水輪機(jī)工作原理PPT

1、水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng)水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng) 一、蝸殼中的水流運(yùn)動(dòng)一、蝸殼中的水流運(yùn)動(dòng) 蝸殼是水流進(jìn)入水輪機(jī)的第一個(gè)部件。通過它將水引向?qū)畽C(jī)構(gòu)并進(jìn)蝸殼是水流進(jìn)入水輪機(jī)的第一個(gè)部件。通過它將水引向?qū)畽C(jī)構(gòu)并進(jìn)入轉(zhuǎn)輪區(qū)。蝸殼應(yīng)滿足下列基本要求：入轉(zhuǎn)輪區(qū)。蝸殼應(yīng)滿足下列基本要求： 盡可能減少水力損失以提高水輪機(jī)效率；盡可能減少水力損失以提高水輪機(jī)效率； 保證導(dǎo)水機(jī)構(gòu)周圍的進(jìn)水流量均勻，水流呈軸對稱，使轉(zhuǎn)輪四周受保證導(dǎo)水機(jī)構(gòu)周圍的進(jìn)水流量均勻，水流呈軸對稱，使轉(zhuǎn)輪四周受水流的作用力均勻，以便提高運(yùn)行的穩(wěn)定性；水流的作用力均勻，以便提高運(yùn)行的穩(wěn)定性；水輪機(jī)各過流部件水流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)水輪機(jī)各過流部件水流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

2、水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng)水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng) 水流在進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)前應(yīng)具有一定的旋轉(zhuǎn)環(huán)量（即具有一定的圓周水流在進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)前應(yīng)具有一定的旋轉(zhuǎn)環(huán)量（即具有一定的圓周分速度），以保證在水輪機(jī)的主要工況下導(dǎo)葉處在不大的沖角下被繞流，分速度），以保證在水輪機(jī)的主要工況下導(dǎo)葉處在不大的沖角下被繞流，即水流進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí)水力損失較小。即水流進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí)水力損失較小。無撞擊進(jìn)口無撞擊進(jìn)口進(jìn)口有撞擊進(jìn)口有撞擊（水力損失）（水力損失）導(dǎo)葉骨線導(dǎo)葉骨線漩渦消耗動(dòng)能，加大水力損失漩渦消耗動(dòng)能，加大水力損失漩渦還可能引起空化，產(chǎn)生汽蝕漩渦還可能引起空化，產(chǎn)生汽蝕相對速度相對速度 有合理的斷面尺寸及形狀，以降低電站廠房投資及

3、便于電站輔助設(shè)備有合理的斷面尺寸及形狀，以降低電站廠房投資及便于電站輔助設(shè)備的布置（如導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的接力器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置）。的布置（如導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的接力器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置）。水輪機(jī)蝸殼水輪機(jī)蝸殼 3、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量的功能、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量的功能 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由導(dǎo)葉和導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過改變導(dǎo)葉位導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由導(dǎo)葉和導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過改變導(dǎo)葉位置，調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量。置，調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量。 水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng)水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng) 22020212hgHrQrctgctgbA導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量的調(diào)節(jié)方程導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量的調(diào)節(jié)方程水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)三

4、、轉(zhuǎn)輪中的水流運(yùn)動(dòng)三、轉(zhuǎn)輪中的水流運(yùn)動(dòng) 水流通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道時(shí)，一方面沿著彎曲的轉(zhuǎn)輪葉片做相對運(yùn)水流通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道時(shí)，一方面沿著彎曲的轉(zhuǎn)輪葉片做相對運(yùn)動(dòng)，另一方面又隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)輪中的水流形成一種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。動(dòng)，另一方面又隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)輪中的水流形成一種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。 為簡化問題，一般假定轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)和導(dǎo)葉數(shù)為無限多，且水流在水輪為簡化問題，一般假定轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)和導(dǎo)葉數(shù)為無限多，且水流在水輪機(jī)中的運(yùn)動(dòng)可做如下機(jī)中的運(yùn)動(dòng)可做如下假設(shè)假設(shè)： 穩(wěn)定流穩(wěn)定流：認(rèn)為在水頭、流量和轉(zhuǎn)速一定的情況下：認(rèn)為在水頭、流量和轉(zhuǎn)速一定的情況下(即固定工況下即固定工況下)，水流在引水室、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、尾水管中的流

