水輪機(jī)課件

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1、第一章 水輪機(jī)的類型、構(gòu)造及工作原理 第二章 輪機(jī)的蝸水殼、尾水管及汽蝕 第三章 水輪機(jī)的特性及選型 第四章 水輪機(jī)調(diào)節(jié) 第五章 水電的典型布置及組成建筑物 第六章 水電站進(jìn)水口 第七章 水電站渠道及隧洞 第八章 水電站的壓力管道 第九章 水電站的水錘 第十章 調(diào)壓室 第十一章 引水式地面廠房布置設(shè)計(jì) ? 第一章 水輪機(jī)的類型、構(gòu)造及工作原理 本章內(nèi)容簡介 １.水輪機(jī)的工作參數(shù)，類型及構(gòu)造 水輪機(jī)的工作參數(shù) 現(xiàn)代水輪機(jī)的分類 各類水輪機(jī)的構(gòu)造 水輪機(jī)牌號及標(biāo)稱直徑 水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動 速度三角形的組成 速度分

2、解及影響因素 水輪機(jī)根本方程式及其意義 速度系數(shù)及其與速度三角形內(nèi)角的關(guān)系 第一節(jié) §1. 水輪機(jī)的根本概念 ⒈水輪機(jī)的定義 水輪機(jī)是將水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的動力設(shè)備，它用來帶動發(fā)電機(jī)工作，產(chǎn)生電能。水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)連在一起稱為水輪發(fā)電機(jī)組。 ⒉水輪機(jī)的開展史 人們很早就知道利用水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能做功。三國時的石碓，晉朝初期的水磨，這些簡單的水力工具演變到近代，逐漸形成現(xiàn)代水輪機(jī)?，F(xiàn)代水輪機(jī)的雛形以巴克水磨最為典型。 1847年Francis 創(chuàng)造了混流式水輪機(jī)，但葉片薄，受不了高水頭的壓力，另一方面還存在汽蝕的問題(cavitati

3、on)。1880年P(guān)elton 創(chuàng)造了水斗式水輪機(jī)，可以承受500～600m的水頭。1912年Kaplan 提出了定漿軸流式水輪機(jī)，使引用的Q增大，但平均效率不高。后又提出轉(zhuǎn)漿式，提高了平均效率。1930～40年出現(xiàn)貫流式，通過的Q更大，以適應(yīng)低水頭、大流量的電站，尤其是潮汐電站。 經(jīng)過近兩百年人們的努力，逐漸形成了現(xiàn)代的水輪機(jī)?，F(xiàn)代水輪機(jī)與它們的雛形，沒有根本性的變化，但在容量上和適用范圍上有了大大的提高，并且隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的開展，還可能進(jìn)一步地提高。 第二節(jié) Parameters of water turbine 在水流通過水輪機(jī)時，水能將轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，這一

4、過程可用以下公式表述: 上面兩式中共有六個參數(shù)：水頭 流量 轉(zhuǎn)速 出力 效率 力矩。 水頭可以分為一以下三大類： 1.毛水頭:電站上下游的水位差,即。 2.工作水頭:水輪機(jī)做功的有效水頭,等于水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面的單位能量差。 3.特征水頭：包括以下四種水頭。 ①最大水頭：允許水輪機(jī)運(yùn)行的最大凈水頭。 ②最小水頭：能保證水輪機(jī)平安、穩(wěn)定運(yùn)行的最小凈水頭。 ③加權(quán)平均水頭：考慮了各種水頭可能持續(xù)的時間的平均水頭，即： 按時間加權(quán) ? 按電能加權(quán) ? 式中－－各水頭出現(xiàn)的相應(yīng)持續(xù)時間和出力。 選擇水輪機(jī)時盡可能使 通過水輪即的最高效率區(qū)的中心。這樣可以保

5、證水輪機(jī)以最大的運(yùn)行小時數(shù)在高效率區(qū)運(yùn)行。 ④設(shè)計(jì)水頭(計(jì)算水頭):水輪機(jī)發(fā)出額定出力使的最小凈水頭。在運(yùn)轉(zhuǎn)綜合曲線上，此水頭使水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)出力限制線焦點(diǎn)所對應(yīng)的水頭。 ,稱為靜水頭或水輪機(jī)的工作水頭。 ? 流量:流入轉(zhuǎn)輪的流量不等于流進(jìn)輪室的流量，動部件與固定部件之間有縫隙，有縫隙就有漏水，故水輪機(jī)作有效功的流量是,令 ,一般容積損失很小，。 轉(zhuǎn)速:對于大中型水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)的主軸與發(fā)電機(jī)的軸是直接連接的，所以它們的轉(zhuǎn)速是相同的，并需滿足同步轉(zhuǎn)速的要求，即f=pn/60(其中f是電流頻率，50HZ，(p是發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)).所以n=3000/p。 不同磁極對數(shù)的發(fā)電機(jī)，

6、其標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速如下： 磁極對數(shù)P 3 4 5 6 7 8 9 同步轉(zhuǎn)速n(r/min) 1000 750 600 500 375 磁極對數(shù)P 10 12 14 16 18 20 22 同步轉(zhuǎn)速n(r/min) 300 250 150 磁極對數(shù)P 24 26 28 30 32 34 36 同步轉(zhuǎn)速n(r/min) 125 100 磁極對數(shù)P 38 40 42 44 46 48 50 同步轉(zhuǎn)速n(r/min) 79 75 60 對于主軸直接

7、連接的水輪發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也就是該機(jī)組及其水輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nr 出力:水流給予水輪機(jī)的功率是，但水輪機(jī)作的有效功率，有效功率不等于水輪機(jī)的輸出功率，因?yàn)樗啓C(jī)旋轉(zhuǎn)還存在著機(jī)械損失，令： 效率:由于水流通過水輪機(jī)時存在一定的能量消耗,所以水輪機(jī)的出力N總是小于其輸入功率Nw。通常把N和Nw的比值稱為水輪機(jī)的效率，用表示，即： 力矩:,顯然作用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的力矩(M)小于水輪機(jī)作有效功的力矩,，更小于水流作用于水輪機(jī)的力矩,因?yàn)檗D(zhuǎn)速n是一定的，所以三者之間的關(guān)系與的三者關(guān)系一致。 第三節(jié) structure of water turbine ⑴水輪機(jī)的分類

8、 由于水能資源條件的千差萬別，各座水電站所能利用的水頭和流量差異也很大，因此需要有各種類型的水輪機(jī)來適應(yīng)不同水能資源條件，以便能充分和有效地利用水能資源。根據(jù)水輪機(jī)利用能量的不同可分為還擊式和沖擊式兩大類。 ★還擊式和沖擊式的主要差異 還擊式和沖擊式的主要差異是什么？ 實(shí)現(xiàn)水流能量轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備是轉(zhuǎn)輪，因此可以按水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)工作原理來區(qū)別還擊式和沖擊式。取轉(zhuǎn)輪進(jìn)口點(diǎn)和出口點(diǎn)的能量之差，當(dāng)忽略其間的水頭損失，可用下式表示： ，改寫為如下形式： ， 即+＝1。 *假設(shè)＝0，＝1，這種利用水流動能的水輪機(jī)稱為沖擊式水輪機(jī)。 沖擊式容易理解，就是利用強(qiáng)大動能的水流沖擊水輪機(jī)的轉(zhuǎn)

9、輪，形成力矩，使之旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)輪中水流為無壓流動，水流具有自由外表，轉(zhuǎn)輪內(nèi)僅局部充水。根據(jù)轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水特征，沖擊式水輪機(jī)又分為水斗式、斜擊式和雙擊式。 *假設(shè)0<<1,+＝1,這種同時利用水流動能和勢能的水輪機(jī)稱為還擊式水輪機(jī)。 還擊式，就是利用水流的反推力，即反作用力作功。還擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉道是彎曲的，它迫使壓力水流不斷改變其流動方向和流速大小。即轉(zhuǎn)輪給水流一個作用力，反過來水流以其壓能和動能給轉(zhuǎn)輪以反作用力，形成力矩，使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)輪以及整個流道中的水流是有壓流動，水流充滿整個轉(zhuǎn)輪。根據(jù)轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流運(yùn)動方向的特征，還擊式水輪機(jī)又分為軸流式、斜流式、混流式和貫流式。 ★水輪機(jī)的分類 由于水

