第二章 水輪機運行與維護

第一節 水輪機概述

一、水輪機的工作參數

當水流通過水輪機時，水流的能量被轉換為水輪機的機械能，我們用一些參數來表征能量轉換的過程，稱為水輪機的基本工作參數，主要有工作水頭H、流量Q、出力N、效率η、轉速n等。

（一）工作水頭H

如圖2-1所示，水流從水庫進水口經壓力管道流入水輪機，在水輪機內進行能量交換后通過尾水管排至下游。

在水輪機進口斷面1—1處和出口斷面2—2處，水流所具有的單位能量為

我們把水輪機進口斷面（1—1斷面）與出口斷面（2—2斷面）的單位能量差，定義為水輪機的工作水頭，即

式中 H——水輪機的工作水頭，m；

v₁——進口斷面的平均流速，m/s；

v₂——出口斷面的平均流速，m/s；

α₁——進口斷面動能不均勻系數；

α₂——出口斷面動能不均勻系數；

P₁——進口斷面處的壓強，Pa；

P₂——出口斷面處的壓強，Pa；

g——重力加速度，m/s²；

γ——水的重度，γ=9.81kN/m³；

Z₁、Z₂——進、出口斷面相對于基準面的位置高度，m。

水電站的裝置水頭亦稱毛水頭H_g，等于電站上、下游水位差。因此水輪機的工作水頭（凈水頭）又等于電站毛水頭H_g減去引水系統的水頭損失h_w，即：H=H_g-h_w，單位為m。

水輪機的工作水頭是水輪機的重要工作參數，它的大小表征水輪機利用水流單位能量的多少，它影響水電站的開發方式、機組類型和經濟效益等。在水輪機的工作過程中，工作水頭是不斷變化的，它有幾個特征水頭值。

水輪機的額定水頭H_r，是水輪機以額定轉速運轉時發出額定出力所必需的最小水頭。

水輪機的最大水頭H_max，是水輪機運行中允許的最大工作水頭。

水輪機的最小水頭H_min，是保證水輪機穩定運行的最小工作水頭。

（二）流量Q

單位時間內通過水輪機的水流體積稱為流量，用Q表示，單位為m³/s。

（三）出力N和效率η

單位時間內水輪機主軸所輸出的功稱為水輪機的功率。功率也稱出力，用N表示，單位為kW。

具有一定水頭和流量的水流通過水輪機時，水流的出力為

水輪機不可能將水流的功率N_s全部轉換和輸出，由于水輪機在能量轉換的過程中，會產生一定的損耗，因此水輪機的出力必然小于水流的出力。

水輪機的出力N與水流的出力N_s之比，稱為水輪機的效率，用η表示，即

水輪機效率η由三部分組成，即容積效率η_v、水力效率η_s和機械效率η_j，而水輪機效率η為上述三項效率的乘積。

因此，水輪機的出力可寫成

效率為小于1.0的正系數，它表征水輪機對水流能量的有效利用程度。

（四）轉速n

水輪機的轉速是指水輪機轉輪在單位時間內旋轉的圈數，用n表示，單位為r/min。當水輪機主軸和發電機主軸采用直接聯結時，其同步轉速應滿足下列關系式：

式中 f——電流頻率，我國規定為50Hz；

p——發電機的磁極對數。

二、水輪機的類型和應用

（一）水輪機的基本類型

水輪機是將水流能量轉換成機械能的一種水力原動機，根據水流能量轉換特征不同，把水輪機分為反擊式和沖擊式兩大類。

利用水流的勢能（位能和壓能）和動能的水輪機，稱為反擊式水輪機；只利用水流動能的水輪機，稱為沖擊式水輪機。兩大類水輪機按水流流經轉輪的方向及結構特征不同，又分為若干種型式。

近代水輪機的主要類型見圖2-2。

1.反擊式水輪機

反擊式水輪機轉輪由若干個具有空間三維扭曲面的葉片組成，壓力水流充滿水輪機的整個流道。當壓力水流通過轉輪時，受轉輪葉片作用使水流的壓力、流速大小和方向發生變化，因而水流便以其壓能和動能給轉輪以反作用力，此反作用力形成旋轉力矩使轉輪轉動。

反擊式水輪機按水流流入和流出轉輪方向的不同，又分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式水輪機。

2.沖擊式水輪機

沖擊式水輪機是在大氣中進行能量交換的，水流能量以動能形態轉換為轉輪旋轉的機械能。有壓水流先經過噴嘴形成高速自由射流，將壓能轉變為動能并沖擊轉輪旋轉，故稱為沖擊式。在同一時間內水流只沖擊部分轉輪，水流不充滿水輪機的整個流道，轉輪只部分進水。根據轉輪的進水特征，沖擊式水輪機又分為切擊式、斜擊式和雙擊式水輪機三種型式。