5、動(dòng)以及在轉(zhuǎn)輪中相對于葉片的水流在引水室、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、尾水管中的流動(dòng)以及在轉(zhuǎn)輪中相對于葉片的流動(dòng)是穩(wěn)定的，即不隨時(shí)間而改變運(yùn)動(dòng)狀況。流動(dòng)是穩(wěn)定的，即不隨時(shí)間而改變運(yùn)動(dòng)狀況。 軸對稱流軸對稱流：認(rèn)為水流對稱于水輪機(jī)軸線流向?qū)~和轉(zhuǎn)輪，即導(dǎo)葉周：認(rèn)為水流對稱于水輪機(jī)軸線流向?qū)~和轉(zhuǎn)輪，即導(dǎo)葉周圍的水流運(yùn)動(dòng)狀況在圍的水流運(yùn)動(dòng)狀況在3600的圓周線上各處相同。的圓周線上各處相同。水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng)水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng) 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裝配圖混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裝配圖水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng)水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng) 2、水流運(yùn)動(dòng)的合成與分解、水流運(yùn)動(dòng)的合成與分解 水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)，一方面是水流相對于轉(zhuǎn)輪

6、葉片流動(dòng)，即相對運(yùn)水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)，一方面是水流相對于轉(zhuǎn)輪葉片流動(dòng)，即相對運(yùn)動(dòng)，另一方面隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，即圓周運(yùn)動(dòng)或牽連運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)輪中的水流的絕對動(dòng)，另一方面隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，即圓周運(yùn)動(dòng)或牽連運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)輪中的水流的絕對運(yùn)動(dòng)可看成這兩種運(yùn)動(dòng)的合成。若用速度關(guān)系表示，則絕對速度運(yùn)動(dòng)可看成這兩種運(yùn)動(dòng)的合成。若用速度關(guān)系表示，則絕對速度 是相對是相對速度速度 與圓周速度與圓周速度 的矢量和的矢量和VWUUWV 速度三角形速度三角形：絕對速度絕對速度 在靜止的地面上看到的水流速度；在靜止的地面上看到的水流速度；相對速度相對速度 隨轉(zhuǎn)輪一起運(yùn)動(dòng)時(shí)看到的水流速度；隨轉(zhuǎn)輪一起運(yùn)動(dòng)時(shí)看到的水流速度；圓周速度圓周速度 考察點(diǎn)

7、隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的線速度?？疾禳c(diǎn)隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的線速度。VWUWm水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng)水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng) 在實(shí)際應(yīng)用中為了分析的方便，常把絕對速度在實(shí)際應(yīng)用中為了分析的方便，常把絕對速度 分解為分解為式中式中 絕對速度沿圓周方向的分量，稱為絕對速度圓周分速度；絕對速度沿圓周方向的分量，稱為絕對速度圓周分速度； 垂直于圓周方向的分量。因垂直圓周方向的平面都通過水輪垂直于圓周方向的分量。因垂直圓周方向的平面都通過水輪機(jī)軸向，因而機(jī)軸向，因而 在軸面上，故稱在軸面上，故稱 為軸面速度。為軸面速度。 在轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)時(shí)，或當(dāng)分析水流在轉(zhuǎn)輪中的流動(dòng)時(shí)，常常要應(yīng)用在轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)時(shí)，或當(dāng)分析水流在轉(zhuǎn)輪中的流動(dòng)時(shí)，

8、常常要應(yīng)用到這兩個(gè)速度分量。到這兩個(gè)速度分量。 3、轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形、轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形 水流通過轉(zhuǎn)輪時(shí)，轉(zhuǎn)輪獲得能量的大小主要決定于水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)、水流通過轉(zhuǎn)輪時(shí)，轉(zhuǎn)輪獲得能量的大小主要決定于水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。而速度三角形實(shí)質(zhì)上表征著水輪機(jī)的工作狀態(tài)。出口其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。而速度三角形實(shí)質(zhì)上表征著水輪機(jī)的工作狀態(tài)。這是因?yàn)樗俣热切闻c水輪機(jī)工作參數(shù)水頭這是因?yàn)樗俣热切闻c水輪機(jī)工作參數(shù)水頭H、流量、流量Q及轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速n等直接有關(guān)。等直接有關(guān)。因此有必要研究和分析轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形。因此有必要研究和分析轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形。VmuVVV uVmVmVmV（1

