水力機械課件資料

1、,水 力 機 械,水 利 學 院 2007年12月,緒 論,水力機械,緒 論 本章要點： 了解水力發(fā)電在能源開發(fā)中的作用； 了解世界水力發(fā)電的發(fā)展； 了解我國水電建設的現(xiàn)狀和發(fā)展； 了解水電站的類型及組成建筑物，從體系上掌握本 課程的主要內(nèi)容和學習方法，建立學習的基本框架。,第一章 緒論,水力機械,一、什么是水能資源(hydropower resources) 蘊藏于河川和海洋水體中,以位能、壓能和動能等形式存在于水體中的能量資源，統(tǒng)稱為水能。廣義的水能資源包括河流水能、潮汐水能、波浪能和海洋熱能資源；狹義的水能資源指河流水能資源。,緒論,水力機械,二、我國的水能資源 中國地勢西高東低，主要河

2、流發(fā)源于世界屋脊的青藏高原，奔流入海，蘊藏著得天獨厚的水能資源。 中國到底有多少水電資源可以開發(fā) 理論蘊藏容量為6.944億千瓦； 技術可開發(fā)的容量為3.78億千瓦， 列世界之冠 截至2004年9月，我國水電裝機容量突破了1億千瓦，但開發(fā)率僅24左右，遠低于發(fā)達國家5070。因此，相當長時期內(nèi)，我國水力資源開發(fā)潛力巨大,!,!,?,中國地勢圖,(1) 總量十分豐富，而人均資源量并不富裕,水能資源：實際可開發(fā)量近378532MW、19233億kWh左右，居世界第一位。 電 量 計：約占世界總量的15% 人 口： 占世界的21% 注：實際可開發(fā)水能資源：由于受水量、落差、地形、地質(zhì)、土地淹沒、移民

3、、政治、經(jīng)濟、交通、施工技術等因素的制約，一條河流的水能蘊藏量不能完全開發(fā)，只能開發(fā)其中的一部分。,(2) 地區(qū)分布極不均衡，與經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀不匹配,(3) 總開發(fā)率很低，東西開發(fā)差異極大,全國平均開發(fā)率按電量算僅9.12%，位居世界第83位，排在很多發(fā)展中國家如印度、越南、泰國、巴西、埃及等國家之后，與中國是發(fā)展中大國的位置極不相稱。 東部，已開發(fā)70%以上 西部，開發(fā)率僅7.5% 從長遠看，能輸出水電的主要是云、川、青、藏四省(自治區(qū)) 從河流看，能輸出電能的主要是金沙江、雅魯藏布江、雅礱江、瀾滄江、怒江和黃河上游青海段。近期長江干流、烏江、紅水河(含上游)均可視情況適量外送。,緒論,水力機

4、械,三、水能利用 利用水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能作動力： 水能利用的基本措施是集中水頭、 調(diào)解徑流，安裝水力機械或水力發(fā) 電裝置，把水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或電能。 水力發(fā)電(hydropower) 在河流或沿 利用水能舂米 、海的適當?shù)攸c建設水力發(fā)電站、潮汐應用水能灌溉、電站或波浪能電站，將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?舀水灌溉水輪,灌溉水車,緒論,水力機械,緒論,水力機械,（一）水力發(fā)電的優(yōu)越性：,（1）可再生能源； （2）清潔能源； （3）發(fā)電效率高； （4）操作靈活； （5）生產(chǎn)成本低廉； （6）發(fā)揮水資源的綜合利用,緒論,水力機械,（二）水力發(fā)電存在的問題,1. 生態(tài)影響； 2. 淹沒損失

5、大，移民多； 3. 投資大，施工難，工期長,水能 旋轉(zhuǎn)機械能 電能 用戶,緒論,水力機械,（三）水力發(fā)電的基本原理,通常采取集中水頭（如建壩）和 調(diào)節(jié)徑流等措施，把天然水流中蘊 有的位能和動能經(jīng)水輪機轉(zhuǎn)換為機 械能，再通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能， 最后經(jīng)輸變電設施送入電能電力 系統(tǒng)或直接供電給用戶。,水輪機,發(fā)電機,輸電線路,緒論,水力機械,（五）水力發(fā)電的形式,1.利用河川徑流水能發(fā)電的為常規(guī)水電； 2.利用海洋潮汐能發(fā)電的為潮汐發(fā)電； 3.利用波浪能發(fā)電的為波浪發(fā)電； 4.利用電力系統(tǒng)低谷負荷時的剩余電力抽水蓄 能，高峰負荷時放水發(fā)電的為抽水蓄能發(fā)電。,緒論,水力機械,波浪能電站,常規(guī)水電站,抽

6、水蓄能電站,潮汐能電站,第一章 緒論,水力機械,四、中國水電發(fā)展,（一）最大的電站 目前世界上已完建的最大的水電站是伊泰普電站，18臺發(fā)電機組，總裝機容量1260萬千瓦，年發(fā)電量750億度 中國即將建成的三峽26臺單機容量為70萬kW機組，總?cè)萘繛?820萬kW、年平均發(fā)電量847億kWh,伊泰普水電站,三峽水電站,緒論,水力機械,（三）發(fā)展目標及發(fā)展思路,1. “十一五” 到2020年的發(fā)展目標 2010年底，裝機容量達1.25億KW，占電力總裝機容量的24%，水電開發(fā)程度達40% 2020年底，裝機容量達2.7億KW，占電力總裝機容量的27%，水電開發(fā)程度達68% 2.發(fā)展思路 連續(xù)開發(fā)河

7、流梯級水電站和分片集中建設水電站群 根據(jù)具體條件，因地制宜，大中小型并舉，高中低水頭并舉,2005年1-12月中國水電發(fā)電量累計為36,768,802.61萬kWh 。7月份單月水電發(fā)電量最高，達4,049,852.09萬kWh ，比上年同期增長25.68。 2006年1-12月中國水電發(fā)電量累計為37,831,820.68萬kWh，比上年同期增長了3.5；其中單月發(fā)電量較高的月份是6月、7月和8月，6月水電發(fā)電量為4,365,807.80萬kWh ，比上年同期增長了10.41；8月水電發(fā)電量為3,746,866.19萬kWh ，比上年同期減少了4.04。 2007年1-10月中國水電發(fā)電量累

