南昌工程水電站與水力機械

1、A、水輪機的主要類型一反擊式水輪機 ： 利用水流的勢能和動能做功的水輪機 特征：轉(zhuǎn)輪的葉片為空間扭曲面，流過轉(zhuǎn)輪的水流是連續(xù)的，而且在同一時間內(nèi)，所有轉(zhuǎn)輪葉片之間的流道都有水流通過，水流充滿轉(zhuǎn)輪室。1.混流式：中、高水頭（30-700m） 水流徑入軸出 穩(wěn)定，效率高（最大可達94%），高水頭低流量。三峽、龍羊峽、劉家峽。2.軸流式：中、低水頭 (3 - 80m) 水流軸入軸出(始終平行于主軸) （分 定槳式 和 轉(zhuǎn)槳式） 低水頭、高流量 。 軸流定漿式：(3-50m)葉片不能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動。高效率區(qū)較小，適用于水頭變化不大的小型電站。 軸流轉(zhuǎn)漿式：(3-80m)葉片能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動，進

2、行雙重調(diào)節(jié)（導葉開度、葉片角度)。適用于大型水電站。3.斜流式：中向高水頭發(fā)展（40-200m）水流斜進。 轉(zhuǎn)輪葉片隨工況變化而轉(zhuǎn)動， 效率高。 (8-12片) 密云水庫。4.貫流式：低、超低水頭 （ H<20m）， 水流由管道進口到尾水管出口都是軸向的 ， 水輪機的主軸裝置成水平或傾斜 不設蝸殼,水流直貫轉(zhuǎn)輪,適用小型河床電站 分全貫流式和半貫流式。半貫流式又分：燈泡式、軸伸式、豎井式。 燈泡式貫流式：發(fā)電機組安裝在密閉的燈泡體內(nèi)，使用較廣泛，機組結(jié)構(gòu)緊湊，流道形狀平直，水力效率高。 軸伸式貫流式：發(fā)電機安裝在外面，水輪機軸伸出到尾水管外面。水頭低、效率低、小型水電站。 豎井式貫流式：

3、發(fā)電機安裝在豎井內(nèi)。 水頭低、效率低、小型水電站。二 沖擊式水輪機 （水斗式、斜擊式、雙擊式） ：利用水流的動能來做功的水輪機 特征：由噴管和轉(zhuǎn)輪組成。 1.水斗式: 特點是由噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗作功。 (100-2000m) 效率高、常用 分 臥軸（中、小型） 和 立軸（大型） 兩種， 湖北天湖水電站。 2.斜擊式：由噴嘴出來的射流沿圓周斜向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗。(約為22.5，25-300m)效率低、小型水電站 3.雙擊式：水流兩次沖擊轉(zhuǎn)輪。 （5-80m ） 構(gòu)造簡單 ，效率低 ， 小型電站三、類型代號反擊式：混流式 HL 中、高（30-700m）徑入軸出 穩(wěn)定，效率

4、高，高水頭低流量：三峽、龍羊峽、劉家峽軸流式 定槳 ZD 中、低 (3-50m) 軸入軸出 ,低水頭高流量、葉片不可轉(zhuǎn)，高效率區(qū)較小，小型水電站 轉(zhuǎn)槳 ZZ 中、低 (3-80m) 軸入軸出 ,低水頭高流量（雙調(diào)）葉片可轉(zhuǎn)（4-8片）：大型、湖北葛洲壩 斜流式 XL 中向高（40-200m） 斜進、效率高、葉片可轉(zhuǎn)，（8-12片）： 密云水電站 貫流式：全貫流式 GD 半貫流式 GZ （ 燈泡式 P 、軸伸式 Z 、豎井式 S ）沖擊式：水斗式 CJ（切擊式）(100-2000m) 效率高、常用 。分臥軸（中小型）和立軸（大型）兩種，湖北天湖水電站。 斜擊式 XJ (約為22.5，25-300

5、m) 效率低 ， 小型電站 雙擊式 SJ （5-80m ）效率低 ， 小型電站B、水輪機的基本構(gòu)造1.反擊式水輪的四大部件，各部件的重要零件及其作用。進水部件-蝸 殼、座環(huán)：將水流引入轉(zhuǎn)輪前的導水機構(gòu)并形成一定的旋轉(zhuǎn)量導水部件-導 葉 作用：引水流進入轉(zhuǎn)輪，改變導葉開度來改變流量調(diào)整出力，還用來截斷水流 檢修 調(diào)相運行 開停機。核心部件-轉(zhuǎn) 輪 作用：將水流能量轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機械能。出水部件-尾水管 作用：排水至下游、回收轉(zhuǎn)輪出口水流中的剩余能量。2.沖擊式水輪機的主要部件 ： 噴管，轉(zhuǎn)輪，折流器，機殼，射流制動器等組成。3座環(huán)包括：上冠 、葉片（14-19片） 、下環(huán)。4水輪機停止運行時，用橡皮

