【文章內(nèi)容簡介】 不斷切割磁力線，就在其中感應出電動勢將機械能轉(zhuǎn)變成電能的電機。通常由汽輪機、水輪機或內(nèi)燃機驅(qū)動。 小型發(fā)電機也有用風車或其他機械經(jīng)齒輪或皮帶驅(qū)動的。 發(fā)電機分為直流發(fā)電機和交流發(fā)電機兩大類。后者又可分為同步發(fā)電機和異步發(fā)電機兩種。現(xiàn)代發(fā)電站中最常用的是同步發(fā)電機。這種發(fā)電機的特點是由直流電流勵磁 ,既能提供有功功率，也能提供無功功率 ,可滿足各種負載的需要。異步發(fā)電機由于沒有獨立的勵磁繞組 ，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但是不能向負載提供無功功率，而且還需要從所接電網(wǎng)中汲取滯后的磁化電流。因此異步發(fā)電機運行時必須與其他同步電機并聯(lián)，或者并接相當數(shù)量的電容器。這限制了異步發(fā)電機的應用范圍，只能較多地應用于小型自動化水電站。城市電車、電解、電化學等行業(yè)所用的直流電源，在 20 世 紀 50 年代以前多采用直流發(fā)電機。但是直流發(fā)電機有換向器，結(jié)構(gòu)復雜，制造費時，價格較貴，且易出故障，維護困難，效率也不如交流發(fā)電機。故大功率可控整流器問世以來，有利用交流電源經(jīng)半導體整流獲得直流電以取代直流發(fā)電機的趨勢。 同步發(fā)電機 按所用原動機的不同分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機 3 種。它們結(jié)構(gòu)上的共同點是除了小型電機有用永久磁鐵產(chǎn)生磁場以外，一般的磁場都是由通直流電的勵磁線圈產(chǎn)生，而且勵磁線圈放在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組放在定子上。因為勵磁線圈的電壓較低，功率較小，又只有兩個出線頭，容易通過滑環(huán)引出；而電樞繞組電壓較高 ,功率又大，多用三相繞組 ,有 3 個或4 個引出頭，放在定子上比較方便。發(fā)電機的電樞 (定子 )鐵心用硅鋼片疊成，以減少鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心由于通過的磁通不變，可以用整體的鋼塊制成。在大型蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 8 電機中，由于轉(zhuǎn)子承受著強大的離心力，制造轉(zhuǎn)子的 材料必須選用優(yōu)質(zhì)鋼材。 電能是現(xiàn)代社會最主要的能源之一。發(fā)電機是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機械設備，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅(qū)動，將水流，氣流，燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機械能傳給發(fā)電機，再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，國防，科技及日常生活中有廣泛的用途。 發(fā)電機的形式很多，但其工作原理都基于電磁感應定律和電磁力定律。因此，其構(gòu)造的一般原則是：用適當?shù)膶Т藕蛯щ姴牧蠘?gòu)成互相進行電磁感應的磁路和電路，以產(chǎn)生電磁功率，達到能量轉(zhuǎn)換的目的。 由水輪機驅(qū)動的發(fā)電機。由于 水電站自然條件的不同，水輪發(fā)電機組的容量和轉(zhuǎn)速的變化范圍很大。通常小型水輪發(fā)電機和沖擊式水輪機驅(qū)動的高速水輪發(fā)電機多采用臥式結(jié)構(gòu)，而大、中型代速發(fā)電機多采用立式結(jié)構(gòu)。由于水電站多數(shù)處在遠離城市的地方，通常需要經(jīng)過較長輸電線路向負載供電，因此，電力系統(tǒng)對水輪發(fā)電機的運行穩(wěn)定性提出了較高的要求：電機參數(shù)需要仔細選擇；對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量要求較大。所以，水輪發(fā)電機的外型與汽輪發(fā)電機不同，它的轉(zhuǎn)子直徑大而長度短。水輪發(fā)電機組起動、并網(wǎng)所需時間較短 ,運行調(diào)度靈活 ,它除了一般發(fā)電以外，特別適宜于作為調(diào)峰機組和事故備用機組。 水輪發(fā)電機組的最大容量已達 70 萬千瓦。 水輪機的分類 水輪機按能量轉(zhuǎn)換特征分為兩類，即反擊式和沖擊式。而每一類水輪機又根據(jù)轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流的特征和轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特征又分為多種形式。 一 .根據(jù)水流能量轉(zhuǎn)換特征：有反擊式與沖擊式。 水輪機利用的能量為水流勢能和水流動能的總和： Ep＋ Ec=1 若 Ep=0， Ec=1， 這種利用水流動能的水輪機稱為沖擊式水輪機。 若 0Ep1， Ep＋ Ev=1，這種同時利用水流動能和勢能的水輪機稱為反擊式水輪機。 二 .根據(jù)水流進出轉(zhuǎn)輪的方 向和轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特征分： 水輪機按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類。沖擊式水蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 9 輪機的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。 