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1、 绪论1.水力发电的基本原理是什么？利用天然水资源中的水能进行发电的方式称为水力发电，是现代电力生产的重要方式之一，也是开发利用天然水资源的重要方式。水电站生产电能的过程是有压水流通过水轮机，将水能转变为旋转的机械能，水轮机带动水轮发电机转动，再将旋转机械能转变为电能。2.水能资源开发方式有哪些？1.坝式2.引水式3.混合式4.潮汐能5.抽水蓄能 第一章第一章1、水轮机有那些类型？划分类型的依据是什么？按其对水流能量的转换特征的不同分为反击式和冲击式 每一大类根据其转轮区内水流的流动特征和转轮的结构特征的不同又分为。类 型型 式 适应水头范围（m）反击 式混流式混 流 式20700混流可逆式8
2、0600轴流式轴流转桨式380轴流定桨式350斜流式斜 流 式40200斜流可逆式40120贯流式贯流转桨式125贯流定桨式 冲击式 水斗式401700斜击式20300双击式5100水水轮轮机型式机型式型式型式符号符号混流式混流式轴轴流定流定桨桨式式轴轴流流转桨转桨式式斜流式斜流式贯贯流定流定桨桨式式贯贯流流转桨转桨式式HLZDZZXLGDGZ水斗式水斗式斜斜击击式式双双击击式式CJXJSJ水水轮轮机型式机型式型式型式符号符号金属金属窝窝壳壳混泥土混泥土蜗蜗壳壳灯泡式灯泡式竖竖井式井式轴轴伸式伸式罐式罐式虹吸式虹吸式明槽式明槽式JHPSZGXM主主轴轴布置型式布置型式型式型式符号符号立立轴轴卧
3、卧轴轴LW转轮代号转轮代号水轮机型式代号水轮机型式代号第一部分第一部分转转轮轮型型号号用用比比转转速速表表示示转转轮轮标标称称直直径径m第三部分第三部分第二部分第二部分2、水轮机型号由哪几部分代号组成？各代号的含义是什么？试举两个实例加以说明水轮机型号示例：水轮机型号示例：（1）HL220一LJ一550，表示转轮型号为220的混流式水轮机，立轴，金属蜗壳，转轮直径为550cm。（丹江口）（2）ZZ560LH 1130，表示转轮型号为560的轴流转桨式水轮机，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径为1130cm。（葛洲坝二江）（3）GD600WP 300，表示转轮型号为600的贯流定桨式水轮机，卧轴，灯泡式
4、引水，转轮直径为300cm。（4）2CJ20W 120210，表示转轮型号为20的水斗式水轮机，一根轴上装有2个转轮，卧轴，转轮直径为120cm，每个转轮具有2个喷嘴，设计射流直径为10cm。（5）HL261一LJ一1040，表示转轮型号为261的混流式水轮机，立轴，金属蜗壳，转轮直径为1040cm。（三峡）3.反击式水轮机的损失有哪些内容？1.水力损失 水流经过水轮机的蜗壳、座环、导水机构、转轮及尾水管等过流部件时，由于摩擦、撞击、涡流、脱流等所产生的能量损失统称为水力损失。水力损失是水轮机能量损失中的主要部分。2.容积损失 进入水轮机的流量Q不可能全部进入转轮做功：其中有一小部分流量q会从
5、水轮机的旋转部分与固定部分之间的缝隙(如混流式水轮机的上、下止漏环间隙、轴流式水轮机的桨叶与转轮室之间的间隙)中漏损。这一小部分流量对转轮不做功，所以称之为容积损失。3.机械损失 水流作用于转轮的有效功率Ne不可能全部转换成转轮的出力N，其中有一小部分功率Nm消耗在各种机械损失上，如轴承及轴封处的摩擦损失，转轮外表面与周围水体之间的摩擦损失等。4、试阐述尾水管的作用及其动能回收系数尾水管的作用可归纳为：(1)汇集并引导转轮出口水流排往下游；(2)当H20时，利用这一高度水流所具有的位能；(3)回收转轮出口水流的部分动能。动能回收系数？5、水轮机最优工况的含义，如何提高反击式水轮机的水力效率 水
