水泵、水輪機講義

第一章概述1．基本概念（1）什么叫水輪機？答：將水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機械能的水力原動機叫做水輪機。（2）沖擊式水輪機與反擊式水輪機的區(qū)別。答：工作原理方面：利用水流的勢能與動能做功的水輪機為反擊式水輪機；利用水流的動能做功的水輪機為沖擊式水輪機。流動特征方面：反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪流道有壓、封閉、全周進水；沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪流道無壓、開放、部分進水。結(jié)構(gòu)特征方面也顯著不同。如轉(zhuǎn)輪的差別，有無噴嘴、尾水管。（3）反擊式水輪機的過流部件及其作用引水室：作用是引水流進入導水機構(gòu)。導水機構(gòu)：作用是調(diào)節(jié)水輪機過流量，并使水流能按一定方向進入轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪：將水流能量轉(zhuǎn)換為固體旋轉(zhuǎn)機械能量的部件。尾水管：作用是將水流排下下游，并回收轉(zhuǎn)輪出口的剩余動能。（4）沖擊式水輪機的主要部件噴嘴：水輪機自由射流的形成裝置。噴針：與噴嘴共同完成流量控制（以行程變化噴嘴控制噴嘴出口過流面積）。轉(zhuǎn)輪：由輪盤和輪盤外周均勻排列的水斗構(gòu)成的組件，轉(zhuǎn)換水流能量為固體旋轉(zhuǎn)機械能。折向器：自由射流流程內(nèi)部件，可遮斷射流，以防止轉(zhuǎn)輪飛逸。（5）我國關(guān)于水輪機標準直徑的定義混流式：轉(zhuǎn)輪葉片進水邊上最大直徑。漿葉式（軸流式、斜流式、貫流式）：漿葉轉(zhuǎn)動軸線與轉(zhuǎn)輪室相交處直徑。沖擊式：射流中心線與轉(zhuǎn)輪相切處節(jié)圓直徑。（6）水輪機工作參數(shù)工作水頭H：水輪機的進口和出口處單位重量水流的能量差值。流量Q：單位時間內(nèi)通過水輪機的水流體積。轉(zhuǎn)速n水輪機轉(zhuǎn)輪單位時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。出力P：水輪機軸端輸出的功率。效率n：水輪機的輸入與輸出功率之比。2．基本計算（1）水電站的毛水頭Hg:H=Z-Zgud其中：Zu，Zd分別為電站上、下游水位高度。H=（Z+厶+昭）-（Z+垢+Vi）IY2g nY 2g式中參量見裝置示意圖。測量與計算：因為如示意圖所示，1-1斷面為距出口斷面一定距離的下游斷面+為+卅“+pY 2g IY，工作水頭測量計算可如下進行。高程測量件=廠（m-HO）9810 2 ,Pi為進口斷面壓力表讀數(shù)（Pa）=~Q（m/s）1少4-d2 ，Q為過流量，d為進口斷面內(nèi)徑。另，當已知引水系統(tǒng)損失從的情形下，水輪機工作水頭可用下式計算H=H-Ahg例：上游水庫水位Zu=88.2m，尾水位Zd=44?2m，Ah=2?0m，則H=88.2-44.2-2=42（m）第二章水輪機的工作原理1.基本概念（1） 水輪機中水流運動的分解水輪機流道內(nèi)水流空間運動，可用若干個簡單運動表示的方法就是其水流運動的分解。例如轉(zhuǎn)輪中水流運動v=w+u其中，v為水流質(zhì)點絕對運動（或絕對速度），w為水流質(zhì)點沿葉片的相對運動（或相對速度），u為水流質(zhì)點隨轉(zhuǎn)輪所用的周向牽連運動（或牽連速度）。其相應(yīng)的矢量關(guān)系圖即為速度三角形：常用的水流運動的分解方法還有：v=v+vmuv=v+v+vzruv=v+v+vxyz（2） 水輪機工況的概念水輪機的運行狀態(tài)或運行條件稱為水輪機的工況。水輪機的不同工況相應(yīng)一組不同的工作參數(shù)。（3） 無撞擊進口與法向出口無撞擊進口指轉(zhuǎn)輪進口水流相對速度方向與轉(zhuǎn)輪進口葉片骨線切線方向一致的工況條件。法向出口指轉(zhuǎn)輪出口水流絕對速度的方向是法向的，即出口水流絕對速度的圓周分量v=0。量2u 。無撞擊進口相應(yīng)轉(zhuǎn)輪進口水力損失最小，法向出口最有利尾水管動能回收效率，所以無撞擊進口、法向出口是水輪機最優(yōu)工況的理論條件。2．基本理論a?aa?a10v中、高比轉(zhuǎn)速水輪機用Q

