水輪機基本概念

1、水輪機的工作原理第一節(jié)水流在還擊式水輪機轉輪中的運動一、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2 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，流速的大 小、方向在不斷地變化，而轉輪本身也在運動。二、恒定流狀態(tài) 水輪機在某一工作狀況時， H、Q、N、n 不變 ，水流在水輪機的蝸殼、導水 葉及尾水 管中的流動是恒定流。水流在轉輪內的流動相對于轉輪旋轉坐標而言，也是恒定流。 水流在轉輪中的運動非常復雜，上述假定可以簡化分析。三、水流運動是空間三元流 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U 水流隨轉輪旋轉牽連流速W

2、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輪流速場的重要方法。對于混流式水輪機，可以認為任一水流質點在轉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。相同的。流面即由某一流線繞主軸旋轉而成的盤旋曲面。 在整個轉輪流道內有無數個這 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贛*根據恒定流假定可知，任一水流質點在轉輪進口的運動狀態(tài)及其流動到轉輪出口的運動狀態(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。速度與分速度的空間矢量關系第二節(jié)水輪機工作的根本方程式、動量矩定理單位時間內水流對轉輪的動量矩改變，應等于

3、作用在該水流上的外力的力矩總和。即：M =-A 乂需-必 22g其中M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轉換為旋轉機械能的平衡關系。二、 水輪機的根本方程在穩(wěn)定工況下n、Q H均不變，轉輪內的水流運動時相對的恒定流，因此轉 輪的出力為：YQe:QeNe=M 二亠 g - 必 2叨 4 UMI - 匕必 2g g肌二 QeH s所以，水輪機的根本方程為：H sg 二 UMi -5 必 2該方程式對還擊式、沖擊式水輪機均適用。三、 根本方程的物理意義方程的實質：由水流能量轉換為旋轉機械能的平衡方程，方程左邊為轉換成的機械能。水流與葉片相互作用，使得水輪機

4、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，從而使轉輪獲得力矩。水能轉變?yōu)樾D機械能的必要條件：水流在轉輪出口的能量小于進口處的能量，即轉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致 N < Ns，效率n<1效率是由水力效率、流量效率、機械效率組成1. 水力損失 head loss 及水力效率蝸殼、導葉、轉輪、尾水管一一沿程損失旋渦、脫流、撞擊 一一局部損失H 送也 HH水輪機的水力效率為 ：H一 100% =HH2. 流量損失及流量效率容積效率q,此局部流量不n根據

5、模型試驗容駅損I央機播視失沿程水力損失器術力損失水流通過轉動局部與非轉動局部間隙直流入尾水管的流量為經過轉輪作功，稱漏損。容積效率：V =QAQeQ Q3. 機械損失和機械效率水輪機的輸入功率：Nb；輸出功率：N = Ne - ANm機械效率：n=N/N e水輪機的總效率n =nn n提咼效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機械摩擦。得到。、水輪機的最優(yōu)工況水輪機的最優(yōu)工況是指 n最高的工況。一般情況下，對n起主要作用的是水力損失，流量損失和機械損失相對較小，且根本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。1、葉片進口設計撞擊損失主要發(fā)生在轉輪葉片進口處。當0 w,u二葉片進口安放角時，那么為

6、無撞擊進口工況，即轉輪進口處的水流相對速度的方向與轉輪葉片骨線在進口處的切線方向一致。b何2、葉片出口設計渦流損失主要發(fā)生在轉輪葉片出口處。當V2丄U2時，即a=90。水流平行主軸，Vu2=0,為法向出口，無渦流損失。同時滿足 妝=伍1、a=90° V2丄U2時，進口無撞擊，出口無渦損，n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，故最優(yōu)轉輪出口應為法向出口。對中、低水頭水輪機，能量損失主要發(fā)生在尾水管和轉輪內，一般a略小于90。寸，效率較高，可以防止尾水管內脫流，運行穩(wěn)定，空蝕性能好。軸流轉漿式、斜流式水輪機在不同工況下，可以進行雙調節(jié)導葉開度a。、葉

7、有較寬廣在實際運 時25片角度D 般可使水輪機在較大范圍內到達或接近進口無撞擊、出口無渦流，具 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，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I 二205-轉輪所獲得能量等于轉輪進出口之間的能量差:E 二 Ei-E2= Hi ?旦-E21. 無尾水管時:EA二巳-E2A二已-戰(zhàn)乎2g轉輪獲得能量:2 E 訐Hr 2a, E2B 二 H2 P2. 設尾水管時:；2g根據2-2至5-5斷面能量方程:2 2可得：匹二也_出-泌址-巾2 J2g設尾水管后，轉輪所獲得能量：Eb =巳-E2B=已_ -Aj :