6、轮机的最优工况即效率为最高的工况。对效率大小起决定作用的是水力损失，而水力损失的大小主要取决于转轮进口水流的撞击损失和转轮出口尾水管内的涡流损失。当水轮机在 的工况下工作时，则水流在转轮进口无撞击损失，出口无涡流损失，此时水轮机的效率最高，称为水轮机的最优工况。第二章1、尾水管有哪些型式？主要有直锥形、弯锥形和弯肘形三种型式直锥形用于小型水轮机（D1 2L/c，则开度变化结束之前水库反射波已经回到阀门处，阀门处的水锤压力由向上游传播的F波和向下游传播的f波相叠加而成称为间接水锤。间接水锤的两种类型间接水锤的两种类型第一类：当第一类：当 1 1时，最大水锤压力出现在第一相末，时，最大水锤压力出现
7、在第一相末，称为第一相水锤。称为第一相水锤。第二类：当第二类：当 1 1时，最大水锤压力出现在第一相以后时，最大水锤压力出现在第一相以后的某一相，其特点是最大水锤压力接近极限值的某一相，其特点是最大水锤压力接近极限值 ，即，即 ，称为极限水锤。，称为极限水锤。5.5.采取哪些措施可减小水击压强？其原理是什么采取哪些措施可减小水击压强？其原理是什么？(一)缩短压力管道的长度 缩短压力管道长度，使从进水口反射回来的水锤波能够较早地回到压力管道末端，从而减小水锤值。从管道特性系数L LV Vmaxmax/g/gH H0 0T Ts s中可看出，减小L可以减小 ，在较长的引水系统中，设置调压室，是缩短
8、压力管道的常用措施。(二)减小压力管道中的流速 减小流速可减小压力管道中单位水体的动量，从而减小水击压力。但是水电站在运行中要求流量是一定的，要减低流速势必要加大管径，增加管道造价。因此用加大管径办法降低水击压强，往往是不经济的，但在一定条件下，如果适当加大管径后便可不设调压室，还是比较合理的。(三)延长有效的关闭时间 延长有效的关闭时间Ts，可降低水锤压力，但使机组转速变化率值增加，甚至超过允许值，要解决这个矛盾，可采取以下措施：1反击式水轮机设置减压阀(空放阀)：在蜗壳的进口附近装设减压阀。注：减压阀在机组增加负荷时不起作用 第十章1 1、调压室的设置条件、调压室的设置条件1）上游调压室的
9、设置条件上游调压室的设置条件(初步判定初步判定)用水流加速时间用水流加速时间(也称为压力引水道的惯性时间常数也称为压力引水道的惯性时间常数)T Tw w来来判断是否设置调压室判断是否设置调压室Tw w24s时，可不设调压室。L压力管道的长度，包括机组的蜗壳、尾水管，m；V压力管道中水流的平均流速，m/s；g重力加速度；H电站设计水头，m。当水电站单独运行时，或机组在电力系统中所占的比例超过50%时，取小值(2s)；当比重小于10%20%时，可取大值。2）下游调压室的设置条件以尾水管内不产生液柱分离为前提，条件为：Lw w压力尾水道长度，m；实际长度大于Lw时设。Ts水轮机导叶关闭时间，s；Vw
10、0w0稳定运行时尾水管平均流速，m/s；Vwjwj尾水管入口处流速，m/s ；安装高程，m；Hs s吸出高度，m。最终通过调节保证计算，当机组丢弃全部负荷时，尾水管内的最大真空度不宜大于8m水柱。但在高海拔地区应作高程修正(见规范)。2 2、调压室的功用、调压室的功用调压室的功用可归纳为：反射水锤波。基本上避免了(或减小)压力管道传来的水锤波进入压力引水道。减小了水锤压力(压力管道及厂房过水部分)。缩短了压力管道的长度改善机组在负荷变化时的运行条件。3 3、影响调压室水位波动稳定的因素有哪些？如何影响？1.1.水电站水头的影响水电站水头的影响水电站水头越小，要求的稳定断面越大。水电站水头越小，
