水輪機工作原理綜述

1、水水 電電 站站第二章第二章 水輪機的調(diào)速設備水輪機的調(diào)速設備一、水輪調(diào)節(jié)的任務一、水輪調(diào)節(jié)的任務 系統(tǒng)負荷變化系統(tǒng)負荷變化系統(tǒng)電壓發(fā)生變化系統(tǒng)電壓發(fā)生變化發(fā)發(fā)電機勵磁裝置動作電機勵磁裝置動作發(fā)電機的端電壓恢發(fā)電機的端電壓恢復并保持在許可范圍內(nèi)。復并保持在許可范圍內(nèi)。系統(tǒng)負荷變化系統(tǒng)負荷變化系統(tǒng)電流的頻率系統(tǒng)電流的頻率f發(fā)生變發(fā)生變化，由于化，由于f是磁極對數(shù)是磁極對數(shù)p和轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速n的函數(shù)的函數(shù)發(fā)電機調(diào)速器動作發(fā)電機調(diào)速器動作發(fā)電機的轉(zhuǎn)速恢復發(fā)電機的轉(zhuǎn)速恢復并保持在許可范圍內(nèi)。并保持在許可范圍內(nèi)。系統(tǒng)負荷變化水輪機調(diào)節(jié)的任務：水輪機調(diào)節(jié)的任務：v 隨外界負荷的變化，迅速改變機組的出力。隨外界

2、負荷的變化，迅速改變機組的出力。v 保持機組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)，最大偏保持機組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)，最大偏差不超過差不超過0.5Hz，大電力系統(tǒng)不超過，大電力系統(tǒng)不超過0.2Hz。1. 啟動、停機、增減負荷，對并入電網(wǎng)的機組進行啟動、停機、增減負荷，對并入電網(wǎng)的機組進行成組調(diào)節(jié)成組調(diào)節(jié)(負荷分配負荷分配)，以達到經(jīng)濟合理的運行。，以達到經(jīng)濟合理的運行。二、水輪機調(diào)節(jié)原理二、水輪機調(diào)節(jié)原理v水輪發(fā)電機組的運動方程式為：水輪發(fā)電機組的運動方程式為：式中：式中：Mt水輪機主動力矩水輪機主動力矩(水流推動葉片做功水流推動葉片做功) Mg 發(fā)電機的阻力矩發(fā)電機的阻力矩 J 機組慣性矩；機組

3、慣性矩； 角加速度；角加速度；dtdJMMgtdtd所以當負荷變化時，應調(diào)節(jié)所以當負荷變化時，應調(diào)節(jié)Mt，使，使Mt=Mg，n=ne又：又： 要使要使 ，一般不能改變，一般不能改變H和效率和效率，而是通過，而是通過改變改變Q而達到改變主動力矩而達到改變主動力矩Mt的目的。的目的。 ndtdMMMNndtdMMMNnncdtd，MMgtggtgegt0)3(0)2(, 0)1(QHMQHMttCv調(diào)節(jié)流量的途徑：調(diào)節(jié)流量的途徑： 反擊式：通過改變導葉開度反擊式：通過改變導葉開度a0 ，ZZ：同時改變?nèi)~：同時改變?nèi)~片轉(zhuǎn)角。片轉(zhuǎn)角。 沖擊式：通過改變噴嘴開度。沖擊式：通過改變噴嘴開度。 v水輪機調(diào)節(jié)

4、的定義：水輪機調(diào)節(jié)的定義： 隨著電力系統(tǒng)負荷變化，水輪機相應地改變導葉隨著電力系統(tǒng)負荷變化，水輪機相應地改變導葉開度開度(或針閥行程或針閥行程)，使機組轉(zhuǎn)速恢復并保持為額定，使機組轉(zhuǎn)速恢復并保持為額定轉(zhuǎn)速的過程，稱為水輪機調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速的過程，稱為水輪機調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)實質(zhì)：調(diào)節(jié)實質(zhì)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 水輪機調(diào)節(jié)所用的調(diào)節(jié)裝置稱為水輪機調(diào)速器。水輪機調(diào)節(jié)所用的調(diào)節(jié)裝置稱為水輪機調(diào)速器。 離心擺測量機組轉(zhuǎn)速，并把轉(zhuǎn)速信號變?yōu)槲灰菩盘?，由于離心擺的負載能力很小，采用了二級液壓放大。引導閥和輔助接力器構(gòu)成第一級液壓放大裝置，主配壓閥和主接力器則構(gòu)成第二級液壓放大裝置，從輔助接力器輸出引一信號至引導閥，作為局