8、計為37,347,214.47萬kWh ，比上年同期增長了16.01。8月份的發(fā)電量最高，為5,272,918.08萬kWh ，比上年同期增長了40.64%。,本章重點：水輪機的主要類型及基本構(gòu)造。 本章難點：水輪機的基本構(gòu)造。 應注意的問題：反擊式、沖擊式水輪機的劃分原則。,第一章,水力機械,第一章 水輪機的主要類型及構(gòu)造,水輪機的工作參數(shù)、水輪機的主要類型、水輪機的基本構(gòu)造以及水輪機的型號及標稱直徑。,本章主要內(nèi)容：,第一章,水力機械,第一節(jié) 水輪機的主要參數(shù) Parameters of water turbine,水輪發(fā)電機組裝置原理圖,反映水輪機工作狀況特性值的一些參數(shù)，稱水輪機的基本

9、參數(shù)。由水能出力公式: N=9.81QH 可知，其基本參數(shù)包括工作水頭H、流量Q、出力N、效率，此外還有工作力矩M、機組轉(zhuǎn)速n。 1.毛水頭(nominal productive head) HM=EU-ED=ZU-ZD 2.水輪機的工作水頭 毛水頭 - 水頭損失=凈水頭 HG=EA- EB=HM - hI-A,第一章,3. 特征水頭（ characteristic head） 水輪機的水頭隨著水電站的上下水位的變化而改變，常用的幾個特征水頭： （1）最大水頭Hmax：允許水輪機運行的最大凈水頭。它對水輪機結(jié)構(gòu)的強度設計有決性的影響。 Hmax=Z正-Z下min-hI-A （2）最小水頭Hmi

10、n ，是保證水輪機安全、穩(wěn)定運行的最小凈水頭。 Hmin=Z死-Z下max-hI-A （3）加權(quán)平均水頭Hav ：在一定期間內(nèi)（視水庫調(diào)節(jié)性能而定），所有可能出現(xiàn)的水輪機水頭的加權(quán)平均值，是水輪機在其附近運行時間最長的凈水頭。Hav =Z上av-Z下av （4）設計水頭Hr，是水輪機發(fā)出額定出力時所需要的最小凈水頭。,第一章,二、流量Q（discharge） 水輪機的流量是單位時間內(nèi)通過水輪機某一既定過流斷面的水流體積，常用符號Q表示，常用的單位為m3/s。 Q隨H、N的變化而變化，當H=Hr、N=N額時，Q為最大 在Hr、nr、Nr 運行時 Qr 三、轉(zhuǎn)速n（speed） 水輪機的轉(zhuǎn)速是水輪

11、機轉(zhuǎn)輪在單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，常用符號n表示，常用單位為r/min。 對于大中型水輪發(fā)電機組，水輪機主軸和發(fā)電機主軸直接聯(lián)接（用法蘭河螺栓直接剛性連接），因此，水輪機轉(zhuǎn)速與發(fā)電機的標準同步轉(zhuǎn)速相同。,第一章,四、出力與效率（ output and efficiency ） 水輪機出力是水輪機軸端輸出的功率，常用符號P表示，常用單位kW。 水輪機的輸入功率為單位時間內(nèi)通過水輪機的水流的總能量，即水流的出力，常用符號Pn表示，則 水輪機的輸入和輸出功率之比稱為水輪機的效率。,第一章,第一章,水力機械,根據(jù)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換水流能量方式的不同， 水輪機分成兩大類： 反擊式水輪機 沖擊式水輪機,第二節(jié) 水輪機

12、的主要類型及構(gòu)造,一、反擊式水輪機 (reaction water turbine) 定義：利用水流的勢能和動能做功的水輪機稱為反擊式水輪機。 特征：轉(zhuǎn)輪的葉片為空間扭曲面，流過轉(zhuǎn)輪的水流是連續(xù)的，而且在同一時間內(nèi)，所有轉(zhuǎn)輪葉片之間的流道都由水流通過，即水流充滿轉(zhuǎn)輪室。 原理：水流通過轉(zhuǎn)輪葉片時，水流流速的大小、方向均發(fā)生變化，因此動量也發(fā)生了改變，水流產(chǎn)生反作用力，作用與每個轉(zhuǎn)輪葉片，使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，從而做功。,第一章,(一) 類型 1. 混流式水輪機 ：水流徑向流入轉(zhuǎn)輪，軸向流出,適用水頭范圍30700m，結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，效率高，適用高水頭小流量電站。,如：劉家峽水電站 龍羊峽水電

13、站 三峽水電站,上冠,輪葉,下環(huán),蝸殼,導葉,蝸殼,尾水管,第一章,2. 軸流式水輪機： 水流沿轉(zhuǎn)輪軸向流入，軸向流出，水流方向始終平行于主軸。,軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機,泄水錐,轉(zhuǎn)輪輪葉,轉(zhuǎn)輪輪轂,軸流定漿式水輪機,軸流定槳式水輪機：葉片不能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動。結(jié)構(gòu)簡單，適于水頭小，變化幅度不大的電站。,軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機：葉片能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動，進行雙重調(diào)節(jié)（導葉開度、葉片角度)。具有較高的水流效率，適于水頭和出力都有較大變化的水電站。如：葛洲壩水電站,第一章,3. 貫流式水輪機 水輪機的主軸裝置成水平或傾斜。不設蝸殼，水流直貫轉(zhuǎn)輪。水流由管道進口到尾水管出口都是軸向的。H20m,小型河床電站。

14、臥軸水輪機，廣泛用于平原和潮汐電站。如：大源度水電站、株洲航電樞紐。,燈泡式,豎井,發(fā)電機,轉(zhuǎn)輪,水輪機主軸,發(fā)電機,尾水管,豎井式,軸伸式,第一章,水力機械,4. 斜流轉(zhuǎn)漿式水輪機 在混流式及軸流式 的基礎上，產(chǎn)生了斜流式水輪機。,葉片軸線與主軸相交，葉片812片，適用于水頭變化大的水電站，高效區(qū)較大，但制造工藝復雜，要求高，限制了其發(fā)展。,水流斜向流入轉(zhuǎn)輪，又斜向流出，故稱斜流式水輪機。,泄水錐,轉(zhuǎn)輪葉片,二、沖擊式水輪機(Inpulse water tubine) 定義：利用水流的動能來做功的水輪機為沖擊式水輪機。 特征： 由噴管和轉(zhuǎn)輪組成。水流以自由水流的形式(P=Pa)沖擊轉(zhuǎn)輪，利用