10、能資源條件的千差萬別，各座水電站所能利用的水頭和流量差異也很大，因此需要有各種類型的水輪機(jī)來適應(yīng)不同水能資源條件，以便能充分和有效地利用水能資源。 ⑵水輪機(jī)的構(gòu)造 水輪機(jī)必須有其它部件來配合水輪機(jī)工作，使水輪機(jī)具有較高的效率。 ★還擊式水輪機(jī)的構(gòu)造 還擊式水輪機(jī)的構(gòu)造 還擊式水輪機(jī)通常由四大部件組成：即進(jìn)水、導(dǎo)水、轉(zhuǎn)輪及尾水，這四大部件對于不同類型 的水輪機(jī)，各不完全相同，有著自身的特點(diǎn) ★沖擊式水輪機(jī)的構(gòu)造 沖擊式水輪機(jī)的構(gòu)造 沖擊式水輪機(jī)的構(gòu)造比擬簡單，主要由噴嘴、針閥、轉(zhuǎn)輪和折向器組成。噴嘴的作用是引導(dǎo)壓力水流均勻流動，在噴嘴處收縮轉(zhuǎn)換為僅有

11、動能的自由射流；針閥的作用是控制流量的大小，適應(yīng)出力大小的需要。 ⑶水輪機(jī)應(yīng)滿足的要求 自然界水力資源的多樣性，決定了水輪機(jī)類型和構(gòu)造的多樣性。為了充分利用水能，并且滿足合理、經(jīng)濟(jì)、平安的開發(fā)原那么，故對于在一定Q、H條件下，水輪機(jī)應(yīng)滿足如下要求： 1.有較高的工作效率和防汽蝕的性能； 2.足夠的機(jī)械強(qiáng)度 3.較大的過水能力，即在相同的轉(zhuǎn)輪直徑下，通過的Q較大。換句說在出力 相等條件下， 過水能力大，轉(zhuǎn)輪直徑小?？s小了水輪機(jī)組的尺寸，節(jié)省了機(jī)電設(shè)備和土建的投資。 第四節(jié) brand of water turbine 水輪機(jī)的牌號就是水輪機(jī)的姓名，其目的是為了

12、統(tǒng)一產(chǎn)品規(guī)格，提高產(chǎn)品質(zhì)量，便于選擇使用。說明水輪機(jī)性能有兩個主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪直徑D和水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速n，所以在水輪機(jī)牌號上不僅要說明是什么類型的水輪機(jī)，而且要表示它的轉(zhuǎn)輪直徑和比轉(zhuǎn)速。 我國統(tǒng)一規(guī)定的水輪機(jī)牌號由三局部代號組成,如下所示(HL240-LJ-140): 舉例說明: 1. HL220-LJ-550 表示混流式水輪機(jī),轉(zhuǎn)輪型號(比轉(zhuǎn)速)為220,立軸,金屬蝸殼,轉(zhuǎn)輪直徑為550cm; 表示軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī),轉(zhuǎn)輪型號為560,立軸,混凝土蝸殼,轉(zhuǎn)輪直徑為800cm; 表示斜流可逆式水輪機(jī),轉(zhuǎn)輪信號為200,立軸,金屬蝸殼,轉(zhuǎn)輪直徑為300cm;

13、 表示貫流定漿式水輪機(jī),轉(zhuǎn)輪型號為600,臥軸,燈泡進(jìn)水室,轉(zhuǎn)輪直徑為250cm; 另外，各種水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑規(guī)定如下表： 類型 轉(zhuǎn)輪直徑規(guī)定 配圖 混流式 轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊的最大直徑 軸流式 斜流式 貫流式 與轉(zhuǎn)輪葉片軸線相交處的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)徑 沖擊式 轉(zhuǎn)輪與射流中心線相切處的節(jié)圓直徑 ?第五節(jié)表示混流式水輪機(jī),轉(zhuǎn)輪型號(比轉(zhuǎn)速)為220,立軸,金屬蝸殼,轉(zhuǎn)輪直徑為550cm; § ? ★恒定流假設(shè) 水輪機(jī)的水頭、流量、出力和轉(zhuǎn)速都保持恒定，并且水流在蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、尾水管中的流動以及在轉(zhuǎn)輪中相對于轉(zhuǎn)動葉片的運(yùn)動都是恒定的，即不隨時間蠻化。

14、圓柱坐標(biāo)系〔r，2，〕：由于轉(zhuǎn)輪的葉道形狀復(fù)雜，而轉(zhuǎn)輪本身在旋轉(zhuǎn)，所以水流在還擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動是一個復(fù)雜的三維空間運(yùn)動，常用圓柱坐標(biāo)系來描述，如下所示： ★混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中水流運(yùn)動. 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中水流運(yùn)動 對于混流式水輪機(jī)，水流由輻向流動轉(zhuǎn)為軸向流動的變化是在轉(zhuǎn)輪中進(jìn)行的。可以認(rèn)為水流質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時，它沿著一個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。假設(shè)忽略水的粘性，還可認(rèn)為這些流面之間是互不干擾的。以下圖中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(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流面和軸線 為了研究問題的簡化起見，假定轉(zhuǎn)輪是由無限多，無限薄的葉片組

15、成。這樣就可認(rèn)為轉(zhuǎn)輪中的水流運(yùn)動是均勻的、軸對稱的。葉片翼形斷面的中心線稱為骨線。顯然在上述假定下，流線也就和骨線的形狀完全一致。將流線與葉片相割的流面展開，即得出流面展開圖(如右所示)。 流面展開圖 是葉片進(jìn)口安放角，是葉片出口安放角。顯然，轉(zhuǎn)輪中任意一點(diǎn)的水流質(zhì)點(diǎn)，一方面沿葉道運(yùn)動，另一方面又隨著轉(zhuǎn)輪而旋轉(zhuǎn)，是一種復(fù)合運(yùn)動。水流質(zhì)點(diǎn)沿葉道的運(yùn)動稱為相對運(yùn)動(相對運(yùn)動的跡線就是流線)；隨轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動稱為牽連運(yùn)動；而水流質(zhì)點(diǎn)相對大地的運(yùn)動稱為絕對運(yùn)動。每種運(yùn)動相應(yīng)的水流質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)構(gòu)成一個速度三角形(如右所示)。 速度三角形

16、 三角形的形狀、大小可以由它的兩個邊和夾角唯一確定。 對于進(jìn)口三角形，U1大小等于，方向切于圓周，所以U1取決于n和D1。W1大小取決于H、和n，其方向角也取決于，所以W1取決于H、、n、D1。，所以進(jìn)口三角形的形狀、大小也取決于H、、n、D1。 對于一個轉(zhuǎn)輪，一定的出口三角形對應(yīng)于一定的進(jìn)口三角形，所以出口三角形的形狀、大小也取決于H、、n、D1。 ??? 總而言之，轉(zhuǎn)輪中旋轉(zhuǎn)流場的任意一點(diǎn)的速度三角形取決于H、、n、D1，即。既然速度是上述四個參數(shù)的函數(shù)，那么流量也是它們的函數(shù)。同理，水輪機(jī)效率、出力均為這四個參數(shù)的函數(shù)。即，，。 ??? 由于轉(zhuǎn)輪中水流的流態(tài)十分復(fù)雜，所以上述的

17、函數(shù)關(guān)系通常不可能由純理論導(dǎo)出，也不可能用解析式來表達(dá)，而是由試驗(yàn)得出。用各種各樣的水輪機(jī)特性曲線表達(dá)各個參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。 ??? 絕對速度由相對速度和牽連速度合成，也可以將這些速度向不同平面和坐標(biāo)軸分解。 (軸面m是指r軸和z軸所組成的平面，即通過z軸中心線的徑向平面) 從分解中可得出： 速度三角形中各速度與分速度的關(guān)系 軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中水流運(yùn)動 ?? 對于軸流式水輪機(jī)，水流是軸向進(jìn)，軸向出。假定以主軸中心線為軸線的圓柱面流動，當(dāng)忽略水流的粘性時，可認(rèn)為流動是互不干擾的。由假定可得：,, , ??? 將水流運(yùn)動的圓柱面與葉片相割的層面展開，即可得到一

