⽔轮发电机基本常识-附英⽂词汇
⽔轮发电机基本常识
☆⽔轮发电机组的⽤途。
⽔轮发电机组是将具有⼀定⾼度的⽔头(head)和流量(discharge)的⽔的动能(kinetic energy)和势能(potential energy)转换为机械能(mechanical energy)并最终转换成电能(electric energy)的装置。⽔轮发电机设备是⼀种集合了多种学科和技术的⼯业产品，其中包括流体⼒学、⼯程⼒学、材料⼒学等多学科和机械、冶⾦、电⼦、计算机、⾃动控制等多门技术产物。⽔⼒发电站及其主要的设备——⽔轮发电机组是现代⼯业和现代⽣活的⼀项重要设备。发电机在⼯农业⽣产，国防，科技及⽇常⽣活中有⼴泛的⽤途。
☆⽔⼒发电站
⽔⼒发电是⼤⾃然赐给⼈类的⼀种清洁能源，就像风能、太阳能⼀样，是可以再⽣、取之不尽，⽤之不绝，⽆污染的能源。⽔⼒发电站运⾏费⽤低，便于电⼒调峰。
⾄于运⾏成本，⽔电明显优于⽕电：⽔⼒发电的成本只有⽕⼒发电的约1/4. ⽕⼒发电⽤燃料的购买和运输费⽤就占去运⾏50％⼀70％。⽽⽔⼒发电是不⽤燃料的。
除了上述经济效益，开发⽔电还具有防洪、航运、供⽔、灌溉、旅游等综合效益。
☆⽔⼒发电站的种类
⽔⼒发电⼚是把⽔的势能和动能转变成电能。根据⽔⼒枢纽布置不同，主要可分为堤坝式、引⽔式、抽⽔蓄能⽔电⼚等。
1、堤坝式⽔电⼚（Hydropower dam type）：在河床上游修建拦河坝，将⽔积蓄起来，抬⾼上游
重生之国王的微笑⽔位，形成发电⽔头的⽅式称为堤坝式，堤坝式⽔电⼚⼜可分为坝后式、河床式及混合式⽔电⼚等。①坝后式⽔电⼚，这种⽔电⼚的⼚房建筑在坝的后⾯，全部⽔头由坝体承受,⽔库的⽔由压⼒⽔管引⼊⼚房，转动⽔轮发电机组发电。坝后式⽔电⼚适合于⾼、中⽔头的情况。
2、河床式⽔电⼚（River hydropower plant type）：这种⽔电⼚的⼚房和挡⽔坝联成⼀体,
⼚房也起挡⽔作⽤，因修建在河床中，故名河床式。河床式⽔电⼚⽔头⼀般在20～30 M以下。
蓝颜知己3、混合式⽔电⼚（Hybrid hydropower station）：引⽔与⼤坝混合使⽤获得落差发电;
4、引⽔式⽔电⼚（Water type hydropower station）: ⽔电⼚建筑在⼭区⽔流湍急的河道上
难忘那期盼的眼神或河床坡度较陡的地⽅，由引⽔渠道造成⽔头,⼀般不需修坝或只修低堰。⼟⽿其可能⼤多数属于这种类型
5、抽⽔蓄能⽔电⼚(The pumped-storage hydropower station)：具有上池(上部蓄⽔库)和下
池(下部蓄⽔库)，在低⾕负荷时⽔轮发电机组可变为⽔泵⼯况运⾏，将下池⽔抽到上池储蓄起来，在⾼峰负荷时⽔轮发电机组可变为发电⼯况运⾏，利⽤上池的蓄⽔发电。
⽔⼒发电站规模分类：按照中国⽔利部部颁标准分为：
1、⼤型⽔⼒发电站(Large-scale hydro-electric power)：容量⼤于250MW为⼤型⽔⼒发电站。
写意画图片2、中型⽔⼒发电站(Medium sized hydropower stations)：装机容量50～250MW的为中型⽔⼒
发电站。
3、⼩型⽔⼒发电站（Small hydropower stations）: 装机容量⼩于50000kW的为⼩型⽔⼒发
电站。
4、微型⽔利发电站（Miniature hydroelectric power plant）：装机容量100KW以下的为微型
⽔⼒发电站
☆⽔轮发电机的⼯作原理
⽔轮机是把⽔流的能量转换为旋转机械能的动⼒机械，它属于流体机械中的透平机械。
早在公元前100年前后，中国就出现了⽔轮机的雏形——⽔轮，⽤于提灌和驱动粮⾷加⼯器械。现代⽔轮机则⼤多数安装在⽔电站内，⽤来驱动发电机发电。在⽔电站中，上游⽔库中的⽔经引⽔管引向⽔轮机，推动⽔轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的⽔则通过尾⽔管道排向下游。⽔头越⾼、流量越⼤，⽔轮机的输出功率也就越⼤。