15、水流動能(V方向、大小改變)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。在同一時刻內(nèi)，水流只沖擊著轉(zhuǎn)輪的一部分，而不是全部。,第一章,類型： 1. 切擊式水輪機： 特點：射流與轉(zhuǎn)輪在一個平面上 適用于高水頭，小流量水電站。,水斗,轉(zhuǎn)輪,噴嘴,水斗,圓盤,缺口,水斗,噴針,第一章,水力機械,2. 斜擊式水輪機 特點： 射流與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面成一銳角（約22.5） 效率低，多用于小型水電站。,第一章,水力機械,3. 雙擊式水輪機 特點： 結(jié)構(gòu)簡單 效率低，僅用于小型水電站。,圓盤,圓盤,弧形輪葉,水輪機的基本類型：,第一章,沖擊式水輪機與反擊式水輪機的區(qū)別? 工作原理方面： 利用水流的勢能與動能做功的水輪機為反擊式水輪機

16、；利用水流的動能做功的水輪機為沖擊式水輪機。 流動特征方面： 反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪流道有壓、封閉、全周進水；沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪流道無壓、開放、部分進水。 結(jié)構(gòu)特征方面也顯著不同。如轉(zhuǎn)輪的差別，有無噴嘴、尾水管。,第三節(jié) 水輪機的基本構(gòu)造 反擊式水輪機的主要組成部件： (1) 進水(引水)部件蝸殼：將水流均勻、旋轉(zhuǎn)，以最小水頭損失送入轉(zhuǎn)輪。 (2) 導水機構(gòu)（導葉及控制設備)：控制工況（調(diào)節(jié)流量） (3) 轉(zhuǎn)輪（工作核心)：能量轉(zhuǎn)換，決定水輪機的尺寸、性能、結(jié)構(gòu)。 (4) 泄水部件(尾水管):回收能量、排水至下游。,一、 混流式水輪機基本構(gòu)造 水流蝸殼座環(huán)導葉轉(zhuǎn)輪尾水管下游,蝸殼 蝸殼的作用是使水流產(chǎn)

17、生圓周運動，并引導水流均勻地、軸對稱地進入水輪機。,座環(huán) 位于導水葉的外圍。由上、下環(huán)和立柱組成。 作用：水輪機的骨架，承受機墩及傳來的荷載，并傳到下部基礎；支承活動導葉； 斷面設計：流線形，保證強度、剛度。數(shù)目為活動導葉的一半。,第一章,導水機構(gòu),作用：“調(diào)節(jié)出力”， “改變流量” 2. 構(gòu)造：導葉、轉(zhuǎn)軸、 連桿。,導葉,拐臂,控制環(huán),連桿,接力器,接力器活塞桿,3. 導水機構(gòu)的調(diào)節(jié)過程,第一章,導葉的主要幾何參數(shù) （1）導葉數(shù)Z0：與D1有關，一般1624。 （2）導葉相對高度b0/D1： HL：0.10.39; ZL:0.350.45 （3）導葉軸分布圓直徑D0 一般D0=1.131.1

18、6D1 (4) 導葉開度a0：兩導葉之間的垂直距離，最大開度為amax。,轉(zhuǎn)輪,上冠,輪葉,下環(huán),第一章,1. 作用：將水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機械能 2. 構(gòu)造：上冠、葉片、下環(huán)、止漏環(huán)及泄水錐等。,尾水管 尾水管的作用是引導水流進入下游河道，并回收部分動能和勢能。,二、軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機的構(gòu)造 軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機除轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室外 其他部分均與混流式水輪機類似。 1. 轉(zhuǎn)輪構(gòu)造：葉片和輪轂組成。 2. 葉片調(diào)節(jié)機構(gòu),第一章,1. 軸流式水輪機特點 (1) 轉(zhuǎn)速高，當H，N相同時，是混流式的2倍，尺寸較小。 (2) 軸流轉(zhuǎn)漿式多用于低水頭大流量大型電站,轉(zhuǎn)輪葉片可以轉(zhuǎn)動（雙調(diào)），H、N變化時，水輪機具有較高

19、的效率。,2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造 組成：葉片、輪轂、主軸、泄水錐、轉(zhuǎn)動機構(gòu),葉片 ：表面為曲面，斷面為翼形，根部厚，邊緣薄以承受水流作用的摶矩。 葉片數(shù)目：與H大小有關，一般為48片； 葉片轉(zhuǎn)角：最優(yōu)工況時=0，0，葉片開始啟動，+200 輪轂：外部連接葉片，內(nèi)部安裝轉(zhuǎn)動機構(gòu)。 轉(zhuǎn)動機構(gòu)：安裝在輪轂內(nèi)，由調(diào)速器控制，調(diào)整導葉角度。,三、斜擊式水輪機構(gòu)造,主要部件：座環(huán)、轉(zhuǎn)輪及其葉片、導水機構(gòu)、尾水管、主軸、導軸承等。 與軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機不同之處：葉片轉(zhuǎn)動軸線與主軸成45-60的夾角。,四、燈泡貫流式水輪機,實際上是臥軸安裝的軸流式水輪機，發(fā)電機安裝在燈泡體內(nèi)。,五、沖擊式水輪機構(gòu)造(水斗式),1. 水斗

20、式水輪機的組成：噴管、折流板、轉(zhuǎn)輪、機殼、尾水槽,轉(zhuǎn)輪,組成：輪盤、斗葉（沿輪盤均勻分布）。 連接方式： 螺拴、整體鑄造、焊接。,噴管,組成：噴嘴、噴管體、導水葉柵、針閥、噴桿、 操作機構(gòu) 針閥： 控制水輪機的過水流量，以行程表示。,折流板 使針閥緩慢關閉，降低水擊壓力，使水流偏離水斗，避免機組轉(zhuǎn)速升高。 機殼 把水斗中排出的水引導入尾水槽內(nèi)。一般為鑄鋼件。 引水板 防止水流隨轉(zhuǎn)輪飛濺到上方，造成附加損失,水斗式水輪機的裝置方式 臥軸：中小型水輪機。單噴嘴、雙噴嘴、單轉(zhuǎn)輪、雙轉(zhuǎn)輪 (2) 立軸：大型水輪機。,第四節(jié) 水輪機的型號及標稱直徑 反擊式水輪機的型號 （由三部分組成） HL240 LJ

21、 410 混流式水輪機，型號240（比轉(zhuǎn)速)，立軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為410cm ZZ440 LH 430 軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機，型號440，立軸，混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑430cm,第一章,沖擊式水輪機的型號 2CJ30W 120/210 一根軸上有兩個轉(zhuǎn)輪的水斗式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號為30，臥軸，轉(zhuǎn)輪直徑為120cm,每個轉(zhuǎn)輪上有兩個噴嘴，設計射流直徑為10cm。,二、水輪機的標稱直徑,各種型式水輪機的轉(zhuǎn)輪標稱直徑（常用表示）規(guī)定如下：,轉(zhuǎn)輪與射流中心線相切處的節(jié)圓直徑,沖擊式,與轉(zhuǎn)輪葉片軸線相交處的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)徑,斜流式 軸流式 貫流式,轉(zhuǎn)輪葉片進水邊的最大直徑；,混流式,本章小結(jié) 通過對本章的學習：

