水輪機(jī)工作原理

1、第二章 水輪機(jī)的工作原理第一節(jié) 水流在反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)一、復(fù)雜的空間非恒定流水輪機(jī)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的空間非恒定流1) 水頭、流量在不斷變化2) 葉片形狀為空間扭曲面，水流在兩葉片之間的流道內(nèi)為復(fù)合運(yùn)動(dòng)，流速的大小、方向在不斷地變化，而轉(zhuǎn)輪本身也在運(yùn)動(dòng)。 二、恒定流狀態(tài)水輪機(jī)在某一工作狀況時(shí)，(H、Q、N、不變)，水流在水輪機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水葉及尾水管中的流動(dòng)是恒定流。水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)相對(duì)于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)而言，也是恒定流。水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，上述假定可以簡(jiǎn)化分析。三、水流運(yùn)動(dòng)是空間三元流水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律用速度三角形表達(dá)水流絕對(duì)流速（相對(duì)于地球）水流隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)牽連流速水流沿葉片流動(dòng)的相對(duì)

2、流速用速度三角形分析水流運(yùn)動(dòng)的方法是研究轉(zhuǎn)輪流速場(chǎng)的重要方法。對(duì)于混流式水輪機(jī)，可以認(rèn)為任一水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)是沿著某一喇叭形的空間曲面(稱之為流面)而作的螺旋形曲線運(yùn)動(dòng)。流面即由某一流線繞主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。在整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)有無數(shù)個(gè)這樣的流面。流面上每一個(gè)進(jìn)口點(diǎn)的速度三角形是相同的；每一個(gè)出口點(diǎn)的速度三角形也是相同的。根據(jù)恒定流假定可知，任一水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其流動(dòng)到轉(zhuǎn)輪出口的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可由同一時(shí)刻該流面上任意進(jìn)、出口點(diǎn)的速度三角形表示。速度與分速度的空間矢量關(guān)系第二節(jié) 水輪機(jī)工作的基本方程式 一、動(dòng)量矩定理 單位時(shí)間內(nèi)水流對(duì)轉(zhuǎn)輪的動(dòng)量矩改變，應(yīng)等于作用在該水流上的外力的力

3、矩總和。即：其中M為水流對(duì)轉(zhuǎn)輪的力矩，方程右端為水流本身速度矩的變化。該式表達(dá)了水輪機(jī)中水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡關(guān)系。二、水輪機(jī)的基本方程在穩(wěn)定工況下(n、Q、H均不變)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)的恒定流，因此轉(zhuǎn)輪的出力為：所以，水輪機(jī)的基本方程為： 該方程式對(duì)反擊式、沖擊式水輪機(jī)均適用。三、基本方程的物理意義方程的實(shí)質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡方程，方程左邊為轉(zhuǎn)換成的機(jī)械能。水流與葉片相互作用，使得水輪機(jī)做功。水流通過水輪機(jī)時(shí)，葉片迫使水流動(dòng)量矩發(fā)生變化，而水流以反作用力作用在葉片，從而使轉(zhuǎn)輪獲得力矩。水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能的必要條件：水流在轉(zhuǎn)輪出口的能量小于進(jìn)口處的能量，即轉(zhuǎn)輪的

4、進(jìn)口和出口必須存在速度矩的差值。第三節(jié) 水輪機(jī)的效率及最優(yōu)工況 一、水輪機(jī)的效率(efficiency)水輪機(jī)的能量損失導(dǎo)致N < Ns，效率<1效率是由水力效率、流量效率、機(jī)械效率組成1. 水力損失(head loss)及水力效率蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管 沿程損失 旋渦、 脫流、 撞擊 局部損失 水輪機(jī)的水力效率為: 2. 流量損失及流量效率（容積效率） 水流通過轉(zhuǎn)動(dòng)部分與非轉(zhuǎn)動(dòng)部分間隙直流入尾水管的流量為q，此部分流量不經(jīng)過轉(zhuǎn)輪作功，稱漏損。容積效率：3. 機(jī)械損失和機(jī)械效率 水輪機(jī)的輸入功率：Ne；輸出功率: N=Ne -Nm機(jī)械效率： m=N/Ne水輪機(jī)的總效率 =HVm提