⽔轮机按⼯作原理可分为冲击式⽔轮机（impules turbine）和反击式⽔轮机(reaction water turbine)
两⼤类。冲击式⽔轮机的转轮受到⽔流的冲击⽽旋转，⼯作过程中⽔流的压⼒不变，主要是动能的转换；反击式⽔轮机的转轮在⽔中受到⽔流的反作⽤⼒⽽旋转，⼯作过程中⽔流的压⼒能和动能均有改变，但主要是压⼒能的转换。
冲击式⽔轮机按⽔流的流向可分为切击式(⼜称⽔⽃式Pelton)和斜击式两类。斜击式⽔轮机的结构与⽔⽃式⽔轮机基本相同，只是射流⽅向有⼀个倾⾓，只⽤于⼩型机组。
反击式⽔轮机可分为混流式(francis)、轴流式(axial flow)、斜流式(diagonal)和贯流式(tubular)。在混流式⽔轮机中，⽔流径向进⼊导⽔机构，轴向流出转轮；
在轴流式⽔轮机中，⽔流径向进⼊导叶，轴向进⼊和流出转轮；
在斜流式⽔轮机中，⽔流径向进⼊导叶⽽以倾斜于主轴某⼀⾓度的⽅向流进转轮，或以倾斜于主轴的⽅向流进导叶和转轮；
在贯流式⽔轮机中，⽔流沿轴向流进导叶和转轮。
轴流式、贯流式和斜流式⽔轮机按其结构还可分为定桨式(fixed blad)和转桨式(adjustable blad)。定桨式的转轮叶⽚是固定的；转桨式的转轮叶⽚可以在运⾏中绕叶⽚轴转动，以适应⽔头和负荷的变化。
各种类型的反击式⽔轮机都设有进⽔装置，⼤、中型⽴轴反击式⽔轮机的进⽔装置⼀般由蜗壳、固定导叶和活动导叶（Guide vane）组成。蜗壳的作⽤是把⽔流均匀分布到转轮周围。常采⽤拼焊或整铸的⾦属蜗壳。
在反击式⽔轮机中，⽔流充满整个转轮流道，全部叶⽚同时受到⽔流的作⽤，所以在同样的⽔头下，转轮直径⼩于冲击式⽔轮机。它们的最⾼效率也⾼于冲击式⽔轮机，但当负荷变化时，⽔轮机的效率受到不同程度的影响。
反击式⽔轮机都设有尾⽔管，其作⽤是：回收转轮出⼝处⽔流的动能；把⽔流排向下游；当转轮的安装位置⾼于下游⽔位时，将此位能转化为压⼒能予以回收。对于低⽔头⼤流量的⽔轮机，转轮的出⼝动能相对较⼤，尾⽔管的回收性能对⽔轮机的效率有显著影响。
轴流式⽔轮机适⽤于较低⽔头的电站。在相同⽔头下，其⽐转数较混流式⽔轮机为⾼。轴流定桨式⽔轮机的叶⽚固定在转轮体上，叶⽚安放⾓不能在运⾏中改变，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。
轴流转桨式⽔轮机是奥地利⼯程师卡普兰在1920年发明的，故⼜称卡普兰(Kaplan)⽔轮机。其转轮叶⽚⼀般由装在转轮体内的油压接⼒器操作，可按⽔头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转⾓和叶⽚转⾓间的最优配合，从⽽提⾼平均效率，这类⽔轮机的最⾼效率有的已超过94％。严惩不贷什么意思
80年代，世界上尺⼨最⼤的转桨式⽔轮机是中国东⽅电机⼚制造的，装在中国长江中游的葛洲坝电站，其单机功率为170兆⽡，⽔头为18.6⽶，转速为54.6转／分，转轮直径为11.3⽶，于1981年投⼊运⾏。世界上⽔头最⾼的转桨式⽔轮机装在意⼤利的那姆⽐亚电站，其⽔头为88.4⽶，单机功率为13.5兆⽡，转速为375转／分，于1959年投⼊运⾏。
飞鸟与鱼歌词贯流式⽔轮机(tubular turbine)的导叶和转轮间的⽔流基本上⽆变向流动，加上采⽤直锥形尾⽔管，排流不必在尾⽔管中转弯，所以效率⾼，过流能⼒⼤，⽐转数⾼，特别适⽤于⽔头为3～20⽶的低⽔头
电站。这种⽔轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。这种⽔轮机有多种结构，使⽤最多的是灯泡式⽔轮机(bulb turbine)。
灯泡式(bulb)机组的发电机装在⽔密的灯泡体内。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。世界上最⼤的灯泡式⽔轮机(转桨式)装在美国的罗克岛第⼆电站，⽔头12.1⽶，转速为85.7转/分，转轮直径为7.4⽶，单机功率为54兆⽡，于1978年投⼊运⾏。