22、 1. 掌握反擊式、沖擊式水輪機的劃分原則; 2. 理解混流式、軸流式、水斗式水輪機水流的特點; 3. 掌握混流式、軸流式、水斗式水輪機的基本構(gòu)造; 4. 了解斜流式、貫流式、斜擊式、雙擊式水輪機水流的特點及基本構(gòu)造特點； 5. 掌握水輪機型號的表示方法及各部分的含義。,思 考 題,1現(xiàn)代水輪機的基本類型有哪些？它們的適應水頭怎樣？ 2了解我國已建及正在建的大型水電站的機組的單機容量和適用水頭。 3反擊式和沖擊式水輪機在能量轉(zhuǎn)換上有何區(qū)別？ 4解釋水輪機型號： HL160-LJ-520、 ZZ560-LH-800、 GD600-WP-250、 2CJ30-W-120/210。,第一章,Lets

23、 have a break!,課間休息,第二章 水輪機的工作原理,第二章,本章主要內(nèi)容：水流在反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪中的運動、水輪機工作的基本方程、水輪機效率及最優(yōu)工況、尾水管的工作原理、水輪機的氣蝕、氣蝕系數(shù)、吸出高及安裝高程。 本章重點：速度三角形的概念、水輪機最優(yōu)工況、尾水管的作用及型式、水輪機安裝高程。 本章難點：尾水管的工作原理、水輪機氣蝕。 應注意的問題：水輪機安裝高程的計算工況。,第一節(jié) 水流在反擊式水輪機中的運動,水輪機內(nèi)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(nèi)為復合運動，流速的大小、方向在不斷地變化，而轉(zhuǎn)輪本身

24、也在運動。,第二章,混流式水輪機，水流輻進軸出的變化是在轉(zhuǎn)輪中進行的。可認為水流質(zhì)點流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時，喇叭形的空間曲面流動，整個轉(zhuǎn)輪區(qū)有無數(shù)這樣的流動曲面。右圖中a-0-1-2曲線是流面上的一條流線(如右所示)。,混流式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流面和軸線,轉(zhuǎn)輪中任意一點的水流質(zhì)點，一方面沿葉道運動，另一方面又隨著轉(zhuǎn)輪而旋轉(zhuǎn)，是一種復合運動。,第二章,水流質(zhì)點沿葉道的運動稱為相對運動(相對運動的跡線就是流線)；隨轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)運動稱為牽連運動；而水流質(zhì)點相對大地的運動稱為絕對運動。每種運動相應的水流質(zhì)點的速度分別稱為相對速度W、牽連速度U和絕對速度V。于是在該點構(gòu)成一個速度三角形(如上所示)。,速度三角形各速度分量

25、的關系,軸流式水輪機，水流是軸向進，軸向出。假定以主軸中心線為軸線的圓柱面流動，當忽略水流的粘性時，可認為流動是互不干擾的。將水流運動的圓柱面與葉片相割的層面展開，即可得到一個平面葉柵的繞流圖。,第二章,軸流式水輪機出口三角形示意圖,第二節(jié) 水輪機工作的基本方程 一、動量矩定理 單位時間內(nèi)水流對轉(zhuǎn)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： 其中M為水流對轉(zhuǎn)輪的力矩，方程右端為水流本身速度矩的變化。該式表達了水輪機中水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡關系。,第二章,二、水輪機的基本方程 在穩(wěn)定工況下(n、Q、H均不變)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運動時相對的恒定流，因此轉(zhuǎn)輪的出力為： 所以，水輪機

26、的基本方程為： 該方程式對反擊式、沖擊式水輪機均適用。,方程的實質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡方程。 水流傳給轉(zhuǎn)輪的能量與水流在轉(zhuǎn)輪進出口之間的動量矩的變化相平衡。沒有這種動量矩的改變，轉(zhuǎn)輪就不可能獲得水流能量而做功。,第三節(jié) 水輪機的效率及最優(yōu)工況 一、水輪機的效率(efficiency) 1. 水力損失(head loss)和水力效率 蝸殼、導葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管 沿程損失 旋渦、 脫流、 撞擊 局部損失 2. 容積損失和容積效率 進入水輪機的流量不全部進入轉(zhuǎn)輪做功，有一小部分流量從水輪機的旋轉(zhuǎn)部分與固定部分之間的縫隙（如混流式水輪機的上、下止漏環(huán)縫隙、軸流式水輪機的槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間的間

27、隙)中漏損。這部分流量對轉(zhuǎn)輪不做功，所以稱為容積損失。,第二章,3.機械損失和機械效率 水流作用于轉(zhuǎn)輪的有效功率Ne不可能全部轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的出力N，其中有一小部分功率Nm消耗在各種機械損失上,如軸承及軸封處的摩擦損失、轉(zhuǎn)輪外表面與周圍水體之間的摩擦損失等。 水輪機的輸入功率：Ne 輸出功率: N=Ne -Nm 機械效率： m=N/Ne 水輪機的總效率 =HVm 提高效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機械摩擦。根據(jù)模型試驗得到。,第二章,二、水輪機的最優(yōu)工況 水輪機的最優(yōu)工況是指最高的工況。 一般情況下，對起主要作用的是水力損失，流量損失和機械損失相對較小，且基本不變，在水力損失中撞擊和渦流

28、損失最大。,水輪機效率與出力關系,1. 葉片進口設計 對效率起決定作用的是水力損失，而水力損失的大小主要取決于轉(zhuǎn)輪進口的水流撞擊的損失和轉(zhuǎn)輪出口尾水管內(nèi)的渦流損失。因此，最優(yōu)工況即為撞擊損失和渦流損失為最小的工況。,第二章,2. 葉片出口設計,渦流損失主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片出口處 當V2U2時，即2=90，水流平行主軸，Vu2=0，為法向出口，無渦流損失。,3、反擊式水輪機最優(yōu)工況 同時滿足1= e1、2=90(V2U2)時，進口無撞擊，出口無渦損，最高，稱為水輪機的最優(yōu)工況。一般2略小于90時，效率較高，出力N=(85-90)%Nr，運行穩(wěn)定，汽蝕性能好。 4、ZZ、XL水輪機在不同工況下，可以

