第二章 水轮机运行与维护

第一节 水轮机概述

一、水轮机的工作参数

当水流通过水轮机时，水流的能量被转换为水轮机的机械能，我们用一些参数来表征能量转换的过程，称为水轮机的基本工作参数，主要有工作水头H、流量Q、出力N、效率η、转速n等。

（一）工作水头H

如图2-1所示，水流从水库进水口经压力管道流入水轮机，在水轮机内进行能量交换后通过尾水管排至下游。

在水轮机进口断面1—1处和出口断面2—2处，水流所具有的单位能量为

我们把水轮机进口断面（1—1断面）与出口断面（2—2断面）的单位能量差，定义为水轮机的工作水头，即

式中 H——水轮机的工作水头，m；

v₁——进口断面的平均流速，m/s；

v₂——出口断面的平均流速，m/s；

α₁——进口断面动能不均匀系数；

α₂——出口断面动能不均匀系数；

P₁——进口断面处的压强，Pa；

P₂——出口断面处的压强，Pa；

g——重力加速度，m/s²；

γ——水的重度，γ=9.81kN/m³；

Z₁、Z₂——进、出口断面相对于基准面的位置高度，m。

水电站的装置水头亦称毛水头H_g，等于电站上、下游水位差。因此水轮机的工作水头（净水头）又等于电站毛水头H_g减去引水系统的水头损失h_w，即：H=H_g-h_w，单位为m。

水轮机的工作水头是水轮机的重要工作参数，它的大小表征水轮机利用水流单位能量的多少，它影响水电站的开发方式、机组类型和经济效益等。在水轮机的工作过程中，工作水头是不断变化的，它有几个特征水头值。

水轮机的额定水头H_r，是水轮机以额定转速运转时发出额定出力所必需的最小水头。

水轮机的最大水头H_max，是水轮机运行中允许的最大工作水头。

水轮机的最小水头H_min，是保证水轮机稳定运行的最小工作水头。

（二）流量Q

单位时间内通过水轮机的水流体积称为流量，用Q表示，单位为m³/s。

（三）出力N和效率η

单位时间内水轮机主轴所输出的功称为水轮机的功率。功率也称出力，用N表示，单位为kW。

具有一定水头和流量的水流通过水轮机时，水流的出力为

水轮机不可能将水流的功率N_s全部转换和输出，由于水轮机在能量转换的过程中，会产生一定的损耗，因此水轮机的出力必然小于水流的出力。

水轮机的出力N与水流的出力N_s之比，称为水轮机的效率，用η表示，即

水轮机效率η由三部分组成，即容积效率η_v、水力效率η_s和机械效率η_j，而水轮机效率η为上述三项效率的乘积。

因此，水轮机的出力可写成

效率为小于1.0的正系数，它表征水轮机对水流能量的有效利用程度。

（四）转速n

水轮机的转速是指水轮机转轮在单位时间内旋转的圈数，用n表示，单位为r/min。当水轮机主轴和发电机主轴采用直接联结时，其同步转速应满足下列关系式：

式中 f——电流频率，我国规定为50Hz；

p——发电机的磁极对数。

二、水轮机的类型和应用

（一）水轮机的基本类型

水轮机是将水流能量转换成机械能的一种水力原动机，根据水流能量转换特征不同，把水轮机分为反击式和冲击式两大类。

利用水流的势能（位能和压能）和动能的水轮机，称为反击式水轮机；只利用水流动能的水轮机，称为冲击式水轮机。两大类水轮机按水流流经转轮的方向及结构特征不同，又分为若干种型式。

近代水轮机的主要类型见图2-2。

1.反击式水轮机

反击式水轮机转轮由若干个具有空间三维扭曲面的叶片组成，压力水流充满水轮机的整个流道。当压力水流通过转轮时，受转轮叶片作用使水流的压力、流速大小和方向发生变化，因而水流便以其压能和动能给转轮以反作用力，此反作用力形成旋转力矩使转轮转动。

反击式水轮机按水流流入和流出转轮方向的不同，又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机。

2.冲击式水轮机

冲击式水轮机是在大气中进行能量交换的，水流能量以动能形态转换为转轮旋转的机械能。有压水流先经过喷嘴形成高速自由射流，将压能转变为动能并冲击转轮旋转，故称为冲击式。在同一时间内水流只冲击部分转轮，水流不充满水轮机的整个流道，转轮只部分进水。根据转轮的进水特征，冲击式水轮机又分为切击式、斜击式和双击式水轮机三种型式。