9、）混流式轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形）混流式轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形 混流式轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形混流式轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng)水輪機(jī)中的水流運(yùn)動(dòng) 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 水輪機(jī)的水力理論是研究其性能、流態(tài)與流道形狀之間的相互關(guān)系，水輪機(jī)的水力理論是研究其性能、流態(tài)與流道形狀之間的相互關(guān)系，這些關(guān)系中最重要的是研究當(dāng)流體通過轉(zhuǎn)輪時(shí)流體扭轉(zhuǎn)變化與流體傳遞到這些關(guān)系中最重要的是研究當(dāng)流體通過轉(zhuǎn)輪時(shí)流體扭轉(zhuǎn)變化與流體傳遞到轉(zhuǎn)輪的力矩關(guān)系。水輪機(jī)的基本方程式就是在理論上建立這個(gè)關(guān)系。轉(zhuǎn)輪的力矩關(guān)系。水輪機(jī)的基本方程式就是在理論上

10、建立這個(gè)關(guān)系。水輪機(jī)基本方程式及其含義、水輪機(jī)的各種損失及相應(yīng)的效率計(jì)算水輪機(jī)基本方程式及其含義、水輪機(jī)的各種損失及相應(yīng)的效率計(jì)算 根據(jù)動(dòng)量矩定理，單位時(shí)間內(nèi)水流質(zhì)量對定軸的動(dòng)量矩變化等于作用根據(jù)動(dòng)量矩定理，單位時(shí)間內(nèi)水流質(zhì)量對定軸的動(dòng)量矩變化等于作用在該質(zhì)量上的全部外力對定軸的力矩和，即在該質(zhì)量上的全部外力對定軸的力矩和，即 rmVdtdMua式中式中 Ma外力矩。外力矩。dtgq)/( dtgq)/( 在時(shí)刻在時(shí)刻t t，水流質(zhì)量充滿轉(zhuǎn)輪流道，水流質(zhì)量充滿轉(zhuǎn)輪流道ABCDABCD，經(jīng)過時(shí)間，經(jīng)過時(shí)間dtdt后，這部分質(zhì)量后，這部分質(zhì)量運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)到A AB BC CD D，此時(shí)有，此時(shí)有BB

11、BBC CC C部分的水流從流道中流出，其質(zhì)量為部分的水流從流道中流出，其質(zhì)量為，q q為通過該流道的流量。在流道的進(jìn)口處，經(jīng)為通過該流道的流量。在流道的進(jìn)口處，經(jīng)dtdt時(shí)間后流空的時(shí)間后流空的AAAAD DD D部分部分為后繼水流充滿，其質(zhì)量也應(yīng)是為后繼水流充滿，其質(zhì)量也應(yīng)是 ?？紤]水流通過轉(zhuǎn)輪時(shí)動(dòng)量矩的變化：考慮水流通過轉(zhuǎn)輪時(shí)動(dòng)量矩的變化：水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 在在dt時(shí)間內(nèi)將轉(zhuǎn)輪中的水流運(yùn)動(dòng)看成是穩(wěn)定流動(dòng)，則時(shí)間內(nèi)將轉(zhuǎn)輪中的水流運(yùn)動(dòng)看成是穩(wěn)定流動(dòng)，則ABCD部分的部分的動(dòng)量矩沒有變化，因而流道的動(dòng)量矩變化就等于動(dòng)量矩沒

12、有變化，因而流道的動(dòng)量矩變化就等于BBCC C部分的動(dòng)量矩減部分的動(dòng)量矩減去去AADD部分的動(dòng)量矩，即部分的動(dòng)量矩，即 11221122rVrVdtgqrdtVgqrdtVgquuuu 假設(shè)在整個(gè)轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處假設(shè)在整個(gè)轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處 與與 分別為常數(shù)，則整個(gè)轉(zhuǎn)輪流分別為常數(shù)，則整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道水流質(zhì)量總的動(dòng)量矩變化為道水流質(zhì)量總的動(dòng)量矩變化為11rVu22rVu 11221122rVrVgQrVrVgqrmVdtduuuuu 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式

13、和效率 上述的水流動(dòng)量矩變化是由上述的水流動(dòng)量矩變化是由dt 時(shí)段內(nèi)作用在水流上的外力對水輪機(jī)旋時(shí)段內(nèi)作用在水流上的外力對水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線的力矩引起的。下面三種外力并不產(chǎn)生這種力矩：轉(zhuǎn)軸線的力矩引起的。下面三種外力并不產(chǎn)生這種力矩： 重力：因重力的合力與軸線重合或相交；重力：因重力的合力與軸線重合或相交； 上冠、下環(huán)的內(nèi)表面對水流壓力：因這些表面為旋轉(zhuǎn)面，故壓力上冠、下環(huán)的內(nèi)表面對水流壓力：因這些表面為旋轉(zhuǎn)面，故壓力與軸線相交；與軸線相交； 轉(zhuǎn)輪外的水流在轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處對所考慮的水流壓力：因這兩部轉(zhuǎn)輪外的水流在轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處對所考慮的水流壓力：因這兩部分水流在轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處的接觸面可看作是旋轉(zhuǎn)面