沖擊式水輪機 沖擊式水輪機按水流的流向可分為切擊式 (又稱水斗式 )和斜擊式兩類。斜擊式水 輪機的結(jié)構(gòu)與水斗式水輪機基本相同，只是射流方向有一個傾角，只用于小型機組。 理論分析證明，當水斗節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的一半時，效率最高。 這種水輪機在負荷發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)輪的進水速度方向不變，加之這類水輪機都用于高水頭電站，水頭變化相對較小，速度變化不大，因而效率受負荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩，最高效率超過 91%。 反擊式水輪機 反擊式水輪機可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機中，水流徑向進入導水機構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪；在軸流式水輪機中，水流徑向進入導葉，軸向進入和流出轉(zhuǎn)輪；在斜流式水輪機中，水流徑向進入導葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進轉(zhuǎn)輪，或以傾斜于主軸的方向流進導葉和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進導葉和轉(zhuǎn)輪 。 軸流式、貫流式和斜流理圖式水輪機按其結(jié)構(gòu)還可分為定槳式和轉(zhuǎn)槳式。定槳式的轉(zhuǎn)輪葉片是固定的；轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動，以適應水頭和負荷的變化。 各種類型的反擊式水輪機都設有進水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機的進水裝置一般由蝸殼、固定導葉和活動導葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉(zhuǎn)輪周圍。當水頭在 40 米以下時，水輪機的蝸殼常用鋼筋混凝土在現(xiàn)場澆注而成；水頭高于 40 米時，則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。 在反擊式水輪機中，水流充滿整個轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時受到水流的作用，所以在同樣的水頭 下，轉(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機。它們的最高效率也高蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 10 于沖擊式水輪機，但當負荷變化時，水輪機的效率受到不同程度的影響。 反擊式水輪機都設有尾水管，其作用是：回收轉(zhuǎn)輪出口處水流的動能；把水流排向下游；當轉(zhuǎn)輪的安裝位置高于下游水位時，將此位能轉(zhuǎn)化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機，轉(zhuǎn)輪的出口動能相對較大，尾水管的回收性能對水輪機的效率有顯著影響。 軸流式水輪機 適用于較低水頭的電站。在相同水頭下，其比轉(zhuǎn)數(shù)較混流式水輪機為高。 軸流定槳式水輪機的葉片固定在轉(zhuǎn)輪體上。一般安裝高度在 350m。 ，葉片安放角不 能在運行中改變，結(jié)構(gòu)簡單，效率較低，適用于負荷變化小或可以用調(diào)整機組運行臺數(shù)來適應負荷變化的電站。 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機是奧地利工程師卡普蘭 在 1920 年發(fā)明的，故又稱卡普蘭水輪機。一般安裝高度在 380m。 其轉(zhuǎn)輪葉片一般由裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作，可按水頭和負荷變化作相應轉(zhuǎn)動，以保持活動導葉轉(zhuǎn)角和葉片轉(zhuǎn)角間的最優(yōu)配合，從而提高平均效率，這類水輪機的最高效率有的已超過 94%。典型例子就是葛洲壩。 貫流式水輪機 貫流式水輪機的導葉和轉(zhuǎn)輪間的水流基本上無變向流動，加上采用直錐形尾水管，排流不必在尾水管中轉(zhuǎn)彎， 所以效率高，過流能力大，比轉(zhuǎn)數(shù)高，特別適用于水頭為 3～ 20 米的低水頭小型河床電站。 這種水輪機裝在潮汐電站內(nèi)還可以實現(xiàn)雙向發(fā)電。這種水輪機有多種結(jié)構(gòu)，使用最多的是燈泡式水輪機。 燈泡式機組的發(fā)電機裝在水密的燈泡體內(nèi)。其轉(zhuǎn)輪既可以設計成定槳式，也可以設計成轉(zhuǎn)槳式。其中又可以細分為貫流式和半貫流式。世界上最大的燈泡式水輪機 (轉(zhuǎn)槳式半貫流 )裝在美國的羅克島第二電站，水頭 米，轉(zhuǎn)速為 轉(zhuǎn) /分，轉(zhuǎn)輪直徑為 米，單機功率為 54兆瓦，于 1978 年投入運行。 混流式水輪機 混流式的轉(zhuǎn)輪一般用低碳鋼或低 合金鋼鑄件，或者采用鑄焊結(jié)構(gòu)。為提高蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 11 抗汽蝕和抗泥沙磨損性能，可在易氣蝕部位堆焊不銹鋼，或采用不銹鋼葉片，有時也可整個轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼。