水轮发电机组

北河电厂

水轮机主要组成部件

（一）、组成

引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件。

1、引水部件

组成：引水室（转轮室）、座环。

作用：以较小的水力损失把水流均匀地、对称地引入导水部件，并在进入导叶前形成一定的环量。

2、导水部件

组成：由导水机构由顶盖、底环、导叶、连杆机构和接力器等组成。

作用：

1）是使水流进入转轮之前形成旋转并改变水流的入射角度 ；

2）当机组出力发生变化时，用来调节流量。

3）正常与事故停机时，用来截断水流。

3、工作部件

组成：转轮及桨叶。

作用：直接将水流能量转化为旋转的机械能。

4、泄水部件

组成：泄水锥、尾水管。

作用：引导水流进入下游，尾水管同时还在转轮后形成真空，利用转轮出口到下游尾水之间的位能，恢复转轮出口处的部分动能损失，以提高效率。

（二）、将水轮机分成三大部分转动部分、固定部分、埋入部分。

1、转动部分转动部分是机组的核心组成部分，是水能转换成机械能/电能的关键。

转动部分及其相关部件主要包括：转轮、主轴、主轴密封等。

1) 转轮

a) 转轮是实现水能转换的主要部件，它将大部分水能转换成转轮的旋转机械能，并通过水轮机主轴传递给发电机。

b) 水轮机的转轮是将水能转换成机械能。

2) 主轴主轴是承受水轮机转动部分的重量及轴向水推力所产生的拉力，同时传递转轮产生的扭矩。

3) 主轴密封主轴密封是水轮机关键部件之一，水轮机在运行过程中，其主轴密封的安全可靠运行，直接关系到水轮机是否安全运行滑动架密封作用是：有效地阻挡尾水管中的水从主轴与顶盖之间的间隙上溢，防止水轮机导轴承及顶盖被淹，维持轴承和机组的正常运行。4) 检修密封检修密封是当机组检修、检查或由于主轴密封损坏时投入的一种密封，又称空气围带；

检修密封：当投入时压缩空气进入空气围带，使空气围带的凸出部位抱紧水导旋转油盆与之配合的加工面或大轴法兰，切断尾水以防水淹水车室。

2、固定部分顶盖、底环、座环、支持环等。1) 顶盖主要作用：形成流道并承受相应的流体压力；固定和支撑活动导叶及其连杆机构；支撑水导轴承；支撑并组成机组的密封，包括主轴密封、检修密封、上迷宫环等。

2)底环作用：与顶盖一起形成过流通道；安装导叶下轴承。

3) 基础环 （支持环）作用：在机组安装时放座环，成为座环的基础；在水轮机安装及检修时，用来放置转轮 。

4) 尾水管尾水管位于转轮的下方是主要的通流部件 ，作用是引导进出转轮的水流。水泵水轮机作水轮机运行时要求尾水管的断面为缓慢扩散型。

3、埋入部分蜗壳、座环等。

（三）、水轮机导轴承作用：一是承受机组在各种工况下运行时通过主轴传过来的径向力；二是维持已调好的轴线位置。

1、筒式水导轴承循环方式筒式瓦的油循环方式是采用自循环，润滑油的自循环工作原理：当机组运行时，安装在大轴上的水导轴承旋转油盆与大轴一起旋转，旋转时油盆中油也跟着旋转，由于离心力的作用，油盆中的油位形成边缘高，中心低的状态，即形成一个抛物面。在压差的作用下，油经固定不动的轴承体圆周外部的进油孔进入瓦面的下环形油槽，由于大轴的转动使油沿轴瓦面上的斜向油沟上移，并流经整个瓦面，使大轴与轴瓦之间的润滑良好，同时带走热量，热油流到上环形油槽经排油管流至冷却器，热油经冷却后通过进油管进入油盆，以上润滑油的路径为一次工作过程。机组运行时润滑油如此往复进行不停的循环，来满足轴承的运行需要。

2、水轮机保护装置水轮机保护装置是当机组在启停和运行过程中发生危及设备和人身安全的故障时，自动采取保护或联锁措施，防止事故产生和避免事故扩大，从而保证人和设备的安全不受损害或将损害降到最低限度。

1）导轴承温度保护装置

2）导轴承油位保护装置水轮机的辅助系统

(一）水轮机调节系统

1.水轮调节的任务系统符合发生变化时，对机组产生两方面的影响：

1) 系统负荷变化→系统电压发生变化→发电机励磁装置动作→发电机的端电压恢复并保持在许可范围内。

2) 系统负荷变化→系统电流的频率f发生变化，由于f是磁极对数p和转速n的函数→发电机调速器动作→发电机的转速恢复并保持在许可范围内。

（1）水轮机调节的任务

1) 随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。

2) 保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏差不超过±0.5Hz，大电力系统不超过±0.2Hz。启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节(负荷分配)，以达到经济合理的运行。

（2）调速器的基本作用水轮机调速器是水轮发电机组重要附属设备之一。水轮机调节是通过水轮机调节系统根据机组转速的变化不断地改变水轮机过流量来实现的。水轮机调节系统是由调节控制器、液压随动系统和调节对象组成的闭环控制系统，通常把调节控制器和液压随动系统统称为水轮机调速器。

l)能自动调节水轮发电机组的转速，使其保持在额定转速允许偏差内运转，以满足电网对频率质量的要求。

2)能使水轮发电机组自动或手动快速启动，适应电网负荷的增减，正常停机或紧急停机的需要。

3)当水轮发电机组在电力系统中并列运行时，调速器能自动承担预定的负荷分配，使各机组能实现经济运行。

4)能满足转桨式、冲击式水轮机双重协联调节的需要。

2、水轮机调节系统的组成水轮机自动调节系统：调速柜+油压设备+接力器。

调速柜的作用：以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，以达到改变出力恢复转速的目的。

调速柜主要有以下几个部分组成：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。

放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主接力器，二级放大)：位移变化→油压变化。执行机构：主接力器，控制导叶开度，改变流量。