14、，故壓力與軸向相交。分水流在轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處的接觸面可看作是旋轉(zhuǎn)面，故壓力與軸向相交。水流通過轉(zhuǎn)輪時(shí)動(dòng)量矩的變化僅由葉片的作用力矩引起。水流通過轉(zhuǎn)輪時(shí)動(dòng)量矩的變化僅由葉片的作用力矩引起。二、水輪機(jī)基本方程式二、水輪機(jī)基本方程式 設(shè)葉片對水流的作用力矩為設(shè)葉片對水流的作用力矩為MbMb，則，則由此得由此得 baMM 1122rVrVgQMuub 則水流對轉(zhuǎn)輪葉片的作用力矩為則水流對轉(zhuǎn)輪葉片的作用力矩為 （大小相等，方向相反）（大小相等，方向相反） 水流傳遞給轉(zhuǎn)輪的功率為水流傳遞給轉(zhuǎn)輪的功率為式中式中 轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)角速度。轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)角速度。 2211rVrVgQMMuub 2211UVUVgQMNuu 水

15、流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 又由又由得得上式就是反擊式和沖擊式上式就是反擊式和沖擊式水輪機(jī)的基本方程式水輪機(jī)的基本方程式，也稱，也稱水輪機(jī)歐拉方程水輪機(jī)歐拉方程。hQHN 22111UVUVgHuuh 水輪機(jī)基本方程式的其它表達(dá)形式：水輪機(jī)基本方程式的其它表達(dá)形式： 考慮到環(huán)量考慮到環(huán)量 ，則方程亦可用環(huán)量的形式表示為，則方程亦可用環(huán)量的形式表示為 2211rVrVgHuuh urVC 2 212CCgHh 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式

16、和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 基本方程式的含義：基本方程式的含義： 方程左邊，表示作用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的單位重量水流所具有的有效方程左邊，表示作用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的單位重量水流所具有的有效水能，也就是單位重量水流所能傳給轉(zhuǎn)輪的有效能量。方程右邊，則表示水能，也就是單位重量水流所能傳給轉(zhuǎn)輪的有效能量。方程右邊，則表示轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處水流速度矩的變化（即水流本身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化）。因此轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口處水流速度矩的變化（即水流本身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化）。因此水輪機(jī)基本方程式給出了水輪機(jī)基本方程式給出了水輪機(jī)能量參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系水輪機(jī)能量參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系。 基本方程式從理論上表明了基本方

17、程式從理論上表明了水輪機(jī)中水流能量是怎樣轉(zhuǎn)換成機(jī)械能水輪機(jī)中水流能量是怎樣轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的的。它是由于水流和轉(zhuǎn)輪葉片相互作用的結(jié)果。一方面是流道迫使水流動(dòng)。它是由于水流和轉(zhuǎn)輪葉片相互作用的結(jié)果。一方面是流道迫使水流動(dòng)量矩發(fā)生變化，另一方面，水流在其動(dòng)量矩改變得同時(shí)，它以一定的壓力量矩發(fā)生變化，另一方面，水流在其動(dòng)量矩改變得同時(shí)，它以一定的壓力作用在葉片上，從而驅(qū)使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，其能量傳遞給轉(zhuǎn)輪并形成水輪機(jī)軸上作用在葉片上，從而驅(qū)使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，其能量傳遞給轉(zhuǎn)輪并形成水輪機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)力矩。的旋轉(zhuǎn)力矩。 2211rVrVgHuuh 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本

