1、第一次作業1. 論述水輪機的基本類型和分類方法(1) 實際水流利用條件千差萬別，各種形式的水輪機可以最大限度的利用水能。 1(2) 水輪機可按能量利用特征、水流特征、轉輪結構特征分類。 1(3) 水輪機的主要類型可以歸納如下： 4(4) 水輪機按能量轉換特征分為兩類，為反擊式和沖擊式:反擊式水輪機既利用水流的動能也利用水流的勢能；沖擊式水輪機只利用水流的動能。 a.反擊式水輪機按轉輪區內水流相對于主軸流動方向的不同可分為:混流式（水流輻向進，軸向出）;軸流式（水流軸向進，軸向出）;斜流式（水流沿著與主軸成某一角度的方向流動）;貫流式（機組在流道中間，周圍過水）。其中:軸流式水輪機根據其轉輪葉片

2、在運行中能否轉動，可分為:軸流定槳式和軸流轉槳式.貫流式水輪機根據其發電機裝置形式的不同，可分為:全貫流式和半貫流式。b.沖擊式水輪機按射流沖擊轉輪的方式不同可分為:水斗式、斜擊式和雙擊式三種。 2(5) 各種水輪機的適用水頭不一樣。水斗式水輪機的適用水頭約為3001700m，混流式水輪機約為20700m，軸流式水輪機約為380m，斜流式水輪機約為40200m，貫流式水輪機約為125m。 22. 繪出混流式水輪機的示意圖（沿主軸剖面圖及沿蝸殼中心線平面圖，圖中應標明其主要部件的名稱）。 圖1 混流式水輪機沿主軸剖面圖 6 圖2 混流式水輪機沿蝸殼中心線平面圖 43.比較混流式、軸流式和水斗式水

3、輪機各主要部件的特征.評分標準： 本題中前四種部件是主要方面，學生作答只要涵蓋參考答案基本內容即可得分，不要求完全一致。水輪機型號部件名稱混流式軸流式水斗式轉輪構造特征（占5分，每小點1分。錯答不答扣1分，扣完為止）1. 轉輪由上冠、葉片、下環、止漏環、和泄水錐這五個部分組成2. 轉輪葉片沿圓周均勻分布的固定于上冠和下環之間的若干個扭曲面體，斷面形狀為翼形1. 轉輪葉片是沿輪轂四周徑向均勻分布的略有扭曲的翼形曲面體，其內側弧線短，曲度和厚度較大，外側弧線長較薄而平整。2. 定槳式轉輪的葉片固定在輪轂上，轉槳式轉輪的葉片用球面法蘭與輪轂連接1.由輪盤及沿輪盤圓周均勻分布的斗勺形輪葉（即水斗）組成

4、。輪葉的正面由兩個半勺形的內表面和略帶斜向的出水邊組成，中間由分水刃分開，射流束的中線與分水刃重合。進水部件構造特征（占1分，每小點0.5分。錯答不答扣0.5分，扣完為止）多采用金屬蝸殼，蝸殼包角一般為多采用混凝土蝸殼，蝸殼包角一般為高壓水流通過壓力鋼管經噴嘴形成高速射流調節流量機構構造特征（占2分，每小點0.5分。錯答不答扣0.5分，扣完為止）1.通過導水機構進行流量調節2.導水機構由導葉及其操作機構組成通過調速器調節葉片轉動與導葉轉動來調節流量達到最優工況1. 通過噴嘴和噴針構成的針閥來實現流量調節2. 噴嘴前裝有折流板，用來防止突棄負荷時發生轉輪飛逸3. 機殼內右下側設置了導流板，防止水

5、流隨轉輪飛濺到轉輪上方或輪葉背面造成附加損失泄水部件構造特征（占1分，每小點0.5分。錯答不答扣0.5分，扣完為止）由泄水錐和尾水管完成泄水由泄水錐和尾水管完成泄水1. 通過尾水槽泄水、2. 機殼使作完功的水流流暢地排至下游其它（占1分，只要內容不錯即可得分，錯答不答扣0.5分，扣完為止）通過座環傳力主要由外圍混凝土支撐機殼內壓力與大氣壓相當。機殼也用來支撐水輪機軸承。第二次作業1. 試分析尾水管的工作原理，推導尾水管回收的能量表達式。 圖1 無尾水管 圖2 有尾水管如圖1所示對于無尾水管的情況： 1-1斷面單位水能 （1-1） 0.5 2-2斷面單位水能 （1-2） 0.5將式1-2代入1-

