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1、水电厂机械设备概述,赣江石虎塘航电枢纽技术培训讲座,目录,一、水轮发电机组的形式和结构原理,二、水轮机,五、水电厂主要辅助机械设备,四、水轮机调速器,三、水轮发电机,1、水电厂机械设备组成,2、水轮发电机组的结构原理,3、水轮发电机组的形式,1、工作参数,2、主要类型,3、基本构造,1、形式及作用,2、水轮发电机的结构,3、安装与调整,1、作用和类型,2、调速器的结构,1、油系统,2、水系统,3、气系统,4、其他辅助机械设备,4、型号及标称直径,3、几种常见调速器,第一讲,水轮发电机组的形式和结构原理,第一节,水电厂机械设备组成,第三节,水轮发电机组的形式,第二节,水轮发电机组结构原理,水电厂

2、机械设备综述,1.1水电厂机械设备组成,水电厂机械设备主要包括主机及其辅助系统，以及泄洪、起重、船闸等辅助设施。 主机：包括水轮机、发电机。水能作用在水轮机的桨叶上，带动转轮转动，从而带动发电机旋转产生电能。 主机辅助系统：主要指水、油、气系统。,1.2水轮发电机组的结构原理,水轮发电机组可以分为水轮机和发电机，以及水轮机调节系统。水轮机：作用是利用水流的机械能带动发电机旋转。发电机：作用是将水轮机的机械能最终转化为电能。水轮机调速器：作用是调节水流量以调节空载机组的转速和负载时机组的负荷。,1.3水轮发电机组的型式,水轮发电机组按布置方式分：可分为卧式和立式两种。按推力轴承位置分：立式发电机

3、又分为悬式和伞式两种。推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机。推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机，无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式。按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种。,第二讲,水轮机,第一节,工作参数,第三节,第二节,第一节,第一节,型号及标称直径,基本构造,主要类型,第二节,第三节,第四节,水电厂机械设备综述,2.1水轮机工作参数,定义：反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。水轮发电机组原理图,2.1.1水头,由水能出力公式：N=9.81QH 可知，基本参数：工作水头H、流量Q、出力N、效率，工作力矩M、机组转速n。 水头毛水头上游水位下游水位 H

4、M=EUED 最大工作水头： Hmax=Z正-Z下min-hI-A最小工作水头： Hmin=Z死-Z下max-hI-A设计水头(计算水头) Hr：水轮机发额定出力时的最小水头。平均水头： Hav =Z上av-Z下av,2.1.2流量、出力、效率,流量(m3/s) 单位时间内通过水轮机的水量Q。Q随水头H、出力N的变化：H、N一定时， Q也一定；当H=Hr、N=N额时，Q为最大。在Hr、nr、Nr 运行时，所需流量Q最大，称为设计流量Qr 出力(水轮机的输出功率)N：指水轮机轴传给发电机轴的功率。水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量)为：Nw9.81QH水轮机的输出功率：NNw9.81QH效

5、率：=N/Nw，一般=80%95%,2.1.3工作力矩和转速,工作力矩和转速水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达式中 M主轴力矩； 水轮机旋转角速度，n 转速，n=3000/p；p 发电机磁极对。,2.2水轮机主要类型,水轮机主要类型有反击式和冲击式,水轮机总分类图,2.2.1反击式水轮机,反击式水轮机 定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，水流充满转轮室。原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，其反作用力作用于每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。,2.2.

6、1.1混流式水轮机,混流式水轮机特征：水流流经转轮叶片时，从径向流入，而从轴向流出。适用范围：H=30-450m , 最高水头已接近700m，单机容量：几万kW到几十万kW。特点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70万kW。是世界上单机容量最大的机组。五凌电力有限公司的五强溪、碗米坡、三板溪等厂采用混流式水轮发电机组。,2.2.1.1混流式水轮机,混流式水轮机主要构成部件蜗壳、座环、导水机构、转轮、尾水管等。蜗壳：使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机。,2.2.1.1混流式水轮机,座环：位于导水叶的外围。由

