水轮发电机组（将水体机械能转为电能的设备）

介绍

由水轮机和发电机组合而成的发电动力装置。设置在水电站中，执行把水能转换成电能的功能。机组中水轮机作为原动机，它利用水的能量运转，驱动发电机发电。常用的水轮机有冲击式、反击式、贯流式和可逆式。发电机则均采用同步发电机。

由于水电站的自然条件和工况各异，水轮发电机组的容量和转速变化范围很大。可按其尺寸大小和结构特征划分其容量和转速（见表）。

水轮发电机组

基本数据 　水轮发电机组的基本数据包括额定容量、额定电压、额定功率因数、电抗与短路比、飞逸速度、飞轮力矩等。

额定容量

额定电压

额定功率因数

电抗

飞轮力矩

辅助设备 　水轮发电机组的辅助设备主要包括冷却装置、制动装置、调速装置等。

冷却装置

制动装置

调速装置

调速器分机械液压调速器和电液压调速器两种。前者的主要部件为机械液压元件。后者包括测速环节、小功率信号的综合、变换和放大及反馈环节，其信号电源为永磁发电机。当发电机组负荷改变时，调速器迅速调节水轮机导水机构，使水轮机的流量和流速发生变化，以使机组转速符合电能质量要求。

机型选择 　不同型的水轮机适用于不同的水头，因而对不同的电站，需选用恰当的水轮机与发电机组合。

冲击式水轮机　它依水流冲击转轮的方向和部位可分为切击式、斜击式和双击式。前者是唯一用于大型机组的冲击式水轮机，水头超过300米时，应选用切击式水轮机。到80年代，最高水头的切击式机组的水头达1763.5米，转速为750转／分，单机功率为22.8兆瓦，安装于奥地利赖瑟克山水电站。后两者只适用小型机组，斜击式的适用水头为30～350米，功率为10～500千瓦，比转速为18～45。双击式的适用水头在60米以下，功率出力小于150千瓦，比转速为25～70。这两种机组适用于农村小水电。

反击式水轮机　依加速方式可分为混流式、轴流式和斜流式三种。混流式是应用最广泛的一种型式，它结构简单，尺寸小，造价低，满负荷时效率高，比转速为50～300，使用水头为30～700米。到80年代，单机容量最大的混流式机组为700兆瓦，转轮直径9.23米，水头变化范围为67～108米，装于美国大古力水电站。轴流式又可分为转桨式、定桨式。转桨式水轮机的平均效率较混流式高，它的比转速高达200～850、机组尺寸小、重量轻，适用于低水头(3～80米)和负荷变化大的水电站。但在使用水头提高时，其过流能力易受到限制，且汽蚀系数大。到80年代；世界上尺寸最大的轴流式转桨水轮机的直径达11.3米，设计水头18.6米，功率为170兆瓦。定桨式过流能力比转桨式高，汽蚀性能也有所改善，但不能适应水头和负荷变化大的电站。它的比转速范围为250～700，使用水头为3～50米。世界上较大的机组为美国罗基里水电站机组，容量125兆瓦。设计水头为26.3米，转轮直径7.2米。斜流式水轮机的汽蚀系数小，效率高，叶片形状简单。其使用水头一般为40～200米，常做为可逆式水力机械。世界上最大的斜流式机组在苏联杰维水电站，单机容量215兆瓦，设计水头78.5米，转轮直径6米。

贯流式水轮机　可分为全贯流式和半贯流式。前者水力损失小，过流能力大，效率高，结构紧凑。但转轮的外线速度大，叶片强度要求高，密封也复杂，比转速高（为600～1000）,使用水头一般小于20米，可应用于大型潮汐电站。后者又分为灯泡式和竖井式。灯泡式水轮机可与发电机直接连接，装设在同一个灯泡形壳体内，故名。灯泡式又分为直连式和行星齿轮式。直连式的使用水头范围6～15米，容量范围5000千瓦；行星齿轮式使用水头范围在6米以下，容量范围2500千瓦。直连式在水头较低时转速很低，发电机效率会降低。行星齿轮式可使转速增加3～10倍，齿轮传动效率可达0.98～0.99。这种水轮发电机组尺寸小、重量轻，可大大提高发电机转速。80年代世界最大灯泡式水轮发电机容量为65.8兆瓦。竖井式也有直连式和行星齿轮式，它们的使用水头较灯泡式稍高，容量范围相同。它们的水力损失大，但密封、防潮性能好、安装、检修比灯泡式容易。