（二）水輪機的特點及應用范圍

1.混流式水輪機

混流式水輪機又稱弗朗西斯式（Francis）水輪機，水流自徑向進入轉輪，沿軸向流出，故稱為混流式，適用范圍最廣泛，適用水頭為20~700m，如圖2-3所示。

2.軸流式水輪機

軸流式水輪機，水流進入和流出這種水輪機的轉輪時，都是軸向的，故稱軸流式。其應用水頭約為3～80m，如圖2-4所示。根據轉輪葉片在運轉中能否轉動，又分為軸流定槳式和軸流轉槳式兩種。軸流轉槳式又稱為卡普蘭（Kaplan）式。

軸流定槳式水輪機的轉輪葉片在運行時是固定不動的，因而結構簡單。由于葉片固定，當水頭及負荷變化時，葉片角度不能迎合水流情況，效率會急劇下降，因此這種水輪機一般用于水頭和負荷變化幅度較小的電站。軸流定槳式水輪機的應用水頭一般為3～50m。

3.斜流式水輪機

水流流經水輪機轉輪時，水流方向與軸線呈某一傾斜角度，它是20世紀50年代發展起來的一種機型，其結構和特性方面，均介于混流式和軸流轉槳式之間。斜流式水輪機的葉片角度也可以根據運行需要進行調整，實現導葉與轉輪葉片的雙重調節。斜流式水輪機有較高的高效率區，且具有可逆性，常作為水泵水輪機用于抽水蓄能電站中。應用水頭范圍一般為40～200m，因其結構復雜，造價較高，很少用于小型水電站。

4.貫流式水輪機

貫流式水輪機，當軸流式水輪機的主軸水平布置，且不設置蝸殼，采用直尾水管，水流一直貫通，這種水輪機稱為貫流式水輪機。貫流式水輪機是開發低水頭水力資源的一種機型，應用水頭通常在20m以下。

貫流式水輪機也有定槳與轉槳之分，由于發電機的裝置方式及傳動方式不同，這種水輪機又分為全貫流式和半貫流式兩類。將發電機轉子安裝在水輪機轉輪外緣的叫全貫流式水輪機，它的優點是流道平直、過流量大、效率高。但由于轉輪葉片外緣的線速度大、周線長，因而旋轉密封困難。目前這種機型已很少使用。半貫流式水輪機有燈泡式、軸伸式、豎井式和虹吸式等結構型式。目前應用最多的是燈泡貫流式水輪機，如圖2-5所示，其結構緊湊、穩定性好、效率高，其發電機布置在被水繞流的鋼制燈泡體內，水輪機與發電機可直接連接，也可通過增速裝置連接。

5.水斗式水輪機

水斗式水輪機又稱切擊式水輪機或培爾頓（Pelton）水輪機，如圖2-6所示。

它是沖擊式水輪機中應用最廣泛的一種機型，適用于高水頭電站，中小型水斗式用于水頭100~800m，大型水斗式一般應用在400m水頭以上，目前最高應用水頭達1770m。

6.斜擊式水輪機

斜擊水輪機，射流與轉輪平面夾角約為22.50°，如圖2-7所示，這種水輪機用在中小型水電站，使用水頭一般在400m以下，最大單機出力可達4000kW。

7.雙擊式水輪機

雙擊式水輪機，結構簡單，制造容易，但效率低，只適應于小水電站，如圖2-8所示，應用水頭10～150m。

三、水輪機的基本結構

水輪機的基本部件較多，這里只簡要介紹對水輪機能量轉換過程有直接影響的主要過流部件。

（一）反擊式水輪機

反擊式水輪機一般有四大基本過流部件，即引水部件、導水部件、工作部件和泄水部件。不同型式的反擊式水輪機，上述四大部件結構不盡相同。

1.引水部件

引水部件又稱引水室，反擊式水輪機引水室的主要作用是以最小的水力損失將水流引向導水機構，盡可能保證水流沿導水機構周圍均勻、軸對稱的流入；并使水流進入導水機構前形成一定的環量以及保證空氣不進入轉輪。

為適應不同的條件，引水室有不同的型式，常用的類型有開敞式和封閉式兩類。開敞式又稱為明槽式；封閉式引水室中水流不具有自由水面，有壓力槽式、罐式、蝸殼式三種。

（1）明槽式引水室。明槽式引水室的水面與大氣相通。為了減少明槽內的水力損失及保證水流的軸對稱，明槽引水室的平面尺寸通常比較大，這種引水室一般用于水頭10m以下、轉輪直徑小于2m的小型渠道電站，如圖2-9所示。