混流式⽔轮机(Francis turbine)是世界上使⽤最⼴泛的⼀种⽔轮机，由美国⼯程师弗朗西斯(Francis)于1849年发明，故⼜称弗朗西斯⽔轮机。与轴流转桨式相⽐，其结构较简单，最⾼效率也⽐轴流式的⾼，但在⽔头和负荷变化⼤时，平均效率⽐轴流转桨式的低，这类⽔轮机的最⾼效率有的已超过95％。混流式⽔轮机适⽤的⽔头范围很宽，为5～700⽶，但采⽤最多的是40～300⽶。
混流式的转轮(Runner)⼀般⽤低碳钢或低合⾦钢铸件，或者采⽤铸焊结构。为提⾼抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易⽓蚀部位堆焊不锈钢，或采⽤不锈钢叶⽚，有时也可整个转轮采⽤不锈钢(stainless steel)。采⽤铸焊结构能降低成本，并使流道尺⼨更精确，流道表⾯更光滑，有利于提⾼⽔轮机的效率，还可以分别⽤不同材料制造叶⽚、上冠和下环。
世界上⽔头最⾼的混流式⽔轮机装于奥地利的罗斯亥克电站，其⽔头为672⽶，单机功率为58.4兆⽡，于1967年投⼊运⾏。功率和尺⼨最⼤的混流式⽔轮机装于美国的⼤古⼒第三电站，其单机功率为
700兆⽡，转轮直径约9.75⽶，⽔头为87⽶，转速为85.7转／分，于1978年投⼊运⾏。
斜流式⽔轮机(diagonal turbine)是瑞⼠⼯程师德⾥亚于1956年发明，故⼜称德⾥亚⽔轮机。其叶⽚倾斜的装在转轮体上，随美的橱柜
着⽔头和负荷的变化，转轮体内的油压接⼒器操作叶⽚绕其轴线相应转动。它的最⾼效率稍低于混流式⽔轮机，但平均效率⼤⼤⾼于混流式⽔轮机；与轴流转桨⽔轮机相⽐，抗⽓蚀性能较好，飞逸转速较低，适⽤于40～120⽶⽔头。
由于斜流式⽔轮机结构复杂、造价⾼，⼀般只在不宜使⽤混流式或轴流式⽔轮机，或不够理想时才采⽤。这种⽔轮机还可⽤作可逆式⽔泵⽔轮机。当它在⽔泵⼯况启动时，转轮叶⽚可关闭成近于封闭的圆锥因⽽能减⼩电动机的启动负荷。世界上容量最⼤的斜流式⽔轮机装于苏联的洁雅电站，单机功率为215兆⽡，⽔头为78.5⽶。
⽔泵⽔轮机(pump turbine)主要⽤于抽⽔蓄能电站。在电⼒系统负荷低于基本负荷时，它可⽤作⽔泵，利⽤多余发电能⼒，从下游⽔库抽⽔到上游⽔库，以位能形式蓄存能量；在系统负荷⾼于基本负荷时，可⽤作⽔轮机，发出电⼒以调节⾼峰负荷。因此，
纯抽⽔蓄能电站并不能增加电⼒系统的电量，但可以改善⽕⼒发电机组的运⾏经济性，提⾼电⼒系统的总效率。50年代以来，抽⽔蓄能机组在世界各国受到普遍重视并获得迅速发展。
早期发展的或⽔头很⾼的抽⽔蓄能机组⼤多采⽤三机式，即由发电电动机、⽔轮机和⽔泵串联组成。它的优点是⽔轮机和⽔泵分别设计，可各⾃具有较⾼效率，⽽且发电和抽⽔时机组的旋转⽅向相同，可以迅速从发电转换为抽⽔，或从抽⽔转换为发电。同时，可以利⽤⽔轮机来启动机组。它的缺点是造价⾼，电站投资⼤。
斜流式⽔泵⽔轮机转轮的叶⽚可以转动(adjustable)，在⽔头和负荷变化时仍有良好的运⾏性能，但受⽔⼒特性和材料强度的限制，到80年代初，它的最⾼⽔头只⽤到136.2⽶(⽇本的⾼根第⼀电站)。对于更⾼的⽔头，需要采⽤混流式⽔泵⽔轮机。
世界上最⼤的混流式⽔泵⽔轮机装于联邦德国的不来梅蓄能电站。其⽔轮机⽔头237.5⽶，发电机功率660兆⽡，转速125转/分；⽔泵扬程247.3⽶，电动机功率700兆⽡，转速125转/分。
抽⽔蓄能电站设有上、下两个⽔库。在蓄存相同能量的条件下，提⾼扬程可以缩⼩库容、提⾼机组转速、降低⼯程造价。因此，300⽶以上的⾼⽔头蓄能电站发展很快。世界上⽔头最⾼的混流式⽔泵⽔轮机装于南斯拉夫的巴伊纳巴什塔电站，其单机功率为315兆⽡，⽔轮机⽔头为600.3⽶；⽔泵扬程为623.1⽶，转速为428.6转/分，于1977年投⼊运⾏。
