盖；6卡环；7推力头；8隔油板；9镜板；10挡油管；11主轴；12轴承座；13抗重螺栓；14托盘；15推力瓦；16绝缘垫,抗重螺栓推力瓦由头部为球面的抗重螺栓支承，抗重螺栓垂直拧入装有螺纹套筒的轴承座上。调整抗重螺栓的高度，可使瓦块保持在同一水平面上，使瓦块受力均匀。推力瓦推力瓦是推力轴承中的关键部件，它是整个机组转动部分和固定部分的摩擦面，并且承受整个机组转动部分的重量和轴向水推力。推力瓦一般做成扇形块，中小型水轮发电机推力轴承的推力瓦数多为6块8块。常用的推力瓦有巴式合金推力瓦和弹性金属氟塑料瓦两种。,镜板 镜板是将推力负荷传递到推力瓦上的部件，技术要求高。要求镜板保证其平面度和水平度，一般为0.02mmm。镜板多采用45号锻钢，应有足够的刚度。推力头 推力头是承受并传递机组轴向负荷及扭矩的部件。多数用平键和卡环固定在主轴上，也有采用热套方法固定于主轴上的。推力头应有足够的刚度和强度，以承受机组轴向推力产生的弯矩作用，不致产生有害的变形和损坏。,托盘 托盘的作用是减小轴瓦的变形。另外，托盘的轴向柔度在运行中有一定的均衡负荷作用。其材质应选用能承受较大弯曲应力的高强度材料。绝缘垫 通常在轴承座下面或推力头与镜板结合面之间装设绝缘垫，切断轴电流回路，保护轴瓦工作面，并起到绝缘和调整轴线的双重作用。油的循环冷却 轴承的油循环冷却方式有内循环和外循环两种。中小型水轮发电机轴承的油循环冷却方式一般为内循环。,弹性垫支承氏的推力轴承 轴承瓦由弹性垫支承。依靠垫的弹性变形吸收瓦的不均匀负荷，并使瓦倾斜形成动压承载油楔。,导轴承 导轴承是用来承受水轮发电机组转动部分的径向机械不平衡力和电磁不平衡力，并约束轴线径向位移和防止轴的摆动，使机组轴线在规定数值范围内旋转的结构。,谢 谢！,放映结束 感谢各位的批评指导！,让我们共同进步,