1、水 電 站 第二章 水輪機的工作原理浙江水專國家精品課程水電站/第一節(jié) 水流在反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪中的運動一、復(fù)雜的空間非恒定流水輪機內(nèi)的水流運動是復(fù)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(fù)合運動，流速的大小、方向在不斷地變化，而轉(zhuǎn)輪本身也在運動。 浙江水專國家精品課程水電站/二、恒定流狀態(tài) 水輪機在某一工作狀況時，(H、Q、N、不變)，水流在水輪機的蝸殼、導(dǎo)水葉及尾水管中的流動假定是恒定流。水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動相對于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)而言，也假定是恒定流。水流在轉(zhuǎn)輪中的運動非常復(fù)雜，上述假定可以簡化分析。浙江水專國家精品課程水電站/三、水流運動是

2、空間三元流水流運動規(guī)律用速度三角形表達 水流絕對流速（相對于地球） 水流流動的牽連流速 水流沿葉片流動的相對流速 用速度三角形分析水流運動的方法是研究轉(zhuǎn)輪流速場的重要方法。 浙江水專國家精品課程水電站/對于混流式水輪機，可以認為任一水流質(zhì)點在轉(zhuǎn)輪中的運動是沿著某一喇叭形的空間曲面(稱之為流面)而作的螺旋形曲線運動。流面即由某一流線繞主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。在整個轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)有無數(shù)個這樣的流面。流面上每一個進口點的速度三角形是相同的；每一個出口點的速度三角形也是相同的。浙江水專國家精品課程水電站/sdz根據(jù)恒定流假定可知，任一水流質(zhì)點在轉(zhuǎn)輪進口的運動狀態(tài)及其流動到轉(zhuǎn)輪出口的運動狀態(tài)可由同一時刻該流

3、面上任意進、出口點的速度三角形表示。浙江水專國家精品課程水電站/sdz速度與分速度的空間矢量關(guān)系浙江水專國家精品課程水電站/第二節(jié) 水輪機工作的基本方程式 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(yīng)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(guān)系。 浙江水專國家精品課程水電站/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)的水流運動時假定為恒定流，因此轉(zhuǎn)輪的出力為：所以，水輪機的基本方程為： 該方程式對反擊式、沖擊式水輪機均適用。 浙江水專國家精品課程水電站/方程的實

4、質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡方程，方程左邊為轉(zhuǎn)換成的機械能。水流與葉片相互作用，使得水輪機做功。水流通過水輪機時，葉片迫使水流動量矩發(fā)生變化，而水流以反作用力作用在葉片上，從而使轉(zhuǎn)輪獲得力矩。水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機械能的必要條件：水流在轉(zhuǎn)輪出口的能量小于進口處的能量，即轉(zhuǎn)輪的進口和出口必須存在速度矩的差值。三、基本方程的物理意義浙江水專國家精品課程水電站/第三節(jié) 水輪機的效率及最優(yōu)工況 一、水輪機的效率(efficiency) 水輪機的能量損失導(dǎo)致N Ns ，效率0時，利用靜力真空。 (3) 利用動力真空Hd。浙江水專國家精品課程水電站/sdz 尾水管的動能恢復(fù)系數(shù) 尾水管的靜力真空Hs取決

5、于水輪機的安裝高程，與尾水管的性能無關(guān)；衡量尾水管性能好壞的標(biāo)志是恢復(fù)動能的程度（與尾水管尺寸有關(guān)），一般用動能恢復(fù)系數(shù)w表示w 0.8 時，效果較好； w 0.30.4時，效果較差。 浙江水專國家精品課程水電站/第五節(jié) 水輪機的空化與空蝕浙江水專國家精品課程水電站/一、水輪機的空蝕1. 空化及空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引起的汽化為沸騰；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空化壓力(Pb) 浙江水專國家精品課程水電站/2. 水輪機的空蝕(1) 空蝕破壞的機理由 可知，當(dāng)VP,當(dāng)P= Pb時，水開始汽