（2）壓力槽式引水室。壓力槽式引水室適用于8～20m的小型水輪機，如圖2-10所示。

（3）罐式引水室。罐式引水室中的水流具有一定的壓力，屬于封閉式。它由一個圓錐形金屬機殼構成，一端與壓力鋼管相連，另一端與尾水管連接。這種引水室結構簡單，但水力損失大，一般用于D₁小于0.5m、水頭10~35m、容量小于1000kW的小型水輪機，如圖2-11所示。

（4）蝸殼式引水室。蝸殼式引水室俗稱蝸殼，其進口與壓力引水管相連，沿進口斷面向末端，斷面面積逐漸縮小，它屬于封閉式引水室。

垂直于壓力水管來水方向的蝸殼斷面，稱為蝸殼的進口斷面。蝸殼斷面面積為零的一端，稱為蝸殼的末（鼻）端，由末端到任意斷面之間所形成的圓心角稱為包角，由末端到進口斷面之間所形成的圓心角為最大包角（φ_max）。

水輪機的應用水頭不同，作用在蝸殼內的水壓力不相同。水頭高則水壓力大，要求蝸殼具有較高的強度，因此采用金屬制造；而低水頭時壓力較小，強度可以降低，故一般采用混凝土制作。

金屬蝸殼通常采用鑄造或鋼板焊接結構，其斷面為圓形，過渡為橢圓形斷面最大包角接近360°（通常為345°）。工作水頭在40m以上時，一般采用金屬蝸殼，如圖2-12所示。

混凝土蝸殼在電站施工現場澆筑而成，其斷面為梯形斷面，做成多邊形梯形斷面可以減小徑向尺寸以及便于制作模板和施工。混凝土蝸殼的最大包角通常為180°，應用水頭在40m以下。梯形斷面根據廠房設計的要求可能有4種形狀，如圖2-13所示。

一般為了布置接力器的方便，多采用平頂n=0或m>n的蝸殼斷面；為了減小進口段的基巖開挖，多采用m=n或m<n的蝸殼斷面。

2.導水部件

導水部件即導水機構，位于引水室和轉輪之間，它的作用是引導水流進入轉輪，形成一定的速度矩，并根據機組負荷變化調節水輪機的流量，以達到改變水輪機功率的目的。為達到上述目的，導水機構是由流線形的導葉及其傳動機構（包括轉臂、連桿、剪斷銷、控制環等）組成，而控制環的轉動是通過調速器控制油壓接力器來實現的，其原理如圖2-14和圖2-15所示。當控制環相連的連桿同時帶動所有轉臂轉動，而轉臂又帶動導葉以相等的角速度沿同一方向關閉，反之開啟。

（1）導葉。導葉均布在轉輪的外圍，為減少水力損失，其斷面設計成翼型，導葉可隨其軸轉動，稱為活動導葉。為保證水輪機在停止運行時，導葉關閉嚴密，在導葉的上下端面、導葉間隙均設有橡膠或不銹鋼的密封裝置。

（2）座環。座環位于引水部件（蝸殼）與導水機構之間，由上環、下環和支柱（也稱固定導葉）組成，如圖2-16所示。其作用是承受水輪發電機轉動部分重量、水輪機的軸向水推力、頂蓋的重量及部分混凝土重量，并將此荷載通過立柱傳給下部基礎。同時，座環也是水輪機的過流部件和水輪機安裝基準部件。

3.工作部件

工作部件即轉輪，它的作用是將水能轉換為機械能，是實現水流能量轉換的核心部件。轉輪的形狀、制造工藝、輪葉數目對水輪機的性能、結構、尺寸起決定性的作用。

（1）混流式轉輪。如圖2-17所示，轉輪由上冠、下環、葉片和泄水錐四部分組成。

轉輪葉片均勻分布在上冠與下環之間，一般輪葉數目為12~20片。泄水錐用來引導水流平順軸向流動，避免出流相互撞擊，減少水頭損失和振動。

為適應不同水頭和流量的要求，轉輪形狀不同，以D₁表示轉輪進口邊最大直徑，D₂表示出口邊最大直徑，進口邊高度用b₀表示，如圖2-18所示。

中、低水頭（中、高比轉速）混流式轉輪的特征：D₁≤D₂，且=0.2~0.39,數值較大，適用于水頭低、流量大的水電站。

高水頭（低比轉速）混流式轉輪的特征：D₁>D₂，且<0.2,數值較小，適用于水頭較高、流量相對較小的水電站。

（2）軸流式轉輪。軸流式轉輪如圖2-19所示，由輪轂、葉片和泄水錐組成。它分為軸流定槳式轉輪和軸流轉槳式轉輪。軸流定槳式轉輪葉片形狀類似船舶的螺旋槳，葉片固定，水輪機制造廠通常可提供同一轉輪型號及標稱直徑而葉片裝置角φ不相同的定槳式轉輪，電站依具體情況選擇。軸流轉槳式轉輪葉片在工作過程中可繞自身軸線轉動。其工作原理如圖2-20所示。