6、1可得無尾水管水輪機轉輪從水中所獲得的單位能量為： （1-3） 1如圖2所示對于有尾水管的情況： 2-2斷面單位水能 （1-4） 0.5由2-2斷面至5-5斷面的伯努力方程 （1-5） 0.5從而可得 （1-6） 0.5則裝設尾水管水輪機轉輪從水中所獲得的單位能量為 (1-7) 1于是可得尾水管所回收的轉輪出口余能 (1-8) 1 比較式1-6和式1-8可得 (1-9) 0.5由式1-9可知，尾水管回收轉輪出口水能的途徑是（工作原理）：(1) 使轉輪出口斷面壓力降低，形成真空。1(2) 回收轉輪出口的能量，增大轉輪的利用水頭。1(3) 以動力真空的形式回收轉輪出口大部分動能，以靜力真空形式回收

7、轉輪出口高于下游水面的位能。1評分標準：本題重在考察學生對尾水管工作機理及相應數學模型的認識與理解，要求完整的推導和簡潔清晰的描述。本題滿分10分，分3項給分：1. 9式中除1-3、1-7和1-8為每式1分，其余每式0.5分；2. 推導過程描述清晰，邏輯合理給1分；3. 尾水管工作原理基本內容有三點，每點1分，錯答不答不給分。2.論述氣蝕的成因、類型和防護措施。答：(1)成因：局部壓力小于氣化壓力。低壓區產生氣泡，高壓區氣泡潰滅，高速射流反復沖擊，使金屬表面產生疲勞剝蝕破壞 2(2)類型：氣蝕的基本類型有翼形氣蝕、間隙氣蝕、局部氣蝕和空腔氣蝕。翼形氣蝕：一般發生在葉片背面（主要的氣蝕類型，對水

8、輪機影響最大）；間隙氣蝕：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生的氣蝕；局部氣蝕：過流表面某些地方凸凹不平因脫流而產生的氣蝕；空腔氣蝕：偏離最優工況時，在轉輪出口、尾水管進口處由于圓周分量引起的一種非軸對稱的真空渦帶； 4(3)防護措施：水輪機氣蝕的防護可從水輪機制造、運行維護、工程措施等方面著手。設計制造：采用合理的翼型以盡可能使葉片背面壓力分布均勻，并縮小低壓區范圍。運行維護：擬定合理的水電站運行方式，盡可能避免在氣蝕嚴重的工況區運行。工程措施：選擇合理的水輪機安裝高程，確保葉道內最低壓力不低于氣化壓力。 4評分標準：第一問2分，余下兩問各4分，只有標題而無闡述得一半分。

9、3.說明水輪機允許吸出高的影響因素，以及不同機組安裝高程的確定方法。 答：1、影響因素： (3-1 ) 式中: 指水輪機安裝位置的大氣壓；指氣化壓力，其值與通過水輪機的水流的溫度和水質有關；：水輪機實際運行的氣蝕參數， 實際應用時常寫為： (3-2)或 (3-3)式中 :是水輪安裝位置的海拔高程，在初始計算時可取為下游平均水位的海拔高程；是模型氣蝕參數，各種工況的值可從該型號水輪機的模型綜合特性曲線中查取；是氣蝕系數的修正值，可根據設計水頭由圖查取；是氣蝕系數的安全系數，一般可取=1.11.35；指水輪機水頭，一般可取為設計水頭。 42、不同機組安裝高程的確定方法： 立軸混流式：安裝高程為導葉

