貫流式水輪機(jī)貫流式水輪機(jī)的分類(lèi)

貫流式水輪機(jī)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和布置型式，可分為全貫流式、半貫流式(又分為豎井式、軸伸式和燈泡式)兩種，其適用范圍各不相同 。

貫流式水輪機(jī)全貫流式水輪機(jī)

全貫流式機(jī)組則把發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子裝在旋轉(zhuǎn)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪緣上，發(fā)電機(jī)定子固定在流道外面周?chē)闹С猩稀?

全貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，能保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，避免頻率波動(dòng)，對(duì)水頭變化較為頻繁的潮汐電站更為有利。同時(shí)其流道和機(jī)組布置形式適合于可逆式機(jī)組，還可用于抽水蓄能，將徑流式梯級(jí)電站的上下游水庫(kù)作為抽水蓄能電站的上下庫(kù)，利用原有水工建筑和機(jī)電設(shè)備就可將普通電站建成既能抽水蓄能又能發(fā)電的混合式水電站，提高徑流電站在電力系統(tǒng)中的補(bǔ)償作用；也可將貫流式機(jī)組用于排灌站，收到排水發(fā)電的雙重效益。

貫流式水輪機(jī)軸伸貫流式水輪機(jī)

軸伸貫流式水輪發(fā)電機(jī)組采用臥式布置，也有傾斜安裝的，水輪機(jī)部分主要有轉(zhuǎn)輪室、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉與控制機(jī)構(gòu)、S形尾水管組成，轉(zhuǎn)輪主軸穿出尾水管連接到發(fā)電機(jī)。由于低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)體積龐大、價(jià)格貴，小型貫流式水輪發(fā)電機(jī)組多采用齒輪增速后帶動(dòng)高速發(fā)電機(jī)的形式 。

軸伸貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)是，它具有一個(gè)水平或略微傾斜的軸和一個(gè)位于S形通道之外的發(fā)電機(jī)，小燈泡體內(nèi)只需容納軸承，增速器布置在水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的中間，尾水管流道有兩個(gè)彎呈S形。因此，其效率沒(méi)有豎井式和燈泡式的高。

圖中藍(lán)綠色箭頭線表示水流走向，水流沿軸向進(jìn)入，經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功，流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片后，通過(guò)S形尾水管排出。該水輪發(fā)電機(jī)造價(jià)與工程投資少，但效率較低，在低水頭小水電站中應(yīng)用較廣，其中水平臥式用得最多。

貫流式水輪機(jī)豎井貫流式水輪機(jī)

豎井貫流式水輪機(jī)是將發(fā)電機(jī)組安裝在水輪機(jī)上游側(cè)的一個(gè)混凝土豎井中，水輪機(jī)部分主要由導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室、轉(zhuǎn)輪、尾水管組成，轉(zhuǎn)輪主軸伸入混凝土豎井中，通過(guò)齒輪箱等增速裝置連接到發(fā)電機(jī)。也有把發(fā)電機(jī)布置在上面廠房，轉(zhuǎn)輪主軸通過(guò)扇齒輪或皮帶輪與發(fā)電機(jī)連接，使豎井尺寸更小一些。

圖中藍(lán)綠色箭頭線表示水流走向，水流進(jìn)入后從混凝土豎井兩旁通過(guò)再匯集到導(dǎo)葉進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室，水流推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功后從尾水管排出。為更清楚看清水流走向，在圖3中顯示剖去混凝土結(jié)構(gòu)上部分的機(jī)組圖，圖中藍(lán)綠色箭頭線表示水流走向。豎井貫流式水輪機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、運(yùn)行和維護(hù)方便，但效率較低，在低水頭小水電站中應(yīng)用較廣。

貫流式水輪機(jī)燈泡貫流式水輪機(jī)

燈泡貫流式水輪機(jī)組的發(fā)電機(jī)密封安裝在水輪機(jī)上游側(cè)一個(gè)燈泡型的金屬殼體中，發(fā)電機(jī)水平方向安裝，發(fā)動(dòng)機(jī)主軸直接連接水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。

燈泡貫流式水輪機(jī)組的水輪機(jī)部分由轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、尾水管組成；發(fā)電機(jī)軸直接連接到轉(zhuǎn)輪，一同安裝在鋼制燈泡外殼上，發(fā)電機(jī)在燈泡殼內(nèi)，轉(zhuǎn)輪在燈泡尾端，發(fā)電機(jī)軸承通過(guò)軸承支持環(huán)固定在燈泡外殼上，轉(zhuǎn)輪端軸承固定在燈泡尾端外殼上，發(fā)電機(jī)軸前端連接到電機(jī)滑環(huán)與轉(zhuǎn)輪變槳控制的油路裝置。鋼制燈泡通過(guò)上支柱、下支柱固定在混凝土基礎(chǔ)中，上支柱也是人員出入燈泡的通道。

