第三章水輪機工作原理課件

第三章水輪機工作原理第一節(jié)水流在反擊式水輪機中的運動一、基本假定（1)轉(zhuǎn)輪葉片與導葉無限薄、葉片數(shù)無限多。流動為均勻且軸對稱的，其相對運動軌跡與葉片翼型斷面的中線（即骨線）相重合。（2)進入轉(zhuǎn)輪之前的運動是均勻的、軸對稱的。（3)工況不變?？臻g恒定流?；炝魇剿啓C轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流面和軸面二水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的運動

復合運動=相對運動+牽連運動vuwr

圖1-27混流式轉(zhuǎn)輪進、出口速度三角形第二節(jié)水輪機基本方程能量平衡方程動量矩定理-圖1-29

繞軸運動物體的矢量示意圖動量矩變化圖1-30水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的動量矩變化作用于水流的外力及其形成的力矩

（1）重力。不產(chǎn)生力矩。（2）轉(zhuǎn)輪上冠與下環(huán)的內(nèi)表面對水流的壓力。其壓力軸對稱，壓力的合力與水輪機軸相交，不產(chǎn)生力矩。（3）轉(zhuǎn)輪外的水流在轉(zhuǎn)輪進、出口處對轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)水流的水壓力。為旋轉(zhuǎn)面，合力與軸相交，不產(chǎn)生力矩。（4）轉(zhuǎn)輪流道固體邊界對水流的摩擦力。此摩擦力對水輪機軸線的力矩很小，可略去不計（5）轉(zhuǎn)輪葉片對水流的作用力。水輪機的基本方程式左邊：單位重量水流所具有的有效水能右邊：轉(zhuǎn)輪進、出口處水流速度矩的變化其他形式意義及討論水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡方程能量參數(shù)，動量參數(shù)關(guān)系有效能量，是靠轉(zhuǎn)輪進、出口的速度矩差或環(huán)量差來實現(xiàn)的，大中型反擊式水輪機，轉(zhuǎn)輪進口速度矩是由水輪機蝸殼和導水機構(gòu)形成。無蝸殼或?qū)畽C構(gòu)的水輪機，進口水流速度環(huán)量只有靠轉(zhuǎn)輪本身形成。過小的出口速度矩可能導致效率降低第三節(jié)水輪機的效率及最優(yōu)工況一、水輪機效率

1.水力損失及水力效率2.容積損失及容積效率3.機械損失及機械效率總效率二、水輪機的最優(yōu)工況水輪機的工況：水輪機運行的工作條件，用水輪機的工作參數(shù)(工作水頭、流量、轉(zhuǎn)速、出力與效率等)來表征。最優(yōu)工況：水力損失最小、效率最高的工況實際上限制水輪機運行工況范圍，盡量避免在不利工況下長期運行不穩(wěn)定工況【例1-2】某軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪進口直徑D1=8m，轉(zhuǎn)輪輪轂直徑dg=3.2m，流量Q=215m3/s，水頭H=15m；轉(zhuǎn)速n=70r/min，水力效率ηj=0.92，試繪制在最優(yōu)工況下在D=6m處圓柱層上轉(zhuǎn)輪的進、出口速度三角形（設(shè)軸面速度均勻分布，忽略排擠[z1]

）。解：在D=6m處圓柱層上，由水輪機基本方程式得1．無撞擊進口無撞擊進口：轉(zhuǎn)輪進口水流相對速度的方向與葉片進口處的骨線切線方向一致。2．法向出口------絕對出流角α2=90°

第三節(jié)尾水管工作原理(作用)1.尾水管的作用是什么？2.圖中，水輪機利用的能量怎么表達？第三節(jié)尾水管工作原理(作用)（1）無尾水管時(2)圓柱形尾水管小于大氣壓力多了Hs!!!!-----靜力真空(3)擴散型尾水管動力真空尾水管的動能恢復系數(shù)尾水管水力損失系數(shù)尾水管相對水力損失系數(shù)尾水管水力損失尾水管的作用（1）將轉(zhuǎn)輪出口水流引向下游。（2）利用轉(zhuǎn)輪高出下游水面的那一段位能，形成靜力真空。（3）以動力真空的形式回收轉(zhuǎn)輪出口水流部分動能第五節(jié)、水輪機的空化和空蝕一、空化(cavitation)及空化壓力(vapouring)的概念

汽化：液體變氣體沸騰：溫度升高空化：任何一種液體在溫度一定時，當壓力降低到某一臨界值之下時，液體就會汽化成氣泡（或溶解于液體中的空氣發(fā)育形成空穴），然后氣泡被流體帶到壓力高于臨界值的區(qū)域，氣泡將潰滅，這個低壓條件下的汽化稱為空化空蝕：空化對過流表面的作用空化壓力空化壓力：在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的汽化壓力(Pb)。水的溫度t(℃)05102030405060708090100汽化壓力pv/g