18、方程式和效率 由基本方程式可見由基本方程式可見水流對轉(zhuǎn)輪作用的有效能量，是靠轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口水流對轉(zhuǎn)輪作用的有效能量，是靠轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口必要的速度矩或環(huán)量之差來保證的必要的速度矩或環(huán)量之差來保證的。顯然，當(dāng)。顯然，當(dāng) 就就不能利用水流了做功。水流對轉(zhuǎn)輪做功的必要條件是當(dāng)它通過轉(zhuǎn)輪時(shí)，其不能利用水流了做功。水流對轉(zhuǎn)輪做功的必要條件是當(dāng)它通過轉(zhuǎn)輪時(shí)，其速度矩或環(huán)量發(fā)生變化。如轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度矩變化不充分，則水流對轉(zhuǎn)速度矩或環(huán)量發(fā)生變化。如轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度矩變化不充分，則水流對轉(zhuǎn)輪作用力矩（能量）就要減少，水流能量就得不到充分利用，表現(xiàn)為效率輪作用力矩（能量）就要減少，水流能量就得不到充分利用，表現(xiàn)為效率

19、低。低。 02211 rVrVuu 為了有效利用水頭為了有效利用水頭H H，充分地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，過流部件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保，充分地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，過流部件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證水流速度矩產(chǎn)生按基本方程式規(guī)定的變化。為此，證水流速度矩產(chǎn)生按基本方程式規(guī)定的變化。為此，轉(zhuǎn)輪的作用是控制出轉(zhuǎn)輪的作用是控制出口水流的速度矩口水流的速度矩 的大小，使進(jìn)口水流速度矩發(fā)生變化以此實(shí)現(xiàn)的大小，使進(jìn)口水流速度矩發(fā)生變化以此實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換。至于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流速度矩可由其前面的過流部件來形成。導(dǎo)水至于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流速度矩可由其前面的過流部件來形成。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用之一就是形成這個(gè)速度矩機(jī)構(gòu)的作用之一就是形成這個(gè)速度矩 對于無導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

20、的水輪機(jī)對于無導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的水輪機(jī)（沖擊式），進(jìn)口速度矩亦能由轉(zhuǎn)輪本身形成。（沖擊式），進(jìn)口速度矩亦能由轉(zhuǎn)輪本身形成。 22rVu11rVu 水輪機(jī)廣義基本方程式水輪機(jī)廣義基本方程式 水流通過轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，速度的大小和方向都發(fā)生了變化，水流動(dòng)量矩水流通過轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，速度的大小和方向都發(fā)生了變化，水流動(dòng)量矩隨之發(fā)生改變，從而將能量傳給轉(zhuǎn)輪，并使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。隨之發(fā)生改變，從而將能量傳給轉(zhuǎn)輪，并使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。 計(jì)算出瞬時(shí)工況下水流作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上的動(dòng)態(tài)力矩，再利用計(jì)算出瞬時(shí)工況下水流作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上的動(dòng)態(tài)力矩，再利用動(dòng)量矩定理（單位時(shí)間內(nèi)某物體對定軸的動(dòng)量矩變化等于作用在該物體上動(dòng)量矩定理（單位時(shí)

21、間內(nèi)某物體對定軸的動(dòng)量矩變化等于作用在該物體上的全部外力對該軸的力矩和），就可獲得水輪機(jī)的廣義基本方程式。的全部外力對該軸的力矩和），就可獲得水輪機(jī)的廣義基本方程式。 dWtrVrVrVQMuHHuHuHH)()(2211、式中：式中：Vu1H和和Vu2H分別為轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口水流絕對速度的圓周分量；下分別為轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口水流絕對速度的圓周分量；下標(biāo)標(biāo)H表示動(dòng)態(tài)值。表示動(dòng)態(tài)值。 水輪機(jī)基本方程的各種形式：水輪機(jī)基本方程的各種形式：)(2211rVrVQMuu)(12211uuheVUVUgHH2211rVrVgHuuhgWWgUUgVVHh222212222212221 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)

22、基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 三、水輪機(jī)中的能量平衡及水力效率三、水輪機(jī)中的能量平衡及水力效率 分析水輪機(jī)中的各種能量損失對評(píng)價(jià)水輪機(jī)的性能以及確定水輪機(jī)分析水輪機(jī)中的各種能量損失對評(píng)價(jià)水輪機(jī)的性能以及確定水輪機(jī)的基本尺寸都是必需的。的基本尺寸都是必需的。 水輪機(jī)與其他運(yùn)動(dòng)機(jī)械一樣，存在能量損失，輸入功率與輸出功率水輪機(jī)與其他運(yùn)動(dòng)機(jī)械一樣，存在能量損失，輸入功率與輸出功率的差值就是水輪機(jī)工作過程中產(chǎn)生的能量損失。的差值就是水輪機(jī)工作過程中產(chǎn)生的能量損失。 水輪機(jī)能量損失按產(chǎn)生的原因劃分為水輪機(jī)能量損失按產(chǎn)生的原因劃分為水力損失水力損失、容積損失容積損失和和機(jī)械損