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冊D00（1）水輪機基本方程式導出的基本理論依據(jù)是水流動量矩方程。通過分析轉(zhuǎn)輪的水流動量矩變化，也即水流所長對同一軸的力矩，確定水流作用于轉(zhuǎn)輪的總力矩，再列出該總力矩對轉(zhuǎn)輪的有效功率（MW）與水流傳遞給轉(zhuǎn)輪的有效功率（）得到水輪機基本方程式?；痉匠淌降膸追N常用形式：1Hq=—(vu-vu)hg u11u22Hq=1(uvcosa-uvcosahg11 1 22 2叫=益（q-q）基本方程式的基本意義：基本方程式本質(zhì)上是水能與其所轉(zhuǎn)變的固體能量間的能量平衡式，左邊是轉(zhuǎn)輪從單位重量水流所獲得的機械能，右邊是相應(yīng)的水流運動條件；基本方程式指出水能轉(zhuǎn)變成固體旋轉(zhuǎn)機械能的必要條件是轉(zhuǎn)輪進、出口必須存在水流速度矩（或環(huán)量）的差；基本方程式表明，要提供上述轉(zhuǎn)換的必要條件,以至保證能量轉(zhuǎn)換的成效，轉(zhuǎn)輪葉片流道的形狀（迫使水流速度矩變化）是決定性的因素。（2）變工況時水輪機效率下降的原因無撞擊進口和法向出口水流條件是水輪機最優(yōu)工況的理論條件，而變工況時，如工作水頭變化或?qū)~開度變化，w即偏離最優(yōu)工況條件，將在轉(zhuǎn)輪進口形成水流撞擊損失（wi方向與葉片進口骨線切線方向不一致），以及在轉(zhuǎn)輪出口形成出口環(huán)流，而相應(yīng)尾水管動能損失增大。（3）轉(zhuǎn)漿式水輪機效率寬廣的原因轉(zhuǎn)漿式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片可隨工況變化自動改變角度，如此，其可當工況變化時，變化轉(zhuǎn)輪葉片角度，最大限度的接近無撞擊進口和法向出口條件，故可在較大工況范圍內(nèi)取得較高效率。3．基本計算（1）轉(zhuǎn)輪進、出口水流速度三角形進口速度三角形應(yīng)用三個參量：nDnu=160式中，D——計算點所在圓周直徑，n——水輪機轉(zhuǎn)速，Q——水輪機過流量，F(xiàn)i——關(guān)于"ml的過水斷面面積，a0——導水葉出口角，b0——導水葉高度。出口邊速度三角形應(yīng)用三個參量：nDnu=260vQvm2F2卩邛2b2式中，D、n、Q同上，F(xiàn)2——關(guān)于m1m2的進水斷面面積，卩b2m1（2）基本方程式的應(yīng)用例題：已知某混流式水輪機轉(zhuǎn)輪進口處?1=52?4皿2，vu1=47.7m/'轉(zhuǎn)輪出口處

u2=36?7m/,=2二1>36m/s，若水輪機的工作水頭H=270m，試求水輪機的水力效率解：根據(jù)水輪機基本方程式Hn=—(vu-vu)hgu—1 u22得到1/、n= (vu-vu)hgHu—1u221= 1 (47.7x52.4一36.7x1.36)9.81x270=92.5%答：此時水輪機的水力效率nh=92?5%。水輪機空化的一般現(xiàn)象（外部特征）水輪機空化，是指發(fā)生于水輪機流道內(nèi)的一種特殊的水動力學現(xiàn)象。（1） 發(fā)生水輪機空化時，水輪機外部性能惡化，可伴有：】）流道噪音2） 機組振動3） 能量指標下降（2） 由于水輪機空化的發(fā)生，水輪機過流部件可導致材料損傷。發(fā)生脣術(shù)窄的空牝，對水槍機遠#性能有較大2.水輪機空化的類型發(fā)生脣術(shù)窄的空牝，對水槍機遠#性能有較大2.水輪機空化的類型按照水輪機內(nèi)水體低壓條件的不同形成原因，水輪機空化類型分為四種:（1）翼型空化⑵間隙空化局部空化空腔空化水輪機空化與空蝕的機理空化：常溫狀態(tài)下，液體壓力低于汽化壓力而發(fā)生的汽化現(xiàn)象?？瘴g：空化發(fā)生時，液體對于固體邊壁所形成的損傷破壞。空化機理液體環(huán)境壓力降低是空化發(fā)生的外部條件。水流低壓條件可因翼型繞流、間隙流動、旋渦流動等情況形成。液體“空化核”的存在是空化發(fā)生的內(nèi)在原因?？栈耍阂后w中存在的不可溶性微小氣泡。由于相對大的尺寸，空化核的抗拉強度很低?？栈舜嬖谛问剑嚎瘴g機理空蝕機理：已形成的液體空泡，再進入高壓區(qū)時，會突然凝聚潰滅。而此潰滅過程會產(chǎn)生沖擊力等伴隨現(xiàn)象(機械作用、電化作用、化學作用)，從而對過流邊壁構(gòu)成損傷破壞。空泡潰滅實驗照片：o00000o.9QV? .1]■

