水電站基本知識

1、浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 電電 站站2009年2月浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 第二章第二章 水輪機的工作原理水輪機的工作原理浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水流在反擊式水輪機轉輪中的運動水流在反擊式水輪機轉輪中的運動一、復雜的空間非恒定流一、復雜的空間非恒定流u水輪機內的水流運動是復雜的空間非恒定流水輪機內的水流運動是復雜的空間非恒定流 1)水頭、流量在不斷變化水頭、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葉片形狀為空間扭曲面，水流在兩葉片之間的流道內為復合運動

2、，流速的大小、方向在不斷地變道內為復合運動，流速的大小、方向在不斷地變化，而轉輪本身也在運動?；?，而轉輪本身也在運動。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機在某一工作狀況時，水輪機在某一工作狀況時，(H、Q、N、不變不變)，水流在水輪機的蝸殼、導水葉及尾水管中的流動水流在水輪機的蝸殼、導水葉及尾水管中的流動假定是恒定流。假定是恒定流。v水流在轉輪內的流動相對于轉輪旋轉坐標而言，水流在轉輪內的流動相對于轉輪旋轉坐標而言，也假定是恒定流。也假定是恒定流。v水流在轉輪中的運動非常復雜，上述假定可以簡水流在轉輪中的運動非常復雜，上述假定可以簡化分析?；治?。浙江水專

3、國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水流絕對流速（相對于地球）水流絕對流速（相對于地球） 水流流動的牽連流速水流流動的牽連流速 水流沿葉片流動的相對流速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用速度三角形分析水流運動的方法是研究轉輪流速場的重要方法。輪流速場的重要方法。 WUVVWU浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機工作的基本方程式水輪機工作的基本方程式 一、動量矩定理一、動量矩定理 單位時間內水流對轉輪的動量矩改變，應等于單位時間內水流對轉輪的動量矩改變，應等于作用在該水流上的外力的力矩總和。即：作用在該水流

4、上的外力的力矩總和。即： 其中其中M為水流對轉輪的力矩，方程右端為水流為水流對轉輪的力矩，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本身速度矩的變化。該式表達了水輪機中水流能量轉換為旋轉機械能的平衡關系。轉換為旋轉機械能的平衡關系。 )(2211rVrVgQMuue浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 該方程式對反擊式、沖擊式水輪機均適用。該方程式對反擊式、沖擊式水輪機均適用。 )(2211rVrVgQMNuuee)(2211uueVUVUgQseeHQN2211uusVUVUgH浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水輪

5、機的效率及最優(yōu)工況水輪機的效率及最優(yōu)工況 一、水輪機的效率一、水輪機的效率(efficiency) 水輪機的能量損失導致水輪機的能量損失導致N Ns ，效率效率0時，利用靜力真空。時，利用靜力真空。 (3) 利用動力真空利用動力真空Hd。522552222hgVVHd浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 尾水管的動能恢復系數尾水管的動能恢復系數 尾水管的靜力真空尾水管的靜力真空Hs取決于水輪機的安裝高程，取決于水輪機的安裝高程，與尾水管的性能無關；衡量尾水管性能好壞的標與尾水管的性能無關；衡量尾水管性能好壞的標志是恢復動能的程度（與尾水管尺寸有關），一志是恢復動能的

6、程度（與尾水管尺寸有關），一般用動能恢復系數般用動能恢復系數w表示表示gvhgvvw2/ )2(22252255222gvHd2/222w 0.8 時，效果較好；時，效果較好； w 0.30.4時，效果時，效果較差。較差。 ww 1浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機的空化與空蝕水輪機的空化與空蝕浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 空化及空化壓力的概念空化及空化壓力的概念v水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。v水在一定壓力下加溫引起的汽化為沸騰；水在一定壓力下加溫引起的汽化為沸騰；v環(huán)

7、境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。v在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的空化壓力度下的空化壓力(Pb) 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機的空蝕水輪機的空蝕(1) 空蝕破壞的機理空蝕破壞的機理v由由 可知，當可知，當VP,當當P= Pb時，水開始汽化時，水開始汽化汽泡汽泡(水水蒸氣蒸氣+空氣空氣)水中溶解的氣體向氣泡析出水中溶解的氣體向氣泡析出氣泡體氣泡體積迅速增大積迅速增大進入高壓區(qū)進入高壓區(qū)蒸氣變成水，汽泡體積蒸氣變成水，汽泡體積減小，出現真空，汽泡外面的水流

8、質點在內外壓差減小，出現真空，汽泡外面的水流質點在內外壓差的作用下急速向汽泡中心壓縮、沖擊，在汽泡內形的作用下急速向汽泡中心壓縮、沖擊，在汽泡內形成很大的微觀水錘壓力成很大的微觀水錘壓力(可達幾百大氣壓可達幾百大氣壓)；CgvZpE222浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 機械破機械破壞，稱為疲勞剝蝕壞，稱為疲勞剝蝕。v汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質點汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質點相互撞擊，引起局部溫度升高相互撞擊，引起局部溫度升高(可達到可達到300)，汽泡，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學反應，造成腐蝕；同時由的氧原子與金屬發(fā)生化學反應，造

