第二章水輪機(jī)工作原理

1、 第二章第二章 水輪機(jī)的工作原理水輪機(jī)的工作原理第一節(jié)第一節(jié) 水流在反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)水流在反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)一、復(fù)雜的空間非恒定流一、復(fù)雜的空間非恒定流u水輪機(jī)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的空間非恒定流水輪機(jī)內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的空間非恒定流 1)水頭、流量在不斷變化水頭、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(yùn)動(dòng)，流速的大小、方向在不斷地變化，內(nèi)為復(fù)合運(yùn)動(dòng)，流速的大小、方向在不斷地變化，而轉(zhuǎn)輪本身也在運(yùn)動(dòng)。而轉(zhuǎn)輪本身也在運(yùn)動(dòng)。 二、恒定流狀態(tài)二、恒定流狀態(tài)v 水輪機(jī)在某一工作狀況時(shí)，水輪機(jī)在某一工作狀況時(shí)，(H、

2、Q、N、不變不變)，水流在水輪機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水葉及尾水管中的流動(dòng)假水流在水輪機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水葉及尾水管中的流動(dòng)假定是恒定流。定是恒定流。v水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)相對(duì)于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)而言，也水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)相對(duì)于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)而言，也假定是恒定流。假定是恒定流。v水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，上述假定可以簡(jiǎn)化水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，上述假定可以簡(jiǎn)化分析。分析。三、水流運(yùn)動(dòng)是空間三元流三、水流運(yùn)動(dòng)是空間三元流水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律用速度三角形表達(dá)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律用速度三角形表達(dá) 水流絕對(duì)流速（相對(duì)于地球）水流絕對(duì)流速（相對(duì)于地球） 水流流動(dòng)的牽連流速水流流動(dòng)的牽連流速 水流沿葉片流動(dòng)的相對(duì)流速水流沿葉片流動(dòng)的相對(duì)流速

3、用速度三角形分析水流運(yùn)動(dòng)的方法是研究轉(zhuǎn)輪用速度三角形分析水流運(yùn)動(dòng)的方法是研究轉(zhuǎn)輪流速場(chǎng)的重要方法。流速場(chǎng)的重要方法。 WUVVWUv對(duì)于混流式水輪機(jī)，可以認(rèn)為任一水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)對(duì)于混流式水輪機(jī)，可以認(rèn)為任一水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動(dòng)是沿著某一喇叭形的空間曲面輪中的運(yùn)動(dòng)是沿著某一喇叭形的空間曲面(稱之為稱之為流面流面)而作的螺旋形曲線運(yùn)動(dòng)。而作的螺旋形曲線運(yùn)動(dòng)。v流面即由某一流線繞主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。流面即由某一流線繞主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。在整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)有無數(shù)個(gè)這樣的流面。在整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)有無數(shù)個(gè)這樣的流面。v流面上每一個(gè)進(jìn)口點(diǎn)的速度流面上每一個(gè)進(jìn)口點(diǎn)的速度三角形是相同的；每一個(gè)出三角形是相同

4、的；每一個(gè)出口點(diǎn)的速度三角形也是相同口點(diǎn)的速度三角形也是相同的。的。v根據(jù)恒定流假定可知，任一水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口根據(jù)恒定流假定可知，任一水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其流動(dòng)到轉(zhuǎn)輪出口的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可由的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其流動(dòng)到轉(zhuǎn)輪出口的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可由同一時(shí)刻該流面上任意進(jìn)、出口點(diǎn)的速度三角形同一時(shí)刻該流面上任意進(jìn)、出口點(diǎn)的速度三角形表示。表示。速度與分速度的空間矢量關(guān)系速度與分速度的空間矢量關(guān)系第二節(jié)第二節(jié) 水輪機(jī)工作的基本方程式水輪機(jī)工作的基本方程式 一、動(dòng)量矩定理一、動(dòng)量矩定理 單位時(shí)間內(nèi)水流對(duì)轉(zhuǎn)輪的動(dòng)量矩改變，應(yīng)等于作單位時(shí)間內(nèi)水流對(duì)轉(zhuǎn)輪的動(dòng)量矩改變，應(yīng)等于作用在該水流上的外力的力矩總和。即：用在該