5、高效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機(jī)械摩擦。根據(jù)模型試驗(yàn)得到。 二、水輪機(jī)的最優(yōu)工況水輪機(jī)的最優(yōu)工況是指最高的工況。一般情況下，對(duì)起主要作用的是水力損失，流量損失和機(jī)械損失相對(duì)較小，且基本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。1、葉片進(jìn)口設(shè)計(jì)撞擊損失主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口處。當(dāng)1(W1,U)=e1 (葉片進(jìn)口安放角)時(shí)，則為無撞擊進(jìn)口工況，即轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的水流相對(duì)速度的方向與轉(zhuǎn)輪葉片骨線在進(jìn)口處的切線方向一致。2、葉片出口設(shè)計(jì)渦流損失主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片出口處。當(dāng)V2U2時(shí)，即2=90°，水流平行主軸，Vu2=0，為法向出口，無渦流損失。同時(shí)滿足1= e1、2=90°(

6、V2U2)時(shí)，進(jìn)口無撞擊，出口無渦損，最高，稱為水輪機(jī)的最優(yōu)工況。對(duì)高水頭水輪機(jī)，能量損失主要發(fā)生在引水部件內(nèi)，故最優(yōu)轉(zhuǎn)輪出口應(yīng)為法向出口。對(duì)中、低水頭水輪機(jī)，能量損失主要發(fā)生在尾水管和轉(zhuǎn)輪內(nèi)，一般2略小于90°時(shí)，效率較高，可以避免尾水管內(nèi)脫流，運(yùn)行穩(wěn)定，空蝕性能好。軸流轉(zhuǎn)漿式、斜流式水輪機(jī)在不同工況下，可以進(jìn)行雙調(diào)節(jié)(導(dǎo)葉開度a0、葉片角度)，一般可使水輪機(jī)在較大范圍內(nèi)達(dá)到或接近進(jìn)口無撞擊、出口無渦流，具有較寬廣的效率區(qū)。水輪機(jī)在最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，不但效率高，而且穩(wěn)定性和空蝕性能也好。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，水輪機(jī)的運(yùn)行工況范圍均有一定限制。第四節(jié) 尾水管的工作原理轉(zhuǎn)輪所獲得能量等于轉(zhuǎn)

7、輪進(jìn)出口之間的能量差：1. 無尾水管時(shí)：，轉(zhuǎn)輪獲得能量：2. 設(shè)尾水管時(shí)：，根據(jù)2-2至5-5斷面能量方程：可得：設(shè)尾水管后，轉(zhuǎn)輪所獲得能量：水輪機(jī)多獲得的能量：所以，設(shè)置尾水管以后，在轉(zhuǎn)輪出口形成了壓力降低，出現(xiàn)了真空現(xiàn)象，真空由兩部分組成：(1) 靜力真空：H2(落差)，也稱為吸出高度Hs；(2) 動(dòng)力真空(轉(zhuǎn)輪出口的部分動(dòng)能)3. 尾水管的作用(1) 匯集轉(zhuǎn)輪出口水流，排往下游。(2) 當(dāng)Hs>0時(shí)，利用靜力真空。(3) 利用動(dòng)力真空Hd。4. 尾水管的動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)尾水管的靜力真空Hs取決于水輪機(jī)的安裝高程，與尾水管的性能無關(guān)；衡量尾水管性能好壞的標(biāo)志是恢復(fù)動(dòng)能的程度（與尾水管尺寸

8、有關(guān)），一般用動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)w表示：w >0.8 時(shí)，效果較好；w 0.30.4時(shí)，效果較差。w=1-W (W為尾水管的水力損失系數(shù))第五節(jié) 水輪機(jī)的空化與空蝕一、水輪機(jī)的空蝕1. 空化及空化壓力的概念水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。水在一定壓力下加溫引起的汽化為沸騰；環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的空化壓力(Pb) 2. 水輪機(jī)的空蝕(1) 空蝕破壞的機(jī)理由：可知，當(dāng)VP,當(dāng)P= Pb時(shí)，水開始汽化汽泡（水蒸氣+空氣）進(jìn)入高壓區(qū)（汽泡時(shí)蒸氣變成水，汽泡內(nèi)氣體稀薄，出現(xiàn)強(qiáng)大真空，汽泡外面的水流質(zhì)點(diǎn)在內(nèi)外壓差的作用下急速向汽泡中心