6、條密封間隙。C、水輪機的型號及標稱直徑1. HL240 LJ 410 混流式水輪機，型號240（比轉(zhuǎn)速)，立軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為410cm ZZ440 LH 430 軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機，型號440，立軸，混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑430cm 2. GZ440WP750：表示貫流轉(zhuǎn)漿式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號440，臥軸，燈泡式機組，轉(zhuǎn)輪標稱直徑750cm。 SJ40W50/40：表示雙擊式水輪機， 轉(zhuǎn)輪型號40，臥軸布置，轉(zhuǎn)輪標稱直徑50cm，轉(zhuǎn)輪軸向長度40cm。 XLNLJ300 ：表示斜流可逆式水泵水輪機，轉(zhuǎn)輪型號200，立軸布置，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪標稱直徑300cm。 2CJ30W 120/2

7、5;10 轉(zhuǎn)輪型號為20，水斗式水輪機，臥軸，一根軸上裝設兩個轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪直徑為120cm, 每個轉(zhuǎn)輪兩個噴嘴，設計射流直徑為10cm。3.說出ZD600LH600中 軸流定槳式水輪機，比轉(zhuǎn)速600，立軸，混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為600cm。說出HL240LJ550中 混流式水輪機， 比轉(zhuǎn)速240，立軸，金屬蝸殼， 轉(zhuǎn)輪直徑為550cm。說出ZZ560LH1130中 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，比轉(zhuǎn)速560，立軸，混凝土蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為1130cm。D、水輪機的效率及最優(yōu)工況 1.水輪機的總效率是由：水力效率 、流量效率、機械效率組成 =HVm2. 水力損失及水力效率 H 水力損失：蝸殼、導葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管

8、 沿程損失 旋渦、 脫流、 撞擊 局部損失 3. 流量損失及流量效率（容積效率） V 水流通過轉(zhuǎn)動部分與非轉(zhuǎn)動部分間隙直流入尾水管的流量為q，此部分流量不經(jīng)過轉(zhuǎn)輪作功，稱漏損。4. 機械損失和機械效率 m5.提高效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機械摩擦。6.水輪機的最優(yōu)工況的定義： 水輪機的最優(yōu)工況是指效率最高的工況。 (一般情況下，對起主要作用的是水力損失，流量損失和機械損失相對較小，且基本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大 )。（無撞擊無渦流損失的水輪機工況，效率最高）E、水輪機的吸出高： G、水輪機的安裝高程1）水輪機的安裝高程是水電站非常重要的一個特征高程，在進行水電站廠房設

9、計時，該高程是計算水電站廠房其他高程的基準值。對于不同型式和不同裝置方式的水輪機，它們的安裝高程在工程上也都分別作了規(guī)定：對軸立反擊式水輪機是指導葉中心高程；對臥軸混流式水輪機和貫流式水輪機是指主軸中心線高程。 2）在確定了吸出高Hs（理論上，指輪葉壓力最低點到下游水位的垂直高度）以后，按下列公式計算水輪機安裝高程Za ：立軸混流式水輪機:立軸軸流式水輪機：臥軸混流式和貫流式水輪機：3）確定安裝高程的目的：選擇合理的安裝高程，既充分利用轉(zhuǎn)輪出口的能量，又使之氣蝕性能好。4）安裝高程的原則： 保證在Zdmax 條件下，轉(zhuǎn)輪不淹沒 留有適當?shù)陌踩珒?同時考慮布置要求5)沖擊式水輪機是否需要根據(jù)吸

10、出高度Hs確定安裝高程？- 答: 不需要。H、水輪機汽蝕 產(chǎn)生的重要原因：流速、壓力防護措施從此入手1）汽蝕現(xiàn)象：表面粗糙無光澤-麻點，蜂窩狀-破壞 ; 引起機組強烈震動-共振-運行不穩(wěn)定2）汽蝕定義-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)生巨大的反復沖擊， 對水輪機過流金屬表面產(chǎn)生機械剝蝕和化學腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機的汽蝕。 3）汽蝕類型：翼形(葉片)汽蝕(主要汽蝕類型)：由于水輪機的翼形設計不合理或者水輪機的安裝高程不合適，形成絕對值較大的負壓，當背面的負壓降低到汽化壓力以下時，便產(chǎn)生了汽蝕。是反擊式水輪機的主要汽蝕形式。還有當水輪機偏離最優(yōu)工況運行時，混流

11、式水輪機因入流沖角太大，造成脫流，在葉片頭部也會發(fā)生汽蝕。 破壞降低效率，甚至斷流間隙汽蝕：當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)生的汽蝕。空腔汽蝕：非最優(yōu)工況時，尾水管中形成一種對稱真汽渦帶，在尾水管進口處產(chǎn)生汽蝕破壞，可能造成尾水管振動（噪音）局部汽蝕： 過流表面在某些地方凹凸不平，誘發(fā)水流出現(xiàn)旋渦、脫流而產(chǎn)生汽蝕。4）防止汽蝕的措施;(流速和壓力是產(chǎn)生汽蝕最重要的兩個原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。) 設計制造方面： 合理選葉型 工程措施：合理選擇安裝高程，防沙、排沙。 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。 5）汽蝕會引起的后果-1.發(fā)