可逆式水轮机　又称水泵水轮机、发电电动机。它既可作水轮机运行，又可作水泵运行，主要用于抽水蓄能电站。可逆式水轮机也分为混流式、斜流式和轴流式3种。其中以混流式应用最广，因为它的应用水头范围广（30～600米）。世界上最高水头的混流式可逆水轮机装于南斯拉夫巴伊纳巴什塔电站，水头为600.3米，水泵扬程为623.1米，单机功率为315兆瓦。

特殊运行：由于水轮发电机运行调度较灵活，在电力系统中可用作调相运行和进相运行。

调相运行

进相运行

简述

水轮机是将水流能量转换为旋转机械能量的动力设备，它带动发电机旋转产生电能。水轮机和发电机连在一起称为水轮发电机组。

水轮发电机组是水电站的核心设备。为监测、控制和保证水轮发电机组正常运行，做到安全可靠、经济高效，在水电站安装了一整套附属设备系统，如快速闸门、透平油系统、压缩空气系统、供排水系统和自动化设备（自动励磁装置、调速器、水轮机自动控制系统和自动化元件等）。随着现代化计算机技术的不断发展和广泛应用，水电站综合自动化水平也不断提高，许多大中型水电站已经采用计算机监控，实现无人值班（少人值守），水电站的机电、控制设备很多，限于篇幅。

类型

按照水轮发电机组的布置方式不同，有立式、卧式和斜式三种。卧式（即横轴）装置的水轮发电机组，大多数适用于小型机组以及部分中型水斗式机组；斜式装置的水轮发电机组，主要适用于明槽贯流式、虹吸贯流式机组以及低水头的其他型式的小型水轮发电机组；而中速和低速大、中型水轮发电机组绝大多数采用立式（竖轴）装置方式。农村小型水电站的水轮发电机组经常通过齿轮、摩擦轮和皮带传动实现水轮机主轴和发电机主轴之间的连接，而大多数水轮发电机组采用水轮机主轴和发电机主轴直接连接的装置形式。

水轮发电机的型号，是水轮发电机的类型和特点的简明标志。我国采用汉语拼音标注法。例如SF225-48/12640，“SF”表示立式空冷水轮发电机；“225”表示水轮发电机的额定有功功率为225MW；“48”表示水轮发电机的磁极个数；“12640”表示发电机定子铁芯外径为12640mm。此外，“SFW”表示卧式空冷水轮发电机，“SFG”表示贯流空冷水轮发电机，“SFD”表示立式空冷水轮发电-电动机。

组成

水轮机是水轮发电机组的动力设备。水库的水经压力引水钢管至主阀进入水轮机，经转轮能量转换后的尾水通过尾水管或尾水槽排泄至下游。

水轮发电机是水轮发电机组的发电设备。发电机由转子和定子组成，定子支架上有主引出电缆，发出的电流经过电缆进入母线。为了防止发电运行时水轮发电机的温度过高，发电机设有通风冷却措施。

为了建立发电过程中的旋转磁场，机组配置永磁机提供磁源，由励磁系统向发电机提供励磁电流。水轮机主轴和发电机主轴之间的扭矩传递，不同的机组有不同的连接方式。小型机组中的容量较大者采用直接连接，即通过主轴法兰用螺栓连接；单机容量低于400kw以下的机组则采用间接连接，如齿轮、摩擦轮和皮带传动等。