（二）水轮机的特点及应用范围

1.混流式水轮机

混流式水轮机又称弗朗西斯式（Francis）水轮机，水流自径向进入转轮，沿轴向流出，故称为混流式，适用范围最广泛，适用水头为20~700m，如图2-3所示。

2.轴流式水轮机

轴流式水轮机，水流进入和流出这种水轮机的转轮时，都是轴向的，故称轴流式。其应用水头约为3～80m，如图2-4所示。根据转轮叶片在运转中能否转动，又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流转桨式又称为卡普兰（Kaplan）式。

轴流定桨式水轮机的转轮叶片在运行时是固定不动的，因而结构简单。由于叶片固定，当水头及负荷变化时，叶片角度不能迎合水流情况，效率会急剧下降，因此这种水轮机一般用于水头和负荷变化幅度较小的电站。轴流定桨式水轮机的应用水头一般为3～50m。

3.斜流式水轮机

水流流经水轮机转轮时，水流方向与轴线呈某一倾斜角度，它是20世纪50年代发展起来的一种机型，其结构和特性方面，均介于混流式和轴流转桨式之间。斜流式水轮机的叶片角度也可以根据运行需要进行调整，实现导叶与转轮叶片的双重调节。斜流式水轮机有较高的高效率区，且具有可逆性，常作为水泵水轮机用于抽水蓄能电站中。应用水头范围一般为40～200m，因其结构复杂，造价较高，很少用于小型水电站。

4.贯流式水轮机

贯流式水轮机，当轴流式水轮机的主轴水平布置，且不设置蜗壳，采用直尾水管，水流一直贯通，这种水轮机称为贯流式水轮机。贯流式水轮机是开发低水头水力资源的一种机型，应用水头通常在20m以下。

贯流式水轮机也有定桨与转桨之分，由于发电机的装置方式及传动方式不同，这种水轮机又分为全贯流式和半贯流式两类。将发电机转子安装在水轮机转轮外缘的叫全贯流式水轮机，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。目前这种机型已很少使用。半贯流式水轮机有灯泡式、轴伸式、竖井式和虹吸式等结构型式。目前应用最多的是灯泡贯流式水轮机，如图2-5所示，其结构紧凑、稳定性好、效率高，其发电机布置在被水绕流的钢制灯泡体内，水轮机与发电机可直接连接，也可通过增速装置连接。

5.水斗式水轮机

水斗式水轮机又称切击式水轮机或培尔顿（Pelton）水轮机，如图2-6所示。

它是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型，适用于高水头电站，中小型水斗式用于水头100~800m，大型水斗式一般应用在400m水头以上，目前最高应用水头达1770m。

6.斜击式水轮机

斜击水轮机，射流与转轮平面夹角约为22.50°，如图2-7所示，这种水轮机用在中小型水电站，使用水头一般在400m以下，最大单机出力可达4000kW。

7.双击式水轮机

双击式水轮机，结构简单，制造容易，但效率低，只适应于小水电站，如图2-8所示，应用水头10～150m。

三、水轮机的基本结构

水轮机的基本部件较多，这里只简要介绍对水轮机能量转换过程有直接影响的主要过流部件。

（一）反击式水轮机

反击式水轮机一般有四大基本过流部件，即引水部件、导水部件、工作部件和泄水部件。不同型式的反击式水轮机，上述四大部件结构不尽相同。

1.引水部件

引水部件又称引水室，反击式水轮机引水室的主要作用是以最小的水力损失将水流引向导水机构，尽可能保证水流沿导水机构周围均匀、轴对称的流入；并使水流进入导水机构前形成一定的环量以及保证空气不进入转轮。

为适应不同的条件，引水室有不同的型式，常用的类型有开敞式和封闭式两类。开敞式又称为明槽式；封闭式引水室中水流不具有自由水面，有压力槽式、罐式、蜗壳式三种。

（1）明槽式引水室。明槽式引水室的水面与大气相通。为了减少明槽内的水力损失及保证水流的轴对称，明槽引水室的平面尺寸通常比较大，这种引水室一般用于水头10m以下、转轮直径小于2m的小型渠道电站，如图2-9所示。