12、生振動和噪音 2.影響水輪機的效率和出力 3.影響水輪機的壽命6）對于水輪機的不同工況汽蝕系數(shù)是不是一個確定的值?為什么? 不是一個確定的值，因為汽蝕系數(shù)與k點的相對速度，轉(zhuǎn)輪出口速度有關(guān)，不同的工況下這兩個數(shù)是不同的。7)汽蝕系數(shù)的定義： 為確切地反應水輪機的汽蝕特性并便于在不同工況之間和不同水輪機之間進行汽蝕性能的比較，將真空動力值除以水輪機工作水頭H，用一無因次的相對系數(shù)來表示，即 ，稱為水輪機的汽蝕系數(shù)。性質(zhì)： 為一無因次的相對系數(shù)， 當K點的相對速度Wk越大，轉(zhuǎn)輪出口速度V2愈大，則汽蝕系數(shù)值愈大， 尾水管的動能恢復系數(shù)愈大，值亦愈大， 幾何相似的水輪機，在相似工況下，其值亦是相同的

13、。I、 水輪機的相似原理及特性曲線1.水輪機的運行參數(shù)：水頭H ，流量Q,轉(zhuǎn)數(shù)n，出力N，效率，汽蝕系數(shù)；及參數(shù)之間的關(guān)系，稱為特性。2.水輪機的相似條件有哪些?具體是指什么而言? （幾何、運動、動力) 答：水輪機的相似條件有幾何相似、運動相似和動力相似。 幾何相似：指原型水輪機和模型水輪機過流通道的所有對應角相等，對應尺寸成比例。 運動相似：指同一輪系的水輪機，水流在過流部分同一個對應點的速度三角形相似， 也就是說，對應點上同名速度的方向相同，速度大小成比例。 動力相似：指原型水輪機和模型水輪機過流部件對應點作用的同名力方向相同，大小對應成比3.比轉(zhuǎn)數(shù) : 水輪機特性的的綜合性參數(shù)。一個與水

14、輪機直徑無關(guān)的常數(shù)。4.同一個系列的水輪機是指什么而言的-指具有相同的比轉(zhuǎn)速。5.不同比轉(zhuǎn)速的水輪機之間的差異主要是什么? 答：水輪機的比轉(zhuǎn)速不同，其過流通道的幾何形狀也隨之發(fā)生變化，比轉(zhuǎn)速越高，水輪機過流能力越大，導葉的相對高度也越大，要求轉(zhuǎn)輪的過流通道越開闊，則轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)目就越少。另外，由于空蝕系數(shù)隨著比轉(zhuǎn)速的增大而增大，為了減小轉(zhuǎn)輪出口流速以降低空蝕系數(shù)，對混流式水輪機則相對應的是水輪機的直徑比增大，對軸流式水輪機則相應使輪轂比減小。7簡述水輪機基本方程式的物理意義? 答：水輪機基本方程式是反映水能轉(zhuǎn)變?yōu)樗啓C轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)機械能的一個能量平衡方程式，從理論上揭示了水輪機利用水能作功的原理。

15、水流通過水輪機時，水流和轉(zhuǎn)輪葉片相互作用，轉(zhuǎn)輪的葉片迫使水流動量矩發(fā)生變化，水流在其動量矩改變的同時，以反作用力作用于葉片，是轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的力矩。8、水輪機的安裝高程是指什么而言? 答：水輪機的安裝高程是水電站非常重要的一個特征高程，在進行水電站廠房設計時，該高程是計算水電站廠房其他高程的基準值。對于不同型式和不同裝置方式的水輪機，它們的安裝高程在工程上也都分別作了規(guī)定：對軸立反擊式水輪機是指導葉中心高程；對臥軸混流式水輪機和貫流式水輪機是指主軸中心線高程。G尾水管原理： 作用：（1）將水輪機轉(zhuǎn)輪的水流順暢排向下游的尾水池。 （2）回收轉(zhuǎn)輪出口水流的剩余能量。 分類：直錐形小 型水輪機 鋼板

16、彎錐形小 型水輪機 臥軸 混流水力損失大 彎肘形大中型水輪機分三部分：進口直錐段；肘管；出口擴散段。1、簡述你對導出水輪機單位轉(zhuǎn)速和單位流量意義的認識. 答：如果原型水輪機和模型水輪機的單位參數(shù)（單位轉(zhuǎn)速和單位流量）相等，則原型水輪機和模型水輪機工況就相似。2、為什么在混流式水輪機的主要綜合特性曲線中要有出力限制線? 答：出力限制線是為保證水輪機能夠穩(wěn)定、可靠地運行而限制水輪機工作范圍的一條線。水輪機的正常工作范圍是在該曲線的左側(cè)。3.水輪機工況相似是指什么而言?要滿足什么樣的條件? 答：我們把水輪機的運動相似的工況稱為水輪機的相似工況。 要滿足水輪機的相似律，即流量相似律、轉(zhuǎn)速相似律和出力相