29、進行雙調(diào)節(jié)(導葉開讀a0、葉片角度)，一般可使水輪機在較大范圍內(nèi)達到或接近進口無撞擊、出口無渦流，具有較寬廣的效率區(qū)。,第四節(jié) 尾水管的工作原理 一、尾水管的工作原理,第二章,無尾水管,裝置直錐形尾水管,轉(zhuǎn)輪所獲得能量等于轉(zhuǎn)輪進出口之間的能量差： 1.無尾水管時： 轉(zhuǎn)輪獲得能量： 2 . 設尾水管時： 根據(jù)2-2至5-5斷面能量方程：,可得： 設尾水管后，轉(zhuǎn)輪所獲得能量： 水輪機多獲得的能量：,設置尾水管以后，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： 靜力真空：H2(落差)，也稱為吸出高度Hs； 動力真空(轉(zhuǎn)輪出口的部分動能) 3. 尾水管的作用 (1) 匯集轉(zhuǎn)輪出口水流，

30、排往下游。 (2) 當Hs0時，利用靜力真空。 (3) 利用動力真空Hd。,三、尾水管的動能恢復系數(shù) 尾水管增加利用的能量有兩部分組成： （1）靜力真空Hs：取決于水輪機的安裝高程； （2）動力真空 ：與尾水管的型式尺寸有密切關系 因此，衡量尾水管性能好壞的主要指標應該是尾水管的動能回收系數(shù)：,第二章,尾水管內(nèi)的水頭損失及出口動能越小，則尾水管的恢復系數(shù)越高。因此，恢復系數(shù)表征了尾水管的質(zhì)量，反映了其轉(zhuǎn)換功能的能力。,一、氣蝕的概述,（一）氣蝕現(xiàn)象： 金屬剝蝕、設備破壞、 效率和出力降低、 噪音和振動等,水力機械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力機械,轉(zhuǎn)輪的氣蝕,第五節(jié) 水

31、輪機的氣蝕,（二）空化及汽化壓力的概念 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汽化壓力(Pb),水的溫度與汽化壓力關系曲線,汽泡的生成與潰滅 物理過程：機械剝蝕 化學過程： 1氧化腐蝕 2電解侵蝕,水力機械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力機械,二、氣蝕的過程,(1) 汽蝕破壞的機理 由 可知，當VP,當P= Pb時，水開始汽化汽泡（水蒸氣+空氣）進入高壓區(qū)（汽泡時蒸氣變成水，汽泡內(nèi)氣體稀薄，出現(xiàn)強大真空，汽泡外面的水流質(zhì)點在內(nèi)外壓差的作用下急速向汽

32、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)點反復沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴重破壞 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(zhì)點相互撞擊，引起局部升高(300)，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學反應，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用化學腐蝕。 (2) 水輪機汽蝕定義 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)點發(fā)生巨大的反復沖擊，對水輪機過流金屬表面產(chǎn)生機械剝蝕和化學腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機的汽蝕。 氣蝕對金屬表面的侵蝕作用一

33、般認為主要是機械作用；其次是電解和氧化的作用（加速了機械破壞的過程）,氣蝕的發(fā)生,第二章,三、氣蝕的類型(一)翼型氣蝕,1發(fā)生的部位 2影響及預防措施,水力機械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力機械,翼型繞流,（二）間隙氣蝕,1.發(fā)生原因：局部流速 ， 壓力 ，產(chǎn)生氣蝕。 2.發(fā)生的部位 3.影響及措施,水力機械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力機械,（三）空腔氣蝕,1產(chǎn)生的原因：偏離設計工況 非對稱真空渦帶 負壓 2發(fā)生的部位 3. 影響及預防措施,水力機械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力機械,（四） 局部氣蝕,1 發(fā)生原因：表面

34、不平 2 發(fā)生的部位 3 影響及預防措施,水力機械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力機械,噴涂的抗磨金屬粉末,表面氣蝕,活動導葉表面蝕孔形態(tài),轉(zhuǎn)輪葉片蝕坑形態(tài),水力機械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力機械,局部磨蝕,轉(zhuǎn)輪氣蝕,噴針氣蝕,3. 汽蝕造成的危害 使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(chǎn)生振動，嚴重時造成廠房振動破壞 。 縮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；,四、氣蝕防護措施 1.改善水力設計，做好選型設計； 2.提高工藝水平，采用抗蝕材料

35、； 3.改善運行條件，采用適當?shù)倪\行措施； 4.新技術的采用。,第二章,思 考 題,1、氣蝕有哪些現(xiàn)象？ 2、水輪機的氣蝕是怎樣產(chǎn)生的？ 3、水輪機的氣蝕有哪些類型？是怎樣產(chǎn)生的？ 4、采取哪些措施減小水輪機的氣蝕?,水力機械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力機械,五、水輪機的氣蝕系數(shù) 反擊式水輪機發(fā)生汽蝕破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了ppb的情況，因此防止汽蝕的措施是限制p的降低，使ppb。影響水輪機效率的主要原因是翼型汽蝕，所以衡量水輪機汽蝕性能好壞一般是針對翼型汽蝕而言，其標志為汽蝕系數(shù)。 汽蝕系數(shù)是水輪機汽蝕特征的一個標志，越大，越容易破壞 。,如圖：水流進入葉片

36、流道，部分流速水頭轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫λ^，壓力 , 水流沿葉片進口邊緣向兩側(cè)繞流，因其流速水頭的恢復及彎曲繞流產(chǎn)生的離心作用，水流在葉片正、背面上的局部壓力 。水流沿葉片兩側(cè)相對運動，水流與葉片的相互作用使葉片背面壓力 ，而葉片正面壓力 。隨由于水流不斷做功，葉片兩側(cè)的水流壓力 ，在葉片背面接近出口某點處壓力降到最低值。,第二章,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(zhuǎn)輪葉片出口處)K點的壓力為： K點的真空值Hk.v： 可見，K點的真空也是由靜力真空和動力真空組成。 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；動力真空則與轉(zhuǎn)輪的葉型和水輪機的工

37、況以及尾水管的性能有關。,因此表明汽蝕性能的只是動力真空： 稱水輪機的汽蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。 與葉型、工況有關，Wk大 W2大大。 與尾水管的性能有關，w，汽蝕性能差。 幾何形狀相似的水輪機，工況相似，相同；對任一水輪機在既定工況下，也是定值。 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m,并認為=m。,第四節(jié) 水輪機的吸出高和安裝高程 一、水輪機的吸出高度,第二章,保證水輪機內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件： pk pB,第二章,水輪機吸出高度Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點K點到下游水面的垂直高度，隨工況而改變，規(guī)定如下：,立軸混流式水輪機安裝高程示意圖,第二章,立軸軸流式水輪