（2）压力槽式引水室。压力槽式引水室适用于8～20m的小型水轮机，如图2-10所示。

（3）罐式引水室。罐式引水室中的水流具有一定的压力，属于封闭式。它由一个圆锥形金属机壳构成，一端与压力钢管相连，另一端与尾水管连接。这种引水室结构简单，但水力损失大，一般用于D₁小于0.5m、水头10~35m、容量小于1000kW的小型水轮机，如图2-11所示。

（4）蜗壳式引水室。蜗壳式引水室俗称蜗壳，其进口与压力引水管相连，沿进口断面向末端，断面面积逐渐缩小，它属于封闭式引水室。

垂直于压力水管来水方向的蜗壳断面，称为蜗壳的进口断面。蜗壳断面面积为零的一端，称为蜗壳的末（鼻）端，由末端到任意断面之间所形成的圆心角称为包角，由末端到进口断面之间所形成的圆心角为最大包角（φ_max）。

水轮机的应用水头不同，作用在蜗壳内的水压力不相同。水头高则水压力大，要求蜗壳具有较高的强度，因此采用金属制造；而低水头时压力较小，强度可以降低，故一般采用混凝土制作。

金属蜗壳通常采用铸造或钢板焊接结构，其断面为圆形，过渡为椭圆形断面最大包角接近360°（通常为345°）。工作水头在40m以上时，一般采用金属蜗壳，如图2-12所示。

混凝土蜗壳在电站施工现场浇筑而成，其断面为梯形断面，做成多边形梯形断面可以减小径向尺寸以及便于制作模板和施工。混凝土蜗壳的最大包角通常为180°，应用水头在40m以下。梯形断面根据厂房设计的要求可能有4种形状，如图2-13所示。

一般为了布置接力器的方便，多采用平顶n=0或m>n的蜗壳断面；为了减小进口段的基岩开挖，多采用m=n或m<n的蜗壳断面。

2.导水部件

导水部件即导水机构，位于引水室和转轮之间，它的作用是引导水流进入转轮，形成一定的速度矩，并根据机组负荷变化调节水轮机的流量，以达到改变水轮机功率的目的。为达到上述目的，导水机构是由流线形的导叶及其传动机构（包括转臂、连杆、剪断销、控制环等）组成，而控制环的转动是通过调速器控制油压接力器来实现的，其原理如图2-14和图2-15所示。当控制环相连的连杆同时带动所有转臂转动，而转臂又带动导叶以相等的角速度沿同一方向关闭，反之开启。

（1）导叶。导叶均布在转轮的外围，为减少水力损失，其断面设计成翼型，导叶可随其轴转动，称为活动导叶。为保证水轮机在停止运行时，导叶关闭严密，在导叶的上下端面、导叶间隙均设有橡胶或不锈钢的密封装置。

（2）座环。座环位于引水部件（蜗壳）与导水机构之间，由上环、下环和支柱（也称固定导叶）组成，如图2-16所示。其作用是承受水轮发电机转动部分重量、水轮机的轴向水推力、顶盖的重量及部分混凝土重量，并将此荷载通过立柱传给下部基础。同时，座环也是水轮机的过流部件和水轮机安装基准部件。

3.工作部件

工作部件即转轮，它的作用是将水能转换为机械能，是实现水流能量转换的核心部件。转轮的形状、制造工艺、轮叶数目对水轮机的性能、结构、尺寸起决定性的作用。

（1）混流式转轮。如图2-17所示，转轮由上冠、下环、叶片和泄水锥四部分组成。

转轮叶片均匀分布在上冠与下环之间，一般轮叶数目为12~20片。泄水锥用来引导水流平顺轴向流动，避免出流相互撞击，减少水头损失和振动。

为适应不同水头和流量的要求，转轮形状不同，以D₁表示转轮进口边最大直径，D₂表示出口边最大直径，进口边高度用b₀表示，如图2-18所示。

中、低水头（中、高比转速）混流式转轮的特征：D₁≤D₂，且=0.2~0.39,数值较大，适用于水头低、流量大的水电站。

高水头（低比转速）混流式转轮的特征：D₁>D₂，且<0.2,数值较小，适用于水头较高、流量相对较小的水电站。

（2）轴流式转轮。轴流式转轮如图2-19所示，由轮毂、叶片和泄水锥组成。它分为轴流定桨式转轮和轴流转桨式转轮。轴流定桨式转轮叶片形状类似船舶的螺旋桨，叶片固定，水轮机制造厂通常可提供同一转轮型号及标称直径而叶片装置角φ不相同的定桨式转轮，电站依具体情况选择。轴流转桨式转轮叶片在工作过程中可绕自身轴线转动。其工作原理如图2-20所示。

