水電站基本知識(shí)

1、浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 電電 站站2009年2月浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 第二章第二章 水輪機(jī)的工作原理水輪機(jī)的工作原理浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 水流在反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)水流在反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)一、復(fù)雜的空間非恒定流一、復(fù)雜的空間非恒定流u水輪機(jī)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)是復(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(nèi)為復(fù)合運(yùn)動(dòng)

2、，流速的大小、方向在不斷地變道內(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)?；?，而轉(zhuǎn)輪本身也在運(yùn)動(dòng)。 浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機(jī)在某一工作狀況時(shí)，水輪機(jī)在某一工作狀況時(shí)，(H、Q、N、不變不變)，水流在水輪機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水葉及尾水管中的流動(dòng)水流在水輪機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水葉及尾水管中的流動(dòng)假定是恒定流。假定是恒定流。v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，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，也假定是恒定流。也假定是恒定流。v水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，上述假定可以簡(jiǎn)水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，上述假定可以簡(jiǎn)化分析?；治觥Ｕ憬畬?zhuān)

3、國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 水流絕對(duì)流速（相對(duì)于地球）水流絕對(duì)流速（相對(duì)于地球） 水流流動(dòng)的牽連流速水流流動(dòng)的牽連流速 水流沿葉片流動(dòng)的相對(duì)流速水流沿葉片流動(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)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(chǎng)的重要方法。輪流速場(chǎng)的重要方法。 WUVVWU浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機(jī)工作的基本方程式水輪機(jī)工作的基本方程式 一、動(dòng)量矩定理一、動(dòng)量矩定理 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：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(duì)轉(zhuǎn)輪的力矩，方程右端為水流為水流對(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。轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡關(guān)系。 )(2211rVrVgQMuue浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 該方程式對(duì)反擊式、沖擊式水輪機(jī)均適用。該方程式對(duì)反擊式、沖擊式水輪機(jī)均適用。 )(2211rVrVgQMNuuee)(2211uueVUVUgQseeHQN2211uusVUVUgH浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 水輪

5、機(jī)的效率及最優(yōu)工況水輪機(jī)的效率及最優(yōu)工況 一、水輪機(jī)的效率一、水輪機(jī)的效率(efficiency) 水輪機(jī)的能量損失導(dǎo)致水輪機(jī)的能量損失導(dǎo)致N Ns ，效率效率0時(shí)，利用靜力真空。時(shí)，利用靜力真空。 (3) 利用動(dòng)力真空利用動(dòng)力真空Hd。522552222hgVVHd浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 尾水管的動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)尾水管的動(dòng)能恢復(fù)系數(shù) 尾水管的靜力真空尾水管的靜力真空Hs取決于水輪機(jī)的安裝高程，取決于水輪機(jī)的安裝高程，與尾水管的性能無(wú)關(guān)；衡量尾水管性能好壞的標(biāo)與尾水管的性能無(wú)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)），一志是恢復(fù)動(dòng)能的

6、程度（與尾水管尺寸有關(guān)），一般用動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)般用動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)w表示表示gvhgvvw2/ )2(22252255222gvHd2/222w 0.8 時(shí)，效果較好；時(shí)，效果較好； w 0.30.4時(shí)，效果時(shí)，效果較差。較差。 ww 1浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機(jī)的空化與空蝕水輪機(jī)的空化與空蝕浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)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(kāi)始汽化的臨界壓力為該溫在給定溫度下，液體開(kāi)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(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機(jī)的空蝕水輪機(jī)的空蝕(1) 空蝕破壞的機(jī)理空蝕破壞的機(jī)理v由由 可知，當(dāng)可知，當(dāng)VP,當(dāng)當(dāng)P= Pb時(shí)，水開(kāi)始汽化時(shí)，水開(kāi)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(jìn)入高壓區(qū)進(jìn)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(xiàn)真空，汽泡外面的水流

8、質(zhì)點(diǎn)在內(nèi)外壓差減小，出現(xiàn)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)形成很大的微觀水錘壓力成很大的微觀水錘壓力(可達(dá)幾百大氣壓可達(dá)幾百大氣壓)；CgvZpE222浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 機(jī)械破機(jī)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(shí)水流質(zhì)點(diǎn)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，引起局部溫度升高相互撞擊，引起局部溫度升高(可達(dá)到可達(dá)到300)，汽泡，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)由的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造