6、化汽泡(水蒸氣+空氣)水中溶解的氣體向氣泡析出氣泡體積迅速增大進入高壓區(qū)蒸氣變成水，汽泡體積減小，出現(xiàn)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泡中心壓縮、沖擊，在汽泡內(nèi)形成很大的微觀水錘壓力(可達幾百大氣壓)；浙江水專國家精品課程水電站/sdz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(fù)沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴重破壞 機械破壞，稱為疲勞剝蝕。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，引起局部溫度升高(可達到300)，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用化學(xué)腐蝕。浙江水專國家精品

7、課程水電站/sdz(2) 水輪機空蝕定義 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(fù)沖擊，對水輪機過流金屬表面產(chǎn)生機械剝蝕和化學(xué)腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機的空蝕。 隔河巖1號水輪機轉(zhuǎn)輪空蝕浙江水專國家精品課程水電站/使過流部件機械強度降低，嚴重時整個部件受到破壞。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(fù)雜性。消耗鋼材、延長工期。3. 空蝕造成的危害浙江水專國家精品課程水電站/二、水輪機空蝕類型翼形(葉片)空蝕：轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的空蝕，與葉片形狀、工況有關(guān)。

8、是反擊式水輪機的主要空蝕形式。間隙空蝕：當(dāng)水流通過間隙和較小的通道時，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生的空蝕。空腔空蝕：在非最優(yōu)工況時，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力的脈動，在尾水管進口處產(chǎn)生空蝕破壞，還可能造成尾水管振動。局部空蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。 浙江水專國家精品課程水電站/尾水管內(nèi)的真空渦帶浙江水專國家精品課程水電站/尾水管內(nèi)的真空渦帶浙江水專國家精品課程水電站/三、防止空蝕的措施 流速和壓力是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。 1. 設(shè)計制造方面： 合理選型，葉型流線設(shè)計，表面光滑，抗空蝕鋼襯(不銹鋼)。

9、 2. 工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙進入水輪機。 3. 運行方面：避開低負荷、低水頭運行，合理調(diào)度，必要時向尾水管補氣。 浙江水專國家精品課程水電站/第六節(jié) 水輪機的空蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程一、水輪機的空蝕系數(shù)反擊式水輪機發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了ppb的情況，因此防止空蝕的措施是限制p的降低，使ppb。影響水輪機效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡量水輪機空蝕性能好壞一般是針對翼型空蝕而言，其標(biāo)志為空蝕系數(shù)。空蝕系數(shù)是水輪機空蝕特征的一個標(biāo)志，越大，越容易破壞 。浙江水專國家精品課程水電站/葉片上壓力最低點浙江水專國家精品課程水電站/ 通過研究葉片

10、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(列K點和2點、2點和下游水面的能量方程)： K點的真空值Hk.v： 為尾水管動能恢復(fù)系數(shù)。浙江水專國家精品課程水電站/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(guān)；動力真空hk與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機工況、尾水管性能有關(guān)，因此表明水輪機空蝕性能的只是動力真空： 浙江水專國家精品課程水電站/sdz稱水輪機的空蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。與葉型、工況有關(guān)，Wk大W2大大。與尾水管的性能有關(guān)，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(fù)雜，

11、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。 浙江水專國家精品課程水電站/sdz二、水輪機的吸出高 為了防止空蝕，必須限制k點的壓力，使pkpB 保證水輪機內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件： pk pB Pa/=10.33 PB/=0.090.24浙江水專國家精品課程水電站/水輪機吸出高Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點到下游水面的垂直高度Zk，與水輪機形式有關(guān)，規(guī)定如下： (1) 立軸混流式水輪機： 導(dǎo)葉下部底環(huán)平面到下游尾水面垂直高度。 (2) 立軸軸流式水輪機： 轉(zhuǎn)輪葉片軸線到下游尾水面垂直高度。 (3) 臥軸貫流式水輪機： 葉片出口最高點到下游尾水面垂直高度。 (4) 設(shè)計尾水位高于上述高程Hs為負，反之為正。 (5) 為保證水輪機在運行中不發(fā)生空蝕，對各種工況下Hs 進行試驗，取其中較小值。 浙江水專國家精品課程水電站/sdz三、水輪機的安裝高程 浙江水專國家精品課程水電站/ 1. 立軸HL：導(dǎo)葉中心平面高程 Za=w+Hs+b0