（3）斜流式转轮。斜流式转轮如图2-21所示，其结构与轴流式转轮相似，水流流经转轮时与主轴成某一倾斜角度，这种转轮结构复杂，制造工艺要求很高。

（4）贯流式转轮。贯流式转轮与轴流式转轮整体形状类似，相当于水平放置的轴流式水轮机，水流直接贯入，过流能力大，适用于低水头大流量的电站。

4.泄水部件

泄水部件即尾水管。它的作用为：将流出转轮的水流平顺地引向下游；回收转轮出口的部分动能（动力真空）及势能（静力真空）。尾水管可分为直尾水管和弯曲形尾水管两类。

（二）冲击式水轮机

冲击式水轮机结构一般比较简单，它的转轮按其结构特点可分为切击式（水斗式）、斜击式和双击式三种。这里着重论述冲击式水轮机中最常用的水斗式水轮机，其装置如图2-22所示。可以看出，水斗式水轮机是由引水管、喷管、外调节机构、转轮、机壳及尾水槽等组成。高压水流由引水管引入喷管后，经过喷嘴将水流的势能转变为射流的动能，高速水流冲击做功后，自由落入尾水槽流向下游河道。

水斗式转轮如图2-23所示，它是由轮辐、若干呈双碗状的水斗组成。转轮每个斗叶的外缘均有一个缺口，如图2-24所示，缺口的作用使其后的斗叶不进入先前射流作用的区域，并且不妨碍先前的水流。承受绕流射流作用的凹面称为斗叶的工作面。斗叶凸起的外侧表面称为斗叶的侧面。位于斗叶背部夹在两水斗之间的表面称为斗叶的背面。两水斗间的工作面的结合处称为斗叶的进水边（又称分水刃）。进水边在斗叶的横剖面上为一锐角。缺口处工作面与背面结合处称为斗叶的切水刃。水斗工作面与侧面间的端面称为斗叶的出水边。

图2-25是喷管结构图。喷管主要由喷嘴、喷针（又称针阀）和喷针控制机构组成，其作用如下：

（1）将水流的压力势能转换为射流动能，则当水从进水管流进喷管时，在其出口便形成一股冲向转轮的圆柱形自由射流。

（2）起着导水机构的作用。当喷针移动时，即可以渐渐改变喷嘴出口与喷针头之间的环形过水断面面积，因而可平稳地改变喷管的过流量及水轮机的功率。

当机组突然丢弃负荷时，针阀快速关闭会形成管内过大的水锤压力，为此在喷嘴口外装置了可以转动的外调节机构。它的作用是控制离开喷嘴后的射流大小和方向。当机组负荷骤减或甩负荷时，具有双重调节的水轮机调速器，一方面操作喷针接力器，使喷针慢慢向关闭方向移动；另一方面又操作外调节机构接力器，使外调节机构（折向器或分流器）快速投入，迅速减小或全部截断因针阀不能立即关闭而继续冲向转轮水斗的射流。这样既解决了因针阀快速关闭而在引水压力钢管中产生的较大水锤压力，又解决了因针阀不能及时关闭而使机组转速上升过高的问题。

机壳的作用是将转轮中排出的水平顺引向尾水槽，排往下游而不溅落在转轮和射流上。机壳内的压力要求与大气相当。为此，往往在转轮中心附近的机壳上开设有补气孔，以消除局部真空。机壳的形状应有利于转轮出水流畅，不与射流相干扰。因此在机壳的内部还设置了引水板。喷管也常固定在机壳上，卧式机组的轴承支座也和机壳连在一起，因而要求机壳具有足够的强度、刚度和耐振性能。机壳上一般开有进入门孔，机壳下部应装有静水栅，以消除排水能量。静水栅要求有一定的强度，可作为机组停机观察和检修时的工作平台。