水轮机

发展史

　　水轮机系由古代的水轮或水车演变而来。1827年法国工程师B.富尔内隆制成 6马力的反击式水轮机。1849年经美国工程师J.B.弗朗西斯设计改进形成了现代混流式水轮机，故称为弗朗西斯水轮机。1850年出现冲击式水轮机。到1880年美国工程师L.A.佩尔顿取得水斗型冲击式水轮机的专利，世人称之为佩尔顿水轮机。随着水电开发的进展，水轮机的类型、性能和结构日趋完善。1912年奥地利工程师V.卡普兰设计出台转桨轴流式水轮机，故称为卡普兰水轮机。到20世纪40～50年代又相继出现贯流式和斜流式水轮机，同时水轮机又发展为水泵水轮机，应用于抽水蓄能电站。水轮机的类型已能适应水电开发的不同任务和不同水头的要求。中华人民共和国成立以后，很快建成中国的水轮机制造工业，拥有20多个水轮机制造厂，已生产出2000万kW以上的水轮机装备全国的水电站，并向国外出口。

分类

　　水轮机按能量转换特征分为两类，即反击式和冲击式。而每一类水轮机又根据转轮区内水流的特征和转轮的结构特征又分为多种形式。

　　一、根据水流能量转换特征：有反击式与冲击式。

　　1、单位重量水体在转轮进、出口的能量之差：

　　改写此式：

　　2、水流势能：

　　3、水流动能：

　　4、水轮机利用的能量为水流势能和水流动能的总和：E_P+E_C=1

　　若Ep=0，Ec=1，这种利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机。

　　若0＜Ep<1，Ep＋Ev=1，这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为反击式水轮机。

　　二、根据水流进出转轮的方向和转轮的结构特征分：

组成

　　水轮机是水轮发电成套设备的水轮机主机，水轮机与水轮发电机、调速器、励磁系统和电站控制设备配套使用，组成水力发电站的主体。

　　水轮机是根据水的流量和水头大小进行设计和制造的，作用是将水能转变为机械功，并带动水轮发电机发电。水轮机的本体由水轮机转轮、水轮机座环、水轮机蜗壳和水轮机主轴组成。除此以外，根据型号的不同，还配有附属装置和部件。不同型式的水轮机，其结构和适用范围不甚相同。

故障及处理

　　一、机组过速

　　机组带负荷运行中突然甩负荷时，由于导叶不能瞬时关闭，在导叶关闭的过程中水轮机的转速就可能增高20%~40%，甚至更高。当机组转速升高至某一定值（其整定值由机组的转动惯量而定，一般整定为140%额定转速）以上，则机组出现过速事故。由于转速的升高，机组转动部分离心力急剧增大，引起机组摆度与振动显着增大，甚至造成转动部分与固定部分的碰撞。所以应防止机组过速。

　　为了防止机组发生过速事故，目前多数电站是设置过速限制器、事故电磁阀或事故油泵，并装设水轮机主阀或快速闸门。这些装置都通过机组事故保护回路自动控制。

　　1．机组发生过速时的现象有

　　1）机组噪音明显增大。

　　2）发电机的负荷表指示为零，电压表指示升高（过电压保护可能动作）。

　　3）“水力机械事故”光字牌亮，过速保护动作，出现事故停机现象。

　　4）过速限制器动作，水轮机主阀（或快速闸门）全开位置红灯熄灭（即正在关闭过程）。若过速保护采用事故油泵，则事故油泵起动泵油，关闭导水叶。

　　2．机组过速时的处理

　　1）通过现象判明机组已过速时，应监视过速保护装置能否正常动作，若过速保护拒动或动作不正常，应手动紧急停机，同时关闭水轮机主阀（或快速闸门）。

　　2）若在紧急停机过程中，因剪断销剪断或主配压阀卡住等引起机组过速，此时即使转速尚未达到过速保护动作的整定值，都应手动操作过速保护装置，使导水叶及主阀迅速关闭。对于没有设置水轮机主阀的机组，则应尽快关闭机组前的进水口闸门。

　　二、机组的轴承事故

　　1．巴氏合金轴承的温度升高

　　一般机组的推力、上导、下导等轴承和水轮机导轴承都采用巴氏合金轴承，故利用稀油进行润滑和冷却。当它们中的任一轴承温度升高至事故温度时，则轴承温度过高事故保护动作，进行紧急停机，以免烧坏轴瓦。

　　当轴承温度高于整定值时，机旁盘“水力机械事故”光字牌亮，轴承温度过高信号继电器掉牌，事故轴承的膨胀型温度计的黑针与红针重合或超过红针。在此以前，可能已出现过轴承温度升高的故障信号；或者可能出现过冷却水中断及冷却水压力降低、轴承油位降低等信号。

　　当发生以上现象时，首先应对测量仪表的指示进行校核与分析。例如将膨胀型温度计与电阻型温度计两者的读数进行核对，将轴承温度与轴承油温进行比较鉴别。并察看轴承油面和冷却水。若证明轴承温度并未升高，确属保护误动作，则可复归事故停机回路，启动机组空转，待进一步检查落实无问题后，便可并网发电。当确认轴承温度过高时，就必须查明实际原因，进行正确处理。