20世纪以来，⽔电机组⼀直向⾼参数、⼤容量⽅向发展。随着电⼒系统中⽕电容量的增加和核电的发展，为解决合理调峰问题，世界各国除在主要⽔系⼤⼒开发或扩建⼤型电站外，正在积极兴建抽⽔蓄
能电站，⽔泵⽔轮机因⽽得到迅速发展。
为了充分利⽤各种⽔⼒资源，潮汐、落差很低的平原河流甚⾄波浪等也引起普遍重视，从⽽使贯流式⽔轮机和其他⼩型机组迅速发展。
⽔轮机不论何种类型的⽔轮机均系利⽤⽔流的能量给叶⽚的反⼒推动转轮作功，以达到能量转换的⽬的。
反击式⽔轮机利⽤⽔流的压能（位能）和动能，⽔流经过转轮叶⽚时受叶⽚的作⽤⽽改变压⼒与流速的⼤⼩和⽅向，⽽对转轮叶⽚产⽣反作⽤，形成转轮的旋转⼒矩使⽔轮机⼯作。冲击式⽔轮机利⽤⽔流的动能，通过喷嘴(nozzle)把⾼压⽔流全部转化为动能以⾼速射向转轮叶⽚⽽使转轮旋转。
☆⽔轮机的种类、构造和特点
1、混流式⽔轮机
混流式：⽔流径向流⼊转轮，轴向流出。
适⽤范围：H=30~700 m , 单机容量：⼏万kW~⼏⼗万kW
优点：适⽤范围⼴，结构简单，运⾏稳定，效率⾼，
2、轴流式⽔轮机
轴流式：⽔流沿转轮轴向流⼊，轴向流出，⽔流⽅向始终平⾏于主轴。
(a)、轴流定浆式：叶⽚不能随⼯况的变化⽽转动。改变叶⽚转⾓时需要停机进⾏。结构简单，
效率低。适⽤H、Q变化不⼤的情况（⼯况较稳定）， H：3~50m。
(b)、轴流转浆式：叶⽚能随⼯况的变化⽽转动，进⾏双重调节（导叶开度、叶⽚⾓度）。
适⽤⽔头流量的变化，⾼效率区宽，⼤中型电站多采⽤。适⽤⽔头（Head）：3~80m。
3、贯流式⽔轮机
贯流式：⽔轮机的主轴装置成⽔平或倾斜。不设蜗壳，⽔流直贯转轮。⽔流由管道进⼝到尾⽔管出⼝都是轴向的。H<20m,⼩型河床电站。
全贯流式：发电机转⼦安装在转轮外缘。优点：⽔⼒损失⼩，过流量⼤，结构紧凑。
半贯流式：轴伸式、竖井式、灯炮式。
4、冲击式⽔轮机(Impul turbine)
特征：由喷管和转轮组成。⽔流以⾃由⽔流的形式(P=Pa)冲击转轮，利⽤⽔流动能(V⽅向、⼤⼩改变)产⽣旋转⼒矩使转轮转动。在同⼀时刻内，⽔流只冲击着转轮的⼀部分，⽽不是
全部。
类型：
(1)、⽔⽃式：特点是由喷泉嘴出来的射流沿圆周切线⽅向冲击转轮上的⽔⽃作功。适⽤H：100~2000m；使⽤最⼴泛（⾼⽔头，⼩流量）。
(2)、斜击式：H：25~300m。斜击、双击⽔轮机构造简单，效率低，
(3)、双击式：H：5~80m。多⽤于⼩型电站。
⽔轮机转轮
☆发电机⼯作原理及构造。
1. 概述
电能是现代社会最主要的能源之⼀。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由⽔轮机、汽轮机、柴油机或其他动⼒机械驱动，将⽔流，⽓流，燃料燃烧或原⼦核裂变产⽣的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在⼯农业⽣产，国防，科技及⽇常⽣活中有⼴泛的⽤途。
发电机的形式很多，但其⼯作原理都基于电磁感应定律和电磁⼒定律。因此，其构造的⼀般原则是：⽤适当的导磁和导电材料构成互相进⾏电磁感应的磁路和电路，以产⽣电磁功率，达到能量转换的⽬的。
后桥舞蹈动作发电机的分类可归纳如下：
发电机 : 直流发电机(direct current generator)、交流发电机alternating current (AC) generator, 同步发电机(synchronous generator)、异步发电机(asynchronous generator)(很少采⽤)
交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。⽔轮发电机，除微型⽔轮发电机（100KW以下）为单项220V以外，其他都是三项400V, 6300V, 10600V 等电压等级的发电机。
2. 结构及⼯作原理
发电机通常由定⼦（stator）、转⼦(rotor)、端盖(end closure)及轴承(bearing)等部件构成。