反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使=时，反馈信号使调节停止。油压设备的作用：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。

额定工作油压:电站采用低油压，为2.5MPa；调速器工作时的高油压来自油罐，低压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(2.25MPa)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。接力器是调速器的执行元件。

（二）水系统主要由技术供水系统和排水系统组成。

1、技术供水技术供水泵、山顶水池，供水管路。作用：用于渗漏泵的灌水及减压后由于厂房消防用水。

2、排水分别有集水井渗漏泵和机组检修排水泵。

渗漏泵：为工作排水泵，主要是将平时集水井的水排出下游，保证厂房的安全。

检修泵：在机组需要检修导水机构或转轮时，将流道里的水抽出。

（三）气系统主要有高压和低压气系统组成。1、高压气系统作用：用于调速器油压装置的用气。

组成：2台高压气机及其管路。

参数：标准气压2.50Mpa 过高报警气压2.80MPa 气机主用起动气压2.25MPa 气机备用起动气压2.10MPa过低报警气压2.00MPa2、低压气系统作用：用于机组停机制动和柴油发电机组起动及吹扫的用气。

组成：2台低压气机及其管路。

参数：标准气压0.70MPa 过高报警气压0.80MPa 气机主用起动气压 0.55MPa 气机备用起动气压0.50MPa过低报警气压0.45MPa（四）油系统主要由机组轴承润滑供油及顶转子系统和调速器系统用油组成。

1、机组轴承润滑供油系统作用：提供机组电导轴承、推力轴承、水导轴承的润滑和冷却。组成：重力油箱、管路、轴承、回油箱、回油泵。

2、顶转子（高压顶起）作用：在开机前或停机过程中，由高压油泵提供高压油将发电机组的转动部分（转子、大轴及转轮）顶起，离开轴承轴瓦一定间隙，使得大轴转动时能够形成油膜以保证轴承的运行安全。

组成：高压顶起油泵、节流阀、毛细管节流器、管路。

3、调速器及油压装置作用：用于机组调速器操作用油。

组成：2台油泵及其管路、油罐。

参数：标准油压2.50MPa 过高报警油压2.60MPa 油泵主用起动油压 2.25MPa 油泵备用起动油压2.00MPa过低报警气压 1.75MPa（事故低油压，会报警于停机）

水轮发电机是以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。是水电站生产电能的主要动力设备。

水轮发电机由水轮机驱动。它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活，除一般发电外，特别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80万千瓦。

水轮发电机结构▼水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成。定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。定子铁芯用冷轧硅钢片叠成，按制造和运输条件可做成整体和分瓣结构。

水轮发电机的转速将决定发出的交流电的频率，为保证频率的稳定，就必须稳定转子的转速。

通过交流电的频率信号采样，将其反馈到控制水轮机导叶开合角度的控制系统中，去控制水轮机的输出功率，通过反馈控制原理，就可以让发电机的转速稳定了。

水轮发电机分类▼冲击式水轮机是借助于特殊导水机构引出具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成将水能转换成机械能的一种水力原动机。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%。

斜击式水轮机主要由喷嘴和转轮等组成。转轮由外轮圈、内轮毂和其问所固定的若干单碗形斗叶组成。结构简单、造价低廉，但效率低。斜击式水轮机工作时，水流从压力水管流经喷嘴，形成一股高速射流，射流与转轮平面成22.5°方向冲击着转轮叶片。做功后的水流从轮叶出水边流出，沿尾水渠排至下游。

轴流式水轮机是由转轮体、叶片、泄水锥组成，叶片轴线与水轮机轴线垂直。适用于中低水头、大流量的水电站。应用水头约为3到80m，水流在导叶与转轮之间由径向流动变为轴向流动，而在转轮区内，水流保持轴向流动。轴流式水轮机的叶片固定在转轮体上，叶片安放角度不能在运行中改变，效率曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。一般用于出力较小，水头较低以及水头变化幅度较小的水电站。

贯流式水轮机贯流式水轮机的引水部件、转轮、排水部件都在一条轴线上，水流一贯平直通过，故称为贯流式水轮机。 贯流式水轮机应用水头范围一般在2~25m，单机出力从几千瓦到几万千瓦。

混流式水轮机混流式水轮是由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，水流从四周径向流入转轮，然后近似轴向流出转轮，转轮由上冠，下环和叶片组成。混流式水轮发电机组结构紧凑，运行可靠，效率高，能适应很宽的水头范围，是目前应用最广泛的水轮机之一，大型混流式水轮一般应用于20-700M水头范围。

灯泡式水轮机灯泡式水轮发电机是指将发电机与轴承等布置在形似灯泡的密封壳体内的水轮发电机。灯泡式水轮发电机与水轮机直轴连接并布置在流道内，其特点是结构布置紧凑、复杂，具有防潮防漏等特殊要求。由于灯泡式水轮发电机装在水下流道内，停机时绕组容易受潮，因此其额定电压比一般水轮发电机低。

卡布兰式水轮机卡布兰式水轮机为一种转桨式型态的水轮机，其具有可变型态的扇叶。它是由奥地利教授维克托·卡普兰于1913年所开发，他将可自动调整的螺旋桨叶片以及可自动调整的导叶组合以实现在大落差流量以及大水头高度差距上的高产能效益。