18、個平面葉柵的繞流圖。 第六節(jié) = 其中 ， (環(huán)量) 根本方程式推導(dǎo) 水流是軸對稱的，其絕對速度，其中通過軸心，而與主軸平行，所以兩者都不對主軸產(chǎn)生速度矩。由此可得 其中 m是dt時間內(nèi)通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水體質(zhì)量，； 是作用在該水體質(zhì)量m上所有外力對主軸的力矩總和。 根據(jù)連續(xù)性定理：單位時間內(nèi)流進(jìn)轉(zhuǎn)輪外緣的動量矩與單位時間內(nèi)流離轉(zhuǎn)輪內(nèi)緣的動量矩之差，等于單位時間內(nèi)水流質(zhì)量m 動量矩的增量。即 外力矩為重力矩、壓力矩、摩擦力矩和轉(zhuǎn)輪給水流的力矩之和。即 對主軸而言， ，摩擦力矩其數(shù)值很小可忽略 所以 Me 是水流給轉(zhuǎn)輪的力矩。 因此 = =

19、 其中 ， (環(huán)量) 這就是水輪機(jī)的根本方程式。 對于旋轉(zhuǎn)的水力機(jī)械，可以采用動量矩定律來作為其根本方程。動量矩定律:"單位時間內(nèi)水流質(zhì)量對水輪機(jī)主軸的動量矩變化應(yīng)等于作用在該質(zhì)量是全部外力對同一軸的力矩總和" 根本方程式分析 根本方程式如下： = 其中 ， (環(huán)量) 分析如下： ①水流能量的交換是通過環(huán)量的變化來實(shí)現(xiàn)，要使該轉(zhuǎn)換的效率高，那么需要大，。， 即。從進(jìn)口速度三角形可以看出：實(shí)際上不可能，水流無法進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，失去意義。所以只能要求進(jìn)口無撞擊，。， 即，實(shí)際中是可行的，通常稱為法向出口。 ②當(dāng)水輪機(jī)的應(yīng)用水頭較大時，就得設(shè)法使U1>U2，即進(jìn)口直徑大于出口直徑。

20、 ③偏離最優(yōu)的進(jìn)出口條件，那么可能很低，甚至水輪機(jī)空轉(zhuǎn)，沒有出力。又由于進(jìn)出口速度三角形有如下關(guān)系： 流式水輪機(jī)U1=U2，便取決于絕對速度和相對速度，但它們之差不能過分增大，否那么會增大水力損失，這就限制了軸流式水輪機(jī)的水頭應(yīng)用范圍。 在水輪機(jī)的根本方程式中，流速與水頭H的關(guān)系并不明顯，因此可利用三角形正弦關(guān)系進(jìn)行變換： 同理 并且 ，利用上述關(guān)系，從根本方程式中消去V1、V2、U2，可得：,其中流速系數(shù) 同樣的方法可得出U2、V1、V2、W1、W2與H之間的關(guān)系式。 顯然 ①之所以稱為流速系數(shù)，是因?yàn)樯鲜脚c水力學(xué)中孔口出流公式是一致的。但其系數(shù)的表

21、達(dá)式要復(fù)雜得多。不僅與速度三角形有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)輪的類型和進(jìn)出口之比有關(guān)。 ②對于某一的水輪機(jī)，工況變，、變，隨之而變。 ③對于兩個幾何尺寸相似的水輪機(jī)，如果速度三角形也相似，那么兩者的流速系數(shù)相等。 ④對于某一的水輪機(jī)，速度系數(shù)取決于速度三角形，速度三角形又取決于H、n、，所以。 ⑤兩個流速系數(shù)，如、就可以決定速度三角形的形狀，即水輪機(jī)的工況。 第七節(jié) ⒈水輪機(jī)的效率 ★水力損失和水力效率 水流經(jīng)過水輪機(jī)的蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪及尾水管等過流部件時，由于摩擦、撞擊、渦流、脫流等所產(chǎn)生的能量損失統(tǒng)稱為水力損失。水力損失時水輪機(jī)能量損失中的主要局部。設(shè)水輪機(jī)的水頭為H，流量

22、為Q，水力損失為，那么水輪機(jī)的有效水頭He和水力效率為 He=H-, ★容積損失和容積效率 進(jìn)入水輪機(jī)的流量不可能全部進(jìn)入轉(zhuǎn)輪做功，其中有一小局部流量會從水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)局部與固定局部之間的縫隙〔如混流式水輪機(jī)的上、下止漏環(huán)縫隙、軸流式水輪機(jī)的槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙)中漏損。這一小局部流量對轉(zhuǎn)輪不做功，所以稱為容積損失。進(jìn)入水輪機(jī)的有效流量為 在同時考慮水力損失和容積損失后，水流傳送給轉(zhuǎn)輪的功率稱為有效功率Ne, 即 而容積效率為 ★機(jī)械損失和機(jī)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，其中有一小局部功率△Nm消耗在各種機(jī)械損失上,如軸承及

23、軸封處的摩擦損失、轉(zhuǎn)輪外外表與周圍水體之間的摩擦損失等。因此水輪機(jī)的出力N為 而機(jī)械效率為 1-7式可以整理的 故水輪機(jī)的總效率為 ★水輪機(jī)效率與出力的關(guān)系 從以上分析可知，水輪機(jī)的效率是衡量水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換性能的綜合指標(biāo)。它與水輪機(jī)型式、結(jié)構(gòu)尺寸、加工工藝及運(yùn)行工況等多因素有關(guān)。目前原型水輪機(jī)效率大多由模型試驗(yàn)成果經(jīng)適當(dāng)?shù)睦碚摀Q算后獲取。 右圖給出了還擊式水輪機(jī)在一定的轉(zhuǎn)輪直徑D1、轉(zhuǎn)速n和水頭H下，改變其流量時，效率和出力的關(guān)系曲線及各種損失隨出力變化的情況 ⒉水輪機(jī)的最優(yōu)工況 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(jìn)口的水流撞擊的損失和

24、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。 ①無撞擊進(jìn)口 當(dāng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流相對速度 的方向與葉片骨線在進(jìn)口處的切線方向一致時，稱為無撞擊進(jìn)口。此時，水流進(jìn)口角 與葉片安放角相等，水流對葉片不發(fā)生撞擊和脫流，其進(jìn)口平順，水力損失最小。 ②法向出口 當(dāng)水流在轉(zhuǎn)輪出口處的絕對速度 的方向角 時，稱為法向出口如下圖。此時與 垂直,， ，即水流離開轉(zhuǎn)輪沿軸向流出而無旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，不會在尾水管中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。 第二章 水輪機(jī)的蝸殼、尾水管及汽蝕 本章主要內(nèi)容簡介 １.水輪機(jī)的最優(yōu)工況。 ２.尾水管的作用。 ?? 尾水管的動能恢復(fù)系數(shù)。 ３.水

25、輪機(jī)汽蝕 ?? 汽蝕系數(shù)和允許吸出高 ?? 水輪機(jī)的安裝高程 ?? 各種還擊式水輪機(jī)的汽蝕系數(shù)。 ４.水斗式水輪機(jī)的速度三角形 ?? 根本方程式 ?? 效率特性及安裝高程。 第一節(jié) 1. 蝸殼可以分為金屬蝸殼和混凝土蝸殼兩種 金屬蝸殼 混凝土蝸殼 ? ? ? 形式 當(dāng)水頭大于40m時，由于混凝土結(jié)構(gòu)不能承受過大的內(nèi)水壓力，常采用鋼板焊接或鑄造蝸殼，統(tǒng)稱為金屬蝸殼。金屬蝸殼按其制造方法可以分為焊接、鑄接、和鑄造三種類型。金屬蝸殼的結(jié)構(gòu)形式取決于水輪機(jī)的水頭及尺寸。 當(dāng)水頭小于40m時多采用鋼筋混凝土澆制成的蝸殼，簡稱混凝土蝸殼?；炷廖仛ひ话阌糜诖?、中型低

