毕业论文(2)

图1-1径向是导水机构 图 1-2 轴向式导水机构 图 1-3 斜向式导水机构

按水流流经导叶时与水轮机轴线的相对位置，导水机构一般可分为；径向式导水机构（图1-1），该导水机构中水流方向与主轴垂直；轴向式导水机构（图1-2），则水流与主轴平行；斜向式导水机构（图1-3），水流与主轴斜交。

以上三种导水机构，被分别应用于混流式水轮机，轴流式水轮机，贯流式水轮机，灯泡贯流式和斜流式水轮机。其中径向式导水机构是目前应用最广泛的一种。本书以径向式导水机构的基本结构为讲解范例。 三、径向式导水机构的几何参数 1.导叶开度a0 导叶开度a0是表征水轮机在流量调节过程中导叶安放位置的一个参数。它的大小等于导叶出口边与相邻导叶体之间的最短距离。当导叶处于径向位置时为最大径向开度值a0max。

最大径向开度是指导叶可能达到的最大开度，导叶机构在这种开度工作时水力损失很大，导叶进口有很大的冲角形成脱流。同时，如果导叶在径向位置，则水流在转轮前就不形成环量。而根据水轮机基本方程式，产生机械能就需要在转轮出口有负环量。这样，进入尾水管的能量大大增加。又会形成很大损失。因此实际上是不允许在这种导叶位置下运行的。但要有一个允许的最大开度。

D0对中小型水轮机往往由于结构上的原因而加大D1值及减少导叶数，因而真机的导水机构与模型已不保持几何相似关系了。此时，只有使真机的导水机构出

水角与模型的相等来获得导水机构出口水流的相似关系。

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2.导叶出水角?0

导叶出口边处骨线与圆周方向的夹角称为导叶出口角?d。由于导叶的叶片数多，叶栅可视为稠密叶栅，水流的出流方向就是导叶出口角，称为导叶出水角

?0。

从流量调节方程式看出，它也是决定流过水轮机流量的一个重要参数。对分别具有图1-4所示的三种不同形状的导叶进行试验的结果表明：在开度?0相同的

?d大者Q11也大，情况下，若出口角不同，则过流量各不相同，而在三者出口角?d相同的情况下，尽管它们的开度各不相同,但过流量却很接近。由此可见,决定流量变化及转轮前流态的参数不是开度a0，而是导叶出口角度?d。对某一固定形

状的导叶, 开度?0和出口角?d应是一一对应的关系。由于在测量中量a0值比较方便，故在实用中都以开度a0来表示导水机构的工作参数，而且在水轮机的综合特性曲线上也均作出的是等开度a0线。 3、导叶高度及最大开度

在以前的章节中介绍了水轮机比转速的概念，不同的比转速适应于不同的水头。水轮机转轮的外部轮廓形状，包括转轮叶片进口高度和标称直径的比例关系，和比转速都有一定的关系。实际上从定性地分析来看，对直径一定的水轮机，比转速越高流量就越大，导叶应该做得高一些，否则就要增加开度a0。开度a0过大导叶片将会接近于颈向开度，如前面所述这样将增加导叶及转轮内的流动损失。反之，对低比转速水轮机，流量相对比较小。如果导叶过高，则对应的开度将很小，水流从两片导叶之间的窄缝中流出，也会引起较大的损失。因此，对应于某一比转速水轮机应有一个最佳的导叶高度和最佳出流角或开度，混流式水轮 4、导叶数Z0，导叶轴线分布圆直径D0及导叶弦长L

导叶数影响进入转轮水流的均匀度，数目多叶栅稠密度大出水流速分布均匀。而且单片导叶重量减轻。但是加工量增加，结构较复杂。故而，对大型水轮机采用

较多的导叶数Z0，较小的D0及较小的弦长L。表1-1

给出了大中型水轮机的导叶数与转轮直径关系。 根据实践经验，相对值D0/D1?1.13~1.30。大的比值用于小型水轮机。对大型水轮机多采用D0/D1=1.16。但为了减少径向尺寸，可采用

D0/D1=1.13，不过应以导叶在最大可能的开度下不至于与转轮叶片相碰为限。 近年来许多实践表明，某些低比转速混流式水轮机由于水头很高（H>150m），蜗壳和导叶内流速很大，随着导叶进口处径向尺寸的减小，流速更增加。这样，导叶表面的磨损将很严重。另外高水头水轮机转轮的进口边如距导叶出口太近，导叶出来的不均匀水流可能使转轮产生振动，同时也影响机组效率。因此在材料强度允许的条件下，适当加大导叶分布圆直径以降低流经导叶的流速，对增长机组的工作周期和 7

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提高工作稳定性能是有利的。

当Z0和D0确定后，即可按导水机构能紧密关闭的原则，确定叶栅密度和翼弦长度Ｌ

LZ0?1.1?D0

1．3 水轮机的工作原理

1．3．1 发电机原理 2 发电机概述

发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。

发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。

发电机已实施出口产品质量许可制度，未取得出口质量许可证的产品不准出口。

2发电机的分类可归纳如下：

发电机分：直流发电机和交流发电机

交流发电机分：同步发电机和异步发电机(很少采用) 交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。 2发电机结构及工作原理