38、機吸出高度和安裝高程示意圖,第二章,臥軸混流式和貫流式水輪機安裝高程示意圖,第二章,1. 立軸HL：導葉中心平面高程 Za=w+Hs+b0/2 2. 立軸ZL：導葉中心平面高程 Za=w+Hs+xD1 3. 臥軸HL和GL：軸中心高程 Za=w+Hs-D1/2 注： w ：水電站設計尾水位?？筛鶕?jù)電站的水位流量關系曲線查取。 12 臺機組，水輪機的過流量取1臺水輪機50%的額定流量； 34臺機組，水輪機的過流量取1臺水輪機的額定流量； 超過5臺機組，水輪機的過流量取1.52臺水輪機的額定流量,思考題 軸流式和混流式轉(zhuǎn)輪中水流運動各有什么特點？ 反擊式水輪機的損失有哪些內(nèi)容？水輪機效率有哪幾部分

39、組成，并說明各部分的意義。 3. 什么叫水輪機的吸出高度？寫出帶有汽蝕安全系數(shù)的允許吸出高度計算公式并說明各符號的意義。 4. 水輪機的安裝高層是如何確定的？,本章小結(jié) 通過對本章的學習： 1.了解水流在水輪機轉(zhuǎn)輪中的運動； 2.理解水輪機的基本方程式； 3.理解水輪機效率的概念和水輪機的最優(yōu)工況的含義； 4.理解尾水管的作用、型式及其主要尺寸的確定； 5.了解水輪機氣蝕的物理過程、氣蝕類型以及氣蝕系數(shù)的概念，掌握氣蝕的防護措施； 6.理解水輪機吸出高度的含義，掌握吸出高度的計算方法，理解水輪機安裝高程的含義，掌握其計算方法。,本章重點：1. 水輪機相似條件及單位參數(shù)的概念； 2. 模型綜合特

40、性曲線的應用。 本章難點：比轉(zhuǎn)速的概念及性質(zhì)。 應注意的問題：比轉(zhuǎn)速定義的工況。,第三章,相似理論概述、水輪機的相似率、單位參數(shù)和比轉(zhuǎn)速、水輪機的效率換算與單位參數(shù)修正、水輪機模型綜合特性曲線。,第三章 水輪機的相似理論及模型綜合特性曲線,本章內(nèi)容：,第一節(jié) 相似理論概述 一、基本概念 1、水輪機特性 水輪機在不同工況下運行時，各運行參數(shù)(H，Q，n，N，)及這些參數(shù)之間的關系，稱水輪機的特性。 由于水輪機水流條件復雜，研究水輪機特性靠理論與實驗相結(jié)合。 2、模型試驗 原型：尺寸大，試驗困難，不經(jīng)濟。 模型：(D : 250460mm，H ：26m) 3、相似理論 研究相似水輪機之間存在的相似

41、規(guī)律，并確立這些參數(shù)之間的換算關系的理論。,第三章,二、 水輪機的幾個相似條件： 1、幾何相似：過流通道幾何形狀相似 (1) 過流通道的對應角相等：e1e1M ；e2e2M ；M (2) 對應尺寸成比例：D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M. (3) 對應部位的相對糙率相等：/ D1M/D1M 幾何相似的大大小小的一套水輪機系列輪系 同一輪系的水輪機才能建立運動相似和動力相似。,第三章,2、運動相似： (1) 過流通道的對應點的速度方向相同 (2) 過流通道的對應點的速度大小對成比例，即速度三角形相似。 同一輪系水輪機，保持運動相似的工作狀況相似工況 3、動力相似 (壓力、慣性力、重力、摩擦力

42、等) 同一輪系水輪機，水流對應點所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。,第二節(jié) 水輪機的相似律、單位參數(shù)和比轉(zhuǎn)速 一、 水輪機的相似律 similarity formulas 相似定律：水輪機在相似工況下運行時，各工作參數(shù)(H、n、N、)之間的固定關系。 建立模型與原型水輪機各個參數(shù)之間的關系。 1、 轉(zhuǎn)速相似律：即原型和模型水輪機轉(zhuǎn)速之間的關系。 （similarity formulas of rotational speed） 在同系等角條件下，速度系數(shù)是相同的。,第三章,2 流量相似律 similarity formulas of discharge 幾何相似、相似工況下流量之間的

43、關系。(a=aM) 3 出力相似律 similarity formulas of output 出力相似律即原型和模型水輪機出力之間的關系。 HM,D1M,H,D1均為固定值，QM可以測得，若VM、HM、V、H已知，可求出Q。,二、單位參數(shù)unit parameters (在不同輪系之間進行比較) 每一輪系的水輪機都可制成尺寸不等，且可在較大的水頭、轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)工作。因此，引出單位參數(shù)表征每一輪系的水輪機的特性。 將D1m=1m，Hm=1m和原型與模型水輪機各項效率分別相等的假定代入上述的相似律，可得到相應的單位參數(shù)。 顯然，對于同一輪系的水輪機在相似工況下，單位參數(shù)的數(shù)值不變；但對于不同

44、輪系的水輪機，即使在特征工況(如最優(yōu)工況，限制工況)下，也不同。,第三章,單位流量,單位轉(zhuǎn)速,單位出力,通常用 ， 表示水輪機的運行工況。當幾何相似，單位流量和單位轉(zhuǎn)速對應相等時，兩個水輪機工況相似。 對同一輪系水輪機在不同的工況下單位參數(shù)分別為一常數(shù)(工況不同，單位參數(shù)不同)。 單位參數(shù)由模型試驗得出原形水輪機的參數(shù)(相應工況)。 水輪機在最優(yōu)工況下的單位參數(shù)最優(yōu)單位參數(shù)， 用 表示。,三、水輪機的比轉(zhuǎn)速 1. 概念 由于單位參數(shù)中都含有D1，表征某一輪系的特征不方便。故去掉D1，因此引入ns。,第三章,2. 性質(zhì)(1) 常數(shù)性質(zhì) 同輪系水輪機在相似工況下比轉(zhuǎn)速相等nsconst，是一個與水