26、水頭電站，它實(shí)際上是直接在地下廠房下部大體積混凝土中做成的蝸殼空腔。當(dāng)采用鋼板襯砌及混凝土預(yù)應(yīng)力等措施后，混凝土蝸殼的適用水頭可大于40m，目前最大用到80m。 斷面形狀 常做成圓形，以改善其受力條件。 混凝土蝸殼的斷面常做成梯形,以便于施工和減小徑向尺寸,降低廠房的土建投資。 混凝土蝸殼的斷面形狀的選擇應(yīng)滿足四個條件 包角 由于其過流量較小，允許的流速較大，因此其外形尺寸對廠房造價影響較小。為了獲得良好的水力性能以及考慮到其結(jié)構(gòu)和加工工藝條件的限制，一般采用 =345°。 由于其過流量較大，允許的流速較小，因此其外形尺寸常稱為廠房大小的控制尺寸，直接影響到廠房的土建投資，通常

27、采用=180°～270 °。 進(jìn)口斷面的平均流速 當(dāng)蝸殼斷面形狀及包角確定后，蝸殼進(jìn)口斷面的平均流速V 選的大，那么蝸殼斷面就小，但水力損失增大。V 值可根據(jù)水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭從經(jīng)驗(yàn)曲線查取。在一般情況下，可取圖中的中間值；對金屬蝸殼和由鋼板里襯的混凝土蝸殼，科取上限值；當(dāng)布置上不受限制時也可取下限值，但V 不應(yīng)小于引水道中的流速。 蝸殼實(shí)際的根本要求 ⑴過水外表應(yīng)該光滑； ⑵保證水流均勻、軸對稱地進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)； ⑶水流在進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)前應(yīng)具有一定的環(huán)量，以保證在主要的運(yùn)行工況下水流能以較小的沖角進(jìn)入固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉，減小導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的水力損失； ⑷具有合理的斷面形狀和尺寸，以降低廠房投

28、資以便于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的接力器和傳動機(jī)構(gòu)的布置； ⑸具有必要的強(qiáng)度及適宜的材料，以保證結(jié)構(gòu)上的可靠性和抵抗水流的沖刷。 混凝土蝸殼進(jìn)口斷面形狀應(yīng)滿足的4個條件。 (1)δ一般為20°～30°,常取δ＝30°； (2)當(dāng)n=0時，γ=10°～20l°，＝1.5 1.7,可達(dá)2.0； (3)當(dāng)m＞n時，γ=10°～20°， ＝1.2～1.70，可達(dá)1.85； (4)當(dāng)m≤n時，γ=10°～35°, =1.2～1.70,可達(dá)1.85。 當(dāng)混凝土蝸殼的斷面形狀確定后，其中間斷面形狀可由各斷面的頂角電機(jī)的焦點(diǎn)的變化規(guī)律來確定。通常采用直線變化規(guī)律或向內(nèi)彎曲的拋物線變化規(guī)律，前者對設(shè)計(jì)及施工比擬方

29、便，后者的水力學(xué)條件比擬好。 2. 蝸殼的水力計(jì)算 ①蝸殼中的水流運(yùn)動 ②金屬蝸殼的水力計(jì)算 ③混凝土蝸殼的水力計(jì)算 蝸殼中的水流運(yùn)動 水流進(jìn)入蝸殼后，受到蝸殼內(nèi)壁的約束而形成一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。為便于分析，將蝸殼中各點(diǎn)的水流運(yùn)動速度V分解成徑向分速度 和圓周分速度 表示，如下圖。根據(jù)蝸殼中水流必須均勻地、軸對稱地進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的根本要求，那么在座環(huán)進(jìn)口四周各點(diǎn)處的水流徑向分速度 值應(yīng)等于一個常數(shù)。即= =常數(shù) 對于圓周分速度 沿徑向的變化規(guī)律，目前常用的有兩種假定： ⒈任一斷面上沿徑向各點(diǎn)的水流速度矩等于一個常數(shù)，即Vur=K, 式中r—考察點(diǎn)位置的半徑 　　K—常數(shù)，蝸殼內(nèi)

30、任意點(diǎn)的K相等，因此，通常稱其為蝸殼常數(shù)。 ⒉任一斷面上沿徑向各點(diǎn)的水流圓周分速度等于一個常數(shù)。即Vu=C 式中C—常數(shù)，顯然C=VC 。 當(dāng)采用第一個假定時，可使水輪機(jī)構(gòu)進(jìn)口的水流環(huán)量滿足均勻、軸對稱的要求。而采用第二個假定時，不能保證進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水流環(huán)量的軸對稱性，從而可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪徑向受力的不平衡，影響水輪機(jī)的穩(wěn)定性。但按照第二個假定設(shè)計(jì)的蝸殼在其尾部流速較小，斷面尺寸較大，有利于減小水頭損失，并便于加工制造。 金屬蝸殼的水力計(jì)算 ⑴對于任一斷面，為了保證流量均勻地進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，那么通過任一斷面I的流量應(yīng)為： Qi=Qmax /360°① 式中 —從蝸殼鼻端至斷面I的包角

31、如果近似取斷面I的過水面積為一個緊靠在固定導(dǎo)葉外側(cè)的完整的圓形斷面面積，如下圖，可得該斷面的尺寸為： 斷面半徑： ???? ② 斷面中心距： ?? ③ 斷面外半徑：Ri= +2 ????? ④ ⑵對于進(jìn)口斷面，將 = 代入式①—④中即可求出該斷面的Q0、 、 和R0的值。取假設(shè)干各斷面進(jìn)行計(jì)算，可繪出蝸殼斷面單線圖和平面單線圖。如下所示： 蝸殼斷面單線圖 金屬蝸殼的平面單線圖 ?混凝土蝸殼的水力計(jì)算 ⑴按下式確定進(jìn)口的斷面面積：F0＝ ，然后根據(jù)斷面進(jìn)口形狀確定斷面進(jìn)口尺寸 ⑵確定中間斷面的頂角點(diǎn)、底角點(diǎn)的變化規(guī)律。 ⑶繪制 輔助曲線。 ⑷根據(jù)計(jì)算需要，選定假設(shè)干

32、個,查出相應(yīng)的Ri及斷面尺寸，繪制出蝸殼斷面單線圖和蝸殼平面單線圖。 蝸殼斷面單線圖 蝸殼平面單線圖 第二節(jié) §2.尾水管的主要作用: 無尾水管 裝置直錐型的尾水管 ⑴減小水頭損失 無尾水管的水頭損失 　有尾水管的水頭損失 　少損失的能量=()-() ⑵增加可利用的能量 無尾水管 　有尾水管 　那么多利用的能量 　=0, <0。 　求，寫2-2和5-5斷面的能量方程 所以，即 多利用的能量等于少損失的能量?。牐牐? 因此，尾水管的作用是通過降低壓能的方法來收回位能和局部動能。 ⑶應(yīng)該注意的問題： ①增加Z2是毫無意義的。因

33、為，而尾水管的作用只是保證收回位能Z2。Z2取決于水輪機(jī)的安裝高程，即與水輪機(jī)的吸出高Hs有關(guān)，與尾水管性能無直接關(guān)系。因此衡量尾水管性能好壞的主要指標(biāo)應(yīng)該是尾水管的動能回收系數(shù)： ②增加V2是毫無意義的，只會加大尾水管的負(fù)擔(dān)。所以為了提高，必須減小和 ③由于低水頭水輪機(jī)(如軸流式水輪機(jī))轉(zhuǎn)輪出口動能=(30-40%)H，所以尾水管起著極為重要的作用。 第三節(jié) ⒈汽蝕概述 當(dāng)水輪機(jī)過流通道中出現(xiàn)低于當(dāng)時水溫下的汽化壓力的低壓區(qū)，即 ，水中會產(chǎn)生汽泡。汽泡隨水流流到壓力高于汽化壓力的位置，汽泡破滅，產(chǎn)生很高的壓力和射流，沖擊水輪機(jī)的金屬外表，反復(fù)屢次的打擊，使得金屬材料疲勞剝蝕。

34、這種現(xiàn)象稱為汽蝕。 ⒉氣蝕的成因和破壞作用 ①氣蝕的成因 水在各種溫度下的汽化壓力值如下表所示: 水的溫度(攝氏度) ?0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 汽化壓力(mH2O) 由上表可以看出,汽化壓力很低時,在常溫下水就可以汽化.當(dāng)水通過水輪機(jī)部件時,由于繞流葉片局部脫流、水流急劇拐彎等原因，在相應(yīng)的部位都會引起流蘇過大而使壓力降低。如果壓力降低到該溫度下的汽化壓力時，一方面由于水的汽化產(chǎn)生了水蒸氣的氣泡，；另一方面水中溶解的一局部空氣也會隨著壓力降低被釋放出來，這樣就形成

