2025年水轮机工程师考试题及答案

2025年水轮机工程师考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.混流式水轮机的比转速范围通常为（）A.50-150B.150-300C.300-500D.500-700答案：B2.水轮机空化系数σ的计算公式中，与（）无关A.下游尾水位B.转轮叶片背面最低压力点压力C.当地大气压力D.水轮机设计流量答案：D3.轴流式水轮机的导叶与转轮叶片协联关系优化的核心目标是（）A.提高最高效率B.扩大高效区范围C.降低制造成本D.减少转轮重量答案：B4.水轮机模型试验中，相似准则要求满足（）A.雷诺数相等B.弗劳德数相等C.欧拉数相等D.韦伯数相等答案：C5.蜗壳水力设计中，“包角”指的是（）A.蜗壳进口断面中心角B.蜗壳断面逐渐缩小的角度C.水流在蜗壳内的旋转角度D.导叶最大开度时的覆盖角度答案：A6.水轮机调节系统中，电液转换器的主要功能是（）A.将机械位移信号转换为电信号B.将电信号转换为液压信号C.调节导叶接力器行程D.监测转速偏差答案：B7.水轮机转轮叶片采用不锈钢材料的主要原因是（）A.降低成本B.提高强度C.增强抗空蚀能力D.便于焊接答案：C8.低水头电站（H≤30m）优先选用的水轮机类型是（）A.混流式B.轴流转桨式C.冲击式D.斜流式答案：B9.水轮机效率修正的主要依据是（）A.模型与原型的尺寸差异B.运行水头波动C.水质含沙量D.导叶磨损程度答案：A10.水轮机甩负荷过渡过程中，最大压力上升发生在（）A.导叶关闭初期B.导叶关闭中期C.导叶关闭末期D.导叶全关后答案：C二、简答题（每题8分，共40分）1.简述水轮机空化的三种主要类型及其危害。答案：水轮机空化主要分为三类：①翼型空化（叶片背面低压区气泡提供），导致叶片表面剥蚀、效率下降；②间隙空化（导叶与转轮间隙高速水流减压），引发局部材料破坏；③空腔空化（转轮出口低压区形成大团气泡），造成压力脉动和机组振动。危害包括材料损伤、效率降低、振动加剧，严重时影响机组安全运行。2.说明水轮机导水机构的组成及主要功能。答案：导水机构由固定导叶、活动导叶、导叶臂、控制环、接力器等组成。功能包括：①调节进入转轮的流量，控制水轮机出力；②引导水流以最优角度进入转轮，提高能量转换效率；③在事故状态下快速关闭，防止机组飞逸。3.模型水轮机效率试验的主要步骤及关键参数测量方法。答案：步骤：①模型安装与系统调试；②在不同导叶开度下调节流量、水头至稳定；③测量输入功率（扭矩仪测轴扭矩×转速）、输出水功率（流量×水头×重力加速度）；④计算效率并绘制综合特性曲线。关键参数测量：流量用电磁流量计或量水堰，水头用差压变送器，转速用光电传感器，扭矩用应变式扭矩仪。4.水轮机调节系统的组成及各部分作用。答案：组成包括转速测量装置（磁阻传感器，监测机组转速）、调节控制器（PLC或微机，计算转速偏差）、电液转换装置（伺服阀，将电信号转为液压信号）、执行机构（接力器，驱动导叶动作）、反馈装置（位移传感器，监测导叶开度）。各部分协同工作，通过PID控制算法调整导叶开度，维持转速稳定。5.水轮机转轮裂纹的常见原因及处理措施。答案：原因：①交变应力（水流脉动、机械振动）导致疲劳裂纹；②焊接缺陷（未熔合、夹渣）引发应力集中；③材料性能不足（强度或韧性不够）；④空蚀磨损削弱材料承载能力。处理措施：表面探伤（磁粉/超声波）确定裂纹位置；打磨去除裂纹并开坡口；采用不锈钢焊条补焊，控制层间温度；焊后热处理消除应力；加工修型后做动平衡测试。三、计算题（每题10分，共30分）1.某混流式水轮机设计参数：净水头H=120m，流量Q=50m³/s，效率η=92%，求水轮机输出功率（g取9.81m/s²）。答案：水功率P_w=ρgQH=1000×9.81×50×120=58,860,000W=58.86MW；输出功率P=P_w×η=58.86×0.92≈54.15MW。2.模型水轮机（比尺λ=1:20）在H_m=10m时，流量Q_m=0.5m³/s，效率η_m=88%，求原型水轮机在H_p=160m时的流量及效率（效率修正系数取Δη=1.5%）。答案：根据相似律，流量比Q_p/Q_m=λ^(5/2)×√(H_p/H_m)，λ=20，故Q_p=0.5×20^(5/2)×√(160/10)=0.5×(20²×√20)×4=0.5×400×4.472×4≈3577.6m³/s；原型效率η_p=η_m+Δη=88%+1.5%=89.5%。3.设计一金属蜗壳，进口断面流速v=8m/s，设计流量Q=600m³/s，蜗壳包角θ=340°，求进口断面面积A及直径D（断面为圆形）。答案：进口断面面积A=Q/(v×θ/360)=600/(8×340/360)=600/(8×0.944)=600/7.55≈79.5m²；圆形断面直径D=√(4A/π)=√(4×79.5/3.14)≈√101.5≈10.07m。四、综合分析题（每题15分，共30分）1.某水电站原设计水头范围为80-120m，现因上游水库扩容，水头提升至100-150m，需对水轮机进行增容改造。请分析改造时水轮机选型的关键考虑因素，并提出选型建议。答案：关键因素：①原有机组安装尺寸限制（蜗壳、尾水管、机坑尺寸）；②新水头范围下的比转速匹配（原混流式可能比转速偏低，需提高效率）；③空化性能（水头升高，转轮进口流速增加，需优化叶片型线降低低压区）；④过渡过程稳定性（水头变幅大，调节系统需升级）；⑤与发电机匹配（转速是否需调整，避免共振）。选型建议：若原机型为混流式（原比转速约150-250），新水头范围平均提高25%，建议采用更高比转速的混流式转轮（比转速提升至200-300），优化叶片进口角和出口角，采用抗空蚀不锈钢材料；若原机组尺寸允许，可考虑更换转轮、导水机构，同时升级调速器为数字式电液调节系统，扩大高效区范围。2.某轴流转桨式水轮机运行中出现振动值超标（垂直振动0.2mm，标准≤0.1mm），请列出可能的原因及排查步骤。答案：可能原因：①水力因素：转轮叶片与导叶协联关系失调（水流冲击）、尾水管涡带（低负荷区）、转轮空化（局部压力脉动）；②机械因素：转轮动不平衡（叶片磨损或结垢）、轴承间隙过大（导轴承或推力轴承）、主轴弯曲；③电气因素：发电机转子动不平衡、电磁拉力不均（气隙不均）。排查步骤：①监测振动频率：若频率为转频（f=转速/60），可能是机械不平衡；若为叶频（f=导叶数×转速/60），可能是水力冲击；若为低频（0.2-0.4倍转频），可能是尾水管涡带。②检查协联关系：对比设计协联曲线，测试不同开度下振动值，确认是否存在协联偏差。③空化检查：观察尾水气泡情况，测量空化系