第三章 水輪機工作原理

1、第三章第三章 水輪機工作原理水輪機工作原理第一節(jié) 水流在反擊式水輪機中的運動一、基本假定（1)轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉無限薄、葉片數(shù)無限多。流動為均勻且軸對稱的，其相對運動軌跡與葉片翼型斷面的中線（即骨線）相重合。（2) 進入轉(zhuǎn)輪之前的運動是均勻的、軸對稱的。（3)工況不變。 空間恒定流?；炝魇剿啓C轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流面和軸面二 水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的運動 復(fù)合運動復(fù)合運動=相對運動相對運動+牽連運動牽連運動uwvumuzrvvvvvvumuzrwwwwwwvuwr 圖1-27 混流式轉(zhuǎn)輪進、出口速度三角形第二節(jié) 水輪機基本方程 n能量平衡方程 n動量矩定理 -wMrmt)(ddvrmrmuvvwMrmt)(dduv圖

2、1-29 繞軸運動物體的矢量示意圖動量矩變化 圖1-30 水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的動量矩變化-c da bb da cMMMM2 21 1dd-()c da bb da cuuqMMMMrrttgvv)()d)d(11221122rrgQrrgqtrmuueuuuvvv(vv作用于水流的外力及其形成的力矩 n（1）重力。不產(chǎn)生力矩。n（2）轉(zhuǎn)輪上冠與下環(huán)的內(nèi)表面對水流的壓力。其壓力軸對稱，壓力的合力與水輪機軸相交，不產(chǎn)生力矩。n（3）轉(zhuǎn)輪外的水流在轉(zhuǎn)輪進、出口處對轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)水流的水壓力。為旋轉(zhuǎn)面，合力與軸相交，不產(chǎn)生力矩。n（4）轉(zhuǎn)輪流道固體邊界對水流的摩擦力。此摩擦力對水輪機軸線的力矩很小，可略去不計

3、n（5）轉(zhuǎn)輪葉片對水流的作用力。轉(zhuǎn)輪葉片對水流的作用力。MMwMM水輪機的基本方程式 )(2211rrgQMuuevv)(2211rrgQMNuueevvseeHQN1 12 2()huuHrrgvv1 12 21()huuHuugvv左邊：單位重量水流所具有的有效水能右邊：轉(zhuǎn)輪進、出口處水流速度矩的變化其他形式122()hHggwwguugHs222222122212221vv意義及討論n水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡方程 n能量參數(shù)，動量參數(shù)關(guān)系n有效能量，是靠轉(zhuǎn)輪進、出口的速度矩差或環(huán)量差來實現(xiàn)的，n大中型反擊式水輪機，轉(zhuǎn)輪進口速度矩是由水輪機蝸殼蝸殼和導(dǎo)水機構(gòu)形成。n無蝸殼或?qū)畽C構(gòu)的

4、水輪機，進口水流速度環(huán)量只有靠轉(zhuǎn)輪本身形成。n過小的出口速度矩可能導(dǎo)致效率降低 第三節(jié) 水輪機的效率及最優(yōu)工況一、水輪機效率 1.水力損失及水力效率 ljhhhHhHhHHHQHQHees12.容積損失及容積效率qQQeQqQQQHHQeeeeV1 3.機械損失及機械效率 )(HHqQHQNeee1mmeePPPP 總效率hVm 二、水輪機的最優(yōu)工況 n水輪機的工況：水輪機運行的工作條件，用水輪機的工作參數(shù)(工作水頭、流量、轉(zhuǎn)速、出力與效率等)來表征。n最優(yōu)工況：水力損失最小、效率最高的工況 n實際上限制水輪機運行工況范圍，盡量避免在不利工況下長期運行n不穩(wěn)定工況n【例1-2】某軸流式水輪機轉(zhuǎn)

5、輪進口直徑D1=8m，轉(zhuǎn)輪輪轂直徑dg=3.2m，流量Q=215 m3/s，水頭H=15m；轉(zhuǎn)速n=70r/min，水力效率j=0.92，試?yán)L制在最優(yōu)工況下在D=6m處圓柱層上轉(zhuǎn)輪的進、出口速度三角形（設(shè)軸面速度均勻分布，忽略排擠z1）。n解：在D=6m處圓柱層上，n由水輪機基本方程式得12222221510 63(m/s)3 1463 244.()(.)mmgQDdvv123 14 6 7021 98(m/s)6060.Dnuu 1115 981 0926162198.huHguv20uv 1無撞擊進口無撞擊進口：轉(zhuǎn)輪進口水流相對速度的方向與葉片進口處的骨線切線方向一致。 (a)葉片骨線；