35、了水蒸氣和空氣混合的膨脹氣泡。這些膨脹的氣泡如果被水流帶到高壓區(qū)，氣泡中的水蒸氣會凝結(jié)成水珠，體積突然縮小，于是周圍的高壓水流質(zhì)點(diǎn)就高速的向氣泡中心沖擊，產(chǎn)生巨大的微觀水錘壓力，有時可以到達(dá)幾百個大氣壓力。在微觀水錘壓力的作用下，氣泡中的空氣被壓縮(或者被破裂為數(shù)個小氣泡),直到大氣的彈性壓力大于水錘壓力時，才停止壓縮。緊接著氣泡由于反作用力而瞬間膨脹，又會發(fā)育成新的氣泡。氣泡形成和壓縮(或破裂)的過程，約每秒近千萬次，如此高速的水錘沖擊力重復(fù)作用在金屬外表，會使金屬疲勞破壞，或者斷裂破壞。 ②氣蝕的破壞作用分類 ③氣蝕破壞的后果 1.金屬剝蝕 2.降低機(jī)組的效率和出力 3.產(chǎn)生

36、噪音 4.使機(jī)組產(chǎn)生震動 ⒊汽蝕類型(汽蝕類型見圖〕 ①翼形汽蝕---一般發(fā)生在葉片反面(主要汽蝕類型，影響最大)； ②間隙汽蝕---水流通過某些間隙或小通道時，局部速度升高而壓力降低所產(chǎn)生的汽蝕； ③空腔汽蝕---偏離最優(yōu)工況時，在轉(zhuǎn)輪出口、尾水管進(jìn)口處由于圓周分量引起的一種非軸對稱的真空渦帶； ④局部汽蝕---過流外表某些地方凸凹不平因脫流而產(chǎn)生的汽蝕。 ⒋汽蝕的防護(hù) Ⅰ.水輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造方面 　設(shè)計(jì)：葉型合理，具有光滑的流線； 　制造：保證葉片幾何形狀、光潔度。 Ⅱ.工程措施方面 　選擇適宜的安裝高程，使轉(zhuǎn)輪出口的壓力大于汽化壓力； 　采取防沙、

37、排沙措施。 Ⅲ.運(yùn)行方面：盡量避開汽蝕嚴(yán)重的工況。 ⒌汽蝕系數(shù) ①推導(dǎo)過程 氣蝕系數(shù)的推導(dǎo) 還擊式水輪機(jī)發(fā)生的四種氣蝕類型，以翼型氣蝕為主，一般用水輪機(jī)的汽蝕系數(shù)作為衡量水輪機(jī)翼型氣蝕性能的指標(biāo)。 如下圖：當(dāng)水流以相對速度進(jìn)入葉片流道時，在葉片進(jìn)入口邊緣處，局部流速水頭會轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫λ^，使其壓力大于進(jìn)口前的 ,接著水流沿葉片進(jìn)口邊緣向兩側(cè)繞流,由于其速頭的恢復(fù)及彎曲繞流產(chǎn)生的離心作用是水流在葉片增、倍面上的局部壓力就突然下降。此后，水流沿葉片兩側(cè)相對運(yùn)動，由于水流與葉片的相互作用，使葉片反面壓力不斷下降，而葉片正面壓力那么逐漸上升。隨后由于水流不斷的做功，知是葉片兩側(cè)的水流壓

38、力均逐漸下降，在葉片反面接近出口變得某點(diǎn)處壓力降到最低值。最后，葉片正、反面的水流壓力趨向一致，在出口邊處集合流動。 如果上述最低壓力降低到汽化壓力，那么翼型氣蝕將首先在K點(diǎn)發(fā)生?？梢?，最低壓力是研究翼型氣蝕的控制參數(shù)，為此，下面寫出K點(diǎn)和葉片出口邊2點(diǎn)的相對運(yùn)動伯努力方程式： 式中 -----由K點(diǎn)至2點(diǎn)的總水頭損失 由于K點(diǎn)和2點(diǎn)相隔很近，可近似認(rèn)為 。此外，當(dāng)區(qū)下游水面為基準(zhǔn)面時，從發(fā)生氣蝕最危險的K點(diǎn)到aa的垂直高度常稱為水輪機(jī)的吸出高度，并用Hs表示。那么上式可以表述為： 對于式中的P2可通過2點(diǎn)與a點(diǎn)的伯努利方程求得： 式中：Va----下游水位行近流速，可近似取為Va=

39、0 H12-----由2點(diǎn)到a點(diǎn)的總水頭損失〔即尾水管的總水頭損失〕，可寫為△h2-a=ζω ，ζω為尾水管的水頭損失系數(shù)。 由式可得P2的表達(dá)式為： 將式 代入式 ，并利用式引入尾水管的動能恢復(fù)系數(shù)，可得： 或?qū)憺? 式中：Hkv---K點(diǎn)真空值， --K點(diǎn)的動力真空值， 由上式可以看出，K點(diǎn)的真空值有由靜力真空Hs和動力真空hkv兩局部組成。由于吸出高度Hs的大小取決于水輪機(jī)的安裝高度，因此當(dāng)水輪機(jī)的安裝高程確定后，在Hw中能正確反映水輪機(jī)本身性能的只有動力真空hkv。動力真空是由轉(zhuǎn)輪及尾水管中的水流運(yùn)動形成的，其值與轉(zhuǎn)輪本身的幾何形狀，水輪機(jī)的運(yùn)行工況以及尾水管的性能密切相

40、關(guān)。但是，如果直接利用h值表征水輪機(jī)的的汽蝕性能是不完善的，應(yīng)為h值與水頭H成正比。應(yīng)為h值與水頭H成正比。同一臺水輪機(jī)，當(dāng)工作水頭H不同時，動力真空k值也不同，這也不能確切反映此水輪機(jī)的汽蝕特性，也不便于對不同的水輪機(jī)的汽蝕性能進(jìn)行比擬。為此將h除以水頭H，使之成為一個無因次系數(shù)，并用σ表示，即： σ稱為水輪機(jī)的汽蝕系數(shù)， 它表示轉(zhuǎn)輪中最容易發(fā)生翼形汽蝕的K點(diǎn)處的相對動力真空值。σ越大，水輪機(jī)越易發(fā)生氣蝕，汽蝕性能越差。 幾何形狀相似的水輪機(jī)在相似工況下的σ值相同,故可用σ值來評價同一型號的水輪機(jī)在不同工況下的汽蝕性能.σ值隨水輪機(jī)的工況改變而改變,故又可用值來評價同一型號水輪機(jī)在不同

41、工況下的汽蝕性能. 在設(shè)計(jì)和應(yīng)用水輪機(jī)時,總是力圖提高葉片的流道內(nèi)水流相對速度以提高其過流能力,以及提高尾水管的動能恢復(fù)系數(shù),以及提高水輪機(jī)的效率.但是這都會增大水輪機(jī)汽蝕的危險性?？梢?，提高水輪機(jī)的的過流能力及能量性能與改善水輪機(jī)的汽蝕性能是矛盾的。 對于氣蝕系數(shù)的確實(shí)定，由于其影響因素較為復(fù)雜，要直接利用理論計(jì)算的結(jié)果或直接在葉片流道中量測都是很困難的，目前常用的方法是通過水輪機(jī)模型氣蝕試驗(yàn)來求取。當(dāng)σ值時，葉片反面最低壓力計(jì)可用下式求出： 綜上所述，水輪機(jī)不發(fā)生氣蝕的根本條件是不小于對應(yīng)溫度下水的汽化壓力，即 第四節(jié) ⒈水輪機(jī)的吸出高度 由上節(jié)可知： 為吸出高，即轉(zhuǎn)

42、輪葉片上壓力最低點(diǎn)到下游水面的垂直高度。如表所示。 水輪機(jī)安裝高程示意圖 類型 Hs 計(jì)算公式 配圖 立軸混流式 從導(dǎo)葉下部低環(huán)平面到下游水面的垂直高度 立軸軸流式 從轉(zhuǎn)輪葉片中心線到下游水面的垂直高度 臥軸混流式和貫流式 從轉(zhuǎn)輪葉片最高點(diǎn)到下游水面的垂直高度 為了保證水輪機(jī)不發(fā)生翼形汽蝕，必須使,即,那么 上式說明，為了防止水輪機(jī)發(fā)生汽蝕，必須限制吸出高Hs。 又 (水輪機(jī)安裝處海拔高程〕 ：當(dāng)水溫為 5- 時， 所以：是由試驗(yàn)的出，為了平安起見，引入平安裕量或者平安系數(shù)k,那么, 由設(shè)計(jì)水頭查圖可得到。 或 k一般可取 1.1-