(mH2O)0.060.090.120.240.430.751.262.033.174.837.1510.33自然水二、空化的機理氣核內(nèi)因：液體中存在空化核（空氣、蒸汽、微顆粒等‘雜質(zhì)’）外因：壓力降低氣泡生成氣泡長大氣泡縮小氣泡潰滅初生階段發(fā)育階段潰滅階段純凈水怎么樣？什么時候壓力降低？三水輪機的空蝕空蝕：空化過程若發(fā)生在固體邊界上，氣泡的潰滅將引起固體過流表面材料的損壞

隔河巖空蝕空蝕機理2.化學腐蝕局部溫度升高(300度)，氣泡的氧原子與金屬發(fā)生化學反應，造成腐蝕。3.電化學作用：局部溫差，形成熱電偶，引起熱電效應，產(chǎn)生電化腐蝕4.主要是機械破壞，化學和電化腐蝕加速了機械破壞過程。1.機械破壞（疲勞剝蝕）

四、水輪機空蝕類型

1、翼形（葉片）空蝕圖2-23沿葉片背面壓力分布反擊式主要的空化和空蝕形態(tài)

2、間隙空蝕：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(chǎn)生空蝕。圖2-25間隙空化和空蝕3、空腔空蝕：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)生空蝕破壞，造成尾水管振動。嚴重時將引起運行不穩(wěn)定及在尾水管進口段邊壁處引起空蝕4、局部氣蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的氣蝕。由于鑄造和加工缺陷形成表面不平整、砂眼、氣孔轉(zhuǎn)輪室連接的不光滑臺階處或局部凹坑處的后方，還可能發(fā)生在葉片固定螺釘及密封螺釘處混流式：以翼型空化和空蝕為主，轉(zhuǎn)槳式：以間隙空化和空蝕為主，沖擊式：在噴嘴和噴針處，在水斗分水刃處由于承受高速水流也常常有空蝕發(fā)生。翼型空化和空蝕最為普遍和嚴重，間隙空化和空蝕、局部空化和空蝕一般只發(fā)生在局部較小的范圍內(nèi)，空腔空化和空蝕對某些水電站可能比較嚴重。五、空蝕的危害及防止措施

危害：

1、使過流部件機械強度降低，嚴重時整個部件破壞。2、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。3、機組產(chǎn)生振動，嚴重時造成廠房振動破壞。六防止措施：

1、設(shè)計制造方面：合理選型，葉型流線設(shè)計，表面光滑，抗空蝕鋼襯(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)葉片上壓力最低點為K點吸出高度Hs：壓力最低點至下游尾水位的高度翼型空蝕K點、2點方程2點、a點方程K點的真空值Hk.v：空蝕系數(shù)靜力真空動力真空動力真空與水頭H的比值

空蝕系數(shù)б是水輪機空蝕特征的一個標志，б越大，越容易破壞。(1)、б稱水輪機的空蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。(2)、б與葉型、工況有關(guān)(影響Wk,W2和葉道壓力分布)Wk大——v2大——б大。(5)、б值影響因素復雜，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бm,并認為б=бm。(3)、б與尾水管的性能有關(guān)，ηw↑→б↑(4)、相似水輪機，工況相似，б相同；對任一水輪機在既定工況下，б也是定值。

空蝕系數(shù)б是水輪機空蝕特征的一個標志，б越大，越容易破壞。怎樣才能不發(fā)生空蝕？

二、水輪機的吸出高度水輪機不發(fā)生空蝕的條件：

pk≥pb

或：

空化系數(shù)修正值與水頭H的關(guān)系曲線

水輪機水頭與空化安全系數(shù)Kσ關(guān)系水頭H(m)30~100 100~250 250以上安全系數(shù)Kσ 1.15 1.20 1 吸出高度Hs：轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點到下游水面的垂直高度(1)、立軸混流式水輪機：Hs

導葉下部底環(huán)平面到下游尾水垂直高度(2)、立軸軸流式水輪機：Hs

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安裝高程是水電站廠房設(shè)計中的一個控制高程

安裝高程考慮因素：

1.空蝕

2.水電站土建工程開挖量三、水輪機的安裝高程(Turbinesittinghight)三、水輪機的安裝高程(Turbinesittinghight)1、立軸HL：導葉中心平面高程

Zs=▽w+Hs+b0/22、立軸ZL：導葉中心平面高程

Zs=▽w+Hs+xD13、臥軸HL和GL：主軸中心高程

Zs=▽w+Hs-D1/2三、水輪機的安裝高程(Turbinesittinghight)下游尾水位怎樣?。肯掠挝菜辉鯓尤?？電站裝機臺數(shù)水輪機過流量1臺或2