发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。

定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。 转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。

由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。

1.3.2水轮发电机的基本工作原理

水电厂的发电机都为同步电机，它能把原动机（水轮机）的机械能转变成电

能，通过输电线路等 设备 送往用户。我们知道，导线切割磁力线能产生感应电动势，将导线连成闭合回路，就有电流通过，同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。导线放在空心圆桶铁心槽里，铁心时固定不动的，称为定子。磁力线是由磁极产生的，磁极时转动的，称为转子。定子和转子是发电机最基本的部分。为了得到三相交流电，沿定子铁芯内圆每相隔120度分别放三

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相绕组A-X,B-Y,C-Z，转子上有励磁绕组（又称转子绕组）。通过电刷和滑环的

滑动接触，将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组，产生 恒定的磁场 当转子被原动机拖动旋转时，定子绕组不断切割磁力线，就在其中感应出电动势。 导线切割磁力线能产生感应电动势，将导线连成闭合回路，就有电流通过，同步发电机

就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。导线放在空心圆桶铁心槽里，铁心是固定不动的，称为定子。磁力线是由磁极产生的，磁极是转动的，称为转子。定子和转子是发电机最基本的部分。为了得到三相交流电，沿定子铁芯内圆每相隔120度分别放三相绕组A-X,B-Y,C-Z，转子上有励磁绕组（又称转子绕组）。通过电刷和滑环的滑动接触，将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组，产生恒定的磁场。当转子被原动机拖动旋转时，定子绕组不断切割磁力线，就在其中感应出电动势将机械能转变成电能的电机。通常由汽轮机、水轮机或内燃机驱动。

小型发电机也有用风车或其他机械经齿轮或皮带驱动的。

发电机分为直流发电机和交流发电机两大类。后者又可分为同步发电机和异步发电机两种。现代发电站中最常用的是同步发电机。这种发电机的特点是由直流电流励磁,既能提供有功功率，也能提供无功功率,可满足各种负载的需要。异步发电机由于没有独立的励磁绕组，其结构简单，操作方便，但是不能向负载提供无功功率，而且还需要从所接电网中汲取滞后的磁化电流。因此异步发电机运行时必须与其他同步电机并联，或者并接相当数量的电容器。这限制了异步发电机的应用范围，只能较多地应用于小型自动化水电站。城市电车、电解、电化学等行业所用的直流电源，在20世纪50年代以前多采用直流发电机。但是直流发电机有换向器，结构复杂，制造费时，价格较贵，且易出故障，维护困难，效率也不如交流发电机。故大功率可控整流器问世以来，有利用交流电源经半导体整流获得直流电以取代直流发电机的趋势。

同步发电机按所用原动机的不同分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机 3种。它们结构上的共同点是除了小型电机有用永久磁铁产生磁场以外，一般的磁场都是由通直流电的励磁线圈产生，而且励磁线圈放在转子上，电枢绕组放在定子上。因为励磁线圈的电压较低，功率较小，又只有两个出线头，容易通过滑环引出；而电枢绕组电压较高,功率又大，多用三相绕组,有3个或4个引出头，放在定子上比较方便。发电机的电枢(定子)铁心用硅钢片叠成，以减少铁耗。转子铁心由于通过的磁通不变，可以用整体的钢块制成。在大型电机中，由于转子承受着强大的离心力，制造转子的材料必须选用优质钢材。

电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。 发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。

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发电机的分类可归纳如下：

发电机 { 直流发电机、交流发电机 { 同步发电机、异步发电机(很少采用)

交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。

由水轮机驱动的发电机。由于水电站自然条件的不同，水轮发电机组的容量和转速的变化范围很大。通常小型水轮发电机和冲击式水轮机驱动的高速水轮发电机多采用卧式结构，而大、中型代速发电机多采用立式结构(见图)。由于水电站多数处在远离城市的地方，通常需要经过较长输电线路向负载供电，因此，电力系统对水轮发电机的运行稳定性提出了较高的要求：电机参数需要仔细选择；对转子的转动惯量要求较大。所以，水轮发电机的外型与汽轮发电机不同，它的转子直径大而长度短。水轮发电机组起动、并网所需时间较短,运行调度灵活,它除了一般发电以外，特别适宜于作为调峰机组和事故备用机组。水轮发电机组的最大容量已达70万千瓦。

1.4 水轮机的分类

水轮机按能量转换特征分为两类，即反击式和冲击式。而每一类水轮机又根

据转轮区内水流的特征和转轮的结构特征又分为多种形式。

一、根据水流能量转换特征：有反击式与冲击式。

4、水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和：EP+EC=1 若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机。

若0＜Ep<1，Ep＋Ev=1，这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为反击式水轮机。

二、根据水流进出转轮的方向和转轮的结构特征分：

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。

冲击式水轮机

冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水水轮机

轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。

理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。

反击式水轮机

反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向

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