9、成腐蝕；同時(shí)由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用于溫度升高，產(chǎn)生電解作用化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕。浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機(jī)空蝕定義水輪機(jī)空蝕定義 汽泡在潰滅過(guò)程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周汽泡在潰滅過(guò)程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周期性變化，使周?chē)乃髻|(zhì)點(diǎn)發(fā)生巨大的反復(fù)沖擊，期性變化，使周?chē)乃髻|(zhì)點(diǎn)發(fā)生巨大的反復(fù)沖擊，對(duì)水輪機(jī)過(guò)流金屬表面產(chǎn)生機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕破對(duì)水輪機(jī)過(guò)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。壞的現(xiàn)象，稱水輪機(jī)的空蝕。 隔河巖隔河巖1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空蝕號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空蝕浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)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(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ (葉片葉片) )空蝕空蝕：轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的空蝕，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)。是反擊式水輪機(jī)的主要空蝕與葉片形狀、工況有關(guān)。是反擊式水輪機(jī)的主要空蝕形式。形式。v間隙空蝕：間隙空蝕：當(dāng)水流通過(guò)間隙和較小的通道時(shí)，局部流當(dāng)水流通過(guò)間隙和較小的通道時(shí)，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生的空蝕。速增大，壓力降低而產(chǎn)生的空蝕。v空腔空蝕：空腔空蝕：在非最優(yōu)工況時(shí)，水流在尾水管中發(fā)生旋在非最優(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轉(zhuǎn)形成一種對(duì)稱真空渦

11、帶，引起尾水管中水流速度和壓力的脈動(dòng)，在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生空蝕破壞，還可能壓力的脈動(dòng)，在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生空蝕破壞，還可能造成尾水管振動(dòng)。造成尾水管振動(dòng)。v局部空蝕：局部空蝕：在過(guò)流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。在過(guò)流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。 浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 流速和壓力流速和壓力是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個(gè)原因，因是產(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。此要控制流速和壓力的急劇變化。 1. 設(shè)計(jì)制造方面：設(shè)計(jì)制造方面： 合理選型，葉型流線設(shè)計(jì)，表合理選型，葉型流線設(shè)計(jì)，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(jìn)入水輪機(jī)。沙措施，防止有害泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。 3. 運(yùn)行方面：運(yùn)行方面：避開(kāi)低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)避開(kāi)低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)度，必要時(shí)向尾水管補(bǔ)氣。度，必要時(shí)向尾水管補(bǔ)氣。 浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 水輪機(jī)的空蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程水輪機(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)一、水輪機(jī)的空蝕系數(shù)v反擊式水輪機(jī)發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過(guò)流通反擊式水輪機(jī)發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過(guò)流通道中出現(xiàn)了道中出現(xiàn)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(jī)效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡影響水輪機(jī)效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡量水輪機(jī)空蝕性能好壞一般是針對(duì)翼型空蝕而言，量水輪機(jī)空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)。其標(biāo)志為空蝕系數(shù)。v空蝕系數(shù)空蝕系數(shù)是水輪機(jī)空蝕特征的一個(gè)標(biāo)志，是水輪機(jī)空蝕特征的一個(gè)標(biāo)志，越大，越大，越容易破壞越容易破壞 。浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 通過(guò)研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點(diǎn)通過(guò)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)輪葉片出口處一般為葉片

14、背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處)K點(diǎn)的壓力為點(diǎn)的壓力為(列列K點(diǎn)點(diǎn)和和2點(diǎn)、點(diǎn)、2點(diǎn)和下游水面的能量方程點(diǎn)和下游水面的能量方程)： K點(diǎn)的真空值點(diǎn)的真空值Hk.v： 為尾水管動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)。為尾水管動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)。)22(22222gVgWWHppHwkskakv)22(22222gVgWWHppwksakw浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ )(21/22222VWWgHHhwkk浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程水電站水電站http:/ 浙江水專(zhuān)國(guó)家精品課程浙江水專(zhuān)國(guó)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(diǎn)的壓力，使點(diǎn)的壓

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