5、部反饋，從主接力器輸出引信號經(jīng)緩沖器和調(diào)差機構(gòu)至引導閥，作為主反饋信號。三、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成三、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成機械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)機械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng):單調(diào)節(jié)的調(diào)速器原理簡圖單調(diào)節(jié)的調(diào)速器原理簡圖v水輪機自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)水輪機自動調(diào)節(jié)系統(tǒng): : 調(diào)速柜調(diào)速柜+ +油壓設備油壓設備+ +接力器。其中中小型水輪機調(diào)速接力器。其中中小型水輪機調(diào)速器將這三部分組合成一個整體，稱為組合式，運行器將這三部分組合成一個整體，稱為組合式，運行方便。方便。 v調(diào)速柜的作用：調(diào)速柜的作用： 以轉(zhuǎn)速偏差為依據(jù)，迅速自動地調(diào)節(jié)導葉開度，已以轉(zhuǎn)速偏差為依據(jù)，迅速自動地調(diào)節(jié)導葉開度，已達到改變出力恢復轉(zhuǎn)速的目的。達到改變出

6、力恢復轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置油壓裝置調(diào)速柜主要有以下幾個部分組成：調(diào)速柜主要有以下幾個部分組成：v測量機構(gòu)測量機構(gòu)：測量機組轉(zhuǎn)速偏差，并把偏差信號轉(zhuǎn)變：測量機組轉(zhuǎn)速偏差，并把偏差信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘枺缓筝敵觥槲灰菩盘?，然后輸出。v放大機構(gòu)放大機構(gòu)：(引導閥引導閥+輔助接力器、主配閥輔助接力器、主配閥+主接力主接力器，二級放大器，二級放大)：位移變化：位移變化油壓變化。油壓變化。v執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)：主接力器，控制導葉開度，改變流量：主接力器，控制導葉開度，改變流量v反饋機構(gòu)反饋機構(gòu)：緩沖器和杠桿機構(gòu)，當調(diào)節(jié)使：緩沖器和杠桿機構(gòu)，當調(diào)節(jié)使=時，反時，反饋信號使調(diào)節(jié)停止。饋信號使調(diào)節(jié)

7、停止。v油壓設備的作用：供給調(diào)速器壓力油，傳遞操作力。油壓設備的作用：供給調(diào)速器壓力油，傳遞操作力。由壓力油罐、回油箱、油泵、輸油管、附件等組成。由壓力油罐、回油箱、油泵、輸油管、附件等組成。v額定工作油壓分為兩種：有的電站采用低油壓，為額定工作油壓分為兩種：有的電站采用低油壓，為2.5MPa；有的電站采用高油壓，為；有的電站采用高油壓，為4.0MPa。v調(diào)速器工作時的高油壓來自油罐，低壓側(cè)的油通過調(diào)速器工作時的高油壓來自油罐，低壓側(cè)的油通過回油管路進入回油箱。回油管路進入回油箱。v當油壓降低到正常工作油壓下限當油壓降低到正常工作油壓下限(2.32.7MPa)時，時，油泵自動啟動，將回油箱內(nèi)的

8、油泵入壓力油罐，油油泵自動啟動，將回油箱內(nèi)的油泵入壓力油罐，油壓達到正常工作油壓上限時，油泵停止工作。壓達到正常工作油壓上限時，油泵停止工作。v接力器是調(diào)速器的執(zhí)行元件，大型電站設兩個或兩接力器是調(diào)速器的執(zhí)行元件，大型電站設兩個或兩個以上接力器。個以上接力器。四、調(diào)速器的類型與系列四、調(diào)速器的類型與系列( (一一) ) 類型類型1 1、按調(diào)速器元件結(jié)構(gòu)分：、按調(diào)速器元件結(jié)構(gòu)分：v機械液壓機械液壓( (機調(diào)機調(diào)) )：信號測量、信號綜合、信號反饋信號測量、信號綜合、信號反饋均由機械環(huán)節(jié)完成?，F(xiàn)在很少使用。均由機械環(huán)節(jié)完成?，F(xiàn)在很少使用。v電氣液壓電氣液壓( (電調(diào)電調(diào)) )：用電氣回路代替機調(diào)中