圖中藍(lán)色箭頭線表示水流走向，水流進(jìn)入后從燈泡周?chē)鶆蛲ㄟ^(guò)到達(dá)轉(zhuǎn)輪，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功后由尾水管排出。通過(guò)導(dǎo)葉角度與轉(zhuǎn)輪葉片角度的調(diào)整配合可使水輪機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。燈泡貫流式水輪機(jī)組具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、效率較高，適用于低水頭大中型水電站。

燈泡貫流式機(jī)組是當(dāng)前廣泛應(yīng)用于大、中型機(jī)組的一種機(jī)型，其過(guò)水流道是軸向的或略微傾斜的。燈泡體位于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上游，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是錐形。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合在水輪機(jī)軸上，水輪機(jī)軸由兩個(gè)導(dǎo)軸承支持。燈泡貫流式機(jī)組以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，大型機(jī)組的轉(zhuǎn)速大約是70～125r/min。燈泡貫流式機(jī)組唯一的限制是部件制造和運(yùn)輸條件的限制 。

（1）從進(jìn)水到出水方向軸向貫通形狀簡(jiǎn)單，過(guò)流通道的水力損失減小，施工方便，另外它效率較高，其尾水管恢復(fù)功能可占總水頭的40%以上。

（2）貫流式機(jī)組有較高的過(guò)濾能力和比轉(zhuǎn)速，所以在水頭與功率相同的條件下，貫流式的要比轉(zhuǎn)槳式的直徑小10%左右。

（3）貫流式水輪機(jī)適合作了逆式水泵水輪機(jī)運(yùn)行，由于進(jìn)出水流道沒(méi)有急轉(zhuǎn)彎，使水泵工況和水輪機(jī)工況均能獲得較好的水力性能。如應(yīng)用于潮汐電站上可具有雙向發(fā)電，雙向抽水和雙向泄水等六種功能，很適合綜合開(kāi)發(fā)利用低水頭水力資源，另外在一般平原地區(qū)的排灌站上可作為可逆式水泵水輪機(jī)運(yùn)行，應(yīng)用范圍比較廣泛。

（4）貫流式水電站一般比立軸的軸流式水電站建設(shè)周期短、投資小、收效快、淹沒(méi)移民少，電站靠近城鎮(zhèn)，有利于發(fā)揮地區(qū)興建電站的積極性。

貫流式水輪機(jī)，是一種臥軸式水輪機(jī)，即水流在流道內(nèi)基本上沿著水平軸向運(yùn)動(dòng)。它主要適用于1～25m的水頭，是低水頭、大流量水電站的一種專(zhuān)用機(jī)型。由于其水流在流道內(nèi)基本上沿軸向運(yùn)動(dòng)，不轉(zhuǎn)彎，因此機(jī)組的過(guò)水能力和水力效率能有所提高。特適用于潮汐電站，其雙向發(fā)電、雙向抽水和雙向泄水等功能很適合綜合利用低水頭水力資源。

貫流式水輪機(jī)適合低水頭應(yīng)用，而且效率高投資低，發(fā)展較快，而且功率也越來(lái)越大。

發(fā)電機(jī)置于流道豎井中的貫流式水輪機(jī)。

第一章緒論1

第一節(jié)貫流式機(jī)組的應(yīng)用與發(fā)展2

一、全貫流式機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)狀2

二、燈泡貫流式機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)狀2

三、燈泡貫流式水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展4

四、軸伸貫流式機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)狀4

五、豎井貫流式機(jī)組應(yīng)用現(xiàn)狀6

第二節(jié)高水頭貫流式機(jī)組的研究與發(fā)展前景6

第二章高水頭貫流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)理論9

第一節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)的水力性能分析9

一、高水頭貫流式水輪機(jī)與常規(guī)水輪機(jī)的性能對(duì)比分析9

二、高水頭貫流式水輪機(jī)的水力性能分析11

第二節(jié)固定導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)理論16

一、高水頭貫流式水輪機(jī)的固定導(dǎo)葉16

二、固定導(dǎo)葉設(shè)計(jì)的理論17

第三節(jié)活動(dòng)導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)理論22

第四節(jié)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)理論29

一、高水頭貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)理論29

二、基于CFD的高水頭貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動(dòng)及水力設(shè)計(jì)37

三、70m水頭段高水頭貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)42

第五節(jié)尾水管的設(shè)計(jì)理論46

一、直錐型尾水管設(shè)計(jì)47

二、非圓錐形擴(kuò)散尾水管的設(shè)計(jì)48

第六節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)過(guò)流通道幾何尺寸的設(shè)計(jì)優(yōu)化52

第三章高水頭貫流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用57

第一節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)分析57

一、高水頭貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)57

二、導(dǎo)流室結(jié)構(gòu)分析58

三、轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)分析59

四、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及活動(dòng)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)分析60

