水輪機(jī)基本概念VIP

1、水輪機(jī)基本概念水輪機(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)，（“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。1 / 13水輪機(jī)基本概念水流在轉(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，上述假定可以簡化分析。三、水流運(yùn)動(dòng)是空間：兀流水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律用速度三角形表達(dá)V=u+wv水流絕對(duì)流速（相對(duì)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(dòng)的相對(duì)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。2 / 13水輪機(jī)基本概念根據(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(jī)工作的基本方程式一、動(dòng)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(、Q、，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：M=幺(匕田匕2外。=幺。匕一%)N.=/月%gg所以，水輪機(jī)的基本方程為："/g=匕6匕2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

4、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<M,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(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(jī)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(dòng)部分與

5、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：仇=支邑=收QQ3 .機(jī)械損失和機(jī)械效率水輪機(jī)的輸入功率：M；輸出功率:N=M-ANm機(jī)械效率：m=MNe水輪機(jī)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(jī)械摩擦。n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。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(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)A（W1,U）二的（葉片進(jìn)口安放角）時(shí)，則

6、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。（a）出）（c）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)V2J_U2時(shí),即（12=90。，水流平行主軸,Vu2=0,為法向出口,無渦流損失。時(shí)滿足/?1=加1,a2=9（HV2J_U2）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s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)（

7、導(dǎo)葉開度的、葉片角度0),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2 輪所獲得能量等于轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口之間的能量差：E=EE,=(hQ)_E,1.無尾水管時(shí)：&=(%+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(shí)：£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(jī)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(dòng)力真空（轉(zhuǎn)輪出口的部分動(dòng)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(shí)，利用靜力真空。（3）利用動(dòng)力真空為。4 .尾水管的動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)尾水管的靜力真空"取決于水輪機(jī)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(dòng)能的程度（與尾水管尺寸有關(guān)），一般用動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)如表示：小=（上=凡/絲上w>0.8時(shí)，效果較好；w=0.30.42g2g2g時(shí)，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(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：y2g可知，當(dāng)vT-pi,當(dāng)尸二Pb時(shí)，水開始汽化一汽泡（水蒸氣+空氣）一進(jìn)入高壓區(qū)（汽泡

10、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)重破壞一機(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T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)

11、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)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?？s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

12、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。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(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<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(jī)效率的主要原因是翼

13、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)志為空蝕系數(shù)?？瘴g系數(shù)6是水輪機(jī)汽蝕特征的一個(gè)標(biāo)志，6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：”=&-",-（肛二+小上）K點(diǎn)的真空值弧：/2g2g%=%+（吟及+小箏YY2g2g靜力真空”,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)力真空加與轉(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:b="/=（叱2-W,2+/v,2）6稱水輪機(jī)的汽蝕系數(shù)，是動(dòng)力真空的相對(duì)2gH-&#

14、39;值。 6與葉型、工況有關(guān)，Wk大一隊(duì)大一大。 6與尾水管的性能有關(guān)，機(jī)T-BT，汽蝕性能差。幾何形狀相似的水輪機(jī)，工況相似，6相同；對(duì)任一水輪機(jī)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(jìn)行水輪機(jī)模型試驗(yàn)得出6m,并認(rèn)為6=6mo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，使也=以一七-(醫(yī)二生+小些)=比一乩一用保證水輪機(jī)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(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