17、似律。4、為什么混流式水輪機的設計工況點要選在5%（或3%）出力限制線上（或附近） 因為設計工況點以后，隨著流量的增加，機組出反而減??；流量再增加，出力再減小，形成惡性循環(huán)，直到使機組的運行遭到破壞，嚴重時會拖垮整個電網(wǎng)。因此，為了避免這種情況發(fā)生，便采用了限制水輪機出力的方法。 5、混流式水輪機的主要綜合特性曲線都由哪些曲線組成? 混流式水輪機的主要特征曲線有等開度線、等效率線、等汽蝕系數(shù)線和5%出力限制線。6、軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的主要綜合特性曲線都由那些曲線組成? 軸流式槳式水輪機的主要特征曲線有等開度線、等效率線、等空蝕系數(shù)線和等轉(zhuǎn)角線。7.反擊式水輪機和沖擊式水輪的分類原則是什么? 反擊

18、式水輪機是主要利用水流的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的水輪機。沖擊式水輪機是將水流的動能轉(zhuǎn)化為機械能的水輪機。8.反擊式水輪機和沖擊式水輪機的分類特點是什么？其主要類型各有哪些？ 反擊式水輪機根據(jù)水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪的方式不同，可分為軸流式、混流式、斜流式和貫流式四種類型的水輪機。 按射流是否在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，沖擊式水輪機可分為水斗式水輪機、斜擊式水輪機和雙擊式水輪機三種不同類型。9.反擊式水輪機和沖擊式水輪機在工作時水流和轉(zhuǎn)輪相互作用有什么不同? 反擊式水輪機的特點是水流在壓力流的狀態(tài)下流經(jīng)轉(zhuǎn)輪，而且水流充滿整個過水流道。沖擊式水輪機是指通過噴嘴將水流能量全部轉(zhuǎn)換成高速射流的動能，沖擊安裝在轉(zhuǎn)輪外周轉(zhuǎn)盤上的部

19、分勺斗使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，從而將水能轉(zhuǎn)化成機械能的水輪機。10.對于不同類型的電站，設計水頭的大致范圍如何確定? 壩式水電站的水頭一般為中、高水頭，目前最大水頭已接近300米。 河床式水電站的水頭一般低于30-40米。 引水式水電站可以集中很高的落差，目前最大水頭已達2000米以上，但發(fā)電引用流量一般比較小。11.水輪機的水頭范圍-應涵蓋水電站的水頭范圍。 水電站的裝機容量-裝機容量是指水電站內(nèi)全部機組額定出力的總和。12.為什么水輪機在最優(yōu)工況工作時效率較高? 答 :因為在最優(yōu)工作時進、出口獲得最佳的水流條件，水輪機的損失最小，水輪機的效率最高。13.速度三角形中各是什么速度?分量Vm和Vu各表示什

20、么含義?為什么要引入速度三角形? 水輪機速度三角形包括相對速度、牽連速度和絕對速度。在圓柱坐標系中，Vm是軸面速度。對轉(zhuǎn)輪中的整個流體而言，Vu反映了流體的旋轉(zhuǎn)程度。因為水流質(zhì)點進入轉(zhuǎn)輪后，一方面沿葉片運動，另一方面又隨著轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)，是一種復合運動。引入速度三角形后，對實際水電站水輪機的工作狀態(tài)進行分析時更方便。14.、尾水管中動力真空和靜力真空是如何形成的? 答 ：在設置尾水管后，轉(zhuǎn)輪出口形成了壓力降低，即出現(xiàn)了真空現(xiàn)象，此真空值由兩部分組成：一部分由落差H2形成，稱為靜力真空，H2也稱為吸出高，可用專門的符號Hs表示；另一部分則由尾水管進、出口動能差并扣除水頭損失形成，稱為動力真空，

21、它是通過圓錐形尾水管對水流的擴散作用而形成的。15.水輪機吸出高Hs的上下起算點如何確定？對立軸混流式水輪機，Hs是從導葉下部底環(huán)上平面到下游水面的垂直高度。對臥軸混流式和貫流式水輪機，Hs是從轉(zhuǎn)輪葉片最高點到下游水面的垂直高度。對立軸軸流式水輪機，Hs是從轉(zhuǎn)輪葉片軸線到下游水面的垂直高度。16.在確定水輪機吸出高時如何考慮下游尾水位高程? 答： 當計算得到的Hs為負值時，說明需要將規(guī)定的水輪機位置裝置在下游水面以下，使轉(zhuǎn)輪出口處不再出現(xiàn)靜力真空而產(chǎn)生正壓，以抵消由于過大的動力真空而使水輪機發(fā)生嚴重的空蝕。17.引起水輪機效率降低的原因有哪些？最主要的是什么？ 引起水輪機能量損失的表現(xiàn)形式有三