为了维持机组的正常运转，需在基础与主轴之间设置支承即导轴承，用来承受主轴的径向力和轴向力，并采用润滑措施减少主轴与轴承之间的摩擦，降低磨损，提高能量利用。水轮发电机组的轴承系统布置各不相同，承受轴向力的径向推力轴承位置决定了机组结构布置型式。

水轮发电机组的支承系统，均设置相应的润滑冷却系统，严格控制轴瓦的温度，保证机组正常运行。

为了防止在机组停机时低速运转会烧坏轴瓦，需设置制动装置通入压缩空气进行刹车制动。

调速器是水轮发电机组的控制设备。当用户负荷发生变化时，给调速器输入转速或频率变化信号，通过调速器操作带动接力器改变导叶开度，实现进入水轮机流量和机组出力的改变，达到与用户负荷新的平衡。调速器的工作方式有自动和手动两种，小型水电站大多数采用手动运行方式。

安装

水轮发电机组是由水轮机及受其驱动的发电机组成，用来将水体机械能转换为电能的一套机器。水电站水轮发电机组的安装是机组投产的一项关键工作，安装质量的好坏，直接关系到将来电站的安全经济运行。

(一)安装常用的起重机具

水轮发电机安装的起重机具，包括桥式起重机和吊索、吊具，还包括临时使用的葫芦、千斤顶。

水电站中桥式起重机按结构、动力不同又可分为：电动桥式起重机、电动双梁或电动单梁起重机，以及手动双梁或手动单梁起重机。

(二)水轮发电机组安装

水轮发电机的布置形式随水轮机而定，通常中小型冲击式水轮机和贯流式水轮机配卧式发电机；大中型混流式水轮机和轴流式水轮机配立式发电机。立式水轮发电机又分为悬式水轮发电机和伞式水轮发电机。另外，还有抽水蓄能的可逆双速发电一电动机。

1．悬式水轮发电机安装

(1)在基坑一期混凝土中预埋下部风洞盖板、下机架及定子的基础件。

(2)在定子基坑内组装定子和下线圈(或在安装间组装定子，整体吊入基坑就位)。

(3)待水轮机大件全部吊入机坑后，吊装下部风洞盖板。

(4)把已组装成整体的下部机架吊入基础找正，浇筑二期混凝土。

(5)在安装间专设的装配台上进行转子装配，然后整体吊入机坑，按水轮机主轴中心、高程、水平进行调整定位。

(6)测量转子与定子问的空气间隙，以转子为基准校正定子中心．使四周空气间隙均匀，并浇筑定子基础二期混凝土。

(7)将装配成整体的上机架吊放于定子机座上，按转子主轴调整中心和水平后，拧紧机座组合螺栓，钻配剪切定位销钉。

(8)装配推力油槽和推力轴承，将转子落到已研刮好的推力轴瓦上，进行发电机主轴单独盘车，测量和调整主轴摆度。

(9)连接发电机和水轮机主轴，进行机组总轴线摆度的测量和调整。

(10)调整推力瓦受力，并按水轮机止漏环间隙，调整机组轴线的中心和垂直度。根据主轴位置和轴颈摆度方向及大小，安装各部已刮好的导轴瓦，装配机组空气冷却器，油、气、水管路及其他附件。

2．双斗轮大型卧式水轮发电机安装

(1)基础件埋设。

(2)轴瓦研刮后将轴承座吊放到基础件上。

(3)在安置问进行分瓣定子的下线，并把下半块定子吊放于基础板上。

(4)测量并调整轴承座和定子的同心度。

(5)在安装间组装转子，将其整体吊放于轴承座上。

(6)以水轮机主轴法兰为基准，进一步校正轴承位置，使发电机主轴法兰与水轮机主轴法兰同心和平行，并盘车检查，精刮轴瓦后装配轴承及油管。

(7)将上半块定子吊入与下半块定子组合，进行定子线圈的联结和绝缘包装。

(8)盘车测量并调整机组轴线，进行主轴的联结。

(9)测量转子与定子间的空气间隙，校核定子中心位置，固定基础螺栓。

(10)安装定子端盖及其他附件。小型卧式水轮发电机定子及转子均为整体运到现场，安装时采用定子套转子或转子套定子的方法进行大件安装，其他安装工艺方法与上述卧式发电机相似。