45、輪機轉(zhuǎn)輪直徑無關的常數(shù)。在水輪機牌號中ns選定的代表工況是計算水頭下最大出力工況Nmax。HL220LJ550 (2) 單位性質(zhì) 對于任何一個輪系，當水輪機在1m的水頭下，發(fā)出1kW的出力時，這時水輪機的轉(zhuǎn)速n在數(shù)值上就等于比轉(zhuǎn)速ns。故在水輪機出力一定時，比轉(zhuǎn)速越高，機組尺寸越小，水電站廠房尺寸和機組造價減小。,3. ns與汽蝕系數(shù)的關系 在流量一定的前提下， 比轉(zhuǎn)速越高，汽蝕系數(shù)越大。為防止水輪機翼形汽蝕，須加大水輪機轉(zhuǎn)輪在下游水面下的深度，但增加了施工難度及土建投資。因此，汽蝕條件限制了高比轉(zhuǎn)速水輪機在較高水頭下的應用。 4. 比轉(zhuǎn)速ns的意義 比轉(zhuǎn)速ns表征了水輪機的性能和轉(zhuǎn)輪形狀，即

46、水輪機的型式。,第三章,不同型式水輪機的ns,討論： 相似水輪機，工況相似，ns相同，不同的ns ，反映不同輪系水輪機特征。 當H一定時： ns Nn。機組尺寸縮小，投資減少，因此提高比轉(zhuǎn)速可以降低造價。 當H和N一定時，ns越高，汽蝕系數(shù)越大，增加廠房開挖。 比轉(zhuǎn)速增加，單位流量增加，b0/D1增大，葉片數(shù)目減少。,第三節(jié) 水輪機的效率換算與單位參數(shù)的修正 一、 效率修正 單位參數(shù)公式是在假定相似工況下 ，實際上(2%7%)，其原因是： 1、最優(yōu)工況下效率修正經(jīng)驗公式計算： 混流式 軸流式,第三章,2、一般工況 HL、ZD： ZZ ： 二、單位參數(shù)的修正 最優(yōu)工況時： 其他工況時：,第四節(jié)

47、水輪機的主要綜合特性曲線 一、定義表示水輪機各參數(shù)間關系的曲線叫做水輪機的特性曲線。 水輪機參數(shù)：參數(shù)關系反映水輪機特性。 (1) 結(jié)構(gòu)參數(shù)：轉(zhuǎn)輪直徑D1，導葉高度b0，導葉開度a0，葉片轉(zhuǎn)角 (2) 工作參數(shù)：H、Q、n 、Hs (3) 綜合參數(shù)： ，軸功率N、,二、分類1. 工作特性曲線（working characteristic curves ） 2. 轉(zhuǎn)速特性曲線（main characteristic curves ） 3. 模型綜合特性曲線(model universal characteristic curves ) 4. 運轉(zhuǎn)特性曲線(operating characteri

48、stic curves) 5. 飛逸特性曲線(runaway characteristic curves) 三、特性曲線轉(zhuǎn)換 對于同一輪系水輪機來說，模型綜合特性曲線是唯一的。它是根據(jù)模型實驗的結(jié)果繪制出，能表達水輪機的能量特性、汽蝕特性等，具有普遍意義的特性曲線。 其他的特性曲線可由模型綜合特性曲線，通過相似律的關系以及效率的修正，得出運轉(zhuǎn)綜合特性曲線、工作特性曲線和轉(zhuǎn)速特性曲線等等。,工作特性曲線（working characteristic curves ）,1.軸流轉(zhuǎn)漿式：高效率區(qū)比較寬廣，效率變化平穩(wěn) 2.混流式：效率較高，但平穩(wěn)性不足 3.水斗式：效率較低，但變化平穩(wěn) 4.軸流定漿

49、式：曲線陡陵，高效率區(qū)狹窄，稍偏離最優(yōu)工況 迅速下降；,不同型號水輪機工作特性曲線,第三章,轉(zhuǎn)速特性曲線（main characteristic curves ）,.從右圖可以看出：（1）n0時，N0， 0；（2）nn0時， max，n0為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。水輪機的額定轉(zhuǎn)速接近最優(yōu)轉(zhuǎn)速才能常在高效區(qū)運行（3）nnx時，輸出N0， 0，nx稱為飛逸轉(zhuǎn)速。出現(xiàn)飛逸 時，機組產(chǎn)生強烈的振動。 .從Qn的曲線中可以看出： n變化，反擊式水輪機Q隨之變；沖擊式水輪機Q幾乎不隨n變化，但隨導葉開度變化。,轉(zhuǎn)速特性曲線,第三章,模型綜合特性曲線 model universal characteristic curv

50、es,一、定義 將坐標系n、Q換成單位參數(shù)，在其坐標場里繪制=const， =const，=const的等值線圖,該等值線圖稱為模型綜合特性曲線。 二、特性 1. 同一輪系的水輪機就只有一個綜合特性曲線圖。 2. 對于不同類型和不同輪系的水輪機，由于它們的過流通道不同，因此它們的綜合特性曲線圖也是不同的。 3. 對于混流式水輪機還有95%的出力限制線。 三、意義 水輪機模型綜合特性曲線表示同一輪系水輪機的特性。不同型式水輪機的模型綜合特性曲線也有它自身的特點（表）。,第三章,第三章,運轉(zhuǎn)特性曲線 operating characteristic curves 在實際的水輪機工作時，nconst

51、，D1const，而H在一年時間內(nèi)是變化不連續(xù)的，運轉(zhuǎn)特性曲線運用時不方便。 1.定義工作特性曲線是對某一個水頭而言的，若以H為參變，在同一張圖上畫出一簇f(N)的關系曲線，就稱為運轉(zhuǎn)特性曲線。 2. 特性（1）在運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上，計算水頭Hr是發(fā)電機發(fā)出額定出力的最小水頭。顯然對應的水輪機引用流量最大。 （2）在運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上有兩條重要的限制線，水輪機出力限制線和發(fā)電機出力限制線，也就是說機組只能在限制線內(nèi)工作。,第三章,運轉(zhuǎn)特性曲線,第三章,飛逸特性曲線 runaway characteristic curves 定義（1）飛逸轉(zhuǎn)速:當機組甩負荷，且導葉拒動時，出現(xiàn)飛逸現(xiàn)象，此時輸出