22、種：水力損失、容積損失和機械損失。水輪機的水力損失主要包括進口撞擊損失、摩擦阻力損失和出口動能損失。無論何種形式的損失，均是水流能量的損失，最終都影響水輪機的效率。最主要的水力損失。第一章 緒論1.水力發(fā)電的幾個要素： N 水電站裝機容量或水輪機的功率 Q 通過水輪機的流量 H 水輪機的水頭 水輪機的效率2.水力發(fā)電特點： 優(yōu)點： 不耗燃料，成本低廉 水火互濟，調(diào)峰靈活 綜合利用，多方得益 取之不盡，用之不竭 環(huán)境優(yōu)美，能源潔凈 缺點： 受自然條件限制； 一次性投資大，移民多，工期長； 事故后果嚴重； 大型工程對環(huán)境、生態(tài)影響較大。 3水電站的類型 ： 按河段落差水頭的方式分為三類： 1)壩式

23、水電站 2)引水式水電站 3)混合式水電站（抽水蓄能電站、潮汐電站）按調(diào)節(jié)能力分成： 1)無調(diào)節(jié)水電站 2) 有調(diào)節(jié)水電站按水電站的組成建筑物及特征分為： 壩式 河床式 引水式電站4、 壩式水電站其特點：水頭取決于壩高。 引用流量較大，電站的規(guī)模也大，水能利用較充分，綜合利用效益高。投資大，工期長。 適用：河道坡降較緩，流量較大，并有筑壩建庫的條件。5、河床式電站特點 ：一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上，為避免大量淹沒，建低壩或閘。 適用水頭：大中型：25米以下，小型：810米以下。 廠房和擋水壩并排建在河床中，共同擋水，故廠房也有抗滑穩(wěn)定問題； 廠房高度取決于水頭的高低。 引用流量大

24、、水頭低。 注：廠房本身起擋水作用是河床式電站的主要特征。6、引水式水電站特點：用引水道集中水頭的電站稱為引水式水電站 水頭相對較高，目前最大水頭已達2000米以上。 引用流量較小，沒有水庫調(diào)節(jié)徑流，水量利用率較低，綜合利用價值較差。 電站庫容很小，基本無水庫淹沒損失，工程量較小，單位造價較低。 適用條件：適合河道坡降較陡，流量較小的山區(qū)性河段。7.水電站建筑物的組成:擋水建筑物 、 引水建筑物 、 調(diào)水建筑物 、 發(fā)電建筑物8.潮汐電站使用的機組 貫流式水輪機 9.抽水蓄能電站： 1）抽水蓄能 ：系統(tǒng)負荷低時，利用系統(tǒng)多余的電能帶動泵站機組將下庫的水抽到上庫(電動機+水泵)， 以水的勢能形式

25、貯存起來； 放水發(fā)電：系統(tǒng)負荷高時，將上庫的水放下來推動水輪發(fā)電機組(水輪機+發(fā)電機)發(fā)電，以補充系統(tǒng)中電能的不足。 2）抽水蓄能電站與常規(guī)電站的區(qū)別 功能不同：同時具有發(fā)電和抽水的功能； 機組不同：同時具有發(fā)電機和水泵； 結(jié)構(gòu)組成不同：上下都有水庫，進水口和出水口互為功能。第二章 進水口及引水道建筑物1進水口的類型 A無壓進水口 類似于水閘，明流，引表層水為主適用于無壓引水式電站 分類： 1）表面式進水口 常設于凹岸（凹岸取水） 2）底部攔污柵式進水口 B有壓進水口 洞式進水口（閘門布置在山體的豎井中） 適用條件：地質(zhì)條件好，山坡坡度適宜，易于開挖平洞和豎井。 墻式進水口（閘門緊靠山體布置）

26、 適用條件：進口處地質(zhì)條件較好，或岸坡陡峻。 塔式進水口（閘門段布置一塔形結(jié)構(gòu)中） 適用條件：進口處地質(zhì)條件較差或岸坡坡度平緩。 壩式進水口（閘門布置在壩體中） 適用條件：混凝土壩的壩式水電站 （有壓進水口的高程:頂部高程應低于最低死水位，并有一定的埋深，不出現(xiàn)吸氣漩渦） （無壓進水口的位置:河道彎曲段的凹岸,避免漂浮物聚集,防止泥沙淤積以及便于引進清水）2有壓進水口的基本要求：要有必要的進水能力(為什么有壓進水口要有一定淹沒深度？為了防止產(chǎn)生漩渦。 吸氣漩渦會使空氣及漂浮物被吸入壓力水道內(nèi)，并引起噪音、振動，減少流量。)水質(zhì)符合發(fā)電要求 水頭損失要小 流量可按要求控制 施工、安裝、運行和檢修