9、成腐蝕；同時由于溫度升高，產生電解作用于溫度升高，產生電解作用化學腐蝕化學腐蝕。浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機空蝕定義水輪機空蝕定義 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，使周圍的水流質點發(fā)生巨大的反復沖擊，期性變化，使周圍的水流質點發(fā)生巨大的反復沖擊，對水輪機過流金屬表面產生機械剝蝕和化學腐蝕破對水輪機過流金屬表面產生機械剝蝕和化學腐蝕破壞的現象，稱水輪機的空蝕。壞的現象，稱水輪機的空蝕。 隔河巖隔河巖1號水輪機轉輪空蝕號水輪機轉輪空蝕浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/

10、 空蝕造成的危害空蝕造成的危害浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ (葉片葉片) )空蝕空蝕：轉輪葉片背面出口處產生的空蝕，轉輪葉片背面出口處產生的空蝕，與葉片形狀、工況有關。是反擊式水輪機的主要空蝕與葉片形狀、工況有關。是反擊式水輪機的主要空蝕形式。形式。v間隙空蝕：間隙空蝕：當水流通過間隙和較小的通道時，局部流當水流通過間隙和較小的通道時，局部流速增大，壓力降低而產生的空蝕。速增大，壓力降低而產生的空蝕。v空腔空蝕：空腔空蝕：在非最優(yōu)工況時，水流在尾水管中發(fā)生旋在非最優(yōu)工況時，水流在尾水管中發(fā)生旋轉形成一種對稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和轉形成一種對稱真空渦

11、帶，引起尾水管中水流速度和壓力的脈動，在尾水管進口處產生空蝕破壞，還可能壓力的脈動，在尾水管進口處產生空蝕破壞，還可能造成尾水管振動。造成尾水管振動。v局部空蝕：局部空蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產生的空蝕。在過流部件凹凸不平因脫流而產生的空蝕。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 流速和壓力流速和壓力是產生空蝕最重要的兩個原因，因是產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。此要控制流速和壓力的急劇變化。 1. 設計制造方面：設計制造方面： 合理選型，葉型流線設計，表合理選型，葉型流線設計，表面光滑，抗空蝕鋼襯面光滑，抗空蝕鋼襯(不銹鋼不銹鋼)。

12、 2. 工程措施：工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙進入水輪機。沙措施，防止有害泥沙進入水輪機。 3. 運行方面：運行方面：避開低負荷、低水頭運行，合理調避開低負荷、低水頭運行，合理調度，必要時向尾水管補氣。度，必要時向尾水管補氣。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機的空蝕系數、吸出高和安裝高程水輪機的空蝕系數、吸出高和安裝高程一、水輪機的空蝕系數一、水輪機的空蝕系數v反擊式水輪機發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過流通反擊式水輪機發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過流通道中出現了道中出現了ppb的情況，因此防止空蝕的措

13、施是的情況，因此防止空蝕的措施是限制限制p的降低，使的降低，使ppb。v影響水輪機效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡影響水輪機效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡量水輪機空蝕性能好壞一般是針對翼型空蝕而言，量水輪機空蝕性能好壞一般是針對翼型空蝕而言，其標志為空蝕系數。其標志為空蝕系數。v空蝕系數空蝕系數是水輪機空蝕特征的一個標志，是水輪機空蝕特征的一個標志，越大，越大，越容易破壞越容易破壞 。浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 通過研究葉片上的壓力分布情況，得到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輪葉片出口處一般為葉片

14、背面靠近轉輪葉片出口處)K點的壓力為點的壓力為(列列K點點和和2點、點、2點和下游水面的能量方程點和下游水面的能量方程)： K點的真空值點的真空值Hk.v： 為尾水管動能恢復系數。為尾水管動能恢復系數。)22(22222gVgWWHppHwkskakv)22(22222gVgWWHppwksakw浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ )(21/22222VWWgHHhwkk浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 為了防止空蝕，必須限制為了防止空蝕，必須限制k點的壓力，使點的壓

15、力，使pkpB HppHBasHHms)(9000 .10HkHms9000 .10)22(22222gVgWWHppwksakHHpsa保證水輪機內不發(fā)生汽蝕的條件：保證水輪機內不發(fā)生汽蝕的條件： pk pB Pa/=10.33 PB/=0.090.24浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ (1) 立軸混流式水輪機：立軸混流式水輪機： 導葉下部底環(huán)平面到下游尾水面垂直高度。導葉下部底環(huán)平面到下游尾水面垂直高度。 (2) 立軸軸流式水輪機：立軸軸流式水輪機： 轉輪葉片軸線到下游尾水面垂直高度。轉輪葉片軸線到下游尾水面垂直高度。 (3) 臥軸貫流式水輪機：臥軸貫流式水輪機： 葉片出口最高點到下游尾水面垂直高度。葉片出口最高點到下游尾水面垂直高度。 (4) 設計尾水位高于上述高程設計尾水位高于上述高程Hs為負，反之為正。為負，反之為正。 (5) 為保證水輪機在運行中不發(fā)生空蝕，對各種工況為保證水輪機在運行中不發(fā)生空蝕，對各種工況下下Hs 進行試驗，取其中較小值進行試驗，取其中較小值。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 1. 立軸立軸HL：導葉中心平面高程：導葉中心平面高程 Za=w+Hs+b0/2 2. 立軸立軸ZL：導葉中心平面高程：導