五、尾水管的結(jié)構(gòu)分析61

六、軸承系統(tǒng)分析61

七、高水頭貫流式水輪機(jī)整機(jī)強(qiáng)度計(jì)算分析67

第二節(jié)軸伸式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)71

第三節(jié)燈泡式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)71

第四節(jié)梅花式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)73

第五節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)與常規(guī)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)比研究75

第六節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)77

一、額定水頭Hr的確定77

二、機(jī)組主要參數(shù)的選擇77

第七節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)的電站布置設(shè)計(jì)81

一、高水頭貫流式水電站建筑物的布置特點(diǎn)81

二、廠房布置設(shè)計(jì)82

三、廠房主要尺寸的確定84

第四章高水頭貫流式水輪機(jī)的性能測(cè)試研究86

第一節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)的性能測(cè)試86

一、性能測(cè)試情況86

二、效率實(shí)驗(yàn)分析90

第二節(jié)不同導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪條件下的性能對(duì)比試驗(yàn)92

一、不同導(dǎo)葉條件下的性能測(cè)試92

二、不同轉(zhuǎn)輪條件下的性能測(cè)試93

第三節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉流場(chǎng)的測(cè)試94

一、測(cè)試裝置及原理94

二、測(cè)量工況點(diǎn)的布置95

三、測(cè)試結(jié)果及結(jié)論95

第四節(jié)現(xiàn)代水輪機(jī)與高水頭貫流式水輪機(jī)的水力效率對(duì)比97

第五章高水頭貫流式水輪機(jī)的CFD分析101

第一節(jié)CFD技術(shù)的發(fā)展101

第二節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)過(guò)流部件幾何模型的建立102

一、轉(zhuǎn)輪的幾何參數(shù)102

二、轉(zhuǎn)輪三維實(shí)體的建立103

三、轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格的劃分及質(zhì)量檢查104

四、固定導(dǎo)葉及活動(dòng)導(dǎo)葉的建模及網(wǎng)格化106

五、尾水管的建模及網(wǎng)格化107

第三節(jié)全流場(chǎng)的流動(dòng)模擬計(jì)算107

一、計(jì)算精度的確定108

二、網(wǎng)格質(zhì)量的檢查及修改108

三、確定計(jì)算模型的各參數(shù)109

四、CFD迭代計(jì)算111

五、計(jì)算結(jié)果及分析112

第四節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)固定導(dǎo)葉的三維設(shè)計(jì)及CFD計(jì)算結(jié)果117

一、導(dǎo)葉幾何形狀的設(shè)計(jì)118

二、建立計(jì)算固定導(dǎo)葉的邊界條件119

三、固定導(dǎo)葉的計(jì)算119

第五節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉的三維設(shè)計(jì)及CFD計(jì)算結(jié)果119

一、高水頭貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)119

二、活動(dòng)導(dǎo)葉的三維設(shè)計(jì)及CFD計(jì)算120

三、結(jié)果分析121

第六節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的三維設(shè)計(jì)及CFD計(jì)算結(jié)果122

一、高水頭貫流式水輪機(jī)的流場(chǎng)解析122

二、CFD計(jì)算122

第七節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)尾水管的三維設(shè)計(jì)及CFD計(jì)算結(jié)果124

一、模型的建立124

二、CFD分析模型的選擇124

三、邊界條件及檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)置125

四、計(jì)算結(jié)果及分析125

第八節(jié)高水頭貫流式水輪機(jī)固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉的匹配研究126

一、固定導(dǎo)葉承擔(dān)100%環(huán)量全流道的分析128

二、固定導(dǎo)葉承擔(dān)75%環(huán)量全流道的分析131

三、固定導(dǎo)葉承擔(dān)50%環(huán)量全流道的分析134

四、固定導(dǎo)葉承擔(dān)25%環(huán)量全流道的分析137

五、結(jié)論140

后記141 2100433B

高水頭貫流式水輪機(jī)是杜同教授1958年提出的一種新型水力發(fā)電機(jī)型，采用了貫流式或燈泡式水輪機(jī)的輻向式錐形布置的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和類(lèi)似于混流式或斜流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪，具有流道直，水流轉(zhuǎn)彎少，水力損失小，水力效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)專(zhuān)家鑒定這種形式的水輪機(jī)是水輪機(jī)發(fā)明100多年來(lái)，在水輪機(jī)結(jié)構(gòu)型式方面的一項(xiàng)創(chuàng)新，屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。本專(zhuān)著介紹了這種水輪機(jī)與常規(guī)的貫流式水輪機(jī)在水力和結(jié)構(gòu)上的不同，闡述了這種水輪機(jī)的固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪及尾水管等的水力設(shè)計(jì)理論及方法，介紹了這種水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選型設(shè)計(jì)及應(yīng)用于電站時(shí)的廠房設(shè)計(jì)等，并就其實(shí)驗(yàn)研究及性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了論述，最后詳細(xì)介紹了基于CFD技術(shù)的高水頭貫流式水輪機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)及強(qiáng)度的研究成果。