9、壓縮、沖擊）在汽泡內(nèi)形成很大的微觀水擊壓力（可達(dá)幾百大氣壓）；汽泡產(chǎn)生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質(zhì)點(diǎn)向外沖擊。大量汽泡連續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點(diǎn)反復(fù)沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴(yán)重破壞 機(jī)械破壞，叫疲勞剝蝕。汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時(shí)水流質(zhì)點(diǎn)相互撞擊，引起局部溫度升高(可達(dá)到300)，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕；同時(shí)由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用化學(xué)腐蝕。(2) 水輪機(jī)空蝕定義汽泡在潰滅過程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周期性變化，使周圍的水流質(zhì)點(diǎn)發(fā)生巨大的反復(fù)沖擊，對(duì)水輪機(jī)過流金屬表面產(chǎn)生機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機(jī)的空蝕。3. 空蝕造成的危害使過流部件機(jī)

10、械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)部件破壞。增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降。機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)造成廠房振動(dòng)破壞 。縮短了機(jī)組檢修的周期，增加了檢修的復(fù)雜性。消耗鋼材、延長(zhǎng)工期；二、水輪機(jī)空蝕類型翼形(葉片)空蝕：轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的空蝕，與葉片形狀、工況有關(guān)。反擊式水輪機(jī)主要汽蝕形式。間隙空蝕：當(dāng)水流通過間隙和較小的通道時(shí)，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生空蝕?？涨豢瘴g：在非最優(yōu)工況時(shí)，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對(duì)稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力脈動(dòng)，在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生空蝕破壞，可能造成尾水管振動(dòng)。局部空蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。尾水管內(nèi)的真空渦

11、帶和水流軌跡三、防止空蝕的措施流速和壓力是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個(gè)原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。1. 設(shè)計(jì)制造方面： 合理選型，葉型流線設(shè)計(jì)，表面光滑，抗汽蝕鋼襯(不銹鋼)。2. 工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。3. 運(yùn)行方面：避開低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)度，必要時(shí)在尾水管補(bǔ)氣。 第六節(jié) 水輪機(jī)的空蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程一、水輪機(jī)的空蝕系數(shù)反擊式水輪機(jī)發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了p<pb的情況，因此防止汽蝕的措施是限制p的降低，使ppb。影響水輪機(jī)效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡量水輪機(jī)汽蝕性能好壞一般是針對(duì)翼型空蝕而言，其標(biāo)志為空

12、蝕系數(shù)。空蝕系數(shù)是水輪機(jī)汽蝕特征的一個(gè)標(biāo)志，越大，越容易破壞 。葉片上壓力最低點(diǎn)通過研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點(diǎn)（一般為葉片背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處)K點(diǎn)的壓力為：K點(diǎn)的真空值Hkv：靜力真空Hs是吸出高度，取決于水輪機(jī)的安裝高程，與水輪機(jī)的性能無關(guān)；動(dòng)力真空hk與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機(jī)工況、尾水管性能有關(guān)，因此表明汽蝕性能的只是動(dòng)力真空：稱水輪機(jī)的汽蝕系數(shù)，是動(dòng)力真空的相對(duì)值。l 與葉型、工況有關(guān)，Wk大 W2大大。l 與尾水管的性能有關(guān)，w，汽蝕性能差。l 幾何形狀相似的水輪機(jī)，工況相似，相同；對(duì)任一水輪機(jī)在既定工況下，也是定值。l 值影響因素復(fù)雜，理論難以確定，廣泛使用的方法是進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗(yàn)得出m，并認(rèn)為=m。二、水輪機(jī)的吸出高為了防止空蝕，必須限制K點(diǎn)的壓力，使pKpB保證水輪機(jī)內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件：pkpB 或簡(jiǎn)化為 水輪機(jī)吸出高Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點(diǎn)到下游水面的垂直高度Zk，隨工況而改變，規(guī)定如下：(1) 立軸混流式水輪機(jī)：導(dǎo)葉下部底環(huán)平面到下游尾水垂直高度(2) 立軸軸流式水輪機(jī)：轉(zhuǎn)輪葉片軸線到下游尾水垂直高度(3) 臥軸貫流式水輪機(jī)：Hs 葉片出口最高點(diǎn)到下游尾水垂直高度(4) 設(shè)計(jì)尾水位高于上述高程Hs為負(fù)，