10、中心線位置， (3-4)是設計尾水位，m；是導葉高度，m； 立軸軸流式：安裝高程為導葉中心線位置， (3-5)是轉輪標稱直徑，m；x是軸流式水輪機的高度系數，m；臥軸反擊式水輪機：安裝高程為主軸中心線位置， (3-6)水斗式水輪機：立軸：安裝高程為噴嘴中心線位置， (3-7)臥軸：安裝高程為主軸中心線位置， (3-8)是最高尾水位，m。 6（評分標準：第一問4分，第二問6分，公式錯誤和解釋不詳細酌情扣分。）1、分析機組甩負荷導葉關閉工況，或機組增負荷導葉開啟工況，在設上下游調壓室的引水系統中會產生哪些水利過渡過程，相應機組轉速變化過程如何？（請配合示意圖說明）答：機組甩負荷后會發生多種過渡過程

11、。機組甩負荷后會發生：導葉關閉、機組流量減小到0、機組轉速上升、蝸殼壓力上升、尾水管壓力下降、上游調壓室水位上升、下游調壓室水位下降等現象。 （3）過渡過程:由一個穩定狀態到另一個穩定狀態的中間的非恒定過程水力過渡過程：1. 壓力管道水錘壓力變化過程2. 尾水管水錘壓力變化過程3. 調壓室水位變化過程 （4）機械過渡過程：1. 機組轉速變化過程2. 調速器動作過程（各示意圖按順序如下排列） （4）（評分規則：第一問在機組增負荷導葉開啟工況下，其發生的現象與之相反，只需答一種工況下即可，6個圖，每個1分，）2、試推倒簡單管閥門在某開度下的水錘反射系數，并簡要說明閥門反射系數對間接水錘類型的影響。

12、答：水錘的反射系數：反射波與入射波的比值：基本方程：式中，和分別表示沿正負方向傳播的壓力波。對于水斗式水輪機，其噴嘴的出流規律為：，當時，可近似地取 。在入射波未到達的時刻，。代入得：依據基本方程得： （10）間接水錘共分為兩類：第一相水錘，極限水錘。1. 第一相水錘： 根據閥門的反射系數公式，當時，為正，水錘波在閥門處的反射是不變號的。2. 極限水錘：根據閥門的反射系數公式，當時，為負，水錘波在閥門處的反射是變號的。 （4）（評分規則： 第一問推導過程需完整，不完整者酌情扣分）3、請論述解決調保矛盾的主要措施及適用條件。答：解決調保矛盾的措施：調節規律優先，工程措施最后 （2）措施一：優化導

13、葉調節規律（折線規律）。高水頭電站，導葉先慢后快關閉，對減小水錘有利，對機組轉速上升不利；低水頭電站，導葉先快后慢關閉，對減小水錘有利，同時對減小機組轉速上升有利；通常保證轉速上升率略小于規范要求的前提下，盡量延長導葉關閉時間以減小水錘。 （4）措施二：適當增大機組轉動慣量GD2。GD2增大可減小轉速上升，從而為延長導葉關閉時間以減小水錘創造條件；（3）措施三：改變管道長度和尺寸。可能的情況下盡量減小管道長度；在經濟效益允許情況下，適當加大管徑以減小流速； （3）措施四：采用壓力管道分流速措施。小型水電站設減壓閥或爆破膜；（3）措施五：設置調壓室。大中型設調壓室，以減小壓力管道長度。 （3）（

14、評分規則：措施不完整者按條扣分，解答不詳細者扣一半分）1. 簡述調壓室的功用、工作原理，以及上下游調壓室設置條件的不同之處。15a.調壓室的功用可以歸納為以下三點：（1）利用擴大的斷面和自由水面反射水錘波，基本上避免壓力管道中的水錘波進入引水道。2（2）將引水系統分成引水隧洞和壓力管道，縮短了壓力管道的長度，從而減小壓力管道和廠房過流部分的水錘壓力。2（3）改善機組在負荷變化時的運行條件和系統供電質量。1b.調壓室的工作原理： 當電站丟棄全負荷時，水輪機引用流量變為零，壓力管道的水流經過一個短暫的時間后就停止流動。引水道中水流由于慣性作用繼續流向調壓室，引起調壓室水位上升，使引水道兩端水位差隨