5、水流上的外力的力矩總和。即： 其中其中M為水流對(duì)轉(zhuǎn)輪的力矩，方程右端為水流本為水流對(duì)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(dá)了水輪機(jī)中水流能量轉(zhuǎn)換身速度矩的變化。該式表達(dá)了水輪機(jī)中水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡關(guān)系。為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡關(guān)系。 )(2211rVrVgQMuue二、水輪機(jī)的基本方程二、水輪機(jī)的基本方程在穩(wěn)定工況下在穩(wěn)定工況下(n、Q、H均不變均不變)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運(yùn)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)時(shí)假定為恒定流，因此轉(zhuǎn)輪的出力為：動(dòng)時(shí)假定為恒定流，因此轉(zhuǎn)輪的出力為：所以，水輪機(jī)的基本方程為：所以，水輪機(jī)的基本方程為： 該方程式對(duì)反擊式、沖擊式水輪機(jī)均該方程式對(duì)反擊式、沖擊式水輪機(jī)均適

6、用。適用。 )(2211rVrVgQMNuuee)(2211uueVUVUgQseeHQN2211uusVUVUgHu方程的實(shí)質(zhì)方程的實(shí)質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡方程，方程左邊為轉(zhuǎn)換成的機(jī)械能。方程，方程左邊為轉(zhuǎn)換成的機(jī)械能。u水流與葉片相互作用，使得水輪機(jī)做功。水流通過水流與葉片相互作用，使得水輪機(jī)做功。水流通過水輪機(jī)時(shí)，葉片迫使水流動(dòng)量矩發(fā)生變化，而水流水輪機(jī)時(shí)，葉片迫使水流動(dòng)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。以反作用力作用在葉片上，從而使轉(zhuǎn)輪獲得力矩。u水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能的必要條件：水流在轉(zhuǎn)輪出水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能

7、的必要條件：水流在轉(zhuǎn)輪出口的能量小于進(jìn)口處的能量，即轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口和出口口的能量小于進(jìn)口處的能量，即轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口和出口必須存在速度矩的差值。必須存在速度矩的差值。三、三、基本方程的物理意義基本方程的物理意義第三節(jié)第三節(jié) 水輪機(jī)的效率及最優(yōu)工況水輪機(jī)的效率及最優(yōu)工況 一、水輪機(jī)的效率一、水輪機(jī)的效率(efficiency) 水輪機(jī)的能量損失導(dǎo)致水輪機(jī)的能量損失導(dǎo)致N Ns ，效率效率0時(shí)，利用靜力真空。時(shí)，利用靜力真空。 (3) 利用動(dòng)力真空利用動(dòng)力真空Hd。522552222hgVVHd 尾水管的動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)尾水管的動(dòng)能恢復(fù)系數(shù) 尾水管的靜力真空尾水管的靜力真空Hs取決于水輪機(jī)的安裝高程，與取決于水

8、輪機(jī)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(dòng)能的程度（與尾水管尺寸有關(guān)），一般用動(dòng)恢復(fù)動(dòng)能的程度（與尾水管尺寸有關(guān)），一般用動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)能恢復(fù)系數(shù)w表示表示gvhgvvw2/ )2(22252255222gvHd2/222w 0.8 時(shí)，效果較好；時(shí)，效果較好； w 0.30.4時(shí)，效果時(shí)，效果較差。較差。 ww 1第五節(jié)第五節(jié) 水輪機(jī)的空化與空蝕水輪機(jī)的空化與空蝕一、水輪機(jī)的空蝕一、水輪機(jī)的空蝕1. 空化及空化壓力的概念空化及空化壓力的概念v水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。v水

9、在一定壓力下加溫引起的汽化為沸騰；水在一定壓力下加溫引起的汽化為沸騰；v環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。v在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的空化壓力下的空化壓力(Pb) 2. 水輪機(jī)的空蝕水輪機(jī)的空蝕(1) 空蝕破壞的機(jī)理空蝕破壞的機(jī)理v由由 可知，當(dāng)可知，當(dāng)VP,當(dāng)當(dāng)P= Pb時(shí)，水開始汽化時(shí)，水開始汽化汽泡汽泡(水水蒸氣蒸氣+空氣空氣)水中溶解的氣體向氣泡析出水中溶解的氣體向氣泡析出氣泡體氣泡體積迅速增大積迅速增大進(jìn)入高壓區(qū)進(jìn)入高壓區(qū)蒸氣變成水，汽泡體積蒸氣變成水，汽泡體積減小，出現(xiàn)真空，