9、的機械元用電氣回路代替機調(diào)中的機械元件。調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，靈敏度和精確度高，成本低，件。調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，靈敏度和精確度高，成本低，便于安裝調(diào)整。目前還有不少電站在使用。便于安裝調(diào)整。目前還有不少電站在使用。v微機調(diào)速器微機調(diào)速器：用工業(yè)控制計算機代替電子調(diào)速器，用工業(yè)控制計算機代替電子調(diào)速器，賦予了調(diào)速器更多的控制功能，性能更優(yōu)良。賦予了調(diào)速器更多的控制功能，性能更優(yōu)良。數(shù)字式電液調(diào)速器監(jiān)控系統(tǒng)主界面數(shù)字式電液調(diào)速器監(jiān)控系統(tǒng)主界面數(shù)字式電液調(diào)速器油壓裝置顯示畫面數(shù)字式電液調(diào)速器油壓裝置顯示畫面2、按調(diào)節(jié)機構(gòu)數(shù)分、按調(diào)節(jié)機構(gòu)數(shù)分單調(diào)：一個導葉起閉機構(gòu)，如混流和軸流定漿機組單調(diào)：一個導葉起閉機構(gòu)，如混流

10、和軸流定漿機組雙調(diào)：有兩個調(diào)節(jié)機構(gòu)雙調(diào)：有兩個調(diào)節(jié)機構(gòu)(導葉開度，葉片轉(zhuǎn)置角導葉開度，葉片轉(zhuǎn)置角)， ZZ、CJ（針閥、折流板轉(zhuǎn)動）（針閥、折流板轉(zhuǎn)動）3、按大小（容量）、按大小（容量）大型：活塞直徑大型：活塞直徑80mm以上以上中型：操作功中型：操作功10000Nm30000Nm小型：操作功小于小型：操作功小于10000Nm，特?。盒∮冢匦。盒∮?000Nm (二二) 調(diào)速器系列調(diào)速器系列(反擊式水輪機反擊式水輪機)第一部分：基本特性和類型第一部分：基本特性和類型大型：無代號；大型：無代號； 中小型帶油壓裝置：中小型帶油壓裝置：Y； 特?。禾匦。篢機械液壓：無代號；機械液壓：無代號； 電動

11、調(diào)節(jié)：電動調(diào)節(jié)：D單調(diào)：無代號；單調(diào)：無代號； 雙調(diào)：雙調(diào)：S調(diào)速器：調(diào)速器：T第二部分：工作容量第二部分：工作容量 中小型調(diào)速器中小型調(diào)速器9.81N.m；大型指主配閥直徑；大型指主配閥直徑(mm)第三部分：額定油壓第三部分：額定油壓 2.5MPa 不加注釋不加注釋例：例： YT300 中型、帶油壓裝置、機調(diào)、額定油壓中型、帶油壓裝置、機調(diào)、額定油壓2.5MPa，工，工作容量作容量3009.81Nm DST100A40 大型、電氣液壓、雙調(diào)節(jié)調(diào)速器；主配閥直徑大型、電氣液壓、雙調(diào)節(jié)調(diào)速器；主配閥直徑100mm，額定油壓，額定油壓40kg/cm2(4.0MPa)，A是第一次是第一次改型后產(chǎn)品改

12、型后產(chǎn)品 A、B、C為改型次數(shù)，系列型譜見表為改型次數(shù)，系列型譜見表51。 五、水輪機調(diào)速設備的選擇五、水輪機調(diào)速設備的選擇v包括：調(diào)速柜、接力器、油壓裝置包括：調(diào)速柜、接力器、油壓裝置v中小型調(diào)速器是將上面的三部分結(jié)合在一起，成中小型調(diào)速器是將上面的三部分結(jié)合在一起，成為一個整體設備，以主接力器的工作容量為一個整體設備，以主接力器的工作容量( (也稱為也稱為調(diào)速功調(diào)速功) )為表征組成標準系列。用調(diào)速功來進行選為表征組成標準系列。用調(diào)速功來進行選擇。擇。v對大型調(diào)速器，三者是分開的，并且互不配套，對大型調(diào)速器，三者是分開的，并且互不配套，需要分別進行選擇。大型調(diào)速器的表征值是主配需要分別進行

13、選擇。大型調(diào)速器的表征值是主配壓閥直徑，因此需要先求出主接力器容積，再計壓閥直徑，因此需要先求出主接力器容積，再計算主配壓閥直徑。算主配壓閥直徑。1、中小型調(diào)速器的選擇、中小型調(diào)速器的選擇v調(diào)速功：接力器活塞上的油壓力與其行程的乘積。調(diào)速功：接力器活塞上的油壓力與其行程的乘積。v反擊式水輪機的調(diào)速功：反擊式水輪機的調(diào)速功： A=(200250)Q(HmaxD1)1/2 Q為最大水頭下額定出力時的流量。為最大水頭下額定出力時的流量。v沖擊式水輪機的調(diào)速功：沖擊式水輪機的調(diào)速功： A=9.81Z0(d0+d03Hmax/6000) Z0為噴嘴數(shù)目為噴嘴數(shù)目 d0為額定流量時的射流直徑。為額定流量時