15、之減小，因而其中流速也逐漸減慢。水位繼續升高直至引水道流速減為零，此時調壓室水位達到最高點。由于調壓室和水庫的水位差作用，水流開始倒流，調壓室水位開始下降，直至引水道流速減為零。水體如此往復波動，實現動能和勢能的轉換。由于存在阻力，水體能量被逐漸消耗，因此波動逐漸衰減，最后調壓室水位穩定在水庫水位。3當水電站增加負荷時，水輪機引用流量加大，引水道中的水流由于慣性作用不能立即滿足負荷變化的需要。水流流出調壓室，調壓室水位下降，室庫間形成新的水位差使引水道水流加速流向調壓室。當調壓室中水位達到最低點時，引水道流量等于水輪機流量。由于室庫減水位差較大，引水道流量繼續增加，因而調壓室水位又開始回升，直

16、至達到最高點。調壓室水位上下波動，由于能量的消耗，波動逐漸衰減，最后達到穩定水位。3c.上游調壓室設置條件是由與水錘相對升壓成正比的壓力水道水流慣性時間常數決定。式中和分別為壓力管道長度和平均流速；為設計水頭。2下游調壓室的設置條件是以尾水管內不產生液柱分離為前提（即尾水管進口處最大真空度不超過8m）。式中為尾水道長度；為導葉關閉時間；為恒定運行時尾水道中的平均流速；為尾水管進口流速；為水輪機安裝高程；水輪機吸出高度。22. 簡述并繪圖表達上游調壓室（或下游調壓室）的最大涌波過程線、最小涌波過程線。（注意工況和水位的選取）15上游調壓室的最大涌波過程線對應甩全負荷工況，調壓室初始水位比庫水位低

17、（引水道水頭損失值），終了水位與庫水位齊平。1電站丟棄全負荷時，水輪機引用流量變為零，壓力管道的水流經過一個短暫的時間后就停止流動。引水道中水流由于慣性作用繼續流向調壓室，引起調壓室水位上升，使引水道兩端水位差隨之減小，因而其中流速也逐漸減慢。水位繼續升高直至引水道流速減為零，此時調壓室水位達到最高點。由于調壓室和水庫的水位差作用，水流開始倒流，調壓室水位開始下降，直至引水道流速減為零。水體如此往復波動，實現動能和勢能的轉換。由于存在阻力，水體能量被逐漸消耗，因此波動逐漸衰減，最后調壓室水位穩定在水庫水位。1.5如下圖所示。5上游調壓室的最小涌波過程線對應增負荷工況，調壓室初始水位與庫水位齊平

18、或略低（空載流量），終了水位比庫水位低。1當水電站增加負荷時，水輪機引用流量加大，引水道中的水流由于慣性作用不能立即滿足負荷變化的需要。水流流出調壓室，調壓室水位下降，室庫間形成新的水位差使引水道水流加速流向調壓室。當調壓室中水位達到最低點時，引水道流量等于水輪機流量。由于室庫減水位差較大，引水道流量繼續增加，因而調壓室水位又開始回升，直至達到最高點。調壓室水位上下波動，由于能量的消耗，波動逐漸衰減，最后達到穩定水位。1.5如下圖所示。53. 請分別推導上游調壓室和下游調壓室的基本方程。（注意預先定義參數方向）20a. 上游調壓室基本方程推導8.5 1.5以上游庫水位為基準的調壓室水位向下為正

19、，引水道流速以流向調壓室為正。1根據水流連續性定理，水輪機在任何時刻所需要的流量由兩部分組成：引水道流量和調壓室流出的流量。由此得水流的連續方程式中 引水道斷面積和流速；調壓室斷面積；調壓室水位離開上游靜水位的距離；水輪機引用流量。 2在引水道內為非恒定流的情況下，如果不考慮引水道和水的彈性變形及調壓室中的水體慣性，根據牛頓第二定律，引水道中水體質量與其加速度的乘積等于該水體所受的力，即由此得出水流的動力方程式中 引水道長度；引水道水頭損失； 2調壓室的微小水位波動將引起水輪機水頭的變化，從而引起水輪機出力的變化，而機組的負荷不變，因此調速器必須隨著水頭的變化相應地改變水輪機的流量，以適應負荷不變的要求。如調壓室水位發生一微小變化