23、機(jī)械損失失。與各類損失相應(yīng)是。與各類損失相應(yīng)是水力效率水力效率、容積效率容積效率和和機(jī)械效率機(jī)械效率。 1、水力損失和水力效率、水力損失和水力效率 當(dāng)水流通過水輪機(jī)時(shí)，為克服各過流部件的水力阻力而引起的水頭損當(dāng)水流通過水輪機(jī)時(shí)，為克服各過流部件的水力阻力而引起的水頭損失稱為水力損失。失稱為水力損失。 水力損失包括：從蝸殼進(jìn)口斷面開始，經(jīng)蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)水力損失包括：從蝸殼進(jìn)口斷面開始，經(jīng)蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、尾水管直到出口斷面所有過流部件的沿程摩擦損失和局部撞擊、漩渦輪、尾水管直到出口斷面所有過流部件的沿程摩擦損失和局部撞擊、漩渦、脫流等引起的局部阻力損失，以及尾水管的出口損失（

24、速度水頭）。、脫流等引起的局部阻力損失，以及尾水管的出口損失（速度水頭）。 沿程摩擦損失與流速及過流部件的表面粗糙度有關(guān)。而局部損失除與沿程摩擦損失與流速及過流部件的表面粗糙度有關(guān)。而局部損失除與流速分布有關(guān)外，更主要取決于各過流部件流線形狀及運(yùn)行工況。流速分布有關(guān)外，更主要取決于各過流部件流線形狀及運(yùn)行工況。在水輪機(jī)各種損失中，以水力損失最大。在水輪機(jī)各種損失中，以水力損失最大。水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 水輪機(jī)有效水頭水輪機(jī)有效水頭 水力效率水力效率 即，水輪機(jī)水力效率為水輪機(jī)有效水頭與水輪機(jī)水頭之比。即，水輪機(jī)水力效率為水輪機(jī)

25、有效水頭與水輪機(jī)水頭之比。 正確設(shè)計(jì)過流部件的流線形狀和提高其表面質(zhì)量及控制水輪機(jī)的運(yùn)行正確設(shè)計(jì)過流部件的流線形狀和提高其表面質(zhì)量及控制水輪機(jī)的運(yùn)行工況，可以提高水力效率。工況，可以提高水力效率。 HHHeHHHh 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 2 2、容積損失和容積效率、容積損失和容積效率 進(jìn)入水輪機(jī)的流量進(jìn)入水輪機(jī)的流量Q Q不可能全部進(jìn)入轉(zhuǎn)輪做功，其中一部分流量不可能全部進(jìn)入轉(zhuǎn)輪做功，其中一部分流量 會(huì)從水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分與固定部分之間的環(huán)隙（如混流式水輪機(jī)的止漏環(huán)會(huì)從水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分與固定部分之間的環(huán)隙（如混流式水輪機(jī)的止漏環(huán)間

26、隙和軸流式水輪機(jī)槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙）中漏損了。間隙和軸流式水輪機(jī)槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙）中漏損了。Q 水輪機(jī)有效流量水輪機(jī)有效流量 容積效率容積效率QQQe QQQQQQQeV 1 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 3 3、機(jī)械損失和機(jī)械效率、機(jī)械損失和機(jī)械效率 水流交付給水輪機(jī)的有效功率（水流交付給水輪機(jī)的有效功率（ ）也不可能全部被轉(zhuǎn)）也不可能全部被轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，其中一部分消耗在各種機(jī)械損失上，如軸承及軸承密封換為機(jī)械能輸出，其中一部分消

27、耗在各種機(jī)械損失上，如軸承及軸承密封處的摩擦損失。對混流式水輪機(jī)還存在著不屬于過流部分的外表面（如上處的摩擦損失。對混流式水輪機(jī)還存在著不屬于過流部分的外表面（如上冠背面）與周圍水流之間的摩擦損失，稱為輪盤損失。冠背面）與周圍水流之間的摩擦損失，稱為輪盤損失。eeeHQP 水輪機(jī)主軸獲得的輸出功率水輪機(jī)主軸獲得的輸出功率式中式中 機(jī)械摩擦損失。機(jī)械摩擦損失。機(jī)械效率機(jī)械效率近代大型水輪機(jī)的機(jī)械效率可達(dá)近代大型水輪機(jī)的機(jī)械效率可達(dá)98989999。mePPP mPemeemPPPPP 水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率水流作用于葉片的力矩、水輪機(jī)基本方程式和效率 4、水輪機(jī)效率、水輪機(jī)