定⼦由定⼦铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。
转⼦由转⼦铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中⼼环、滑环、风扇及转轴等部件组成。
由轴承及端盖将发电机的定⼦，转⼦连接组装起来，使转⼦能在定⼦中旋转，做切割磁⼒线的运动，从⽽产⽣感应电势，通过接线端⼦引出，接在回路中，便产⽣了电流。
⽔轮发电机由⽔轮机驱动的发电机。由于⽔电站⾃然条件的不同，⽔轮发电机组的容量和转速的变化范围很⼤。通常⼩型⽔轮发电机和冲击式⽔轮机驱动的⾼速⽔轮发电机多采⽤卧式(horizontal)结构，⽽⼤、中型⽔轮发电机多采⽤⽴式(vertical)结构(见图)。由于⽔电站多数处在远离城市的地⽅，通常需要经过较长输电线路向负载供电，因此，电⼒系统对⽔轮发电机的运⾏稳定性提出了较⾼的要求：电机参数需要仔细选择；对转⼦的转动惯量要求较⼤。所以，⽔轮发电机的外型与汽轮发电机不同，它的转⼦直径⼤⽽长度短。⽔轮发电机组起动、并⽹所需时间较短，运⾏调度灵活，它除了⼀般发电以
外，特别适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70万千⽡。
发电机已实施出⼝产品质量许可制度，未取得出⼝质量许可证的产品不准出⼝。
在⽔⼒发电站中，主要采⽤的都是三项交流同步发电机。其他种类的发电机⼏乎不采⽤。
☆⽔轮发电机组的附属设备
1、控制及保护系统（contral and protecting system）：⽔轮发电机组的控制和保护系统是⽔
机组的重要组成部分。保护和控制系统由电⼦计算机(PC)，可编程序控制器(PLC)，各种断路器(breaker)、接触器(contactor)、功能模块(module)、各种电⼦元件（electronic component）、仪器（instrument）和指⽰仪表(direction meter)以及⼀套控制软件(control software)组成。
控制和保护系统⼀般是安装在⼀个或者⼏个控制柜(cabinet)（控制屏）内。通过电⼒电缆和控制电缆与⽔轮发电机组相连。是⽔轮发电机组的核⼼。通常由我们公司提供，也有由⽤户⾃⼰配套的。
2、调速系统（governor）
什么是⽔轮机调速器？⽔轮机调速器的作⽤是什么？
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(clod loop control system)。通常把调节控制器和液压随动系统统称为⽔轮机调速器。
⽔轮机调速器作⽤是保证⽔轮发电机的频率稳定、维持电⼒系统负荷平衡，并根据操作控制命令完成各种⾃动化操作，是⽔电站的重要基础控制设备。该系统由我们提供。
3、励磁系统 (excitation system)
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的⼀套系统。励磁系统⼀般由两部分组成：⼀部分⽤于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建⽴直流磁场，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。另⼀部分⽤于在正常运⾏或发⽣故障时调节励磁电流，以满⾜安全运⾏的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。在电⼒系统的运⾏中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作⽤，它不仅控制发电机的端电压，⽽且还控制发电机⽆功功率、功率因数和电流等参数。在电⼒系统正常运⾏的情况下，维持发电机或系统的电压⽔平；合理分
配发电机间的⽆功
