水輪機分類和結構
一、水輪機分類
1、按能量方式轉換的不同，它可分為反擊式和衝擊式兩類。反擊式利用水流的壓能和動能，衝擊式利用水流動能。反擊式中又分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式四種。
衝擊式中又分為水斗式、斜擊式和雙擊式三種。
2、混流式：水流從四周沿徑向進入轉輪，近似軸向流出。應用水頭範圍：30m~700m。特點：結構簡單、執行穩定且效率高。
3、軸流式：水流在導葉與轉輪之間由徑向運動轉變為軸向流動。應用水頭：3~80m。特點：適用於中低水頭，大流量水電站。分類：軸流定槳、軸流轉槳
4、衝擊式：轉輪始終處於大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進入水輪機之前已經轉變為高速射流，衝擊轉輪葉片作功。水頭範圍：300~1700m。適用於高水頭，小流量機組。
5、水輪機主軸布置形式分類
（1）水輪機按主軸的布置形式又可分為臥式和立式兩種（也稱橫軸和立軸）。立式布置得水輪發電機分為懸式和傘式兩種。
（2）懸式發電機的推力軸承位於發電機轉子上部的上機架上或上機架中。傘式發電機的推力軸承位於轉子下部的下機架中，或用支架支承在水輪機頂蓋上。傘式發電機又分普通傘式（其上、下導軸承分
別位於上、下機架中），半傘式（只用上導軸承，它布置在上機架
中，無下導軸承；我廠機組為此型別）和全傘式（只有下導軸承，
它布置在下機架中，無上導軸承）。
二、 水輪機主要基本引數
1、工作水頭h是指水輪機進、出口斷面處單位重量水體的能量差，
單位是公尺（m），典型工作水頭有以下：
（1）最大水頭（hmax）：水輪機執行範圍內允許出現的最大淨水頭。
（2）最小水頭（hmin）：水輪機執行範圍內允許出現的最小淨水頭。（3）設計水頭（h設）：水輪發電機組發出額定功率時的最小水頭。
2、流量q是指單位時間內，通過水輪機某一既定過流斷面的水量，單位是立方公尺/秒。
3、出力n是指水流在單位時間內所做的功（功率），其大小與水輪機的水頭，流量有關，單位為千瓦。計算公式：n=9.81qhn
4、效率是指水輪機總效率，是水輪機輸入功率與輸出功率之比，其
值總是小於1，因為水輪機在工作過程中不可避免地要產生一些能量
損失，主要包括：
（1）水力損失：即水流經過蝸殼、導水機構、轉輪、尾水管的水頭損失。
（2）機械損失：即水輪機轉動部分的摩擦損失。如轉輪與水流之間、
軸與軸承之間，止漏裝置之間的摩擦損失。
（3）容積損失：轉輪與固定部件因漏水而造成的損失。
5、轉速是指水輪機轉輪在單位時間內的旋轉週數，以n 表示，單位為轉/分。
三、水輪機型號
1、根據jb84-74《水輪機型號編制規定》，水輪機型號由三部分組成。
第一部分代表水輪機的型式和轉輪型號。常見有：混流式，用hl表示；軸流轉槳式，用zz表示；貫流轉槳式，用gz表示；水斗式，用cj表示；等等。
第二部分代表水輪機主軸的布置形式和引水室的特徵。常見有：立軸，用l表示；臥軸，用w表示；金屬蝸殼，用j表示；混凝土蝸殼，用h表示；等等。
第三部分表示水輪機轉輪標稱直徑d1（cm）。
2、水輪機牌號示例：
hl220-lj-550,表示轉輪型號為220 的混流式水輪機、立軸、金屬
蝸殼、轉輪標稱直徑為550cm。
zz560-lh-800,表示轉輪型號為560 的軸流轉槳式水輪機。立軸、
混凝土蝸殼、轉輪標稱直徑為800cm。
四、混流式水輪機四大過流部件和作用
1、引水部件
組成：蝸殼、座環
作用：以較小的水力損失把水流均勻地、對稱地引入導水部件，並在進入導葉前形成一定的環量。
2、導水部件
組成：導葉及其操作機構、頂蓋、底環
作用：調節進入轉輪的流量和形成轉輪所需的環量
3、工作部件
組成：轉輪
作用：直接將水流能量轉化為旋轉的機械能
4、洩水部件
組成：洩水錐、尾水管
作用：引導水流進入下游，尾水管同時還在轉輪後形成真空，利用轉輪出口到下游尾水之間的位能，恢復轉輪出口處的部分動能損失，以提高效率。
五、混流式水輪機主要結構