形成指向邊壁的高速射流（射流速度達100m/s）WallWp1LWallHem1upheri:a1shoiikwavc形成指向邊壁的沖擊波（沖擊波壓力達2500大氣壓）水輪機空化系數(shù)根據(jù)文字教材有關(guān)分析，葉片表面壓力最低點k的壓力與汽化壓力的差:—fn比+—fn比+wk—w2]〔"w2gH 2gH丿pk-pv二YYsYH H其中2 w2—w2刀—+k2為水輪機空化系數(shù)w2gH2gH為水輪機空化系數(shù)Pa—監(jiān)—HTOC\o"1-5"\h\zy s為水電站空化系數(shù)的物理意義，為水電站空化系數(shù)的物理意義，以及0V0p不發(fā)生空化條件的原理。要點：水輪機空化系數(shù)0、+Aa)5-+Aa)H=10———Gs允 900m要點：水輪機吸出高度HS、Hs允的定義，以及Hs<Hs允不發(fā)生空化條件的原理。水輪機、水泵及輔助設(shè)備教學輔導1、水輪機流動的相似條件（1）相似概念物理現(xiàn)象相似：兩現(xiàn)象的發(fā)展過程中，任意空間點的任一物理量對應(yīng)成比例。水輪機內(nèi)流動相似：流體力學現(xiàn)象，兩水輪機流道內(nèi)對應(yīng)水流質(zhì)點的動力學參量對應(yīng)成比例。

（2）水輪機內(nèi)流動的相似條件水輪機流動相似應(yīng)具備的三個相似條件及其關(guān)系幾何相似—流道形狀相同運動相似—流場形狀相同，如水流速度三角形形狀相同動力相似—力場形狀相同，如水流受力分解多邊形形狀相同幾何相似是運動相似的必要條件，運動相似是動力相似的必要條件。（3）水輪機流動相似意義的實際限定：忽略部分動力相似條件（如水流粘性力相似），即水輪機流動相似（又稱工況相似）對應(yīng)水流運動相似。2、水輪機的相似率與單位參數(shù)若兩臺水輪機工況相似，分別以M、P角標表示，則由運動相似條件以及水流速度與有效水頭平方根成正比關(guān)系知uwMU"PP_uwMU"PP_M

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—mMmP也即兩水輪機流道內(nèi)水流速度三角形形狀相同，如右下圖所示。于是，能得到描述水輪機流動相似的相似率和單位參數(shù)。轉(zhuǎn)速相似率：-單］

也即兩水輪機流道內(nèi)水流速度三角形形狀相同，如右下圖所示。于是，能得到描述水輪機流動相似的相似率和單位參數(shù)。轉(zhuǎn)速相似率：-單］

m—LHnhJP流量相似率：fQ]DfQ]D2Hn~v h丿M出力相似率：ID12（Hnh）3/2丿mD]2（Hn」3/2相應(yīng)的單位參數(shù)：n11nDJLn11nDJLQHV 11h,, P11D2（H^）3/2PDPD2H3/2

1nDq Qpn 1Q- Pnii-寸11-D2VH11,1單位參數(shù)的基本意義：a．單位參數(shù)是關(guān)于水輪機相似流動的相似準則數(shù)；b．水輪機相似流動問題中有兩個單位參數(shù)互為獨立；c．水輪機工況相似時，單位參數(shù)對應(yīng)相等，反之對幾何相似的水輪機亦成立。3、水輪機比轉(zhuǎn)速1）表達式n、n、PH5/4=3?13口1皿⑴無⑷）2）物理意義關(guān)于水輪機相似流動的綜合性的相似準則數(shù)。（3）特征比轉(zhuǎn)速水輪機特定工況點的比轉(zhuǎn)速。（4）特征比轉(zhuǎn)速的應(yīng)用意義相似工況條件下，同輪系水輪機的同一“特定工況點”就是相似工況點，即同輪系水