　　有许多因素可以导致巴氏合金轴承温度升高，一般常见的原因及处理办法如下：

　　1）润滑油减少：由于轴承油槽密封不良，或排油阀门关闭不严密，造成大量漏油或甩油，润滑油因减少而无法形成良好的油膜，致使轴承温度升高，此时应视具体情况，对密封不良处进行处理，并对轴承补注润滑油。

　　2）油变质：轴承内的润滑油因使用时间较长，或油中有水份或其它酸性杂性，使油质劣化，影响润滑性能，这时应更换新油。尤其当轴承内大量进水（例如冷却器漏水等）时，使润滑及冷却的介质改变，直接影响轴承的润滑条件，会很快导致轴承烧毁，这时应立即停机处理渗水或漏水部位，并更换轴承油槽内的油。

　　3）冷却水中断或冷却水压降低：冷却水管堵塞、阀门的阀瓣损坏、管道内进入空气等都会影响冷却器的过流量，使冷却器不能正常发挥作用，引起轴承油温升高，这时应立即投入机组备用冷却水，或将管道排气。若是冷却水压过低，应设法加大冷却水量，使轴承温度下降到正常值。

　　4）主轴承摆度增大：当主轴摆度增大时，轴与轴瓦间的磨擦力增加，发热量增大，致使润滑条件变坏，不能形成良好的油膜，这时应设法减小机组摆度。例如改变机组有功及无功负荷，使机组在振动较小的负荷区域内运行，或者停机检查各导轴承间隙有否大的变化，检查各导轴瓦的推力螺栓有无松动。

　　2．水导轴承的润滑水中断

　　橡胶瓦水导轴承系用水进行润滑，这类轴承俗称水轴承。当水轴承润滑水中断时，其现象与上述油轴承相似，只是多显示一个“轴承润滑水中断”信号。

　　（1）润滑水中断的原因与后果：由于水质不洁或有杂物，致使取水滤网或过滤器堵塞，造成水压降低；或自动供水阀门因某种原因误关；当用水泵供水时，由于机械或电气原因造成水泵供水中断。这些都会引起润滑水中断事故。当润滑水中断或水量减少时，会使轴领与轴瓦间润滑、冷却条件变坏，甚至发生干磨擦，导致轴承烧毁，此时水轮机失去了径向支承，造成振动和摆度急剧增大，有时会发生窜水现象，从而影响机组的正常运行。

　　（2）处理方法：一般采取以下措施

　　1）当润滑水中断或水压降低时，首先应投入备用水源，然后清扫取水滤网及过滤器，或查找润滑水自动供水阀误关闭的原因，处理完成后仍恢复原供水系统的正常供水。

　　2）若轴承采用水泵供水时，当出现水泵停止供水或其出口水压下降而造成润滑水中断，应首先起动备用水泵供水，然后再查明水泵停止供水或其出口水压下降的原因，并做相应处理；

　　3）当无法立即恢复供水时，为了不致造成事故扩大，应立即停机

检验

　　(1)检验标准：出口发电设备中的水轮机及其零部件是在出厂检验合格的基础上进行法定检验的。检验依据的标准主要有：JB626《水轮机基本技术条件》；JB3161-82《水轮机模型试验规程》及有关的材料，材料试验，主要零部件等标准。合同规定的国外检验标准或技术协议中规定的参数和经济、技术指标也是出口检验的依据。

　　(2)检验项目：水轮机检验项目是依据合同、技术协议和产品标准和出口要求而确定的。检验内容主要包括：资料(设计和制造)的审查，一般外观检验；性能及经济技术指标检测和包装质量检查等。

　　①资料审查：主要审查设计和制造的依据、图纸、产品说明书、合格证及有关材料的材质报告，性能试验报告以及必要的试验、检测数据；

　　②一般外观质量检查：根据有关标准规定，对水轮机主体及附属装置，零部件进行外观质量的全面检查。主要内容有：产品规格、型号、外形尺寸、铭牌等是否货证相符。外观质量上是否有残损、锈蚀渗漏；涂漆颜色和质量是否符合出口要求；传动部件是否转动灵活、运转平衡；控制部分是否灵敏、可靠、准确；焊接件的成型质量和焊缝质量等；

　　③性能试验：通过试验检查产品的技术参数、性能指标和经济指标是否达到标准或合同规定。

　　a.主要零部件的材料性能、加工尺寸、精度、装配质量和性能；

　　b.水轮机及附属管路的压力试验；

　　c.转轮密封试验；

　　d.空载运行试验；

　　e.水轮机次带负荷试验；

　　f.甩负荷试验；

　　g.带负荷72h连续试验；

　　h.调速系统及自动化装置系统的试验，应符合其专门的技术条件；

　　i.合同或技术协议规定的其他项目；

　　j.气蚀破坏试验；

　　k.水轮机的效率验收试验，可根据合同或技术协议规定，用模型或真机验收。模型试验的方法按模型试验规程，在能量试验台和汽蚀试验台上进行。采用真机验收时，可在机组运行一年后进行。

特点及适用

　　水轮机的有不同的类别，它的分类特点及适用如下表所示：