混流式水輪機主要由轉輪、主軸、導軸承、主軸密封、座環、蝸殼、頂蓋、底環、洩流環（基礎環）、止漏環、抗磨板、導葉及其操作機構、機坑裡襯、機坑內環形吊車、尾水管等組成。
1、轉動部分：轉動部分是機組的核心組成部分，是水能轉換成機械能/電能的關鍵。轉動部分及其相關部件主要包括：轉輪、主軸、主軸密封等。
2、轉輪：轉輪是實現水能轉換的主要部件，它將大部分水能轉換成轉輪的旋轉機械能，並通過水輪機主軸傳遞給發電機。水輪機的轉輪是將水能轉換成機械能。
轉輪組成：混流式水輪機轉輪主要由葉片、上冠、下環、洩水錐、減壓裝置和止漏裝置組成。葉片是水輪機轉輪實現水能轉換地核心，葉片的光潔度、波浪度、尺寸、形狀等對水輪機的效能將產生不同程度影響。
上冠的作用是上部連線主軸，下部支承葉片並與下環一起構成過流通道。下環將轉輪的葉片連成整體，以增加轉輪的強度和剛度，並與上環一起形成過流通道。洩水錐作用是引導經葉片流道出來的水流迅速而順利向下宣洩，防止水流相互碰撞，以減少水力損失，提高水輪機的效率。
減壓裝置作用是減少作用在轉輪上冠上的軸向水推力，以減少推力軸承的負荷。
3、主軸：主軸是承受水輪機轉動部分的重量及軸向水推力所產生的拉力，同時傳遞轉輪產生的扭矩。
5、主軸密封：主軸密封是水輪機關鍵部件之一，水輪機在執行過程中，其主軸密封的安全可靠執行，直接關係到水輪機是否安全執行。作用有效地阻擋尾水管中的水從主軸與頂蓋之間的間隙上溢，防止水輪機導軸承及頂蓋被淹，維持軸承和機組的正常執行。
6、檢修密封：檢修密封是當機組檢修、檢查或由於主軸密封損壞時投入的一種密封，又稱空氣圍帶；當投入時壓縮空氣進入空氣圍帶，使空氣圍帶的凸出部位抱緊水導旋轉油盆與之配合的加工面或大軸法蘭，切斷尾水以防水淹水車室。
7、固定部分：頂蓋、底環、座環、支援環等。
8、埋入部分：蝸殼、座環等。
9、水輪機導軸承作用 ：一是承受機組在各種工況下執行時通過主軸傳過來的徑向力 ；二是維持已調好的軸線位置 。
10、筒式水導軸承迴圈方式：筒式瓦的油迴圈方式是採用自迴圈，潤滑油的自迴圈工作原理：當機組執行時，安裝在大軸上的水導軸承旋轉油盆與大軸一起旋轉，旋轉時油盆中油也跟著旋轉，由於離心力的作用，油盆中的油位形成邊緣高，中心低的狀態，即形成乙個拋物面。
在壓差的作用下，油經固定不動的軸承體圓周外部的進油孔進入瓦面的下環形油槽，由於大軸的轉動使油沿軸瓦面上的斜向油溝上移，並流經整個瓦面，使大軸與軸瓦之間的潤滑良好，同時帶走熱量，熱油流到上環形油槽經排油管流至冷卻器，熱油經冷卻後通過進油管進入油盆，以上潤滑油的路徑為一次工作過程。機組執行時潤滑油如此往復進行不停的迴圈，來滿足軸承的執行需要。
11、導水機構組成：由導水機構由頂蓋、底環、導葉、連桿機構和接力器等組成。
12、頂蓋主要作用：形成流道並承受相應的流體壓力 ；固定和支撐活動導葉及其連桿機構 ；支撐水導軸承；支撐並組成機組的密封，包括主軸密封、檢修密封、上迷宮環等 。
13、底環作用： 與頂蓋一起形成過流通道 ，安裝導葉下軸承 。
14、基礎環作用 ：在機組安裝時放座環，成為座環的基礎， 在水輪機安裝及檢修時，用來放置轉輪 。
15、尾水管 ：尾水管位於轉輪的下方是主要的通流部件 ，作用是引導進出轉輪的水流。
六、水輪機保護裝置
水輪機一般裝設有事故配壓閥、快閘、剪斷銷和真空破壞閥等保
護裝置。各保護裝置的作用
1、事故配壓閥（又叫過速限制器）是防止水輪機長期在飛逸轉速下
執行的有效措施。機組正常執行時，事故配壓閥僅作為壓力油的通
道，使調速器主配壓閥通至接力器的管道接通；當機組甩負荷並遇
到調速器故障時，事故配壓閥動作，切斷主配壓閥與接力器的聯絡，
而直接把壓力油從壓油裝置接入接力器，使接力器迅速動作關閉，
實現機組緊急停機。
2、快閘作用是當機組過速達到額定轉速的140％時，關閉快閘，截斷水流，使機組停機，以縮短水輪機在過速或飛逸轉速下執行時間，起到對水輪機的保護作用。
3、剪斷銷保護裝置是由剪斷銷及其訊號器組成。導葉傳動機構中連線板與導葉臂是由剪斷銷連線的。正常情況下，導葉在動作過程中，剪斷銷有足夠強度帶動導葉轉動，但當導葉間有異物卡住時，導葉軸和導葉臂不能動，而連線板在叉頭帶動下轉動，因此對剪斷銷產生剪力，當該剪力大於正常操作應力的1.