10、汽泡外面的水流質(zhì)點(diǎn)在內(nèi)外壓差減小，出現(xiàn)真空，汽泡外面的水流質(zhì)點(diǎn)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成很大的微觀水錘壓力(可達(dá)幾百大氣壓可達(dá)幾百大氣壓)；CgvZpE222v汽泡產(chǎn)生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質(zhì)點(diǎn)汽泡產(chǎn)生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質(zhì)點(diǎn)向外沖擊。向外沖擊。v大量汽泡連續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點(diǎn)反復(fù)沖大量汽泡連續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點(diǎn)反復(fù)沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴(yán)重破壞擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴(yán)重破壞 機(jī)械破機(jī)械破壞，稱為疲勞剝蝕壞，稱為疲勞剝蝕。v汽泡被壓縮，由于體積縮小，

11、汽化破壞時(shí)水流質(zhì)點(diǎn)汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時(shí)水流質(zhì)點(diǎn)相互撞擊，引起局部溫度升高相互撞擊，引起局部溫度升高(可達(dá)到可達(dá)到300)，汽泡，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕；同時(shí)由的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕；同時(shí)由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用于溫度升高，產(chǎn)生電解作用化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕。(2) 水輪機(jī)空蝕定義水輪機(jī)空蝕定義 汽泡在潰滅過程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周汽泡在潰滅過程中，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(diǎn)發(fā)生巨大的反復(fù)沖擊，期性變化，使周圍的水流質(zhì)點(diǎn)發(fā)生巨大的反復(fù)沖擊，對(duì)水輪機(jī)過流金屬表面產(chǎn)生機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕破對(duì)水輪機(jī)過流金屬表面產(chǎn)生機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕破

12、壞的現(xiàn)象，稱水輪機(jī)的空蝕。壞的現(xiàn)象，稱水輪機(jī)的空蝕。 隔河巖隔河巖1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空蝕號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空蝕v使過流部件機(jī)械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)部件受使過流部件機(jī)械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)部件受到破壞。到破壞。v增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降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。低，流量減小，出力下降。v機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)造成廠房振動(dòng)破壞。機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)造成廠房振動(dòng)破壞。v縮短了機(jī)組檢修的周期，增加了檢修的復(fù)雜性?？s短了機(jī)組檢修的周期，增加了檢修的復(fù)雜性。消耗鋼材、延長工期。消耗鋼材、延長工期。3. 空蝕造成的危害空蝕造成的危害二、水輪機(jī)空蝕類型二、水輪機(jī)空蝕類

13、型v翼形翼形(葉片葉片)空蝕空蝕：轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的空蝕，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)。是反擊式水輪機(jī)的主要空蝕與葉片形狀、工況有關(guān)。是反擊式水輪機(jī)的主要空蝕形式。形式。v間隙空蝕：間隙空蝕：當(dāng)水流通過間隙和較小的通道時(shí)，局部流當(dāng)水流通過間隙和較小的通道時(shí)，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生的空蝕。速增大，壓力降低而產(chǎn)生的空蝕。v空腔空蝕：空腔空蝕：在非最優(yōu)工況時(shí)，水流在尾水管中發(fā)生旋在非最優(yōu)工況時(shí)，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對(duì)稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和轉(zhuǎn)形成一種對(duì)稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力的脈動(dòng)，在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生空蝕破壞，還可能壓力的脈動(dòng)，在尾

14、水管進(jìn)口處產(chǎn)生空蝕破壞，還可能造成尾水管振動(dòng)。造成尾水管振動(dòng)。v局部空蝕：局部空蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。 尾水管內(nèi)的真空渦帶尾水管內(nèi)的真空渦帶尾水管內(nèi)的真空渦帶尾水管內(nèi)的真空渦帶三、防止空蝕的措施三、防止空蝕的措施 流速和壓力流速和壓力是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個(gè)原因，因是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個(gè)原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。此要控制流速和壓力的急劇變化。 1. 設(shè)計(jì)制造方面：設(shè)計(jì)制造方面： 合理選型，葉型流線設(shè)計(jì)，表合理選型，葉型流線設(shè)計(jì)，表面光滑，抗空蝕鋼襯面光滑，抗空蝕鋼襯(不銹鋼不銹鋼)。 2. 工程措施：工程措施：合理選擇安裝高程

