水力发电——水轮发电机组

在水电厂中，水轮机驱动发电机，将水能最终转换为电能，这一整套设备构成水轮发电机组。

水轮发电机组的附属设备有调速系统和蝴碟闽与快速闸门等。

（一）水轮机

水轮机是将水能转换为机械能的水力机械。现代水轮机，按水流作用原理和结构特点可分为两大类：一类是仅利用水流动能的，称为冲击式水轮机；另一类是同时利用水流动能和势能的，称为反击式水轮机。

1．反击式水轮机

反击式水轮机是利用水流的压力，将水能转换为机械能的一种水力机械。

（1）结构。反击式水轮机的主要结构部件有转轮、引水室、导水机构和尾水管等。

1）转轮。转轮是水轮机中将水流能量转换为旋转机械能的部件。根据水能转换方向不同，各类反击式水轮机转轮结构也不尽相同。混流式水轮机转轮由流线型扭曲叶片、轮冠和下环等主垂部件组成；轴流式水轮机转轮由叶片、转轮体和泄水锥等主要部件组成：斜流式水轮机转轮结构较为复杂．其叶片安放角可随工况变化，且与导叶开度相匹配，叶片转动中心线与水轮机轴线成斜角(45°～60°)。

2）引水室。其作用是使水流均匀地流人导水机构，减少能量损失，心提高水轮机效率。大中型水轮机水头在50m以上的常采用圆形断面金属蜗壳，50m以下的常采用梯形断面混凝土蜗壳。

3）导水机构。一般由均匀布置在转轮外围的一定数量的流线型导叶及其转动机构等组成。其作用是引导水流均匀地流人转轮，并通过调节导叶开度，改变水轮机的通过流量，以适应发电机组负荷的要求，全闭时也起封水作用。

4）尾水管。转轮出口的水流还有部　分剩用能量未被利用，尾水管的作用就是回收这部分能量并将水排至下游。尾水管分为直锥形和弯曲形两种形式。前者能量系数大，一般适用于小型卧式和贯流式水轮机；后者的水力性能虽不如直锥形，但挖深较小，广泛应用于大中　型反击式水轮机。

（2）分类。反击式水轮机根据水流通过转轮的轴面方向分为混流式水轮机、斜流式水轮机、轴流式水轮机和贯流式水轮机。

1）混流式水轮机。混流式（辐向轴流式或弗朗西斯式）水轮机是水流由转轮四周辐向流人轴向流出的一种反击式水轮机。这种水轮机的适用水头范围较广（30～700m），结构简单，体积较小，造价较低。我国已投入运行的最大混流式水轮机为二滩水电厂水轮机，额定输出功率582MW，最大输出功率621 MW。

2）轴流式水轮机。轴流式水轮机是水流由轴向进入，轴向流出转轮的一种反击式水轮机。这种水轮机分为定浆式（螺浆式）和转浆式（卡普兰式）两种类型。前者的叶片固定不动，后者的叶片可以转动。轴流式水轮机的过水能力较混流式水轮机为大。转浆式水轮机因其叶片可随负荷变化而改变位置，所以在很大的负荷变化范围内均具有较高的效率。轴流式水轮机的抗气蚀性能和机械强度比混流式水轮机差，结构也较复杂。目前，这种水轮机的适用水头已达80m以上。

3）贯流式水轮机。这种水轮机水流由轴向流人转轮轴向流出，在转轮前后无任何旋转的一种反击式水轮机，利用水头范围为3～20。。机身高度小，水流条件好，效率高，土建工程量省，造价低，不用蜗壳和弯曲形尾水管等优点，而且水头愈低其优点愈显著。

贯流式水轮机按发电机连接和传动方式又分为全贯流式和半贯流式两种类型，半贯流式进一步分为灯泡式、竖井式和轴伸式等，其中轴伸式又有斜轴和卧轴之分。目前，应用最广的是灯泡贯流式，轴伸式和竖井式，多用于小型机组。近年来，竖井式亦用于大中型机组。

轴伸贯流式机组的发电机装在水道外，发电机以较长的斜轴或水平轴与水轮机相连。这种轴伸式的结构比灯泡式的简单。

4）斜流式水轮机。斜流式（也称对角式）水轮机的结构和尺寸，介于混流式与轴流式之间，主要差别在于转轮叶片中心线与水轮机中心线成一定角度。由于结构上的特点，不允许机组运行中下沉，所以在结构二装设有轴向位移信号保护装置，以防止发生叶片与转轮室相碰的事故。斜流式水轮机的利用水头范围为25～200m。

目前，世界上斜滴式水轮机最大单机额定输出功率达215MW（前苏联），最高的利用水头为136m（日本）。

2．冲击式水轮机

这种水轮机是利用高速水流的冲击力直接冲动转轮将水能转换为旋转机械能的水力机械。按水流冲击转轮的部位和方向分为水斗式、斜击式和双击式；按水轮机轴的布置方式分为卧式和立式。水斗式水轮机应用范围最为广泛，一般适用于300m以上水头的水电厂。其工作部件主要有输水、喷嘴和喷针、转轮及外壳等，转轮外缘装有多个坚固的杓形水斗。冲击式水轮机的应用日益广泛，利用水头已达1000n，以上，喷嘴数量也随之增加，大型水斗式水轮机的喷嘴已达到6个。

3．水泵水轮机

水泵水轮机，按其水流通过转轮时能量转换的方式，应属于反击式水轮机。然而，它不仅可以作为水轮机运行，又可以作为水泵运行。两种运行工况的转动方向不同，水流方向也相反，故也称之为可逆式水轮机。