5倍時，剪斷銷剪斷，該導葉脫離控制，但其它導葉仍可正常轉動，避免事故擴大。
3、真空破壞閥作用是機組甩負荷或因其它原因緊急停機，導葉迅速關閉時，水流由於慣性繼續向下游流去，在轉輪室內產生很大真空，轉輪室內尾水在差壓的作用下，尾水水流又反流向轉輪室衝擊轉輪葉片及頂蓋，將產生很大的衝擊力，出現抬機現象。真空破壞閥，就是用來補氣，以起到對水輪機保護作用。
七、水輪機的汽蝕
在一定壓力下的液體，當溫度公升高到一定值時，便開始沸騰；反
之，當溫度不變而壓力降低到一定值時，也會汽化。在一定溫度下，
水開始汽化時的臨界壓力稱為汽化壓力。水流在水輪機內運動過程中，區域性地區會產生壓力下降的情況。
當壓力下降到汽化壓力時，水由於汽化而產生汽泡。由於低壓區的形成和高速水流的運動，使得汽泡和氣泡也在不斷地運動。運動中
汽泡和氣泡會突然壓縮或突然膨脹，甚致驟然消失，在這一瞬間，水分子將會產生巨大的撞擊力，如果這種撞擊力指向金屬表面，則金屬表面會受到不斷的衝擊，使金屬表面遭到破壞，這就是汽蝕現象。汽蝕破壞首先使金屬表面失去光澤而變暗，接著毛糙進而發展成麻點，形成海棉狀的蜂窩孔，直至完全破壞。
按汽蝕發生地部位，水輪機汽蝕分為三種型別：
1、翼型汽蝕:混流式水輪機的翼型汽蝕主要發生在葉片背面靠下環處
的洩水邊附近；嚴重時在葉片背面其它部位也將發生汽蝕；甚至在
葉片正面也會產生汽蝕。
2、空腔汽蝕：它指尾水管中心空腔處由大的水流渦帶產生的汽蝕。
空腔汽蝕主要發生在葉片出口下環處及尾水管進口處。執行人員常
在巡檢時可以直接聽到尾水管直錐段處聽到空腔汽蝕引起的撞擊聲。
3、間隙汽蝕：是指水流通過狹窄間隙或繞過固體凹凸表面時，由於
流速區域性公升高引起區域性壓力降低形成的汽蝕。常發生在水輪機的某
些區域性位置。如混流式轉輪和上、下冠止漏環間隙等地方。
防止汽蝕措施在執行方面主要措施如下：
1、合理擬定電站執行方式，避開可能產生嚴重汽蝕的執行工況區
域。2、採用補氣裝置，向尾水管送入空氣，以破壞尾水管中高真空的
水流渦帶。
4、 提高檢修工藝水平，保證檢修後的葉片的表面光潔度以減輕汽
蝕。4、在葉片上塗刷抗汽蝕塗料，如環氧樹脂等。
八、水輪機振動原因
水輪機振動有機械、水力、電氣三方面因素引起的。
1、機械方面：由於主軸彎曲、推力軸承調整不良、軸承間隙過大、主軸法蘭連線不緊等引起低轉速時的振動；因轉輪等旋轉件與靜止件相碰而引起振動並伴有響聲；轉動部分重量不平衡引起的，隨轉速上公升振動增大。
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