27、方便3沉沙池的原理：加大過水斷面，減小水流的流速及其挾沙能力，使有害泥沙沉淀在沉沙池內(nèi)，將清水引入引水道 沉砂池的位置：無壓進水口之后，引水道之前 沉砂池的作用：1、防止泥沙進入引水道； 2、減少引水道泥沙淤積，減輕對水輪機的磨損 -沖沙室（流速大些）排沙方式：水力沖沙、水力機械沖沙、機械排沙-4.引水道類型：無壓引水道 和 有壓引水道。無壓引水道 特點：具有自由水面，引水道承受的水壓不大 適用：從河道或水庫水位變化不大的場合引水，否則會在進水口造成較大水頭損失 常用結(jié)構(gòu)型式：無壓隧洞 渠道（常沿山坡等高線布置）有壓引水道特點： 引水道內(nèi)為壓力流，承受的水頭可以很大 適用： 可適應河道或水庫水

28、位的大幅度變化 常用結(jié)構(gòu)形式： 有壓隧洞 明管 明鋼管 引水道要求： 符合要求的輸水能力 減少水頭損失 保證水質(zhì)5閘門及啟閉設備工作閘門（即事故閘門）作用：緊急事故關(guān)閉，快速切斷水流，以防事故擴大，也可用以關(guān)閉進水口一檢修引水系統(tǒng)適用要求：動水中快速關(guān)閉，靜水中開啟檢修閘門作用：設在工作閘門前，檢修工作閘門及門槽適用要求：靜水中啟閉6.通氣孔位置：有壓進水口的工作閘門之后 作用：工作閘門開啟時，引水道充水后用以排氣；工作閘門緊急關(guān)閉放空引水道時，用以補氣以防出現(xiàn)有害真空7.壓力前池： 是把無壓引水道的無壓流變?yōu)閴毫艿赖挠袎毫鞯倪B接建筑物。 組成：前室、壓力管道的進水口及設備、泄水和排沙建筑物

29、 作用：從水庫、壓力前池或調(diào)壓室，將水在有壓狀態(tài)下引入水輪機 （1）平穩(wěn)水壓，平衡水量；（2）均勻分配流量；（3）宣泄多余水量； （4）攔阻污物和泥沙8.渠道的分類（自動調(diào)節(jié)、非自動調(diào)節(jié)） 非自動調(diào)節(jié)渠道 ： 渠頂大致平行渠底，渠道的深度沿途不變，在渠道末端的壓力前池中設溢流堰。 自 動 調(diào) 節(jié) 渠 道： 渠道首部堤頂和尾部堤頂?shù)母叱袒鞠嗤?，并高出上游最高水位?渠道斷面向下游逐漸加大，渠末不設泄水建筑物。9.隧洞布置的總原則： 洞線短、彎道少，沿線的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件要好，并便于布置施工平洞。 (1) 地形條件好 (2) 地質(zhì)條件好 (3) 施工條件好 (4) 水力條件好10.設置日調(diào)

30、節(jié)池的條件:當引水渠道較長，且水電站擔任峰荷的水電站。第三章壓力管道總論與明鋼管1.壓力管道的定義、特點及分類 定義：壓力管道是從水庫或引水道末端的前池或調(diào)壓室，將水在有壓狀態(tài)下引入水輪機的輸水管。 特點：1、坡度陡；2、承受電站的最大水頭；3、靠近廠房 分類：根據(jù)布置形式，分為1）明管 暴露在空氣中(無壓引水式電站) 2）地下埋管 埋入巖體中(有壓引水電站) 3）混凝土壩身管道 依附于壩身(混凝土重力壩及重力拱壩) 按材料分:鋼管(大中型水電站) 鋼筋混凝土管(小型電站) 鋼襯鋼筋混凝土管 不襯砌、錨噴或混凝土襯砌、聚酯材料管、木管等2壓力管道的供水方式 單元供水： 集中供水： 分組供水：

31、管道水力計算包括： 水頭損失 和 水錘計算 管道敷設方式：（1）連續(xù)式：兩鎮(zhèn)墩間不設伸縮節(jié) （2）分段式：兩鎮(zhèn)墩設伸縮節(jié)3.露天鋼管附件的名稱及作用（鎮(zhèn)墩、支墩、伸縮節(jié)） 鎮(zhèn)墩：防止鋼管位移 （1）作用：承受軸向不平衡力，固定鋼管 （2）類型：封閉式，開廠式 C布置：鋼管轉(zhuǎn)彎處，直線段長度超過150m時 支墩：支承鋼管（管身在其上可移動） (1) 作用：承受水重和管身自重在法向分力，同時使管道離開地面有一定距離，允許管道在軸向自由移動 （2）類型：滑動式支墩，滾動式支墩，搖擺式支墩 伸縮節(jié)： (1)作用：減小管身溫度應力（可自由伸縮；適應少量不均勻變形，同時為閥門拆裝提供方便） （2）類型：單

