第三章 水轮机工作原理

1、第三章第三章 水轮机工作原理水轮机工作原理第一节 水流在反击式水轮机中的运动一、基本假定（1)转轮叶片与导叶无限薄、叶片数无限多。流动为均匀且轴对称的，其相对运动轨迹与叶片翼型断面的中线（即骨线）相重合。（2) 进入转轮之前的运动是均匀的、轴对称的。（3)工况不变。 空间恒定流。混流式水轮机转轮内的流面和轴面二 水流在转轮内的运动 复合运动复合运动=相对运动相对运动+牵连运动牵连运动uwvumuzrvvvvvvumuzrwwwwwwvuwr 图1-27 混流式转轮进、出口速度三角形第二节 水轮机基本方程 n能量平衡方程 n动量矩定理 -wMrmt)(ddvrmrmuvvwMrmt)(dduv图

2、1-29 绕轴运动物体的矢量示意图动量矩变化 图1-30 水流在转轮内的动量矩变化-c da bb da cMMMM2 21 1dd-()c da bb da cuuqMMMMrrttgvv)()d)d(11221122rrgQrrgqtrmuueuuuvvv(vv作用于水流的外力及其形成的力矩 n（1）重力。不产生力矩。n（2）转轮上冠与下环的内表面对水流的压力。其压力轴对称，压力的合力与水轮机轴相交，不产生力矩。n（3）转轮外的水流在转轮进、出口处对转轮流道内水流的水压力。为旋转面，合力与轴相交，不产生力矩。n（4）转轮流道固体边界对水流的摩擦力。此摩擦力对水轮机轴线的力矩很小，可略去不计

3、n（5）转轮叶片对水流的作用力。转轮叶片对水流的作用力。MMwMM水轮机的基本方程式 )(2211rrgQMuuevv)(2211rrgQMNuueevvseeHQN1 12 2()huuHrrgvv1 12 21()huuHuugvv左边：单位重量水流所具有的有效水能右边：转轮进、出口处水流速度矩的变化其他形式122()hHggwwguugHs222222122212221vv意义及讨论n水流能量转换为旋转机械能的平衡方程 n能量参数，动量参数关系n有效能量，是靠转轮进、出口的速度矩差或环量差来实现的，n大中型反击式水轮机，转轮进口速度矩是由水轮机蜗壳蜗壳和导水机构形成。n无蜗壳或导水机构的

4、水轮机，进口水流速度环量只有靠转轮本身形成。n过小的出口速度矩可能导致效率降低 第三节 水轮机的效率及最优工况一、水轮机效率 1.水力损失及水力效率 ljhhhHhHhHHHQHQHees12.容积损失及容积效率qQQeQqQQQHHQeeeeV1 3.机械损失及机械效率 )(HHqQHQNeee1mmeePPPP 总效率hVm 二、水轮机的最优工况 n水轮机的工况：水轮机运行的工作条件，用水轮机的工作参数(工作水头、流量、转速、出力与效率等)来表征。n最优工况：水力损失最小、效率最高的工况 n实际上限制水轮机运行工况范围，尽量避免在不利工况下长期运行n不稳定工况n【例1-2】某轴流式水轮机转

5、轮进口直径D1=8m，转轮轮毂直径dg=3.2m，流量Q=215 m3/s，水头H=15m；转速n=70r/min，水力效率j=0.92，试绘制在最优工况下在D=6m处圆柱层上转轮的进、出口速度三角形（设轴面速度均匀分布，忽略排挤z1）。n解：在D=6m处圆柱层上，n由水轮机基本方程式得12222221510 63(m/s)3 1463 244.()(.)mmgQDdvv123 14 6 7021 98(m/s)6060.Dnuu 1115 981 0926162198.huHguv20uv 1无撞击进口无撞击进口：转轮进口水流相对速度的方向与叶片进口处的骨线切线方向一致。 (a)叶片骨线；

6、(b) 正撞击进口； (c) 无撞击进口； (d)负撞击进 2法向出口-绝对出流角2=90 试验表明：2=90: 高水头混流式，能量损失主要发生在引水部件内，2略小于90:中、低水头混流式和轴流式，能量损失主要发生在尾水管和转轮内a2大于90:怎么样？怎么样？第三节 尾水管工作原理(作用)1.尾水管的作用是什么？2. 水轮机利用的能量怎么表达？第三节 尾水管工作原理(作用)2()(222121gppHEEEav2（1）无尾水管时 gHE2221v2app2)2()(222121gppHEEEav2(2) 圆柱形尾水管 )2()(222121gppHEEEav2washghphgpH2)(225

7、5222vv2wsahHpp2小于大气压力小于大气压力)2()(221ghHHEwsv2 多了多了 Hs !-静力真空静力真空吸出高度吸出高度(3) 扩散型尾水管 )2()(222121gppHEEEav2washghphgpH2)(2255222vv2)2(255222wsahgHppvv2)2()(255ghHHEwsdv 尾水管的动能恢复系数 gghgww2)2(22225522vvv22gghhww22222255vvww1尾水管水力损失系数尾水管相对水力损失系数gHHhw2)1 (22v2尾水管的作用n（1）将转轮出口水流引向下游。n（2）利用转轮高出下游水面的那一段位能，形成静力真

8、空。n（3）以动力真空的形式回收转轮出口水流部分动能第五节、水轮机的空化和空蚀第五节、水轮机的空化和空蚀一、空化一、空化(cavitation)及汽化压力及汽化压力(vapouring)的概念的概念 汽化：液体变气体汽化：液体变气体沸腾：温度升高沸腾：温度升高空化：空化：任何一种液体在温度一定时，当任何一种液体在温度一定时，当压力降低到压力降低到某一临界值之下时，液体就会汽化成气泡（或溶某一临界值之下时，液体就会汽化成气泡（或溶解于液体中的空气发育形成空穴），然后气泡被解于液体中的空气发育形成空穴），然后气泡被流体带到压力高于临界值的区域，气泡将溃灭，流体带到压力高于临界值的区域，气泡将溃灭，

