水輪機基本概念

1、水輪機基本概念水輪機的工作原理第一節(jié)水流在反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪中的運動一、復(fù)雜的空間非恒定流水輪機內(nèi)的水流運動是復(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)合運動，流速的大小、方向在不斷地變化，而轉(zhuǎn)輪本身也在運動。二、恒定流狀態(tài)水輪機在某一工作狀況時，（“Q、N、不變），水流在水輪機的蝸殼、導(dǎo)水葉及尾水管中的流動是恒定流。1 / 13水輪機基本概念水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動相對于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)而言，也是恒定流。水流在轉(zhuǎn)輪中的運動非常復(fù)雜，上述假定可以簡化分析。三、水流運動是空間：兀流水流運動規(guī)律用速度三角形表達V=u+wv水流絕對流速（相對于地球）v水流隨

2、轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)牽連流速W水流沿葉片流動的相對流速用速度三角形分析水流運動的方法是研究轉(zhuǎn)輪流速場的重要方法。對于混流式水輪機，可以認(rèn)為任一水流質(zhì)點在轉(zhuǎn)輪中的運動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動。流面即由某一流線繞主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。在整個轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)有無數(shù)個這樣的流面。流面上每一個進口點的速度三角形是相同的；每一個出口點的速度三角形也是相同的。2 / 13水輪機基本概念根據(jù)恒定流假定可知，任一水流質(zhì)點在轉(zhuǎn)輪進口的運動狀態(tài)及其流動到轉(zhuǎn)輪出口的運動狀態(tài)可由同一時刻該流面上任意進、出口點的速度三角形表示。速度三角形中各速度及其分透度的美東第放式爾塵NA齡M、出n是二三育修速度與

3、分速度的空間矢量關(guān)系第二節(jié)水輪機工作的基本方程式一、動矩定理單位時間內(nèi)水流對轉(zhuǎn)輪的動量矩改變，應(yīng)等于作用在該水流上的外力的力矩總和。即：其中M為水流對轉(zhuǎn)輪的力矩，方程右端為水流本身速度矩的變化。該式表達了水輪機中水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡關(guān)系。二、水輪機的基本方程在穩(wěn)定工況下(、Q、，均不變)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運動時相對的恒定流,因此轉(zhuǎn)輪的出力為：M=幺(匕田匕2外。=幺。匕一%)N.=/月%gg所以，水輪機的基本方程為："/g=匕6匕2該方程式對反擊式、沖擊式水輪機均適用。三、基本方程的物理意義方程的實質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡方程，方程左邊為轉(zhuǎn)換成的機械能。水流與葉片相

4、互作用，使得水輪機做功。水流通過水輪機時，葉片迫使水流動量矩發(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)機械能的必要條件：水流在轉(zhuǎn)輪出口的能量小于進口處的能量，即轉(zhuǎn)輪的進口和出口必須存在速度矩的差值。第三節(jié)水輪機的效率及最優(yōu)工況一、水輪機的效率(efficiency)水輪機的能量損失導(dǎo)致N<M,效率/<1效率是由水力效率、流量效率、機械效率組成1 .水力損失(headloss)及水力效率蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管沿程損失旋渦、脫流、撞擊一局部損失水輪機的水力效率為:="一產(chǎn)-x100%=與HH2 .流量損失及流量效率（容積效率）水流通過轉(zhuǎn)動部分與

5、非轉(zhuǎn)動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：仇=支邑=收QQ3 .機械損失和機械效率水輪機的輸入功率：M；輸出功率:N=M-ANm機械效率：m=MNe水輪機的總效率提高效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機械摩擦。n根據(jù)模型試驗得到。二、水輪機的最優(yōu)工況水輪機的最優(yōu)工況是指/最高的工況。一般情況下，對起主要作用的是水力損失，流量損失和機械損失相對較小，且基本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。效 率 n沿程水力損失容積損失 成械損失,黑水力損失出力NNmax1、葉片進口設(shè)計撞擊損失主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片進口處。當(dāng)A（W1,U）二的（葉片進口安放角）時，則

6、為無撞擊進口工況，即轉(zhuǎn)輪進口處的水流相對速度的方向與轉(zhuǎn)輪葉片骨線在進口處的切線方向一致。（a）出）（c）2、葉片出口設(shè)計渦流損失主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片出口處。當(dāng)V2J_U2時,即（12=90。，水流平行主軸,Vu2=0,為法向出口,無渦流損失。時滿足/?1=加1,a2=9（HV2J_U2）時，進口無撞擊，出口無渦損，最高，稱為水輪機的最優(yōu)工況。對高水頭水輪機，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。對中、低水頭水輪機，能量損失主要發(fā)生在尾水管和轉(zhuǎn)輪內(nèi)，一般s略小于90。時，效率較高，可以避免尾水管內(nèi)脫流，運行穩(wěn)定，空蝕性能好。軸流轉(zhuǎn)漿式、斜流式水輪機在不同工況下，可以進行雙調(diào)節(jié)（

7、導(dǎo)葉開度的、葉片角度0),一般可使水輪機在較大范圍內(nèi)達到或接近進口無撞擊、出口無渦流，具有較寬廣的效率區(qū)。水輪機在最優(yōu)工況運行時，不但效率高，而且穩(wěn)定性和空蝕性能也好。因此，在實際運行中，水輪機的運行工況范圍均有一定限制。第四節(jié)尾水管的工作原理2 輪所獲得能量等于轉(zhuǎn)輪進出口之間的能量差：E=EE,=(hQ)_E,1.無尾水管時：&=(%+區(qū)),/=",+莊+空_/2轉(zhuǎn)輪獲得能量：Ea=E&八=乩一(乩-2g22.設(shè)尾水管時：£尸(兄+比)，E)b=H)+%理7.y2g根據(jù)2-2至5-5斷面能量方程：p,a"：PaaV：A/-rzn)a口,。尸彳一見