检修内容

不同的水力机组采用的设备型号不同，因此机组运行中的监视与检查项目也各有不同，下面仅列出共性的检查项目。

水轮机遇下列情况应加强机动性检查：水轮机检修后第一次投入运行和新设备投入运行；水轮机遇事故处理后投入运行；水轮机有比较严重的设备缺陷尚未消除：水轮机超有功功率和无功功率运行；顶盖漏水量较大或顶盖排水不畅通；洪水期或下游水位较高；在振动区运行或做振动试验；试验工作结束后。为了保证设备正常运行的安全可靠性，主、辅机设备应按规定进行定期试验、切换维护工作，发现问题及时通知检修人员处理。机组在正常情况下要定期做如下工作：

(1)切换油压装置的油泵。

(2)切换进水口工作闸门的工作油泵。

(3)调速器各连杆关节注油。

(4)调速器过滤器切换。

(5)测量发电机、水轮机主轴的摆度。

(6)应根据备用机组推力瓦油膜要求定期顶转子或手动开机空转一次。

(7)根据水位、水质情况，及时选用取水口，以保证水质要求。

(8)机组冷却系统过滤器定期清扫排污。

(9)各气水分离器定期放水、排污。

(10)机组技术供水总管定期冲淤。

(11)机组冷却系统定期正、反向运行，空气冷却器冲淤。

水轮机开机后的监视项目有：监视水轮机振动情况是否正常；监视机组制动装置是否处于正常工作状态，是否可以随时启动；监视机旁各指示仪表指示是否正常；监视机组各部水压是否正常；监视机组摆度、水导轴承运行情况是否正常；监视水轮机主轴密封和顶盖排水情况是否正常；监视调速器机械液压机构各连接部分是否良好，电气控制回路是否正常，有功调节动作是否正常；监视机组信号和操作电源是否正常；监视机械系统和电气系统有关设备操作项目是否完成。

水轮机停机后的监视项目有：调速器各部件连接是否异常；油压装置和油系统是否异常；机组轴承油面是否正常；机组转动部分是否异常；制动系统是否复位状态；与机组停机相关的技术供水系统是否正常；水轮机顶盖漏水量是否大；导叶是否全关，剪断销是否剪断；机旁控制盘各指示仪表指示是否正常。

油压装置的检查和维护项目有：压力罐压力是否正常，油位是否正常，是否有漏油和漏气现象；压力测量及控制装置工作是否正常；集油箱油位、油质是否合格，有无油位异常信号；各阀门位置是否正确，安全阀工作是否正常；电动机引线和接地是否完好，电压指示是否正常，压油泵工作是否正常。

调速器系统的检查和维护项目有：调速器运行稳定，无异常抽动、跳动和摆动现象；正常运行时转速指示在100%，平衡表指示在平衡位置，电调盘面各指示灯正常；开度限制、手自动切换阀、事故电磁阀在相应位置；发现调速器油压与压力罐油压相差较大时，应切换过滤器并进行清洗；电液转换器动作正常；各连接部件和管路连接良好，无松动、脱落和渗漏油现象；手动状态下运行时开度指示与实际开度相符合；电气柜各电源开关、熔断器均在投入状态，电源指示灯指示正常，风机运转正常；控制装置板面指示灯指示正常，选择开关位置正确；各电气元件无过热、脱落断线等异常情况；当机组处于稳定运行时，微机调速器面板上平衡表应无输出，双微机均在运行；引导阀、主配压阀工作正常，事故配压阀在相应位置；主接力器反馈机构钢丝绳无松动、无断股、无异常现象；各端子引线良好，无脱落、断线破损现象。