43、1.2，對于大型水輪機(jī)k可取到1.5以上。 ⒉水輪機(jī)的安裝高程 通常水輪機(jī)的安裝高程按下式確定： 其中Hs、和CD1分別是水輪機(jī)的吸出高、水電站尾水位、水輪機(jī)類型主軸有關(guān)的安裝參數(shù)。對于不同類型的水輪機(jī)，不同主軸安裝方式，Hs起算點(diǎn)不相同，CD1也不相同,如表所示 和上圖一樣。 應(yīng)選用水電站最低尾水位，當(dāng)水庫具有年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)能力時，一般采用一臺機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電的最低尾水位；當(dāng)水庫具有季調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)能力或?yàn)閺搅魇剿娬緯r，可采用對應(yīng)于保證出力的尾水位。 在水輪機(jī)運(yùn)行中，汽蝕系數(shù)是隨工況而變的，所以Hs也隨之而變。最嚴(yán)重的汽蝕情況一般發(fā)生在最大水頭下機(jī)組擔(dān)負(fù)最大負(fù)荷或最小負(fù)荷。因此

44、對于大中型水電站應(yīng)進(jìn)行多方面的比擬，確定合理的安裝高程。 ⒊兩點(diǎn)需要說明： ①滿足了，但不能一定保證不產(chǎn)生汽蝕。該條件是平均的大面概念，沒有從水流質(zhì)點(diǎn)來分析。水流的流態(tài)是很復(fù)雜，可能出現(xiàn)局部的渦流等等。所以不能保證不出現(xiàn)局部汽蝕，如葉形汽蝕、間隙汽蝕等。但能保證不產(chǎn)生空腔汽蝕。 ②從尾水管的動能恢復(fù)系數(shù)和汽蝕系數(shù)來看，轉(zhuǎn)輪出口速度V2越大，動能恢復(fù)系數(shù)越大，但汽蝕系數(shù)也越大。這說明水輪機(jī)的能量特性與汽蝕特性是矛盾的。因此在設(shè)計(jì)和選擇水輪機(jī)時，要兩者兼顧，優(yōu)化處理。 第三章 水輪機(jī)的特性及選型 本 章 主 要 內(nèi) 容 從幾何相似，運(yùn)動相似和動力相似到同系等角條件。速度系

45、數(shù)在同系等角條件下為常數(shù)。從速度系數(shù)引導(dǎo)出單位參數(shù)的定義及其重要性質(zhì)，單位參數(shù)公式的應(yīng)用。比轉(zhuǎn)速的定義。比轉(zhuǎn)速根本性質(zhì)。水輪機(jī)牌號中的比轉(zhuǎn)速的規(guī)定。比轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪形狀的關(guān)系。比轉(zhuǎn)速與汽蝕系數(shù)的關(guān)系。各類水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速。各類水輪機(jī)適用的水頭范圍。 2.水輪機(jī)效率及單位參數(shù)的修正。 3.水輪機(jī)模型能量實(shí)驗(yàn)。 4.水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速特性?？辙D(zhuǎn)及飛逸。 5.水輪機(jī)的主要綜合特性。 6.水輪機(jī)的餓運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性。 7.水輪機(jī)選擇： 選擇的內(nèi)容。選擇時應(yīng)具有的根本資料。機(jī)組臺數(shù)的選擇。型號選擇，直徑及轉(zhuǎn)速確實(shí)定。允許吸出高及安裝高程確實(shí)定。 8.水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制。 第一節(jié)

46、 ⑴理論根底 ①自然界中的相似都是具體事物、具表達(dá)象相似; ②任何相似都是相對的，不可能有絕對相似; ③相似理論在水輪機(jī)課程中有著重要的地位。原因是水輪機(jī)中水流流態(tài)十分復(fù)雜，不可能從純理論和解析公式來反映各種參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。必須進(jìn)行模型試驗(yàn)，把模型試驗(yàn)的成果轉(zhuǎn)化到原型中去。這就必須應(yīng)用相似理論。具體他說，就是找出一定條件下的相似常數(shù)，建立相似公式。 ⑵水輪機(jī)相似的必須滿足以下三個條件： ①同系(幾何相似) 幾何相似是指兩個水輪機(jī)過流通道幾何形態(tài)的所有對應(yīng)角相等，所有對應(yīng)尺寸成比例。幾何相似的水輪機(jī)稱為同系水輪機(jī)。應(yīng)該指出的是：這里所講的幾何相似是水輪機(jī)主要尺寸大體相似，

47、而不能苛求絕對相似例如對糙率的相似就難辦到。 ②等角(運(yùn)動相似) 運(yùn)動相似是指同一系列的水輪機(jī)，水流在過流通道中對應(yīng)點(diǎn)的速度方向相同。速度大小成比例。即對應(yīng)點(diǎn)的速度三角形相似，處于等角狀態(tài)。 ③動力相似 動力相似是指同一系列水輪機(jī)，水流在過流通道對應(yīng)點(diǎn)上作用力方向相同力的大小成比例。 水輪機(jī)的相似律similarity formulas 同一輪系的水輪機(jī)在相似工況下(等角狀態(tài))，各參數(shù)之間的固定關(guān)系稱為水輪機(jī)的相似律，它是相似原理的具體表達(dá)。 設(shè)同輪系的兩個水輪機(jī)標(biāo)稱直徑分別是Dip和Dam，導(dǎo)葉開度角和轉(zhuǎn)輪葉片角對應(yīng)相等。欲使這兩個水輪機(jī)的工況相似，其流量Qp與Qm

48、、轉(zhuǎn)速np與nm、功率Np與Nm之間應(yīng)保持以下的關(guān)系： (1)轉(zhuǎn)速相似律 similarity formulas of rotational speed 前面曾給出 即 在同系等角條件下，速度系數(shù)是相同的。 所以 (2)流量相似律 similarity formulas of discharge 即 在同系等角條件下，速度系數(shù)是相同的。并且 所以 (3)出力相似律similarity formulas of output 同理，有 單位參數(shù)unit parameters 每一輪系的水輪機(jī)都可以制成大小不等的尺寸，而且可以在較寬廣的水頭、轉(zhuǎn)速和功率

49、范圍內(nèi)工作。因此為了表征每一輪系的水輪機(jī)的特性，必須有一個共同的衡量標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)就是單位參數(shù)。 將D1m=1m，Hm=1m和原型與模型水輪機(jī)各項(xiàng)效率分別相等的假定代入上述的相似律，可得到相應(yīng)的單位參數(shù)。 ) (r/min) (kW) 顯然，對于同一輪系的水輪機(jī)在相似工況下，單位參數(shù)的數(shù)值不變；但對于不同輪系的水輪機(jī)，即使在特征工況(如最優(yōu)工況，限制工況)下，也不同。在水輪機(jī)設(shè)計(jì)和選型中應(yīng)利用上述的不同來進(jìn)行不同輪系之間的比擬。 第二節(jié) (1) 效率修正 原型和模型水輪機(jī)的效率是有差異的。其主要原因在于原型水輪機(jī)的相對糙度和相對粘性力小很多，, 越小，水力損失越小。因此就

50、越高，一般高出2％以上。 ①效率修正是水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的水力效率的修正(,認(rèn)為相等)，而且水力效率的修正僅修正沿程損失，近似認(rèn)為渦流損失是相等的。假定，最優(yōu)工況下效率修正按下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 混流式 軸流式 ②非最優(yōu)工況效率修正均以最優(yōu)工況下代替，所以。 ③對于轉(zhuǎn)漿式 ，不同的葉片角度有著不同的修正值。 (2) 單位參數(shù)修正 *最優(yōu)工況 *非最優(yōu)工況 第三節(jié) ⑴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。所以得去掉D1，要去掉D1就需要引入ns的概念。 定義 (m.kW) ⑵性質(zhì) ①常數(shù)性質(zhì) 同輪系