9、这个过程称为空化这个过程称为空化汽化压力：汽化压力：在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的汽化压力(Pb)。二二、空化的机理空化的机理 压力降低压力降低压力回升压力回升气核内因：液体中存在空化核 外因：压力降低气泡生成气泡长大气泡缩小气泡溃灭初生阶段发育阶段溃灭阶段水的温度t ()05102030405060708090100汽化压力pv/ (mH2O)0.060.030.751.262.033.174.837.1510.33纯净水怎么样？纯净水怎么样？自然水空化发生的部位？可知，当VP,当P= Pb时，水开始汽化气泡（水蒸气+空气）进入高压区（气泡内蒸气变成

10、水，气泡内气体稀薄，出现强大真空，气泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向气泡中心压缩、冲击）在气泡内形成很大的微观水击压力（可达几百大气压），气泡瞬时溃裂；在高压下形成水核，向外膨胀冲击水体，并撞击过流部件表面。机械剥蚀作用机械剥蚀作用CgvZpE222三 水轮机的空蚀空蚀：空化过程若发生在固体边界上，气泡的溃灭将引起固体过流表面材料的损坏 隔河岩空蚀空蚀机理2. 化学腐蚀 局部温度升高(300度)，气泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀。3. 电化学作用：局部温差，形成热电偶，引起热电效应，产生电化腐蚀4.主要是机械破坏，化学和电化腐蚀加速了机械破坏过程。 1. 机械破坏（疲劳剥蚀）

11、四、水轮机空蚀类型 1、翼形（叶片）空蚀图2-23 沿叶片背面压力分布反击式主要的空化和空蚀形态 2、间隙空蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生空蚀。图2-25 间隙空化和空蚀3、空腔空蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生空蚀破坏，造成尾水管振动。严重时将引起运行不稳定及在尾水管进口段边壁处引起空蚀 4、局部气蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的气蚀。 由于铸造和加工缺陷形成表面不平整、砂眼、气孔 转轮室连接的不光滑台阶处或局部凹坑处的后方，还可能发生在叶片固定螺钉及密封螺钉处 n混流式：以

12、翼型空化和空蚀为主，n转桨式：以间隙空化和空蚀为主，n冲击式：在喷嘴和喷针处，在水斗分水刃处由于承受高速水流也常常有空蚀发生。n翼型空化和空蚀最为普遍和严重翼型空化和空蚀最为普遍和严重，n间隙空化和空蚀、局部空化和空蚀一般只发生在局部较小的范围内，n空腔空化和空蚀对某些水电站可能比较严重。五、气蚀的危害及防止措施 危害： 1、使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。 2、增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。 3、机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。六 防止措施： 1、设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗气蚀钢衬(不锈钢)。2、工程措施：合理选择安

13、装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。3、运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气。第六节、水轮机的空蚀系数、吸第六节、水轮机的空蚀系数、吸出高和安装高程出高和安装高程一一、水轮机的空蚀系数、水轮机的空蚀系数叶片上压力最低点为K点吸出高度吸出高度Hs： 压力最低点至下游尾水位的高度翼型空蚀)22(22222gVgWWHppwksakK点的真空值点的真空值Hk.v：)22(22222gVgWWHppHwkskakv)(2122222vWWgHwk空蚀系数空蚀系数静力真空静力真空动力真空动力真空动力真空与水头H的比值)2(255222wsahgHppvv2(1)、称

14、水轮机的空蚀系数，是动力真空的相对值。(2)、与叶型、工况有关(影响Wk,W2和叶道压力分布) Wk大 v2大大。(5)、值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行水轮机模型试验得出m,并认为=m。(3)、与尾水管的性能有关，w(4)、相似水轮机，工况相似，相同；对任一水轮机在既定工况下，也是定值。空蚀系数蚀系数是水轮机空蚀特征的一个标志，越大，越容易破坏。怎样才能不发生空蚀？)22(22222gVgWWHppwksak二、水轮机的吸出高度水轮机不发生空蚀的条件：pkpb)22(22222gVgWWHppwksakbsakpHHppHppHbas或： HHs90010HHms)(900

15、10HKHms90010空化系数修正值与水头H的关系曲线 水轮机水头与空化安全系数K关系水头H(m)30100100250250以上安全系数K1.151.201对于各种不同工况的对于各种不同工况的Hs,应怎样取值？应怎样取值？吸出高度吸出高度Hs：转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度(1)、立轴混流式水轮机：Hs 导叶下部底环平面到下游尾水垂直高度(2)、立轴轴流式水轮机：Hs 转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度(3)、卧轴贯流式水轮机：Hs 叶片出口最高点到下游尾水垂直高度安装高程是水电站厂房设计中的一个控制高程安装高程考虑因素：1. 空蚀2. 水电站土建工程开挖量三、水轮机的安装高程(Turbine sitting hight) 1、立轴HL：导叶中心平面高程 Zs=w+Hs+b0/22、立轴ZL：导叶中心平面高程 Zs=w+Hs+xD13、卧轴HL和GL：主轴中心高程 Zs=w+Hs-D1/2三、水轮机的安装高程(Turbine sitting hight) 下游尾水位怎样取？下游尾水位怎样取？下游尾水位怎样取？电站装机台数水轮机过流量1台或2台1台水轮机50%的额定流量3台或4台1台水轮机的的额定流量5台以上1.52台水轮机的额定流量 w 选用水电站最低尾水位确定设计尾水位的水轮机过流量n题：某水电站选用HL220-LJ-14