（3）斜流式轉輪。斜流式轉輪如圖2-21所示，其結構與軸流式轉輪相似，水流流經轉輪時與主軸成某一傾斜角度，這種轉輪結構復雜，制造工藝要求很高。

（4）貫流式轉輪。貫流式轉輪與軸流式轉輪整體形狀類似，相當于水平放置的軸流式水輪機，水流直接貫入，過流能力大，適用于低水頭大流量的電站。

4.泄水部件

泄水部件即尾水管。它的作用為：將流出轉輪的水流平順地引向下游；回收轉輪出口的部分動能（動力真空）及勢能（靜力真空）。尾水管可分為直尾水管和彎曲形尾水管兩類。

（二）沖擊式水輪機

沖擊式水輪機結構一般比較簡單，它的轉輪按其結構特點可分為切擊式（水斗式）、斜擊式和雙擊式三種。這里著重論述沖擊式水輪機中最常用的水斗式水輪機，其裝置如圖2-22所示。可以看出，水斗式水輪機是由引水管、噴管、外調節機構、轉輪、機殼及尾水槽等組成。高壓水流由引水管引入噴管后，經過噴嘴將水流的勢能轉變為射流的動能，高速水流沖擊做功后，自由落入尾水槽流向下游河道。

水斗式轉輪如圖2-23所示，它是由輪輻、若干呈雙碗狀的水斗組成。轉輪每個斗葉的外緣均有一個缺口，如圖2-24所示，缺口的作用使其后的斗葉不進入先前射流作用的區域，并且不妨礙先前的水流。承受繞流射流作用的凹面稱為斗葉的工作面。斗葉凸起的外側表面稱為斗葉的側面。位于斗葉背部夾在兩水斗之間的表面稱為斗葉的背面。兩水斗間的工作面的結合處稱為斗葉的進水邊（又稱分水刃）。進水邊在斗葉的橫剖面上為一銳角。缺口處工作面與背面結合處稱為斗葉的切水刃。水斗工作面與側面間的端面稱為斗葉的出水邊。

圖2-25是噴管結構圖。噴管主要由噴嘴、噴針（又稱針閥）和噴針控制機構組成，其作用如下：

（1）將水流的壓力勢能轉換為射流動能，則當水從進水管流進噴管時，在其出口便形成一股沖向轉輪的圓柱形自由射流。

（2）起著導水機構的作用。當噴針移動時，即可以漸漸改變噴嘴出口與噴針頭之間的環形過水斷面面積，因而可平穩地改變噴管的過流量及水輪機的功率。

當機組突然丟棄負荷時，針閥快速關閉會形成管內過大的水錘壓力，為此在噴嘴口外裝置了可以轉動的外調節機構。它的作用是控制離開噴嘴后的射流大小和方向。當機組負荷驟減或甩負荷時，具有雙重調節的水輪機調速器，一方面操作噴針接力器，使噴針慢慢向關閉方向移動；另一方面又操作外調節機構接力器，使外調節機構（折向器或分流器）快速投入，迅速減小或全部截斷因針閥不能立即關閉而繼續沖向轉輪水斗的射流。這樣既解決了因針閥快速關閉而在引水壓力鋼管中產生的較大水錘壓力，又解決了因針閥不能及時關閉而使機組轉速上升過高的問題。

機殼的作用是將轉輪中排出的水平順引向尾水槽，排往下游而不濺落在轉輪和射流上。機殼內的壓力要求與大氣相當。為此，往往在轉輪中心附近的機殼上開設有補氣孔，以消除局部真空。機殼的形狀應有利于轉輪出水流暢，不與射流相干擾。因此在機殼的內部還設置了引水板。噴管也常固定在機殼上，臥式機組的軸承支座也和機殼連在一起，因而要求機殼具有足夠的強度、剛度和耐振性能。機殼上一般開有進入門孔，機殼下部應裝有靜水柵，以消除排水能量。靜水柵要求有一定的強度，可作為機組停機觀察和檢修時的工作平臺。