輪機的特征比轉(zhuǎn)速相等，因此，不同的特征比轉(zhuǎn)速意味著不同的水輪機輪系。不內(nèi)此屛矗的孚舷機洋剛0輪機的特征比轉(zhuǎn)速相等，因此，不同的特征比轉(zhuǎn)速意味著不同的水輪機輪系。不內(nèi)此屛矗的孚舷機洋剛0上期為禪滬冕虧無特鬆■下排勢郵莎舛顯滋轉(zhuǎn)舷0也特所以，特征比轉(zhuǎn)速的應(yīng)用意義在于可用其劃分、排列不同輪系(系列)的水輪機。例如,HL100是指特征比轉(zhuǎn)速為100的混流式水輪機。4、水輪機的效率修正由于實際水輪機流動相似非嚴格的動力相似條件，實際水輪機工況相似時不能保證水流粘性力相似關(guān)系，因此，工況相似的水輪機間效率不相等。最優(yōu)工況計算IEC效率修正公式:對混流式水輪機:nP—nM對軸流式水輪機：n對混流式水輪機:nP—nM對軸流式水輪機：nP0.3+0?！愎r計算n二n+An'p'm 'oAno為原、模型水輪機最優(yōu)工況效率差值。水輪機、水泵及輔助設(shè)備教學輔導1、水輪機模型綜合特性曲線(1)曲線的主要內(nèi)容水輪機模型綜合特性曲線是反映水輪機多種特性的綜合曲線圖，它分別以水輪

機單位轉(zhuǎn)速和單位參數(shù)為縱、橫坐標軸，一般包括等效率線、等導葉開度線、等空化系數(shù)線、出力限制線或等葉片轉(zhuǎn)角線等。QJL/s)QJL/s)軸流式模型綜合特性曲線舉例根據(jù)水輪機相似原理：同系列水輪機工況相似時單位參數(shù)分別相等，可知，這種由模型實驗數(shù)據(jù)整理所得的特性曲線（坐標軸為單位參數(shù)）,適用于該模型所在系列的所有水輪機。轉(zhuǎn)槳式水輪機的模型綜合特性曲線按照協(xié)聯(lián)工況特性繪制的。效率曲線比較團n效率曲線比較團(r/min)I1251007550500~1000Q］；(L/s)不同型式水輪機的模型特性曲線比較分析不同比轉(zhuǎn)速的水輪機特性按比轉(zhuǎn)速數(shù)值呈現(xiàn)規(guī)律性變化。置典型水輪機特性曲線于同一圖中，分別比較效率線與導葉開度線形狀如下：效率曲線比較圖中，a線示意典型沖擊型水輪機曲線的形狀和位置，其n最低，n.s11Q11最小，位置左下角，形狀扁平（適用負荷變化大，水頭變化小條件）；b線為低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機，n（n、Q）稍高于沖擊型，形狀類似沖擊型，適用負荷變化大，水頭變s1111化小的應(yīng)用條件；c線表示中高比轉(zhuǎn)速的混流機，位置移向更高，形狀接近正圓，適用條件居中；d線表示軸流定槳式水輪機，位置隨門＜（n、Q）增大而移向右上角，形狀呈橢圓1111狀傾斜豎長，適用水頭變化大而負荷變化小的條件；e線為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，因為槳葉可

調(diào)而有協(xié)聯(lián)工況，曲線橫向拉長，形狀又近正圓，水頭和負荷的適用性均較好。僅比較單調(diào)節(jié)（無槳葉調(diào)節(jié)）情況，a?d線有由橫向扁平過渡成縱向狹長的變化趨勢。仍以a、b、c、d、e表示沖擊型、低比轉(zhuǎn)速混流式、中高比轉(zhuǎn)速混流式、軸流定槳式、軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，等導葉開度線比較如圖。沖擊型水輪機等開度線平行于n「縱軸（流量僅與其噴嘴開度大小有關(guān)，與n無關(guān)），曲線豎直；低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機的轉(zhuǎn)輪流道狹長，徑向部分大，轉(zhuǎn)速升高時水流因離心力增大而受阻，流量減小，曲線左傾；高比轉(zhuǎn)速機轉(zhuǎn)輪流道徑向部分比例小或無，水流只隨轉(zhuǎn)速升高不變或增大，曲線豎直或右傾；軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機雖為高比速，但曲線左傾，原因在低比速混流式轉(zhuǎn)輪流道示意圖于其另與協(xié)聯(lián)關(guān)系下的槳葉轉(zhuǎn)角有關(guān),2水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線低比速混流式轉(zhuǎn)輪流道示意圖于其另與協(xié)聯(lián)關(guān)系下的槳葉轉(zhuǎn)角有關(guān),2水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)角減小，流量減小。曲