51、水輪機(jī)在相似工況下比轉(zhuǎn)速相等ns＝const，是一個與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑無關(guān)的常數(shù)。說明用一個ns可以代表同一輪系水輪機(jī)的某一等角狀態(tài)。盡管是同一輪系水輪機(jī)，對于不同形狀的速度三角形(工況)，ns是不同的。為了用ns代表水輪機(jī)系列，就應(yīng)該選定代表工況。在水輪機(jī)牌號中ns選定的代表工況是計(jì)算水頭下最大出力工況Nmax。HL220－LJ－550 ②單位性質(zhì) 對于任何一個輪系，當(dāng)水輪機(jī)在1m的水頭下，發(fā)出1kW的出力，這時水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速n在數(shù)值上就等于比轉(zhuǎn)速ns。所以在水頭相同，出力相同的條件下， 所以 ，在水輪機(jī)出力一定的前提下，比轉(zhuǎn)速越高，機(jī)組尺寸越小，有利于減小水電站廠房尺寸和機(jī)組造價

52、。 ⑶ns與汽蝕系數(shù)的關(guān)系 在流量一定的前提下，，所以比轉(zhuǎn)速越高，汽蝕系數(shù)越大，如軸流式水輪機(jī)。為防止水輪機(jī)常數(shù)翼形汽蝕，必須將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更深地埋置于下游水面之下，這樣將增加施工的困難及土建投資。因此，汽蝕條件限制了高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)在較高水頭下的應(yīng)用。 ⑷比轉(zhuǎn)速ns的意義 比轉(zhuǎn)速ns最完整地表征了水輪機(jī)的性能和轉(zhuǎn)輪形狀，即能表征水輪機(jī)的型式。不同型式水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速范圍如下： 水輪機(jī)型式 ns 水斗式 10-35(單噴嘴) 混流式 50-300 斜流式 150-350 軸流式 200-850 貫流式 600-1000 但目前難

53、于用數(shù)學(xué)公式來表達(dá)，只能通過模型試驗(yàn)繪制關(guān)系曲線。然而水輪機(jī)參數(shù)大多，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制特性曲線時，必須固定某一局部參數(shù)，在這樣的條件下，來反映其他局部參數(shù)之間的關(guān)系。 第四節(jié) ⒈定義 按一定比例將原型水輪機(jī)縮小成模型水輪機(jī)，然后通過試驗(yàn)測出模型水輪機(jī)各工況下的工作參數(shù)，再應(yīng)用相似公式換算出該輪系水輪機(jī)在各相似工況下的綜合參數(shù)。 ⒉分類 能量試驗(yàn)、汽蝕試驗(yàn)、飛逸特性試驗(yàn)和軸向水推力特性試驗(yàn) ⒊實(shí)驗(yàn)裝置 水輪機(jī)效率是水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換性能的主要綜合指標(biāo)，因此模型水輪機(jī)的能量試驗(yàn)主要是確定模型水輪機(jī)在各種工況下的運(yùn)行效率。水輪機(jī)的能量試驗(yàn)臺如圖示。 ⒋模型試驗(yàn)參數(shù)的測量方法(見

54、圖) ①水頭測量:模型水輪機(jī)7的工作水頭為上游壓力水箱1與下游尾水槽9的水位差。在 試驗(yàn)時必須保持恒定。 ②流量測量:通過模型水輪機(jī)的流量用測流堰板13進(jìn)行測量。 ③轉(zhuǎn)速測量:模型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速通?？捎脵C(jī)械轉(zhuǎn)速表在水輪機(jī)主軸的頂端直接測量。 ④功率測量:這里NM指模型水輪機(jī)輸出的軸功率，它采用測功器進(jìn)行測量。 ⒌綜合參數(shù)計(jì)算與試驗(yàn)成果整理 為了獲得水輪機(jī)全部工作范圍內(nèi)的能量特性，必須在不同的導(dǎo)葉開度下進(jìn)行試驗(yàn): ①從最小開度到最大開度之間選取8～10個開度 ②在每個開度下逐漸改變負(fù)荷P做6～10個工況點(diǎn)的試驗(yàn) ③測出每個工況點(diǎn)的工作參數(shù)、、和 ④然后求出每個工

55、況點(diǎn)模型水輪機(jī)的、和。 第五節(jié) ⒈定義 表示水輪機(jī)各參數(shù)間關(guān)系的曲線叫做水輪機(jī)的特性曲線。 ⒉分類 ①工作特性曲線 工作特性曲線 working characteristic curves H、D1、n一定，改變(相當(dāng)于改變Q)，那么, 。于是對于不同類型、不同型號的水輪機(jī)都可得出N與的關(guān)系曲線。該曲線稱為工作特性曲線。 ? 定漿式：曲線陡陵，高效率區(qū)狹窄，稍偏離最優(yōu)工況迅速下降； 轉(zhuǎn)漿式：高效率區(qū)比擬寬廣，效率變化平穩(wěn)； 混流式：效率較高，但平穩(wěn)性缺乏； 水斗式：效率較低，但變化平穩(wěn)。 不同型號水輪機(jī)工作特性曲線 ? A點(diǎn)：空轉(zhuǎn)點(diǎn)，對應(yīng)的開度稱為

56、空轉(zhuǎn)開度 B點(diǎn)：最高效率點(diǎn) C點(diǎn)：最大出力點(diǎn) D點(diǎn)；最大開度點(diǎn)。 C－D段是禁區(qū)，工作不穩(wěn)定，與調(diào)速器有關(guān)。水輪機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是機(jī)械的，，。但在Nmax附近工作時，外界要求出力增大，導(dǎo)致開度增大；假設(shè)滑過Nmax，反而出力減小。于是導(dǎo)致開度進(jìn)一步增大，而出力進(jìn)一步減小。其結(jié)果不僅是工作狀態(tài)不好，而且導(dǎo)致水輪機(jī)不能工作。因此限制最大出力為極限出力的95%，E點(diǎn)就是95%出力的限制點(diǎn)?；炝魇剿啓C(jī)特性曲線上一般都注明E點(diǎn)；轉(zhuǎn)漿式的限制點(diǎn)是受汽蝕特性的限制；水斗式水輪機(jī)沒有禁區(qū)。 ②轉(zhuǎn)速特性曲線 轉(zhuǎn)速特性曲線 main characteristic curves 、D1、一定，改變轉(zhuǎn)

57、速n，這樣得出的特性曲線稱為轉(zhuǎn)速特性曲線或主特性曲線。即 , ，。如右所示: ? 轉(zhuǎn)速特性曲線 Ⅰ.從η∽n的曲線中可以看出 ①n＝0時，N＝0，＝0； ②n＝n0時，＝max，n0稱為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。要使水輪機(jī)能常在高效率下運(yùn)行，應(yīng)使它的額定 轉(zhuǎn)速盡可能接近最優(yōu)轉(zhuǎn)速； ③n＝nx時，能量耗損在水頭損失、機(jī)械損失中，輸出N＝0，＝0。nx稱為飛逸轉(zhuǎn)速(對于某一開度)，飛逸轉(zhuǎn)速一般是最優(yōu)轉(zhuǎn)速的倍。出現(xiàn)飛逸時，機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動，所以在運(yùn)行中要防止機(jī)組發(fā)生飛逸事故。 Ⅱ.從Q∽n的曲線中可以看出 n變化，在還擊式水輪機(jī)中引起速度三角形的變化，Q隨之而變，并且十清楚顯；在沖擊式

58、水輪機(jī)中，Q幾乎不隨n變化，但隨導(dǎo)葉開度變化，其變化比擬明顯。 ③模型綜合特性曲線 模型綜合特性曲線 model universal characteristic curves ⒈定義 將坐標(biāo)系n、Q換成單位參數(shù)、，在其坐標(biāo)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。如下所示: ⒉特性 ①同一輪系的水輪機(jī)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(jī)，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(jī)還有95%的出力限制線。 ⒊意義 水輪機(jī)模型綜合特性曲線表示了同一輪系水輪