8、匕？A/、+H2+-=+A/7,5可得：=-H,-一65)y-2gy2g/2g設(shè)尾水管后，轉(zhuǎn)輪所獲得能量：入=g-后產(chǎn)”（蟲£+4%）-2g-水輪機多獲得的能量:AE=Eh-Es=H1+-/?）2g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:“2（落差），也稱為吸出高度及；（2）動力真空（轉(zhuǎn)輪出口的部分動能）3 =%匕：%>M=3.尾水管的作用（1）匯集轉(zhuǎn)輪出口水流，排往下游。（2）當(dāng)鳳>0時，利用靜力真空。（3）利用動力真空為。4 .尾水管的動能恢復(fù)系數(shù)尾水管的靜力真空"取決于水輪機的安裝高程，與尾水管的性

9、能無關(guān)；衡量尾水管性能好壞的標(biāo)志是恢復(fù)動能的程度（與尾水管尺寸有關(guān)），一般用動能恢復(fù)系數(shù)如表示：小=（上=凡/絲上w>0.8時，效果較好；w=0.30.42g2g2g時，效果較差。小片1-8優(yōu)w為尾水管的水力損失系數(shù)）第五節(jié)水輪機的空化與空蝕一、水輪機的空蝕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 .水輪機的空蝕（1）空蝕破壞的機理由：y2g可知，當(dāng)vT-pi,當(dāng)尸二Pb時，水開始汽化一汽泡（水蒸氣+空氣）一進入高壓區(qū)（汽泡

10、時蒸氣變成水，汽泡內(nèi)氣體稀薄，出現(xiàn)強大真空，汽泡外面的水流質(zhì)點在內(nèi)外壓差的作用下急速向汽泡中心壓縮、沖擊）在汽泡內(nèi)形成很大的微觀水擊壓力（可達幾百大氣壓）；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)點反復(fù)沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴(yán)重破壞一機械破壞，叫疲勞剝蝕。汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質(zhì)點相互撞擊，引起局部溫度升高（可達到300）,汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用T化學(xué)腐蝕。（2）水輪機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)點發(fā)生巨大的反復(fù)沖擊，對水輪機

11、過流金屬表面產(chǎn)生機械剝蝕和化學(xué)腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機的空蝕。3 .空蝕造成的危害使過流部件機械強度降低，嚴(yán)重時整個部件破壞。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。機組產(chǎn)生振動，嚴(yán)重時造成廠房振動破壞?？s短了機組檢修的周期，增加了檢修的復(fù)雜性。消耗鋼材、延長工期；二、水輪機空蝕類型翼形（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，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，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對稱真空渦帶,引起尾水管中水流速度和壓力脈動，在尾水管進口處產(chǎn)生空

12、蝕破壞，可能造成尾水管振動。局部空蝕:在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。渦帶和水流軌跡三、防止空蝕的措施流速和壓力是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。1 .設(shè)計制造方面：合理選型，葉型流線設(shè)計，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，防止泥沙進入水輪機。3 .運行方面：避開低負(fù)荷、低水頭運行，合理調(diào)度，必要時在尾水管補氣。第六節(jié)水輪機的空蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程一、水輪機的空蝕系數(shù)反擊式水輪機發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了<Pb的情況，因此防止汽蝕的措施是限制p的降低，使沙b。影響水輪機效率的主要原因是翼

13、型空蝕，所以衡量水輪機汽蝕性能好壞一般是針對翼型空蝕而言，其標(biāo)志為空蝕系數(shù)?？瘴g系數(shù)6是水輪機汽蝕特征的一個標(biāo)志，6越大，越容易破壞。葉片上壓力最低點通過研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點（一般為葉片背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處）K點的壓力為：”=&-",-（肛二+小上）K點的真空值?。?2g2g%=%+（吟及+小箏YY2g2g靜力真空”,是吸出高度，取決于水輪機的安裝高程，與水輪機的性能無關(guān)；動力真空加與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機工況、尾水管性能有關(guān)，因此表明汽蝕性能的只是動力真空:b="/=（叱2-W,2+/v,2）6稱水輪機的汽蝕系數(shù)，是動力真空的相對2gH-&#

14、39;值。 6與葉型、工況有關(guān)，Wk大一隊大一大。 6與尾水管的性能有關(guān)，機T-BT，汽蝕性能差。幾何形狀相似的水輪機，工況相似，6相同；對任一水輪機在既定工況下,6也是定值。6值影響因素復(fù)雜，理論難以確定，廣泛使用的方法是進行水輪機模型試驗得出6m,并認(rèn)為6=6mo二、水輪機的吸出高為了防止空蝕，必須限制K點的壓力，使也=以一七-(醫(yī)二生+小些)=比一乩一用保證水輪機內(nèi)不發(fā)生汽蝕的/2g2gy條件：kepB乙一”一用=10.0-一(b“,+zXb)或簡化為/900V乩=10.0kq“H900水輪機吸出高Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點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: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: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:Hs葉片出口最高點到下游尾水垂直高度(4)設(shè)計尾水