7、上、下环和立柱组成。 作用：是水轮机的骨架，承受机墩及机架传来的荷载，并传到下部基础；支承活动导叶；故必须有足够的强度和刚度。断面设计：流线形，保证强度、刚度。,2.2.1.1混流式水轮机,导水机构 作用： 根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力引导水流按切向进入转轮，形成速度矩；组成： 导水叶及其轴、调速器、接力器 导水叶是导水机构的主体，上下端分别固定在顶盖和底环上，为流线形。也称为活动导叶。,2.2.1.1混流式水轮机,导水机构图,2.2.1.1混流式水轮机,转轮 是由水能转换为机械能的主要部件。组成：上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥,2.2.1.1混流式水轮机,尾水管 作用：引导水

8、流进入下游河道，并回收部分动能和势能。,2.2.1.2轴流式水轮机,轴流式水轮机 1. 轴流式水轮机特点(1) 转速高，尺寸较小。(2) 轴流转浆式多用于低水头大流量的大型电站，水轮机具有较高的效率。2. 转轮构造轴流式水轮机除转轮外，其它部件与混流式相似 组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构,2.2.1.2轴流式水轮机,轴流式水轮机,轴流式水轮机的转轮,2.2.1.3斜流式水轮机,斜流式水轮机主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水管、主轴、导轴承等。 与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与主轴成4560的夹角。斜流式水轮机可以在比较宽阔的负荷范围内保持较高的平均效率，但其结构复

9、杂，可靠性较低，容易漏油，造成污染。在设计中很少采用。,2.2.1.3斜流式水轮机,斜流式水轮机的转轮,2.2.1.4灯泡贯流式水轮机,灯泡贯流式水轮机实际上是卧轴安装的轴流式水轮机，发电机安装在灯泡体内。国电投的峡江(940MW)、长洲(1542MW)；港投石虎塘(620MW) 均为灯泡贯流机组。,2.2.1.4灯泡贯流式水轮机,灯泡贯流式水轮机,2.2.2冲击式水轮机,冲击式水轮机定义：利用水流的动能来做功的水轮机特征：由喷管和转轮组成。适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。,2.2.2冲击式水轮机,冲击式水轮机分类：水斗式: 特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向冲

10、击转轮上的水斗作功。目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型电站。,2.2.3可逆式水轮机,可逆式水轮机定义：既可以作为水轮机运行又能作为水泵运行。特征：两种方式转向相反，水流方向也相反。适用：抽水蓄能电站和潮汐电站。,2.3水轮机的型号及标称直径,2.3水轮机的型号及标称直径,水轮机的型号举例(1) HL240 LJ 410混流式水轮机，型号240（比转速)，立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cm(2) ZZ440 LH 430轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm (3) GZ440WP750表示贯流转浆

11、式水轮机，转轮型号440，卧轴，灯泡式机组，转轮标称直径750cm。(4) XLNLJ300：表示斜流可逆式水泵水轮机，转轮型号200，立轴布置，金属蜗壳，转轮标称直径300cm。,2.3水轮机的型号及标称直径,各种水轮机转轮标称直径D1HL：转轮叶片进口边上最大直径ZL、XL：转轮叶片轴心线相交处的转轮室直径CJ：转轮与射流中心线相切处节圆直径 反击式水轮机转轮标称直径系列(cm),第三讲,水轮发电机,第一节,形式和作用,第三节,发电机安装与调整,第二节,水轮发电机结构,水电厂机械设备综述,3.1水轮发电机的形式和作用,按布置方式分：可分为卧式和立式两种。卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击

12、式水轮机。按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和伞式两种。按冷却方式分：可分为空气冷却和水冷却两种。水轮发电机的主要作用：将水轮机旋转的机械能最终转换成电能。,3.2水轮发电机结构,水轮发电机结构主要由定子、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。,3.2.1定子,1、机座应有足够的刚度，同时还应能适应铁心的热变形。 2、铁芯由扇形冲片、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。其作用是：作为磁路的主要组成部分，并用以固定绕组。3、绕

13、组：作用是切割磁力线而感应出电势。,线圈,铁芯,机座,3.2.2 转子,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,3.2.3 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。由中心体和支臂组成。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 。,3.2.4 推力轴承,1、推力轴承的组成和作用 推力轴承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。2、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