14、的射流直徑。2、大型調(diào)速器的選擇、大型調(diào)速器的選擇(1) 接力器的選擇接力器的選擇v 導葉接力器的選擇導葉接力器的選擇v 通常采用兩個接力器操作導水機構(gòu)通常采用兩個接力器操作導水機構(gòu)v 當額定油壓為當額定油壓為2.5MPa時，接力器直徑時，接力器直徑ds為：為： 為計算系數(shù)，查表。為計算系數(shù)，查表。b0為導葉高度。為導葉高度。v 當額定油壓為當額定油壓為4.0MPa時，接力器直徑時，接力器直徑ds為：為： 由計算的接力器直徑，查標準接力器系列表，選用相鄰由計算的接力器直徑，查標準接力器系列表，選用相鄰偏大的直徑。偏大的直徑。max101HDbDdssssddd81. 00 . 4/5 . 20

15、5. 1v接力器最大行程接力器最大行程Smax可由經(jīng)驗公式求出：可由經(jīng)驗公式求出： Smax=(1.41.8)a0maxa0max為水輪機導葉的最大開度，由模型水輪機導為水輪機導葉的最大開度，由模型水輪機導葉最大開度葉最大開度a0Mmax換算得出：換算得出： a0max= a0Mmax(D0Z0M/D0MZ0)其中，其中，D0和和Z0分別為水輪機導葉軸心園的直徑和分別為水輪機導葉軸心園的直徑和水輪機的導葉數(shù)目。水輪機的導葉數(shù)目。v將將Smax的單位轉(zhuǎn)換為的單位轉(zhuǎn)換為m，即可求出兩個接力器的，即可求出兩個接力器的總?cè)莘e：總?cè)莘e：223maxmax12(m )22sssdVSd Sv 轉(zhuǎn)漿式水輪機

16、轉(zhuǎn)輪葉片接力器的計算轉(zhuǎn)漿式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片接力器的計算v 轉(zhuǎn)漿式水輪機除了選擇導葉接力器以外，還要轉(zhuǎn)漿式水輪機除了選擇導葉接力器以外，還要選擇轉(zhuǎn)輪葉片接力器選擇轉(zhuǎn)輪葉片接力器(位于輪轂內(nèi)部位于輪轂內(nèi)部)。v 其直徑其直徑dc、最大行程、最大行程Scmax、容積、容積Vc可按經(jīng)驗公式可按經(jīng)驗公式估算。估算。 dc=(0.30.45)D1(2.5/P0)1/2 Scmax=(0.0360.072)D1 Vc=0.25dc2 Scmax(2) 主配壓閥直徑的選擇主配壓閥直徑的選擇v通常主配壓閥的直徑與通向主接力器的油管直徑相通常主配壓閥的直徑與通向主接力器的油管直徑相等。通過主配壓閥油管的流量為：等。

17、通過主配壓閥油管的流量為： Q=Vs/Ts Ts為導葉的直線關閉時間。為導葉的直線關閉時間。 則由管內(nèi)油的流速則由管內(nèi)油的流速(45m/s)確定油管直徑確定油管直徑d。v大型調(diào)速器以主配壓閥的直徑為表征而組成系列，大型調(diào)速器以主配壓閥的直徑為表征而組成系列，計算出計算出d以后，就可以查表選擇調(diào)速器型號了。以后，就可以查表選擇調(diào)速器型號了。v對于雙調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)漿式水輪機，通常使轉(zhuǎn)輪葉片的主對于雙調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)漿式水輪機，通常使轉(zhuǎn)輪葉片的主配壓閥直徑與導水機構(gòu)的主配壓閥直徑相等。配壓閥直徑與導水機構(gòu)的主配壓閥直徑相等。（3） 油壓裝置的選擇油壓裝置的選擇v 油壓裝置的工作容量以壓力油罐的總?cè)莘e為表征，故首先油壓裝置的工作容量以壓力油罐的總?cè)莘e為表征，故首先應按經(jīng)驗公式求出壓力油罐的總?cè)莘e應按經(jīng)驗公式求出壓力油罐的總?cè)莘eVk： Vk=(1820)Vs 對于對于HL水輪機水輪機 Vk