采用鑄焊結(jié)構(gòu)能降低成本，并使流道尺寸更精確，流道表面更光滑，有利于提高水輪機的效率，還可以分別用不同材料制造葉片、上冠和下環(huán)。典型例子是我國的劉家峽。 斜流式水輪機 斜流式水輪機上，隨著水頭和負荷的變化，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應轉(zhuǎn)動。它的最高效率稍低于混流式水輪機，但平均效率大大高于混流式水輪機；與軸流轉(zhuǎn)槳水輪機相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉(zhuǎn)速較低，適用于 40～ 120 米水頭。 由于斜流式水輪機結(jié)構(gòu)復雜、造價高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機，或不夠理想時才采用。這種水輪機還可用作可逆式水泵水輪機。當它在水泵工況啟動時，轉(zhuǎn)輪葉片可關(guān)閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動機的啟動負荷。 水輪機的主 數(shù) 要參 H（米） 連續(xù)水流兩斷面間單位能量的差值稱為水頭。水頭是水輪機的一個重要參數(shù)，它的大小直接影響著水輪機出力的大小和水輪機型式的選擇。 單位時間內(nèi)流經(jīng)水輪機的水量（體積）稱為水輪機的流量，用 Q 表示。通常用 立方米 /秒為單位。 單位 時間內(nèi)流經(jīng)水輪機的水流所具有的能量，稱為通過水輪機的“水流的出力”，用 Np 表示。 Np=（千瓦）。 水輪機的出力 N 通過水輪機水流的出力 Np之比，稱為水輪機的效率，用η表示。顯然效率是表面水輪機對水流能量的有效利用程度，是一個無量綱的物理量，用百分數(shù) （ %）表示。 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 12 水輪機主軸在單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，稱為水輪機的轉(zhuǎn)速，用 n 表示，通常采用“轉(zhuǎn) /分”作單位。 水輪機按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類。沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪 。 受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變 ，主要是動能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。 2 水輪機導水機構(gòu)方案設計及校核 水輪機導水控制部分的基本參數(shù) 表 21 水輪機設備配套一覽表 序號 名 稱 數(shù) 據(jù) 1 額定水頭 Hr(m) 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 13 2 最大水頭 Hmax（ m） 3 最小水頭 Hmin（ m） 4 加權(quán)平均水頭 Ha（ m） 5 額定流量 Qr（ m3/s） 6 額定轉(zhuǎn)速 n（ r/min） 300 7 最大飛逸轉(zhuǎn)速 nR(r/min) 8 水輪機額定出力 Nr(Kw) 6000 9 水輪機允許吸出高度 Hs（ m） 10 水輪機軸向推力 P（ t） 11 水輪機總重量（ t） 12 水輪機型號 JP502LJ202 13 調(diào)速器型號 YWT5000 14 蝶閥型號 2250KD741X6vs 15 機組臺數(shù) 3 速機構(gòu)中主要零件強度、剛度計算 2. 2. 1 操作力及力矩 調(diào)速器接力器產(chǎn)生的作用力 Hmc PddP 4 )(22 ?? ? （ 21） k gfPcmk gfPPcmddHHmm19 31 17 . 08252???????接力器額定工作油壓器推拉桿直徑）套筒直徑（小型為接力 1kM PR? （ 22） P――接力器產(chǎn)生的軸向作用力 P＝ 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 14 1R —— 調(diào)速器的拐臂作用半徑 1R = kM = = (忽略摩擦影響 ) (1)作用于兩個推拉桿上總力 2RMp Kc ? kM —— 作用于調(diào)速軸的力矩 kM = R2—— 搖臂作用半徑 (水機 ) R2= kgfPC ? (2)作用于一個推拉桿上的力 kgfPC 1 5 25 5 .521 ? 調(diào)速軸強度與剛度計算 1. 中空軸管強度與剛度計算 （ 1） 強度計算 扭轉(zhuǎn)應力 : PWMk??， pW = 2pID??????= (1 )D ?? = 2/kgf cm （ 23） kM —— 作用于調(diào)速軸上的力矩 kM = pW — — 軸身抗扭斷面模數(shù) D—— 軸的外徑 D=25cm d— — 空內(nèi)軸的內(nèi)徑 d=22cm 許 用應力 : Q235［ τ］ =700 2/kgf cm 45 鋼［τ］ =1000 2/kgf cm τ＜［ τ］ ,強度滿足 （ 2）剛度計算 180kpMGJ? ? ??????? （ 24） 蘭州工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 15 G—— 彈性剪 切模數(shù) 對 鋼 G= 105 2/kgf cm pJ — — 極慣性矩 ? —— 單位長度扭轉(zhuǎn)角 對空心軸： ? ?4432 1pDJ ? ?? ? = 254 （ ） =15625 4410m?? （ 25） 代入 24 式，得：