11、要求的稳定断面越大。中低水头的水电站多采用简单式、差动式或阻抗式调压中低水头的水电站多采用简单式、差动式或阻抗式调压室；高水头水电站中，主要受振幅控制，多采用双室式室；高水头水电站中，主要受振幅控制，多采用双室式调压室。调压室。调压室的稳定断面采用水电站正常运行时可能出现的最调压室的稳定断面采用水电站正常运行时可能出现的最低水头进行计算。低水头进行计算。2.2.引水系统糙率的影响引水系统糙率的影响引水系统糙率愈大，水头损失系数引水系统糙率愈大，水头损失系数 愈大，虽然愈大，虽然HH1 1=HH0 0-h hw0w03 3h hwm0wm0随糙率的增大而减小，但其影响远比随糙率的增大而减小，但其
12、影响远比 小。小。因此，为了安全，计算因此，为了安全，计算F Fk k时应采用可能的最小糙率。时应采用可能的最小糙率。3.3.调压室位置的影响调压室位置的影响由由HH1 1=HH0 0h hw0w03 3h hwm0wm0可知，在引水线路不变的情况下，调压室愈靠近厂房，可知，在引水线路不变的情况下，调压室愈靠近厂房，H H1 1愈大，有利于水位波动的衰减。愈大，有利于水位波动的衰减。因此，调压室应尽量靠近厂房。因此，调压室应尽量靠近厂房。4 4、调压室底部流速水头的影响、调压室底部流速水头的影响对引水道而言，流速水头的作用与水头损失相似，相当于对引水道而言，流速水头的作用与水头损失相似，相当于
13、加大了摩阻损失。加大了摩阻损失。引水道直径越大，长度越短，流速水头影响越显著。引水道直径越大，长度越短，流速水头影响越显著。调压室底部的流速水头将对波动稳定是有利的。但由于调调压室底部的流速水头将对波动稳定是有利的。但由于调压室底部水流状态紊乱，故不能考虑全部流速水头的作用。压室底部水流状态紊乱，故不能考虑全部流速水头的作用。在设计时，不考虑调压室底部流速水头的影响，计算出的在设计时，不考虑调压室底部流速水头的影响，计算出的FkFk值偏大，偏于安全。值偏大，偏于安全。5.5.水轮机效率的影响水轮机效率的影响前面假定水轮机的效率为常数，实际上水轮机的效率随着前面假定水轮机的效率为常数，实际上水轮
14、机的效率随着电站水头和流量的变化而变化，其关系为：电站水头和流量的变化而变化，其关系为：考虑效率的变化，临界断面的计算公式为：考虑效率的变化，临界断面的计算公式为：式中，式中，H H恒定流情况下水轮机的净水头；恒定流情况下水轮机的净水头；水轮机效率变化的无因次系数，水轮机效率变化的无因次系数，分别为表示水轮机效率随水头变化和随流量变化的情分别为表示水轮机效率随水头变化和随流量变化的情况，可根据水轮机特性曲线求得，它相当于效率曲线在稳况，可根据水轮机特性曲线求得，它相当于效率曲线在稳定工况点的斜率。斜率变化对稳定产生的最不利的影响是定工况点的斜率。斜率变化对稳定产生的最不利的影响是发生在发生在随
15、的增加而增加，随的增加而减小的情况，随的增加而增加，随的增加而减小的情况，在这两种情况下，在这两种情况下，增大，使得所需要的增大，使得所需要的FkFk增大。增大。水轮机效率、调速器和电力系统等因素对稳定断面的影响，一般只有在充分论证的基础水轮机效率、调速器和电力系统等因素对稳定断面的影响，一般只有在充分论证的基础上才加以考虑。上才加以考虑。6.6.电力系统的影响电力系统的影响对于单独运行的水电站，当调压室内水位变化而引起对于单独运行的水电站，当调压室内水位变化而引起出力变化时，只能依靠本电站水轮机调速器的调节使出力出力变化时，只能依靠本电站水轮机调速器的调节使出力保持常数。如果水电站在系统中运
16、行，则可由系统中各电保持常数。如果水电站在系统中运行，则可由系统中各电站的机组共同来保证系统出力不变，因此可减小本电站流站的机组共同来保证系统出力不变，因此可减小本电站流量变化的幅度。量变化的幅度。因此电站并网运行有利于波动稳定。因此电站并网运行有利于波动稳定。第七节 调压室水力计算条件的选择调压室的水力计算内容应包括：调压室的水力计算内容应包括：由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积；由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积；计算调压室最高涌波水位，从而确定调压室的顶部高程；计算调压室最高涌波水位，从而确定调压室的顶部高程；计算调压室最低涌波水位，从而确定调压室底部和压力管计算
