水輪機的工作原理

了解水輪機水運動的速度三角形，熟悉水輪機的能量損失；理解水流作用在水輪機轉輪上的力和力矩。熟悉水輪機的最優工況，非最優工況對混流式、軸流式水輪機的影響。理解空化機理，熟悉空蝕及破壞，空蝕防護措施。了解水輪機磨損、振動原因，熟悉防護及消除措施。通過水輪機工作的理解，提高設計、管理、維護、防護意識。水輪機的工作原理一、水輪機的水流運動在水輪機中的水流，一方面隨轉輪旋轉作圓周運動，一方面在葉片間流道作相對運動。空間運動復雜，難用數學方法表示其運動規律。引入假設，簡化分析。1、水輪機速度三角形(1)水流在水輪機內的運動水輪機轉輪繞定軸旋轉，故采用圓柱坐標系分析。水輪機的工作原理水輪機的工作原理①軸面——由z軸與r軸所構成的平面，即通過主軸軸線的徑向面。在轉輪內空間上任一點可由z、r和Ф確定。②流面——以軸面流線為母線，繞軸線旋轉所形成的旋轉面。混流式水輪機的流面呈喇叭形。軸流式水輪機的流面（忽略徑向速）近似呈圓柱形。水輪機的工作原理（2）運動速度分析相對速度W——水流質點在轉輪內沿轉輪葉片表面方向的運動速度。圓周速度U——水流質點隨轉輪一起旋轉的運動速度。絕對速度V——水流質點對水輪機固定部件（對地球）的運動速度。轉輪內任一質點的流速都可表示為：

水輪機的工作原理2、水輪機的能量損失水流流經過流部件，水能不能全部轉化為機械能傳給發電機。水力損失——水流經過流部件，沿程產生摩擦、局部發生撞擊和漩渦所產生的水頭損失。容積損失——水流經過流部件，少量水流不做功由間隙漏掉所產生的流量損失。機械損失——水流經過流部件，克服軸承處的機械摩擦等所產生的功率損失。現代水輪機容積效率、機械效率都很高，水輪機的損失主要是水力損失，盡量減小其損失，提高水輪機效率。水輪機的工作原理3、水流作用在水輪機轉輪上的力和力矩

·水流在流經轉輪葉片時，作用于轉輪葉片，使水輪機獲得旋轉的機械能。

·用動量矩定理分析作用在轉輪葉片上的力和力矩：

水輪機的工作原理絕對速度V分解為軸面分速Vm和圓周分速Vu。Vm方向通過轉輪軸線，對主軸不起作用Vu垂直于徑向，對主軸產生動量矩mVu.r水流質點所受的力及力矩：重力——與軸線重合，不產生力矩。轉輪上冠、下環內表面對水流的壓力——環形部件，水流呈軸對稱而抵消，不產生力矩。轉輪葉片對水流的作用力——產生力矩，改變水流運動方向和大小。水輪機的工作原理水流對葉片的作用力相反——以一定水壓作用在葉片上，驅動轉輪旋轉，產生旋轉力矩。水流速度矩的大小關鍵取決于進、出口速度圓周分量的大小。水輪機的工作原理二、水輪機的運行工況水輪機的運行狀態——運行工況——隨時變化1、水輪機的最優工況最優工況——效率最高的工況水力損失起決定性作用——取決于轉輪進水方向、出水方向水輪機的工作原理（b）圖無撞擊進口，不產生撞擊、脫流、漩渦現象等，水力損失最小。水輪機的工作原理（b）圖法向出口，水力損失最小。Vu2越大，尾水管的摩擦損失和漩渦損失越大。水輪機的工作原理2、水輪機的非最優工況非最優工況——偏離最優工況，進口產生撞擊損失和脫流損失，出口尾水管產生漩渦損失，導致機組振動，水輪機效率下降。（1）對混流式和軸流定槳式水輪機的影響水輪機的工作原理備注：圖中虛線表示最優工況。2-13圖中，水頭不變，流量變化，導水機構開或關導葉，V1的大小、方向變化；W2方向不變，大小變。2-14圖中，水頭變化，流量不變，導水機構的導葉不變，V1的大小變、方向不變化；W2方向不變，大小變。（2）對軸流轉槳式水輪機的影響轉輪葉片與導水機構的導葉協聯動作，影響不大。水輪機的工作原理三、水輪機的空化1、空化現象和空化機理（1）空化現象——在環境溫度不變情況下，由于動壓力下降，引起汽化，產生一定水錘，破壞材料。

注：沸騰——液體在一定壓力下加熱引起汽化，不破壞材料。（2）空化機理①闡述空化機理過程（空化水錘產生過程）②空蝕——空化造成過流表面的材料損壞空化破壞作用：機械作用、電化作用、化學作用。主要是機械作用破壞。水輪機的工作原理2、水輪機的空蝕類型及破壞（1）水輪機空蝕類型：翼型空蝕、局部空蝕、間隙空蝕、空腔空蝕翼型空蝕為主。（2）空蝕破壞破壞過流部件；引起機組振動、噪音；增加機組檢修；降低水輪機效率。水輪機的工作原理3、水輪機的吸出高度和安裝高程

（1）空化系數水輪機空蝕性能的好壞，一般是翼型空蝕的好壞。水輪機的工作原理在葉片背面接近出口邊的K點壓力最低，為保證水輪機不發生空蝕，PK≥PV(一定溫度下的汽化壓力)注：M點為尾水渠，即大氣壓處推理過程略···K點真空值：（水輪機吸出高度）靜力真空

動力真空與水頭有關水輪機的工作原理確定水輪機的空化性能：空化系數——動力真空與水頭的比值在水輪機設計和選型時，在保證良好能量特性的情況下，應盡量使空化系數小。（2）水輪機的吸出高度和安裝高度

K點真空值：

水輪機的工作原理不發生空蝕的條件：得出吸出高度：吸出高度是指在水輪機中所規定的的空化基準面與尾水位的高差。水輪機的吸出高度Hs與水輪機的安裝高程有關。水輪機的工作原理標準海平面平均大氣壓=101kPa水溫5°～20°時，水的空化壓力=0.9～2.4KPa3000m內，若電站海拔高程為Z，該處大氣壓降所最大吸出高程

(m)注：r=9.8KPa/m（1米水壓）一般Z常用Zw（所在電站的最低尾水位）

H多采用額定水頭Hr水輪機的工作原理模型與原水輪機之間存在尺寸比例的影響及模型水輪機試驗的誤差，需對空化系數σ修正。為保證不發生空蝕，計算水輪機的吸出高度需留一定安全裕量。

(m)水輪機的安裝高程Z——水輪機按規定安裝時作為基準的某一平面的海拔高程。Z=Zw+Hs實際工程計算，Zw一般為水電站的最低水位。不同水輪機，對吸出高度點的規定不同。（參看P75）模型水輪機的空化系數水輪機的工作原理水輪機的工作原理4、水輪機空蝕的防護設計方面、制造方面、材質選用方面、運行方面、檢修方面（帶學生勾出重點）四、水輪機的磨損與振動1、水輪機磨損（P78）①磨損概念