14、油箱支承和平衡块支承式四种。,3.2.4 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,刚性抗重螺栓支承方式的推力轴承结构图,3.2.5 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。,1轴承座；2密封罩；3滑转子；4主轴；5导轴承瓦； 6套筒；7支柱螺钉；8冷却器,3.2.6 制动系统,制动系统水轮发电机制动方式主要有机械制动

15、、电气制动、混合制动。水轮发电机制动系统的组成：制动装置（风闸）、控制原件、管路系统。机械制动的作用：1）避免机组停机减速过程后期时间较长，引起推力瓦的磨损。2）长期停机后，在机组启动前顶起转子，使推力瓦重新建立油膜。3）机组检修期间，进行重量转移。制动器的类型：单向制动器、双向气压复位式。,3.2.7 通风系统,通风系统机组运行时，发电机绕组以及铁芯将产生大量的热量，为了使绕组和铁芯的温度不至于过高而引起绕组绝缘损坏，发电机必须设置通风冷却装置。通风系统主要包含压力元件、阻力元件以及冷却器等部件。压力元件：转子磁极、磁轭、风扇。其中磁极、磁轭是主要的压力元件，在整个通风系统中占80%90%的

16、作用。阻力元件主要指定子。在整个通风系统中，定子风阻占整个风阻的70%。,3.3 水轮发电机安装与调整,水轮发电机安装与调整机组轴线调整的优劣将直接影响到机组的安全运行及使用寿命。机组轴线：贯穿机组主轴的中心线。机组中心线：机组固定部件的几何中心连线。旋转中心线：整个机组转动部分围绕着旋转的那根几何中心线，它是一条贯穿推力轴承镜板镜面中心的垂线。,3.3.1 机组轴系结构,机组轴系工作内容 轴线测量：检查机组轴线在几个典型部位的摆度，看是否超出标准。轴线的处理：根据实际测量的机组轴线状态，分析和计算其曲折和倾斜情况，并做出相应的处理。轴线的调整：将处理合格的轴线通过移轴和调整推力瓦的水平，使机

17、组的旋转中心和机组中心线重合。,3.3.2 轴系产生摆度的原因,3.3.3 机组摆度及中心计算,1、主轴摆度计算方法 在下导轴承处均匀对称抱8块下导瓦，抱瓦间隙为0.02mm，并在测量面上标出+X、+Y、-X、-Y四个测量点，架设4块百分表。在需要检查摆度的旋转部件上，做出对应的测点，并把各测量断面百分表小指针调整到“5”，读取各点读数。启动高压油减载系统，将转子旋转180，关闭高压油，读取各测量断面百分表读数。通过计算各测量断面的位移，计算其摆度值。,3.3.3 机组摆度及中心计算,2、机组旋转中心确定 机组旋转中心的确定，一般以机组转动部分与固定部分的最小间隙处为测量部位，如转轮上下止漏环

18、，挡油圈等部位。机组安装时旋转中心测量部位为转轮下止漏环。同时兼顾转轮上冠间隙。,3.3.3 机组摆度及中心计算,3、机组旋转中心垂直度测量计算 机组旋转中心垂直度是指机组转动部分在转动过程中，各转动部分旋转中心线的垂直度。机组旋转中心垂直度的获得，可以通过测量和计算大轴任意两个断面在0和180两个方位下的偏心值来得到。垂直度的调整可以通过调整推力轴承抗重螺栓高差或者调整承重机架水平来调整。,3.3.3 机组摆度及中心计算,4、机组轴系部件安装及摆度检查 包括：推力头摆度检查调整；主轴摆度检查调整；转子销套加工及销套、螺栓安装；上端轴、集电环及补气阀安装及摆度检查。轴系摆度整体检查：轴系摆度全