28、效率即水輪機(jī)效率等于其水力效率、容積效率和機(jī)械效率的乘積。即水輪機(jī)效率等于其水力效率、容積效率和機(jī)械效率的乘積。 現(xiàn)代大型水力的總效率可達(dá)現(xiàn)代大型水力的總效率可達(dá)95。mVh 水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論 最優(yōu)工況最優(yōu)工況: 無撞擊進(jìn)口無撞擊進(jìn)口 最優(yōu)水流出口最優(yōu)水流出口 水輪機(jī)在運(yùn)行過程中，其水頭、流量、出力等參數(shù)總是不斷地變化水輪機(jī)在運(yùn)行過程中，其水頭、流量、出力等參數(shù)總是不斷地變化著，因此，其流道中的水流流態(tài)也是不斷地改變的。相應(yīng)于這些不同運(yùn)著，因此，其流道中的水流流態(tài)也是不斷地改變的。相應(yīng)于這些不同運(yùn)行工況的速度三角形也就不同。下面通

29、過對水輪機(jī)變工況下轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出行工況的速度三角形也就不同。下面通過對水輪機(jī)變工況下轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口水流速度三角形的討論，進(jìn)一步了解水輪機(jī)內(nèi)地水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。尤其口水流速度三角形的討論，進(jìn)一步了解水輪機(jī)內(nèi)地水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。尤其是水輪機(jī)內(nèi)的相對水力損失情況。是水輪機(jī)內(nèi)的相對水力損失情況。 一、水輪機(jī)的最優(yōu)工況一、水輪機(jī)的最優(yōu)工況 工況工況水輪機(jī)工作狀況的簡稱。水輪機(jī)工作狀況的簡稱。 在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，為了適應(yīng)不同的負(fù)荷要求，必須改變導(dǎo)葉的安在水輪機(jī)運(yùn)行過程中，為了適應(yīng)不同的負(fù)荷要求，必須改變導(dǎo)葉的安放位置（即改變導(dǎo)葉的出口角），調(diào)節(jié)流量，改變出力。放位置（即改變導(dǎo)葉的出口角），調(diào)節(jié)流量，改變出力。 最優(yōu)工

30、況最優(yōu)工況效率最優(yōu)的工況。效率最優(yōu)的工況。 非最優(yōu)工況非最優(yōu)工況最優(yōu)工況以外的工況。最優(yōu)工況以外的工況。 水輪機(jī)在最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，水力損失最小。而水力損失大小又主要取決水輪機(jī)在最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，水力損失最小。而水力損失大小又主要取決于轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口水流角于轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口水流角 （ 和和 的夾角）和出口水流角的夾角）和出口水流角 （ 和和 的夾的夾角）。理論上，最優(yōu)工況應(yīng)發(fā)生在進(jìn)口水流無撞擊、出口水流呈法向的條件角）。理論上，最優(yōu)工況應(yīng)發(fā)生在進(jìn)口水流無撞擊、出口水流呈法向的條件下。下。1 1W1U2 2V2U水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論 1 1、無撞擊進(jìn)

31、口、無撞擊進(jìn)口 葉片中線（骨線）葉片中線（骨線）葉片剖面型線內(nèi)切圓圓心的連線。葉片剖面型線內(nèi)切圓圓心的連線。 葉片進(jìn)口安放角葉片進(jìn)口安放角 轉(zhuǎn)輪進(jìn)口葉片中線與該點(diǎn)圓周切線的交角。轉(zhuǎn)輪進(jìn)口葉片中線與該點(diǎn)圓周切線的交角。 水流進(jìn)口水流角水流進(jìn)口水流角 轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流相對速度轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流相對速度 與圓周切向的夾角。與圓周切向的夾角。1b 1 1W 無撞擊進(jìn)口無撞擊進(jìn)口轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流相對速度轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流相對速度 的方向與葉片剖面中線在進(jìn)的方向與葉片剖面中線在進(jìn)口處的切線一致。此時(shí)，轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口水流角等于葉片進(jìn)口安放角，即口處的切線一致。此時(shí)，轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口水流角等于葉片進(jìn)口安放角，即 ，水流對葉片不發(fā)生撞擊和脫