17、调压室最低涌波水位，从而确定调压室底部和压力管道进口的高程。道进口的高程。4 4、调压室、调压室水力计算的内容有哪些，计算条件如何选择？水力计算的内容有哪些，计算条件如何选择？调压室的水力计算内容应包括：调压室的水力计算内容应包括：由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积；由调压室水位波动的稳定条件，确定调压室的断面积；计算调压室最高涌波水位，从而确定调压室的顶部高程；计算调压室最高涌波水位，从而确定调压室的顶部高程；计算调压室最低涌波水位，从而确定调压室底部和压力管计算调压室最低涌波水位，从而确定调压室底部和压力管道进口的高程。道进口的高程。一、波动的稳定性计算一、波动的稳定性计算 由
18、公式由公式 可以看出：可以看出：1.1.水头水头H H0 0 按水电站在正常运行中可能出现的最小水头按水电站在正常运行中可能出现的最小水头H Hminmin计算。计算。上游的最低水位一般为死水位。上游的最低水位一般为死水位。2.2.糙率糙率 引水道应选用可能的最小糙率引水道应选用可能的最小糙率(使使 值最小值最小)，而压力管，而压力管道则应选用可能的最大糙率。道则应选用可能的最大糙率。二、最高涌波水位的计算二、最高涌波水位的计算 1.1.上游水库水位：取正常发电可能出现的上游水库水位：取正常发电可能出现的 最高水位，一般最高水位，一般按设计洪水位计算。按设计洪水位计算。2.2.引水道的糙率：取
19、可能的最小值（此条件下，水头损失引水道的糙率：取可能的最小值（此条件下，水头损失小，水位升高值大）。小，水位升高值大）。3.3.计算工况：一般按丢弃全负荷考虑，即流量由计算工况：一般按丢弃全负荷考虑，即流量由Q Qmaxmax减至空减至空转流量转流量Q Qxxxx(Q Q=0)=0)。或按电气主接线出线回路的具体情况决或按电气主接线出线回路的具体情况决定。定。三、最低涌波水位的计算三、最低涌波水位的计算1.1.上游水库水位：取可能的最低水位。上游水库水位：取可能的最低水位。2.2.引水道糙率：引水道糙率：取可能的最大值（此时，供水速度慢，水取可能的最大值（此时，供水速度慢，水位降低得多）。位降
20、低得多）。3.3.计算工况：计算工况：n n初设阶段，通常采用其余所有机组均满负荷运行，而最初设阶段，通常采用其余所有机组均满负荷运行，而最后一台机组投入运行的情况作为设计工况，但最后加入后一台机组投入运行的情况作为设计工况，但最后加入的容量应不小于电站总容量的的容量应不小于电站总容量的1/31/3。n n对于一般的调压室，还应计算在最低库水位下丢弃全负对于一般的调压室，还应计算在最低库水位下丢弃全负荷后水位波动的第二振幅。荷后水位波动的第二振幅。n n在技术设计阶段，增荷的条件应根据设计电站在系统中在技术设计阶段，增荷的条件应根据设计电站在系统中的工况，经专门研究确定。的工况，经专门研究确定
21、。第十一章 1、简述厂区建筑物的组成。如何进行厂区布置 厂房枢纽的建筑物一般可以分为四部分：主厂房、副厂房、变压器场及高压开关站。变压器场一般设在主厂房旁，场内布置主升压变压器，将发电机输出的电流升压至输电线电压。高压开关站常为开阔场地，安装高压母线及开关等配电装置，向电网或用户输电。厂区布置是指水电站的主厂房、副厂房、主变压器场、高压开关站、引水道、尾水道及厂区交通的相互位置的安排。一、主厂房 主厂房是厂区的核心，对厂区布置起决定性作用。其位置要综合考虑地形、地质、水流条件、施工导流方案和场地布置、电站的运行管理等因素，注意厂区的协调配合。(1)尽量减小压力水管的长度。对于坝后式水电站，主厂