19、部安装调整完成后，对整体轴系进行摆度检查，计算各部摆度，绘制轴线偏心分布图，提交盘车记录。,3.3.4 机组中心的调整,机组中心调整 机组中心调整主要包括转轮与固定止漏环的间隙调整、轴系与推力轴承挡油圈间隙及定、转子空气间隙的调整。轴系中心的确定以转轮下止漏环间隙为准，通过盘车确定转轮旋转中心相对底环的偏心位置，将转轮调整到中心，偏差控制在0.10mm范围内。,第四讲,水轮机调速器,第一节,作用和类型,第三节,几种常见调速器,第二节,结构,水电厂机械设备综述,4.1.1 水轮机调速器的作用,水轮机调速器的基本任务：1、维持机组的转速（频率）在额定的规定范围内2、保证机组的安全运行3、合理分配并

20、联机组的负荷,4.1.2 水轮机调速器的分类,水轮机调速器的分类1、从被控制对象的多少来分，可分为单调调速器和双调调速器。 2、根据电液转换方式来划分，可分为数字式（SLT）、步进式（BWT）、比例数字式（PSWT）调速器。3、按调速器元件结构分：机械液压(机调)式、电气液压(电调)式、微机调速器。4、根据使用的油压大小分为常规油压和高油压调速器。 5、根据所控制机组容量的大小可分为大型调速器和中型、小型调速器。,4.2 水轮机调速器的结构,结构组成水轮机调速器一般由调速系统、油压装置及其他部件组成。,4.2.1 调速系统,调速系统1、调速系统的作用：以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，

21、以达到改变出力恢复转速的目的。2、调速系统的组成调速系统主要由测量机构、放大机构、执行机构、反馈机构组成。 1）测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变为位移信号，然后输出。2）放大机构：由引导阀、辅助接力器、主配阀和主接力器组成三级放大机构。3）执行机构：主接力器，控制导叶开度，改变流量。 4）反馈机构：作用是形成闭环信号，在导叶开度达到给定状态时，使调节停止。,4.2.1 调速系统,主配压阀结构（其一）,4.2.2 油压装置,油压装置作用：油压设备作用是供给调速器压力油，传递操作力。由压力油罐、回油箱、油泵、输油管、附件等组成。分类：额定工作油压有2.5MPa、4.0MPa、6.3MP

22、a，16MPa多种。调速器工作时的压力油来自油罐，回油侧的油通过回油管路进入回油箱。当油压降低到正常工作油压下限时，油泵自动启动，将回油箱内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油压上限时，油泵停止工作。,4.2.2 油压装置,4.2.3 其他部件,补气装置：油压主要靠压缩空气或者气囊式氮气来产生。常规油压的油气比一般为1：2。滤油器：每组滤网有粗滤网及细滤网各一个，经粗滤的油供引导阀、辅助接力器。事故配压阀：在事故情况下实现快速关闭导叶。分段关闭装置：主要作用是即保证导叶快速关闭到较小开度，又防止导叶完全关闭时产生水击对机组造成威胁。,4.3 几种常见的调速器,根据电液转换环节的区别，常见的调速

23、器有数字式步进式比例伺服阀式,4.3.1 数字式调速器,数字式调速器数字式调速器广泛应用于小型混流式水轮机组和冲击式水轮机组。采用换向阀结构作为液压放大级，对接力器进行控制；对于大型的数字式调速器，采用插阀装阀结构作为液压放大级。 其缺点是：机组接力器是断续供油，因此，油路油管有一定的振动。另外，如果机械零位漂移比较大，那么开或者关的球阀动作会比较频繁的进行零位补偿调节。,4.3.1 数字式调速器,4.3.2 步进式调速器,步进式调速器步进式水轮机调速器适用于大中型混流式、轴流式、贯流式水轮发电机组的自动调节与控制。机械部分主要包括无油电位移转换机构、机械手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧急停

24、机电磁阀组成。,其工作原理如下： 电信号与接力器位置反馈信号在综合放大器内比较并放大，输出调节信号，步进电转旋转的角度使滚珠丝杆副产生与其成比例的位移，由于电液转换器与引导阀直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与电气的信号数值相等为止。,4.3.2 步进式调速器,4.3.2 比例伺服阀式调速器,比例伺服阀式调速器比例数字式冗余可编程控制水轮机调速器，适用于大中型混流式、轴流式、贯流式水轮发电机组的自动调节与控制。机械部分主要包括冗余电液转换机构、机械手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧急停机电磁阀组