32、流，繞流平順，水力損失小。，水流對葉片不發(fā)生撞擊和脫流，繞流平順，水力損失小。 1W1 1b 無撞擊方向無撞擊方向無撞擊無撞擊(b)1=b1V1W1U11圖圖217 水流的進(jìn)口情況水流的進(jìn)口情況水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論 發(fā)生撞擊時(shí)就會(huì)出現(xiàn)脫流和漩渦區(qū)，從而產(chǎn)生撞擊損失。發(fā)生撞擊時(shí)就會(huì)出現(xiàn)脫流和漩渦區(qū)，從而產(chǎn)生撞擊損失。 水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論 水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論 2、最優(yōu)水流出口、最優(yōu)水流出口 不同水頭下的反擊式水輪機(jī)對

33、最優(yōu)水流出口的要求略有不同。不同水頭下的反擊式水輪機(jī)對最優(yōu)水流出口的要求略有不同。對高對高水頭水輪機(jī)，最理想的轉(zhuǎn)輪出流是法向出口水頭水輪機(jī)，最理想的轉(zhuǎn)輪出流是法向出口；而對中、低水頭混流式水輪而對中、低水頭混流式水輪機(jī)及軸流式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪的略具正環(huán)量的水流出口是有利的機(jī)及軸流式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪的略具正環(huán)量的水流出口是有利的。水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論 法向出口法向出口 當(dāng)從轉(zhuǎn)輪流出的水流是沿著軸面流動(dòng)且無旋時(shí)（當(dāng)從轉(zhuǎn)輪流出的水流是沿著軸面流動(dòng)且無旋時(shí)（ ），稱為法向），稱為法向出口，此時(shí)出口水流角出口，此時(shí)出口水流角 ，出口速度三角形為直角三角

34、形。，出口速度三角形為直角三角形。02 uV0290 （實(shí)線）（實(shí)線）優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 最 小最 小 ， 可 減 小 進(jìn) 入 尾 水 管 中 的 水 流 速 度， 可 減 小 進(jìn) 入 尾 水 管 中 的 水 流 速 度（因（因 ，當(dāng)，當(dāng)Q一定時(shí)，一定時(shí)， 也一定，則當(dāng)出口水流角也一定，則當(dāng)出口水流角 時(shí)，時(shí)， 最?。?，最?。?，減小水力損失減小水力損失（減小尾水管摩擦損失和出口動(dòng)能損失）。（減小尾水管摩擦損失和出口動(dòng)能損失）。 2V222sinVVm 2mV0290 2V 尾水管進(jìn)口軸面水流（尾水管進(jìn)口軸面水流（ ）的動(dòng)能可通過尾水管回收一大半，而旋）的動(dòng)能可通過尾水管回收一大半，而旋轉(zhuǎn)水流（轉(zhuǎn)水流

35、（ ）的動(dòng)能卻絕大部分不能回收而丟失了。）的動(dòng)能卻絕大部分不能回收而丟失了。在法向出口時(shí)，尾水在法向出口時(shí)，尾水管進(jìn)口旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為零，尾水管對水流剩余動(dòng)能的利用最充分，尾水管出口管進(jìn)口旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為零，尾水管對水流剩余動(dòng)能的利用最充分，尾水管出口水流動(dòng)能損失最小。水流動(dòng)能損失最小。2mV2uV水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論水輪機(jī)變工況轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的討論 (b)略具正環(huán)量略具正環(huán)量法向出口法向出口 略具正環(huán)量的水流出口略具正環(huán)量的水流出口 當(dāng)轉(zhuǎn)輪出口水流略具正環(huán)量時(shí)，出口水流角當(dāng)轉(zhuǎn)輪出口水流略具正環(huán)量時(shí)，出口水流角 略小于略小于900， 略大于略大于零，此時(shí)的零，此時(shí)的 方向與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向一致。此出流與法向出口相比，對方向與轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向一致。此出流與法向出口相比，對中、低水頭混流式水輪機(jī)及軸流式水輪機(jī)中、低水頭混流式水輪機(jī)及軸流式水輪機(jī)，反而能減少水力損失，改善，反而能減少水力損失，改善水輪機(jī)的效率及汽蝕性能。水輪機(jī)的效率及汽蝕性能。2 2uV2uV 原因：原因： 具微量正向旋轉(zhuǎn)的水流，在水流自身的離心力作用下，將緊貼尾具微量正向旋轉(zhuǎn)的水流，在水流自身的離心力作用下，將緊貼尾水管的管壁流動(dòng)，因而不易發(fā)生脫流及滯水區(qū)，從而減少尾水管的能量水管的管壁流動(dòng)，因而