8、 h2_5 水輪機多獲得的能量：2 2.汨二Eb-Ea二H2 ?止也-訃2丿2g所以，設置尾水管以后，在轉輪出口形成了壓力降低，出現了真空現象，真空靜力真空：H2 落差，也稱為吸出高度Hs；由兩局部組成：2 2化-*5-:h2 _5 動力真空轉輪出口的局部動能Hd3. 尾水管的作用1聚集轉輪出口水流，排往下游。當Hs>0時，利用靜力真空。 3利用動力真空 Hd。4. 尾水管的動能恢復系數尾水管的靜力真空HS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志是恢復動能的程度與尾水管尺寸有關，一般用動能恢復系數 nw 表示：2 2 2 2、心 2 5V2V22V22gw -

9、 -一“2_5/H d / 2g 2gn >0.8 時，效果較好； n = 0.3 ? 0.4 時，效果較差。n=1-w w為尾水管的水力損失系數第五節(jié)水輪機的空化與空蝕、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。(Pb)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2. 水輪機的空蝕1空蝕破壞的機理由：1 -Z -2g可知，當VT-PJ當P= Pb時，水開始汽化一汽泡水蒸氣 +空氣一進入高壓 區(qū)汽泡時 蒸氣變成水，汽泡內氣體稀薄，出現強大真空，汽泡外面的水流質點在內外壓

10、差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擊壓力可達幾百大氣壓；汽泡產生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質點向外沖擊大量汽泡連續(xù)不斷地產生與潰滅，水流質點反復沖擊，使過流通道的金屬外表遭到嚴重破壞一機械破壞，叫疲勞剝蝕。汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質點相互撞擊，引起局部溫度升高可到達300C，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學反響，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產生電解作用一化學腐蝕。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，使周圍的水流質點發(fā)生巨大的反復沖擊，對水輪機過流金屬外表產生機械剝蝕和化學腐蝕破壞的現象，稱水輪機的空蝕。3. 空蝕造成的危害使

11、過流部件機械強度降低，嚴重時整個部件破壞。增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降機組產生振動，嚴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：轉輪葉片反面出口處產生的空蝕，與葉片形狀、工況有關。還擊式水輪機主要汽蝕形式。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，在尾水管進口處產生空蝕破壞，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生的空蝕尾水管內的真空渦

12、帶和水流軌跡三、防止空蝕的措施流速和壓力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。1.設計制造方面：合理選型，葉型流線設計，外表光滑，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：避開低負荷、低水頭運行，合理調度，必要時在尾水管補氣第六節(jié) 水輪機的空蝕系數、吸出高和安裝高程一、水輪機的空蝕系數還擊式水輪機發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過流通道中出現了pvpb的情況，因此防止汽蝕的措施是限制 p的降低，使pApbO影響水輪機效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡量水輪機汽蝕性能好壞一般是針對翼型空蝕而言，其標志為空蝕系數?？瘴g系

13、數6是水輪機汽蝕特征的一個標志，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反面靠Pa-出-(2 2Wk -W22g2g2gWVL)2g近轉輪葉片出口處K點的壓力為:K點的真空值Hkv：Hkv =已-匕二Hs 叫嚴77靜力真空Hs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；動力真空hk與轉輪葉型、水輪機工況、尾水管性能有關，因此說明汽蝕性能的只是動力真空：hk/H1(Wk -W22gHwV2)6稱水輪機的汽蝕系數，是動力真空的相對值。6與葉型、工況有關， W大一 W大一 6大。6與尾水管的性能有關，nw TFT,汽蝕性能差。幾何形

14、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血，并認為6= 6m、水輪機的吸出高為了防止空蝕，必須限制K點的壓力，使Pk書bPl Pa h2 2 2Wk -W22gV2_=匹 HS2gHPaT巳T -CH保證水輪機內不發(fā)生汽蝕的條件: 氣=10.0( ；m)H900Pk> PB或簡化為H=10.0k=mH900Zk，隨工況而水輪機吸出高Hs是轉輪葉片壓力最低點到下游水面的垂直高度改變，規(guī)定如下:(1)立軸混流式水輪機：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:轉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) 設計尾水位高于上述高程Hs為負，反