6、(b) 正撞擊進口； (c) 無撞擊進口； (d)負撞擊進 2法向出口-絕對出流角2=90 試驗表明：2=90: 高水頭混流式，能量損失主要發(fā)生在引水部件內(nèi)，2略小于90:中、低水頭混流式和軸流式，能量損失主要發(fā)生在尾水管和轉(zhuǎn)輪內(nèi)a2大于90:怎么樣？怎么樣？第三節(jié) 尾水管工作原理(作用)1.尾水管的作用是什么？2. 水輪機利用的能量怎么表達？第三節(jié) 尾水管工作原理(作用)2()(222121gppHEEEav2（1）無尾水管時 gHE2221v2app2)2()(222121gppHEEEav2(2) 圓柱形尾水管 )2()(222121gppHEEEav2washghphgpH2)(225

7、5222vv2wsahHpp2小于大氣壓力小于大氣壓力)2()(221ghHHEwsv2 多了多了 Hs !-靜力真空靜力真空吸出高度吸出高度(3) 擴散型尾水管 )2()(222121gppHEEEav2washghphgpH2)(2255222vv2)2(255222wsahgHppvv2)2()(255ghHHEwsdv 尾水管的動能恢復(fù)系數(shù) gghgww2)2(22225522vvv22gghhww22222255vvww1尾水管水力損失系數(shù)尾水管相對水力損失系數(shù)gHHhw2)1 (22v2尾水管的作用n（1）將轉(zhuǎn)輪出口水流引向下游。n（2）利用轉(zhuǎn)輪高出下游水面的那一段位能，形成靜力真

8、空。n（3）以動力真空的形式回收轉(zhuǎn)輪出口水流部分動能第五節(jié)、水輪機的空化和空蝕第五節(jié)、水輪機的空化和空蝕一、空化一、空化(cavitation)及汽化壓力及汽化壓力(vapouring)的概念的概念 汽化：液體變氣體汽化：液體變氣體沸騰：溫度升高沸騰：溫度升高空化：空化：任何一種液體在溫度一定時，當(dāng)任何一種液體在溫度一定時，當(dāng)壓力降低到壓力降低到某一臨界值之下時，液體就會汽化成氣泡（或溶某一臨界值之下時，液體就會汽化成氣泡（或溶解于液體中的空氣發(fā)育形成空穴），然后氣泡被解于液體中的空氣發(fā)育形成空穴），然后氣泡被流體帶到壓力高于臨界值的區(qū)域，氣泡將潰滅，流體帶到壓力高于臨界值的區(qū)域，氣泡將潰滅，

9、這個過程稱為空化這個過程稱為空化汽化壓力：汽化壓力：在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的汽化壓力(Pb)。二二、空化的機理空化的機理 壓力降低壓力降低壓力回升壓力回升氣核內(nèi)因：液體中存在空化核 外因：壓力降低氣泡生成氣泡長大氣泡縮小氣泡潰滅初生階段發(fā)育階段潰滅階段水的溫度t ()05102030405060708090100汽化壓力pv/ (mH2O)0.060.030.751.262.033.174.837.1510.33純凈水怎么樣？純凈水怎么樣？自然水空化發(fā)生的部位？可知，當(dāng)VP,當(dāng)P= Pb時，水開始汽化氣泡（水蒸氣+空氣）進入高壓區(qū)（氣泡內(nèi)蒸氣變成

10、水，氣泡內(nèi)氣體稀薄，出現(xiàn)強大真空，氣泡外面的水流質(zhì)點在內(nèi)外壓差的作用下急速向氣泡中心壓縮、沖擊）在氣泡內(nèi)形成很大的微觀水擊壓力（可達幾百大氣壓），氣泡瞬時潰裂；在高壓下形成水核，向外膨脹沖擊水體，并撞擊過流部件表面。機械剝蝕作用機械剝蝕作用CgvZpE222三 水輪機的空蝕空蝕：空化過程若發(fā)生在固體邊界上，氣泡的潰滅將引起固體過流表面材料的損壞 隔河巖空蝕空蝕機理2. 化學(xué)腐蝕 局部溫度升高(300度)，氣泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕。3. 電化學(xué)作用：局部溫差，形成熱電偶，引起熱電效應(yīng)，產(chǎn)生電化腐蝕4.主要是機械破壞，化學(xué)和電化腐蝕加速了機械破壞過程。 1. 機械破壞（疲勞剝蝕）