15、，采取防沙、排合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。沙措施，防止有害泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。 3. 運(yùn)行方面：運(yùn)行方面：避開低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)避開低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)度，必要時(shí)向尾水管補(bǔ)氣。度，必要時(shí)向尾水管補(bǔ)氣。 第六節(jié)第六節(jié) 水輪機(jī)的空蝕系數(shù)、吸出高度和安裝高程水輪機(jī)的空蝕系數(shù)、吸出高度和安裝高程一、水輪機(jī)的空蝕系數(shù)一、水輪機(jī)的空蝕系數(shù)v反擊式水輪機(jī)發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過流通反擊式水輪機(jī)發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了道中出現(xiàn)了ppb的情況，因此防止空蝕的措施是的情況，因此防止空蝕的措施是限制限制p的降低，使的降低，使ppb。v影響水輪機(jī)效率的主要

16、原因是翼型空蝕，所以衡影響水輪機(jī)效率的主要原因是翼型空蝕，所以衡量水輪機(jī)空蝕性能好壞一般是針對(duì)翼型空蝕而言，量水輪機(jī)空蝕性能好壞一般是針對(duì)翼型空蝕而言，其標(biāo)志為空蝕系數(shù)。其標(biāo)志為空蝕系數(shù)。v空蝕系數(shù)空蝕系數(shù)是水輪機(jī)空蝕特征的一個(gè)標(biāo)志，是水輪機(jī)空蝕特征的一個(gè)標(biāo)志，越大，越大，越容易破壞越容易破壞 。葉片上壓葉片上壓力最低點(diǎn)力最低點(diǎn) 通過研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點(diǎn)通過研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點(diǎn)(一般為葉片背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處一般為葉片背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處)K點(diǎn)的壓力為點(diǎn)的壓力為(列列K點(diǎn)點(diǎn)和和2點(diǎn)、點(diǎn)、2點(diǎn)和下游水面的能量方程點(diǎn)和下游水面的能量方程)：

17、K點(diǎn)的真空值點(diǎn)的真空值Hk.v： 為尾水管動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)。為尾水管動(dòng)能恢復(fù)系數(shù)。 相應(yīng)溫度的汽化壓力。相應(yīng)溫度的汽化壓力。)22(22222vgVgWWHppHwkskakvp)22(22222gVgWWHppwksakwpvv 靜力真空靜力真空Hs是吸出高度，取決于水輪機(jī)的安裝高程，與水輪機(jī)的是吸出高度，取決于水輪機(jī)的安裝高程，與水輪機(jī)的性能無關(guān)；性能無關(guān)；v 動(dòng)力真空動(dòng)力真空hk與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機(jī)工況、尾水管性能有關(guān)，因此表與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機(jī)工況、尾水管性能有關(guān)，因此表明水輪機(jī)空蝕性能的只是動(dòng)力真空：明水輪機(jī)空蝕性能的只是動(dòng)力真空： )(21/22222VWWgHHhwkk不發(fā)生空化發(fā)生空化

18、臨界狀態(tài)000pgHPPVkHHgHgHppsvapv稱水輪機(jī)的空蝕系數(shù)，是動(dòng)力真空的相對(duì)值。稱水輪機(jī)的空蝕系數(shù)，是動(dòng)力真空的相對(duì)值。v與葉型、工況有關(guān)，與葉型、工況有關(guān)，Wk大大W2大大大。大。v與尾水管的性能有關(guān)，與尾水管的性能有關(guān)，w，汽蝕性能差。，汽蝕性能差。v幾何形狀相似的水輪機(jī)，工況相似，幾何形狀相似的水輪機(jī)，工況相似，相同；對(duì)相同；對(duì)任一水輪機(jī)在既定工況下，任一水輪機(jī)在既定工況下，也是定值。也是定值。v值影響因素復(fù)雜，理論難以確定，廣泛使用的值影響因素復(fù)雜，理論難以確定，廣泛使用的方法是進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗(yàn)得出方法是進(jìn)行水輪機(jī)模型試驗(yàn)得出m,并認(rèn)為并認(rèn)為=m。 二、水輪機(jī)的吸出高二、水輪機(jī)的吸出高 為了防止空蝕，必須限制為了防止空蝕，必須限制k點(diǎn)的壓力，使點(diǎn)的壓力，使pkpB HppHBasHHms)(9000 .10HkHms9000 .10)22(22222gVgWWHppwksakHHpsa保證水輪機(jī)內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件：保證水輪機(jī)內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件： pk pB Pa/=10.33 PB/=0.090.24v水輪機(jī)吸出高水輪機(jī)吸出高Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點(diǎn)到下游水面是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點(diǎn)到下游水面的垂直高度的垂直高度Zk，與水輪機(jī)形式有關(guān)，規(guī)定如下：，與水輪機(jī)形式有關(guān)，規(guī)定如下： (1)