線

比

較

圏

曲

線

比

較

圏運轉(zhuǎn)繪合特性曲線舉例水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線是在轉(zhuǎn)輪直徑氣和轉(zhuǎn)動速度n等于常數(shù)時，分別以出力P和工作水頭H為縱橫坐標軸繪制出的，反映水輪機實際運行性能的綜合曲線圖。一般包括等效率線、等吸出高度線和出力限制線。水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線可由模型綜合特性曲線換算得來。2、水輪機飛逸特性（1）飛逸概念水輪機突然丟棄負載，同時導水機構(gòu)不能關(guān)閉，致使水輪機轉(zhuǎn)速升高的過程稱為水輪機的飛逸。（2） 飛逸轉(zhuǎn)速水輪機飛逸過程中的最高（穩(wěn)定）轉(zhuǎn)速值，用n表示。R（3） 飛逸特性曲線nDnr111R混流水輪機飛逸特性曲線舉例定義單位飛逸轉(zhuǎn)速為混流水輪機飛逸特性曲線舉例水輪機飛逸的概念、飛逸特性曲線的意義、最大飛逸轉(zhuǎn)速nR 的計算方法是要掌握的Rmax基本內(nèi)容。水輪機、水泵及輔助設(shè)備教學輔導——水輪機引水室

1、水輪機引水室的功用水輪機引水室是水輪機過水通道的第一個部件，它的基本功用是引導水流進入后續(xù)流道，同時又能形成轉(zhuǎn)輪能量轉(zhuǎn)換所需要的水流環(huán)量。一般要求引水室能保證水流的均勻性、水力損失小、滿足水流環(huán)量形成條件、形狀合理和有足夠的結(jié)構(gòu)強度。2、水輪機引水室的型式及其適用性(1)基本型式開敞式：有自由液面，結(jié)構(gòu)簡單，適用于小型又低水頭水輪機。封閉式：有罐式、蝸殼式兩種常用型式。蝸殼式引水室呈一漸縮蝸形管，水流均勻性好，強度條件好，因材料又分金屬、混凝土兩種常用型式。了\正在制造廠里水輪機引水室的應(yīng)用范圍圖聞I10 30 100 300H/m了\正在制造廠里水輪機引水室的應(yīng)用范圍圖聞I10 30 100 300H/m3000010000W30001000300100000土蝸殼混凝土混匕水輪機引水室應(yīng)用范圍圖3、水輪機蝸殼的外形、水流流動特點蝸殼是最常見的水輪機引水室形式。金屬蝸殼的斷面形狀以圓形截面為主，蝸形包角大，可稱為全蝸殼；混凝土蝸殼以T”形截面為主，蝸形包角小，可稱為半蝸殼。大蝸形包角的金屬蝸殼金屬蝸殼圓形截面(旋轉(zhuǎn)投大蝸形包角的金屬蝸殼金屬蝸殼圓形截面(旋轉(zhuǎn)投小蝸形包角的混凝土蝸殼混凝土蝸殼T形截面小蝸形包角的混凝土蝸殼混凝土蝸殼T形截面水輪機蝸殼蝸形流道的平面形狀通常按“Vr=常數(shù)”規(guī)律設(shè)計，此時其內(nèi)水流呈軸對 u稱有勢流動，流線形狀為對數(shù)螺線。因為即“Vu「二常數(shù)”規(guī)律設(shè)計的蝸殼外vr因為即“Vu「二常數(shù)”規(guī)律設(shè)計的蝸殼外vr=常數(shù)=Kuv=常數(shù)=Q/(2nrb),b為軸向高度r流線呈對數(shù)螺線形狀tg6v—r_廠uQ2nbK=常數(shù)水輪機、水泵及輔助設(shè)備教學輔導葉片式水泵是最常見的水泵型式，其與水輪機均為葉片式水力機械，水流—固體間能量轉(zhuǎn)換的方向相反，基本工作原理相通，是本章講述重點。1、水泵的類型(1)水泵類型水泵是以水作為工作介質(zhì)的輸送機械，若按工作原理水泵類型可分為廣離心泵葉片式水泵混流泵葉片式水泵軸流泵＜旋渦泵容積式水泵「回轉(zhuǎn)泵(齒輪泵、螺桿泵、滑片泵)容積式水泵「回轉(zhuǎn)泵(齒輪泵、螺桿泵、滑片泵)往復泵(活塞泵、隔膜泵)葉片式水泵應(yīng)用最廣，葉片轉(zhuǎn)輪在動力機械驅(qū)動下，將旋轉(zhuǎn)機械能量傳遞給水流，結(jié)構(gòu)