水泵水轮机用于抽水蓄能电站，在电力系统低谷负荷时利用多余电力，作为水泵运行，抽水蓄能；在电力系统高峰负荷时，作为水轮机运行，带动发电机发电，向电力系统供电。水泵水轮机主要分为混流式、斜流式和贯流式。混流式和斜流式水泵水轮机主要应用于大中型抽水蓄能电厂，应用最为广泛的是混流式水泵水轮机。贯流式则应用于潮汐电站。

混流式水泵水轮机又分为单级式（装有1个转轮）和多级式（装有2个或2个以上转轮，最多的转轮个数为7个），有2个转轮的也叫作双级式。单级式的利用水头／扬程达到700～800m；多级式的达到1000m以上。斜流式适应水头／扬程为30～130m。贯流式可在两个流向发电或抽水，因而又叫作双向水泵水轮机。

4.附属设备

（1）调速系统。其作用是控制进入水轮机转轮的流量来调节　水轮发电机的有功功率和转速，并实现机组的起停、发电，调相、甩负荷等操作控制及各种工况之间的转换。水轮机调速系统的动作原理与汽轮机的相同。

调速系统分成机械液压（机调）、电气液压（电调）和微机　调速器三类。微机调速器的性能明显优于机调和电调，可用计算机软件很方便地实现调节控制功能，其可靠性、可用性、可维修性大幅度提高。目前我国大中型水电机组主要采用微机调速器。

（2）蝴蝶阀与快速闸门。蝴蝶阀与快速闸门一般分别安装在水轮机蜗壳前的钢管上或压力引水管的进水口处，当机组发生事故而导水机构又同时发生故障不能及时关闭时，可迅速关闭蝴蝶阀或快速闸门，紧急停机，避免事故扩大。在停机或检修时将其关闭，还可减少漏水及确保工作安全。

较常用的为蝴蝶阀，有横轴和竖轴两种结构型式，阔体形状如铁饼。大中型蝴蝶阀均采用油压操作。

（二）水轮发电机

1．特点和分类

水轮发电机与汽轮发电机相比，其特点为：

（1）转速较低。受水头所限，转速一般多750r/min以下有的只有几十转每分。

（2）磁极数较多。因为转速较低，为要发出50Hz的电能就需增加磁极对数，以使切割定子绕组的磁场每秒钟仍能变化50次。

（3）结构尺寸和重量都大。一方面是由于转速较低；另一方面则是当机组发生甩负荷时，为了避免产生强大的水锤造成钢管破裂，要求导叶紧急关闭时间较长，但这又会引起机组转速上升过高．因此要求转子具有较大的重量，使之有较大的惰性。

（4）一般采用竖轴。为了减少占地，降低厂房造价，大中型水轮发电机一般采用竖轴。

水轮发电机按其转轴布置方式的不同可以分为立式和卧式两种：立式水轮发电机按其推力轴承所在位置不同，可分为悬式和伞式两种型式。

（1）悬式水轮发电机。其推力轴承装在转子上机架的中心体内或其上部，运行稳定，检修维护方便，但高度较大，厂房投资较多。

（2）伞式水轮发电机。其推力轴承装在转子下机架的中心体内或其上部。一般中、低转速的大型水轮发电机，由于结构尺寸大．宜采用伞式，以降低机组高度，节省钢材，减少厂房投资。近些年来又发展了将推力轴承装在水轮机顶盖上的结构，机组高度还可降低。

2．主要组成部件

水轮发电机主要由定子、转子、推力轴承、上下导轴承、上下部机架、通风冷却装置、制动装置及励磁装置等组成。

（1）定子。它是产生电能的部件，由绕组、铁芯和机壳等组成。由于大、中型水轮发电机的定子直径很大，为了便于运输，一般是分瓣组合而成。

（2）转子。它是产生磁场的转动部件，由支架、轮环和磁极等组成。轮环是由扇形铁板构成的圆环形构件，磁极布于轮环的外面，并以轮环作为磁场的通路。大中型转子一股郡在现场装配，然后经加温热套于发电机主轴上。近年来又发展了转子无轴结构，即将转子支架直接固定于水轮机主轴的上端。这种结构的最大优点是可以解决由于机组大带来的大型铸锻件质量问题；另外也可以减轻转子起吊重量和降低起吊高度，从而降低厂房高度，为电厂建设带来一定的经济性。

（3）推力轴承。是承受机组转动部分总重量和水轮机轴向水推力的部件。

（4）冷却系统。水轮发电机通常采用空气作为冷却介质对定子、转子绕组以及定子铁芯进行冷却。小容量水轮发电机常采用开启式或管道式通风方式，大中型水轮发电机则常采用密闭自循环通风方式。为了提高冷却强度，一些大容量水轮发电机绕组采用空心导线直接通冷却介质的内冷方式，冷却介质采用水或新型介质。定子和转子绕组都采用水内冷方式，冷却介质采用水或新型介质。定子和转子绕组都采用水内冷方式的叫做双水内冷，定子和转子绕组及定子铁芯都采用水冷的叫作全水内冷，只是定子和转子绕组采用水内冷的叫作半水内冷。

另外一种水轮发电机冷却方式是蒸发冷却，它是将液态介质通入水轮发电机导体内部进行蒸发冷却的。蒸发冷却方式具有冷却介质的导热能力比空气和水大得多，而能减少机组重量和尺寸等优点。

（5）励磁装置及其发展情况与火电机组的基本相同。