32、作用伸縮節(jié)，雙作用伸縮節(jié)4. 明鋼管的抗外壓失穩(wěn) 當管徑和管壁厚度一定時，加勁環(huán)的間距越小，管壁在外壓下屈曲的波數(shù)便愈多，臨界壓力值便愈大； 設置加勁環(huán)的明鋼管在外力作用下，需滿足兩個要求： a、加勁環(huán)不能失穩(wěn)屈曲 ；b、加勁環(huán)不失穩(wěn)時，其橫截面的壓應力小于材料允許值。5.明壓力鋼管的加勁環(huán)(又稱剛性環(huán))的主要作用是: 節(jié)省壓力鋼管的鋼材,提高壓力鋼管管壁的抗外壓能力。 改變壓力鋼管的徑向自振頻率,消除鋼管的徑向振動。 提高壓力鋼管的剛度,防止運輸、安裝中變形。 設計規(guī)范要求壓力鋼管管壁厚度,必須滿足結(jié)構(gòu)的強度校核6.明鋼管外壓失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)現(xiàn)象： 機組運行過程中由于負荷變化產(chǎn)生負水錘，而使

33、管道內(nèi)產(chǎn)生負壓； 管道放空時通氣孔失靈，而在管道內(nèi)產(chǎn)生真空； 管道在外部的大氣壓力作用下，可能喪失穩(wěn)定，管壁被壓扁； 必須根據(jù)鋼管處于真空狀態(tài)時不產(chǎn)生不穩(wěn)定變形的條件來校核管壁厚度。7.壓力管道的主要荷載是內(nèi)水壓力，管道內(nèi)徑D（m）和水壓H（m）及其乘積HD值 是標志壓力管道規(guī)模及其技術(shù)難度的最重要特征值。8.強度校核和剛度校核：光滑管(即無剛性環(huán)的明鋼管)先校核強度，強度不滿足則增加管壁厚度；強度滿足后校核剛度 , 剛度不滿足加加勁環(huán)。 加勁環(huán)的存在限制了其旁側(cè)管壁在內(nèi)水壓力和管重作用下的徑向變形，因而產(chǎn)生局部應力，需重新校核其影響范圍內(nèi)的管壁強度。（即加了加勁環(huán)要重新校核強度）第四章 地下

34、埋管1.地下埋管定義及施工工序？ 定義：地下埋管是埋藏于地層巖石中的鋼管，可以是斜的、垂直的，故也稱作斜井、豎井， 或稱為隧洞式壓力管道。 施工工序：巖洞開挖鋼襯安裝混凝土回填和灌漿 灌漿種類：回填灌漿、接觸灌漿和固結(jié)灌漿2.和明管相比簡述地下埋管的優(yōu)缺點 優(yōu)點：1、布置靈活方便，不受地面地形地質(zhì)限制； 2、鋼管與圍巖共同承擔內(nèi)水壓力，減小鋼襯厚度 3、運行安全，超載能力強 缺點 1構(gòu)造比較復雜，施工安裝工序多，工藝要求較高，施工條件較差，會增加造價；且影響工期。 2外壓穩(wěn)定問題突出。易外壓失穩(wěn)。3.防止埋管鋼襯受外壓失穩(wěn)的根本方法: 答：降低地下水水壓力是防止鋼襯失穩(wěn)的根本方法， 措施是排水

35、廊道結(jié)合排水孔；4.地下埋管和明管抗外壓失穩(wěn)的外荷載區(qū)別 答： 地下埋管的外壓荷載主要為地下水壓力，施工期還有鋼襯與混凝土之間接縫灌漿壓力和 回填混凝土時流態(tài)混凝土的壓力。 而明管的外壓為大氣壓力（0.1MPa） 第五章 混凝土壓力管道1.混凝土壩體壓力管道：是依附于混凝土壩身，即埋設在壩體內(nèi)或固定在壩面上，并與壩體稱為一體的壓力輸水管道。2.混凝土壩體壓力管道特點：（1）結(jié)構(gòu)緊湊簡單 （2）引水道長度短，水頭損失小，機組條件保證條件好 （3）造價低 （4）運行集中方便 （5）壩內(nèi)埋管的空腔削弱壩體 混凝土壩體壓力管道按其布置方式可分為： 壩內(nèi)埋管 、 壩上游面管道 、 壩下游面管道3.為了減

36、少壩體承擔的內(nèi)水壓力，可以在鋼管外設置軟墊層，將鋼管與壩體隔開。 軟墊層可以吸收鋼管在內(nèi)壓作用下的徑向變位，而使內(nèi)壓只有一部分或很小部分傳至壩體。4.壩內(nèi)埋管： A布置原則：（1）盡量縮短管長 （2）減少管道空腔對壩體的不利影響 （3）減少管道對壩體施工的干擾 B立面上的布置：（1）傾斜式 （2）平式和平斜式 （3）豎直式 C平面上的布置：（1）廠壩橫縫錯開 （2）廠壩橫縫一致 D結(jié)構(gòu)形式：（1）聯(lián)合受力管：鋼管和壩體混凝土澆筑在一起，兩者聯(lián)合承載， 可充分發(fā)揮鋼管外圍鋼筋混凝土的承載作用，減小鋼管管壁厚度 （2）墊層管：鋼管外鋪設墊層，將壩體與管道隔開第六章 分叉管1、分岔管的功能:分流，匯