11、四、水輪機空蝕類型 1、翼形（葉片）空蝕圖2-23 沿葉片背面壓力分布反擊式主要的空化和空蝕形態(tài) 2、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)生空蝕。圖2-25 間隙空化和空蝕3、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脈動，在尾水管進口處產(chǎn)生空蝕破壞，造成尾水管振動。嚴(yán)重時將引起運行不穩(wěn)定及在尾水管進口段邊壁處引起空蝕 4、局部氣蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的氣蝕。 由于鑄造和加工缺陷形成表面不平整、砂眼、氣孔 轉(zhuǎn)輪室連接的不光滑臺階處或局部凹坑處的后方，還可能發(fā)生在葉片固定螺釘及密封螺釘處 n混流式：以

12、翼型空化和空蝕為主，n轉(zhuǎn)槳式：以間隙空化和空蝕為主，n沖擊式：在噴嘴和噴針處，在水斗分水刃處由于承受高速水流也常常有空蝕發(fā)生。n翼型空化和空蝕最為普遍和嚴(yán)重翼型空化和空蝕最為普遍和嚴(yán)重，n間隙空化和空蝕、局部空化和空蝕一般只發(fā)生在局部較小的范圍內(nèi)，n空腔空化和空蝕對某些水電站可能比較嚴(yán)重。五、氣蝕的危害及防止措施 危害： 1、使過流部件機械強度降低，嚴(yán)重時整個部件破壞。 2、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。 3、機組產(chǎn)生振動，嚴(yán)重時造成廠房振動破壞。六 防止措施： 1、設(shè)計制造方面：合理選型，葉型流線設(shè)計，表面光滑，抗氣蝕鋼襯(不銹鋼)。2、工程措施：合理選擇安

13、裝高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙進入水輪機。3、運行方面：避開低負荷、低水頭運行，合理調(diào)度，必要時在尾水管補氣。第六節(jié)、水輪機的空蝕系數(shù)、吸第六節(jié)、水輪機的空蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程出高和安裝高程一一、水輪機的空蝕系數(shù)、水輪機的空蝕系數(shù)葉片上壓力最低點為K點吸出高度吸出高度Hs： 壓力最低點至下游尾水位的高度翼型空蝕)22(22222gVgWWHppwksakK點的真空值點的真空值Hk.v：)22(22222gVgWWHppHwkskakv)(2122222vWWgHwk空蝕系數(shù)空蝕系數(shù)靜力真空靜力真空動力真空動力真空動力真空與水頭H的比值)2(255222wsahgHppvv2(1)、稱

14、水輪機的空蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。(2)、與葉型、工況有關(guān)(影響Wk,W2和葉道壓力分布) Wk大 v2大大。(5)、值影響因素復(fù)雜，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。(3)、與尾水管的性能有關(guān)，w(4)、相似水輪機，工況相似，相同；對任一水輪機在既定工況下，也是定值。空蝕系數(shù)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。怎樣才能不發(fā)生空蝕？)22(22222gVgWWHppwksak二、水輪機的吸出高度水輪機不發(fā)生空蝕的條件：pkpb)22(22222gVgWWHppwksakbsakpHHppHppHbas或： HHs90010HHms)(900

15、10HKHms90010空化系數(shù)修正值與水頭H的關(guān)系曲線 水輪機水頭與空化安全系數(shù)K關(guān)系水頭H(m)30100100250250以上安全系數(shù)K1.151.201對于各種不同工況的對于各種不同工況的Hs,應(yīng)怎樣取值？應(yīng)怎樣取值？吸出高度吸出高度Hs：轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點到下游水面的垂直高度轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點到下游水面的垂直高度(1)、立軸混流式水輪機：Hs 導(dǎo)葉下部底環(huán)平面到下游尾水垂直高度(2)、立軸軸流式水輪機：Hs 轉(zhuǎn)輪葉片軸線到下游尾水垂直高度(3)、臥軸貫流式水輪機：Hs 葉片出口最高點到下游尾水垂直高度安裝高程是水電站廠房設(shè)計中的一個控制高程安裝高程考慮因素：1. 空蝕2. 水電站土建工程開挖量三、水輪機的安裝高程(Turbine sitting hight) 1、立軸HL：導(dǎo)葉中心平面高程 Zs=w+Hs+b0/22、立軸ZL：導(dǎo)葉中心平面高程 Zs=w+Hs+xD13、臥軸HL和GL：主軸中心高程 Zs=w+Hs-D1/2三、水輪機的安裝高程(Turbine sitting hight) 下游尾水位怎樣??？下游尾水位怎樣??？下游尾水位怎樣??？電站裝機臺數(shù)水輪機過流量1臺或2臺1臺水輪機50%的額定流量3臺或4臺1臺水輪機的的額定流量5臺以上1.52臺水輪機的額定流量 w 選用水電站最低尾水位確定設(shè)計尾水位的水輪機過流量n題：某水電站選用HL220-LJ-14