59、機(jī)的全部特性。不同型式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線也有它自身的特點(diǎn),如下表所示: 類型 模型綜合特性曲線特點(diǎn) 適用范圍 軸流 轉(zhuǎn)漿式 等線近似于橢圓。長軸與短軸相差較小，且長軸接近與坐標(biāo)軸平行。(或出力N)在較大范圍內(nèi)變化時，的變化不大。 低水頭、大流量、負(fù)荷及水頭變化較大的水電站 軸流 定漿式 等線是狹而長的橢圓。長軸與短軸相差較大，且長軸與坐標(biāo)軸成相當(dāng)大的傾斜角。效率對(水頭)變化不敏感，而(出力)稍有變化，效率急劇降低。 低水頭、大流量、水頭變化大而負(fù)荷變化較小的水電站 中高比轉(zhuǎn)速 混流式 等線接近于橢圓。長軸與短軸相差不大，長軸與坐標(biāo)軸成某一較小角度。效率對(或

60、出力N)及(水頭)變化的敏感程度在各類型水輪機(jī)中均屬中等。95%出力限制線靠近最優(yōu)效率區(qū)。 中低水頭、流量不大、水頭變化較大及負(fù)荷變化小的水電站 低比 轉(zhuǎn)速 混流式 等線類似于扁平橢圓。長軸與短軸相差較大，長軸與坐標(biāo)軸接近于平行。效率對(或出力N)變化不敏感，但對(水頭)變化很敏感。 高水頭、小流量、水頭變化小及負(fù)荷變化大的水電站 水斗式 等線更扁平。長軸與短軸相差更大，長軸與坐標(biāo)軸平行。效率對(水頭)變化很敏感，但(或出力N)在很大范圍內(nèi)變化，變化很小。 高水頭、小流量、水頭變化小及負(fù)荷變化大的水電站 ④運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線 運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線 operating character

61、istic curves ⒈定義 工作特性曲線是對某一個水頭而言的，假設(shè)以H為參變，在同一張圖上畫出一簇＝f(N)的關(guān)系曲線，就稱為運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線。如下所示： 在實(shí)際的水輪機(jī)工作時，n＝const，D1＝const。但H在一年時間內(nèi)是變化的。由于運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線中的H不連續(xù)，運(yùn)用時不方便。所以將運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線轉(zhuǎn)換成運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線。 ⒉特性 在運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線上，計(jì)算水頭Hr＝發(fā)出發(fā)電機(jī)額定出力的最小水頭。顯然對應(yīng)的水輪機(jī)引用流量最大。 另外在運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線上有兩條重要的限制線，水輪機(jī)出力限制線和發(fā)電機(jī)出力限制線，也就是說機(jī)組只能在限制線內(nèi)工作。 ⑤飛逸特性曲線 飛逸特性曲線

62、runaway characteristic curves ⒈定義 ①飛逸轉(zhuǎn)速:機(jī)組在正常運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)速保持為額定轉(zhuǎn)速不變。只有當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷，并且導(dǎo)葉拒動時，才能出現(xiàn)飛逸現(xiàn)象。此時輸出功率為零，而水流輸入功率依然存在。于是機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速升高，直至水流能量與轉(zhuǎn)速升高時機(jī)械摩擦損失能量相平衡，轉(zhuǎn)速才到達(dá)某一穩(wěn)定的最大值，即飛逸轉(zhuǎn)速。飛逸轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)是N＝0，＝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，并且以單位參數(shù)、作為縱橫坐標(biāo)，那么＝0的等效率線就是該輪系水輪機(jī)的飛逸特性曲線。 ⒉特性 飛逸特性曲線上的最大值稱為最大單位飛逸轉(zhuǎn)速。那么原型水輪機(jī)最大飛逸轉(zhuǎn)速 (

63、r/min) 長時間的飛逸，會引起機(jī)組轉(zhuǎn)動部件的破壞和機(jī)組廠房的強(qiáng)烈振動。因此工程上常設(shè)置快速閥門的措施，在2分鐘內(nèi)截流，使水流的出力為零Ns＝0，促使機(jī)組轉(zhuǎn)速很快下降，并停止轉(zhuǎn)動。 ⒊特性曲線轉(zhuǎn)換 ? 前面我們講了各種型式的特性曲線，而對于同一輪系水輪機(jī)來說，模型綜合特性曲線只有一個，是唯一的。它是根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果繪制出，能表達(dá)水輪機(jī)的能量特性、汽蝕特性等，完整的具有普遍意義的特性曲線。而其他的特性曲線是針對具體的水輪機(jī)而言的?？梢杂赡Ｐ途C合特性曲線，通過相似律的關(guān)系以及效率的修正，得出運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線、工作特性曲線和轉(zhuǎn)速特性曲線等等。 第六節(jié) ★水輪機(jī)的臺數(shù)和單機(jī)容量；

64、 ★水輪機(jī)的牌號、型號及裝置方式； ★水輪機(jī)的直徑和轉(zhuǎn)速； ★水輪機(jī)的吸出高及安裝高程； ★繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線； ★確定蝸殼及尾水管尺寸。 2.收集的根本資料 (1)水能規(guī)劃資料 ★裝機(jī)容量； ★各種代表水頭：Hmax、Hmin、Hav、Hr。 加權(quán)平均水頭是水電站在運(yùn)行期間出現(xiàn)次數(shù)最多、經(jīng)歷時間最長的水頭；設(shè)計(jì)水頭(計(jì)算水頭)是水輪機(jī)發(fā)出額定出力時所需的最小水頭，它的精確值只能在水輪機(jī)選好之后確定。初估按下式進(jìn)行： 河床式：Hr＝0.9 Hav；壩后式：Hr＝0.95 Hav；引水式：Hr＝ Hav。 ★下游水位與流量的關(guān)系曲線 (該流量不僅是通過水輪機(jī)

65、的流量，也包括通過其他途徑下泄的流量)。 (2)水輪機(jī)產(chǎn)品技術(shù)資料 ①水輪機(jī)的系列型譜(主要包括輪系的水頭適用范圍、最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速、最大單位流量和模型汽蝕系數(shù))。 ②標(biāo)準(zhǔn)直徑D1：在選擇大中型水輪機(jī)時可以不套用標(biāo)準(zhǔn)直徑，按實(shí)際大小定做。 ③同步轉(zhuǎn)速n：機(jī)組的同步轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)有關(guān)，磁極對數(shù)只能是一對一對的，所以同步轉(zhuǎn)速分檔改變。在選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)速時必須套用同步轉(zhuǎn)速。 ④某一輪系的模型綜合特性曲線∽，(理應(yīng)包括飛逸特性曲線)。 ⑤某一輪系水輪機(jī)的應(yīng)用范圍圖，利用該圖可以根據(jù)Hr和單機(jī)容量Nr查得D1、n和Hs等。但得出的結(jié)果不夠精確，多適用于規(guī)劃階段或小型水輪機(jī)的選擇。 (

66、3)套用資料 收集國內(nèi)外正在設(shè)計(jì)、施工和已在運(yùn)行的同類型水輪機(jī)及水電站的有關(guān)資料，以便套用 ⑴臺數(shù) 機(jī)組臺數(shù)與機(jī)電設(shè)備制造、水電站投資、水電站運(yùn)行系列、水電站管理各方面的關(guān)系。總而言之，在制造水平允許的情況下，一般是3∽8臺，并且盡可能將單機(jī)容量選得大一些。 ⑵牌號 根據(jù)水輪機(jī)的系列型譜選擇。Hmax不能超過該輪系的適用水頭的上限；Hav、Hr在適用水頭范圍之內(nèi)。假設(shè)兩種型號都適用，那么需要進(jìn)行比照分析和計(jì)算。或根據(jù)類似水電站，套用機(jī)組。 ⑶D1和n的計(jì)算 ⑴求D1 由可得 1. N取水輪機(jī)額定出力Nr，Nf是發(fā)電機(jī)的額定出力(機(jī)組容量)； 2. H取設(shè)計(jì)水頭Hr； 3. 取推薦的最大單位流量，查型譜表； 4. 效率，在模型綜合特性曲線 ∽上，對應(yīng)型譜表上和的效率，找到。與選取的水輪機(jī)直徑有關(guān)，目前正是計(jì)算D1，所以只能初估＝1，2，3%。 5. 由計(jì)算所得的D1，對照標(biāo)準(zhǔn)直徑取定D1；通常是選用相近而偏大的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便使水輪機(jī)有一定的富裕容量。 6. 將選取標(biāo)準(zhǔn)直徑D1和代入效率修正的經(jīng)驗(yàn)公式，求，看結(jié)果是否與初估的接近，假設(shè)