22、房应尽量靠近拦河坝；引水式水电站主厂房应尽量靠近前池和调压室。(2)尾水渠尽量远离溢洪道或泄洪洞出口，防止水位波动对机组运行不利。尾水渠与下游河道衔接要平顺。(3)主厂房的地基条件要好，对外交通和出线方便，并不受施工导流干扰。二、引水道、尾水道及对外交通线路的布置 引水道一般为正向引水，尽可能保证进、出水水流平顺。当水管直径很小时且根数较少时，也可侧向引水；尾水渠一般为明渠，正向将尾水导入下游河道，少数情况也可侧向导入下游河道。对外交通一般为公路，也有的采用铁路或水路的。引水式厂房一般沿河岸布置，进厂公路可沿等高线从厂房一端进入厂房。坝式电站进厂公路一般从下游侧进入。公路、铁路要直接通入主厂房
23、的安装间，临近厂房一段应是水平，长度不小于20m，并有回车场地。公路的坡度不宜大于10%12%，转弯半径大于20m。三、副厂房 为了保证机组正常运行，在主厂房近旁布置的各种辅助机电设备、控制、试验、管理和运行人员工作和生活的房间，称为副厂房。(一)副厂房的组成 副厂房的组成、面积和内部布置取决于电站装机容量、机组台数、电站在电力系统中的作用等因素。大型水电站的副厂房，按性质可分为三类：1.直接生产副厂房 中央控制室，继电保护盘室，电缆室，蓄电池室，酸室和套间，蓄电池的通风机室，充电机室，计算机室，载波通讯室，油、水、气系统，厂内变压器室，巡回检测装置室等。(一)副厂房的组成 2.检修试验副厂房
24、 继电保护试验室，精密仪器试验室，测量表计试验室，高压试验室，电工修理间，机械修理间，电气工具间，油化验室，水化实验室等。3.辅助用房 交接班室，运行分场，检修分场，水工分场，总工程师室，厂长室，生产技术科，会议室，资料室，厕所、盥洗室。(二)副厂房的位置 副厂房的位置应紧靠主厂房，基本上布置在主厂房的上游侧，下游侧和端部，可集中一处，也可分两处布置。(1)主厂房的上游侧。适用于坝后式水电站。(2)尾水管顶板上。影响主厂房的通风、采光，需加长尾水 管，从而增加工程量。由于尾水管在机组运行时振动较大，不宜布置中央控制室及继电保护设备。(3)主厂房的两端。当机组台数多时，这种布置会增加母线 及电缆
25、的长度。2、主厂房如何分层？各层的高程如何确定？主厂房在高度方向分为装配场层、发电机层、水轮机层及阀室层。装配场层与发电机层楼板同高发电机层：保证水轮机层的净高不少于3.54.0m，否则发电机出线和油气水管道布置困难。保证下游设计洪水不淹厂房。将发电机层楼板面高程布置在下游设计洪水位以下。水轮机层地面高程S=T+h4 h4=蜗壳进口半径+蜗壳顶部混凝土层厚度。金属蜗壳顶部混凝土一般不低于1.0m，混凝土蜗壳顶板厚根据结构计算决定。3、何谓上部结构？下部结构？下部块体结构？块体结构中有哪些设备？发电机层以上的部分称为上部结构及主机房，发电机层以下统称为下部结构，水轮机层以下则称为下部块体结构。下
26、部块体结构中包含压力钢管、蝴蝶阀、蜗壳、水轮机、尾水管、尾水闸门及它们的附属设备4、主厂房机组长度的确定原则是什么？安装间长度确定的原则是什么？边机组段为何要加长？加长的尺寸如何确定？机组段长度应综合考虑厂房分缝、蜗壳和尾水管厚度的影响，水轮机层和发电机层的布置要求，包括排架柱的布置、调速器接力器坑布置要求、楼梯、楼板孔洞和梁格系统布置的要求。为了减小机组间距，最好不将调速器、油压装置和楼梯等布置在两台机组中间。安装间的宽度一般与主厂房相同，安装间的长度一般取L安(1.0l.5)L0 由于外侧有主厂房的端墙，为了使机组设备和辅助设备处于桥吊工作范围内，远离安装间一端的机组段需要加长L。L=(0.11.0)D1