25、成。双重调节型的导叶控制和桨叶控制两部分由电气协联。,其工作原理如下：电信号与接力器位置反馈信号在综合放大器内比较并放大，放大器输出模拟量（-10V10V）信号使比例阀产生与其成比例的位移，由于电液转换器与引导阀直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与电气的信号数值相等为止。,第五讲,水电厂主要辅助机械设备,第一节,油系统,第三节,第二节,第一节,第一节,其他设备,气系统,水系统,第二节,第三节,第四节,5 水电厂主要辅助机械设备,概述水电厂主要辅助机械设备包括油、水、气系统，以及进（出）水口设备、

26、泄洪设备、起重设备、船闸设备、消防系统、通风空调系统、备用电源系统等。油系统包括透平油系统和绝缘油系统；水系统主要指技术供水系统，也包括消防水系统和排水系统；气系统一般分高压气系统和低压气系统。,5.1 水电厂油系统,水电厂油系统1、润滑油。润滑油按照使用对象的不同又分为汽轮机油、机械油、空压机油、润滑脂等四种。2、汽轮机油（透平油）：调速器和水轮机主阀油装置液压操作用油，推力、导轴承油槽用油均为此类油。主要作用为润滑、散热和液压操作用。3、绝缘油：可分为变压器油、断路器油两种。4、另外还有机械油、空压机油、润滑脂等。,5.2 水电厂水系统,水电厂水系统（一）技术供水系统作用：主要是向导轴承、

27、推力轴承、主变压器油冷却器，发电机空气冷却器及其他冷却器提供冷却水，以及作为主轴密封的水源。取水方式：一般有蜗壳取水、上游水库取水、尾水取水及混合方式。（二）消防水系统作用：供厂房和设备消防用水。（三）排水系统作用：主要是排除厂房内渗漏水和检修时流道消压排水。,5.3 水电厂气系统,水电厂气系统中压气系统，主要供调速器压力油槽用气，也有的用于气动配电装置。常用的压力等级有7MPa、4MPa、2.5MPa等。低压气系统常用压力等级在0.8MPa左右。主要用于机组停机制动用气、止水围带（也称检修密封）充气、风动工具及吹扫用气。,5.4 水电厂其他辅助设备,进（出）水口设备：主要包括进（出）水口闸门

28、，设有快速闸门的电厂还有油缸及液压系统等。主要是机组检修时隔断水流，起挡水作用。 泄洪设备水电厂一般设有泄洪设备，防止发生洪水时上游水位过高对坝体和电站构成威胁。泄洪设备一般由若干泄洪闸门及其启闭系统组成，常见的泄洪闸门有弧形门、平板门。启闭系统一般有液压启闭系统或卷扬式启闭机两种。,5.4 水电厂其他辅助设备,船闸设备多数中、大型电站都设有专门供船只由上至下或由下至上通过大坝的通道，称为船闸。起重设备：主要包括桥式起重机，承担厂房内设备、部件的吊装、搬运等；门式起重式，主要承担检修闸门、拦污栅的起吊，以及坝顶、尾水平台等地点的设备吊装、搬运等；电梯设备。消防系统：指水消防系统、二氧化碳灭火系统及火灾报警系统等。通风空调系统。,结 尾,【小结】水电厂机械设备主要由水轮发电机组及其调节系统，以及油、水、气系统及其他辅助机械设备组成。水轮机的作用是利用水流的机械能带动发电机旋转。发电机部分的作用是将水轮机的机械能最终转化为电能。水轮机调速器的主要作用是调节水流量以调节空载机组的转速和负载时机组的负荷。,结 尾,【练习与思考】1、水轮机的主要参数有哪些？2、水轮机的形式和主要组成部件有哪些？3、水轮发电机的主要组成部件有哪些？4、水轮机调速器的作用是什么？5、水轮机调速器主要构成部件有哪些？4、水电厂主要的辅助设备有哪些？其作用是什么？,水电厂机械设备综述,