52、功率為零，而水流輸入功率依然存在。于是機組轉(zhuǎn)速迅速升高，直至水流能量與轉(zhuǎn)速升高時機械摩擦損失能量相平衡，轉(zhuǎn)速才達到某一穩(wěn)定的最大值，即飛逸轉(zhuǎn)速。飛逸轉(zhuǎn)速的特點是N0，0。（2）飛逸特性曲線：如果將所有開度的飛逸轉(zhuǎn)速畫在一張圖，且以單位參數(shù) 、 n1 Q1作為縱橫坐標，那么 =0的等效率線就是該輪系水輪機的飛逸特性曲線。 特性飛逸特性曲線上的最大值稱為最大單位飛逸轉(zhuǎn)速 。 長時間的飛逸，會引起機組轉(zhuǎn)動部件的破壞和機組廠房的強烈振動。因此工程上常設置快速閥門的措施，在2分鐘內(nèi)截流，使水流的出力為零Ns0，促使機組轉(zhuǎn)速很快下降，并停止轉(zhuǎn)動,第三章,第四章 水輪機選擇 學習本章的目的：了解水輪機選型設

53、計的內(nèi)容和基本資料，了解機組臺數(shù)和裝機容量的選擇，掌握水輪機型號和裝置方式的選擇，掌握反擊式水輪機主要參數(shù)的選擇。 本章內(nèi)容：水輪機的標準系列、水輪機選擇、水輪機工作特性曲線和運轉(zhuǎn)綜合特性曲線、蝸殼型式及主要尺寸確定、尾水管的型式及主要尺寸確定。 本章重點：水輪機的選型設計。 本章難點：水輪機的選型設計。 應注意的問題：不同類型水輪機的比較。,一、水輪機選型設計的內(nèi)容及基本資料 (1) 確定機組臺數(shù)及單機容量 (2) 選擇水輪機型式（型號）及裝置方式 (3) 確定水輪機轉(zhuǎn)輪直徑D1、n、Hs、Za；Z0、d0 (4) 繪制水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線 (5) 估算水輪機的外形尺寸、重量及價格、蝸殼、尾水

54、管的形式、尺寸、調(diào)速器及油壓裝置選擇 (6) 根據(jù)選定水輪機型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機在結(jié)構(gòu)上、材料、運行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務書，最終由雙方共同商定機組的技術條件，作為進一步設計的依據(jù)。,相關資料： (1) 水輪機產(chǎn)品技術資料： 系列型譜、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品目錄、模型綜合特性曲線。 (2) 水電站技術資料： 河流梯級開發(fā)方案、水庫的調(diào)節(jié)性能、水電站布置方案、地形、地質(zhì)、水質(zhì)、泥沙情況、總裝機容量、水電站運輸、安裝技術條件。 (3) 水文情況： 特征流量及特征水頭(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav) 、下游水位流量關系曲線 (4) 水電站有關經(jīng)濟資料：機電設

55、備價格、工程單價、年運行費等,二、機組臺數(shù)及單機容量的選擇 已知總裝機容量(=Z0N單)，N單不同，D1、n 、Hs、均不同 1、機組臺數(shù)與機電設備制造的關系 N總一定，Z0多N單尺寸（D1）小制造運輸容易造價高(單位千瓦耗材多、制造量大)。 所以一般選用較大的N單。 2、機組臺數(shù)與電站投資的關系 Z0多單位千瓦投資閥門、調(diào)速、管道、輻設、電氣等增加廠房尺寸增加。 N單D1尾水管高度低開挖少投資少,3、機組臺數(shù)與運行效率的關系：Z0多平均效率提高 (1) 擔任基荷時：出力變化小，流量變化穩(wěn)定，可用較少的臺數(shù)，使水輪機在較長時間內(nèi)以最優(yōu)工況運行，其平均效率也比較高。 (2) 擔任峰荷時：出力變化

56、幅度大，應該選用較多的臺數(shù)，以增加其運行靈活性，提高整體運行效率。 (3) 對于軸流定漿和混流式水輪機，可以選用較多的臺數(shù)，而對于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機因其調(diào)節(jié)性能好，可以選用較少的機組。,4、機組臺數(shù)與電站運行維護工作的關系 臺數(shù)多，運行靈活，事故影響小，但同時增加了事故的幾率，也增加了管理人員、提高了運行費，所以不宜采用過多的臺數(shù)。 總之，一般應采用較大的N單，較少的臺數(shù)，但一般至少應選2臺，少數(shù)情況下可選1臺。中大型電站一般選46臺，根據(jù)機組的制造水平和裝機容量也可以選用更多的臺數(shù)。 如葛洲壩共21臺，裝機271.5萬千瓦， 三峽水電站裝機2670=1820萬千瓦。,三、水輪機型號確定 依據(jù)：

57、N單，特征水頭(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根據(jù)水輪機系列型譜選擇 型號的選擇主要取決于水頭。各種水輪機都有一定的使用范圍，根據(jù)電站運行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機的型號。如果兩種型號均可采用，應進行方案比較。 2、 采用套用機組 根據(jù)目前國內(nèi)設計、施工和運行的電站資料，在特征水頭相近、N單適當，經(jīng)濟技術指標相近時，有限套用已經(jīng)生產(chǎn)國的機組，這樣可以節(jié)省設計時間、盡早供貨、提前發(fā)電。,四、反擊式水輪機主要參數(shù)的確定 確定了水輪機的型號后，再計算水輪機的主要參數(shù)： 轉(zhuǎn)輪直徑D1，轉(zhuǎn)速n、吸出高Hs。 D1、n應該滿足：在Hr下，發(fā)出Nr；在Hav時，最高。 吸出高Hs應滿

58、足：防止水輪機汽蝕，開挖深度合理。,(一) 水輪機系列應用范圍圖,1、以H為橫座標，N單為縱座標繪制某一系列水輪機應用范圍。 2、根據(jù)Hr、Nr 范圍D1，n 。 3、水輪機吸出高度的確定Hs：根據(jù)hs-H的關系曲線確定。 由Hr hs， Hs hs900 這種方法比較簡單，但精度不夠，多用于小型水電站的初步設計。,(二) 按綜合特性曲線選擇 1、D1的確定 Nr(水輪機額定出力) Nr= Nff H=Hr計算。 ：原型水輪機在限制工況下的效率，在D1未確定時 一般先取=M+ (=2-3%)，求得D1后再修正。 (4) 在N= Nr時，取限制工況下的 ，并查出限制工況的M HL水輪機由5%出力限制線得到，ZL式由汽蝕條件得到，或限制HS反推z，以防止開挖過多。 z為水輪機裝置的汽蝕系數(shù)。,2、的修正計算 求得D1后，再查附表得出Mmax，換算得出max。 =max-Mmax-1-2 1=1%-2%(表示工藝水平)，2=1%-3%(表示異形部件) =M+，與假定出入太大，應重新計算。 3、轉(zhuǎn)速的選擇 用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 ， 水頭