37、流2、分岔管的布置形式： 卜形布置, 對稱Y形布置， 三岔形布置3、分岔管結(jié)構(gòu)形式， A、 明鋼岔管 ：三梁岔管 月牙肋岔管 貼邊式岔管 無梁岔管 球形岔管 隔壁岔管 B、 地下埋藏式岔管 C、鋼襯鋼筋混凝土岔管第九章 水錘及調(diào)保計算1.減小水錘壓力的常用措施有哪些？1）縮短壓力管道的長度2）延長有效的關(guān)閉時間反擊式水輪機設置減壓閥（空放閥）沖擊式水輪機的機組裝置偏流器（折流器）3）減小壓力管道中的流速4）改變調(diào)速器調(diào)節(jié)程序中低水頭電站：采取先快后慢的關(guān)閉規(guī)律，高水頭電站：采取先慢后快的關(guān)閉規(guī)律注：水錘的危害： 壓強升高過大水管強度不夠而破裂； 尾水管中負壓過大尾水管空蝕，水輪機運行時產(chǎn)生振動

38、； 壓強波動機組運行穩(wěn)定性和供電質(zhì)量下降。2.水錘壓力及其特性 水錘定義：當管道末端流量急劇變化時，管道中壓力也隨之變化，亦即發(fā)生所謂“水錘” 水錘特性：水錘壓力實際上是由于水流速度變化而產(chǎn)生的慣性力； 由于管壁具有彈性和水體的可壓縮性，水錘壓力將以彈性波德形式沿管道傳播； 水錘波同其他彈性波一樣，在傳播過程中，在外部條件發(fā)生變化處（即邊界處）均要發(fā)生波德反射。3.水錘的分類： 水錘波在管道中傳播一個來回的時間為2L/a（L為管道長度，a為水錘波波速），稱為“相” 直接水錘：當閥門關(guān)閉時間Ts等于或小于一相時，即Ts2L/a，也即是由水庫處反射回來的水錘波尚未到達閥門之前， 閥門已經(jīng)關(guān)閉終止，

39、這種水錘稱為直接水錘。 直接水錘產(chǎn)生的壓力升高是相當巨大的，應采取種種措施避免。 間接水錘（Ts2L/a）：當閥門關(guān)閉過程結(jié)束前，水庫異號反射回來的降壓波已經(jīng)到達閥門處，降壓波對該處產(chǎn)生的 升壓波起著抵消作用，使閥門處的水錘升壓值小于直接水錘值，這種水錘稱為間接水錘。 間接水錘是水電站經(jīng)常發(fā)生的水錘現(xiàn)象，也是我們的主要研究對象。4.間接水錘的兩種類型：對于閥門直線關(guān)閉情況的水錘，根據(jù)最大壓力出現(xiàn)的時間可分為：第一相水錘：最大水錘壓力出現(xiàn)在第一相末,即。常發(fā)生在管道較長的高水頭（250m以上）電站。末相水錘：最大水錘壓力發(fā)生在閥門關(guān)閉終了的相末，又稱為極限水錘,末相水錘常發(fā)生在管道較短的低水頭（

40、200m以下）電站。5.進行水錘及調(diào)節(jié)保證計算（水擊和機組轉(zhuǎn)速變化的計算）的目的： 水錘計算的目的：決定管道內(nèi)的最大內(nèi)水壓力，作為射擊或校核壓力管道、蝸殼和水輪機強度的依據(jù)； 決定管道內(nèi)最小內(nèi)水壓力，作為管線布置，防止壓力管道中產(chǎn)生負壓和校核尾水管內(nèi)真空度的依據(jù)； 研究水錘與機組運行的關(guān)系，如對機組轉(zhuǎn)速變化的影響等。 調(diào)壓保證計算的目的：通過調(diào)節(jié)保證計算和分析，正確合理地解決導葉啟閉時間、 水錘壓力和機組轉(zhuǎn)速上升值三者之間的關(guān)系，最后選擇適當?shù)膶~啟閉時間和方式， 使水錘壓力和轉(zhuǎn)速上升值在經(jīng)濟合理的允許范圍內(nèi)。1管路的特性系數(shù)： ，2導葉或者閥門全開時=1，全關(guān)時=13水錘類型判別：A、當時，

41、經(jīng)常發(fā)生的第一相水錘B、當時，經(jīng)常發(fā)生的末相水錘（極限水錘）4水錘壓力的近似公式A、第一相末水錘壓力值：B、末相水錘（極限水錘）：5開度變化規(guī)律對水錘壓力的影響A 在高水頭電站中常發(fā)生第一相末水錘，所以可以采取先慢后快的非直線關(guān)閉規(guī)律B 在低水頭電站中常發(fā)生末相水錘，所以可以采取先快后慢的非直線關(guān)閉規(guī)律6極限水錘壓力的分布規(guī)律：理論研究證明，極限水錘無論正、負水錘，沿管線水錘壓力均依直線規(guī)律分布7第一相水錘壓力的分布規(guī)律：研究證明。第一相水錘壓力沿管線不依直線規(guī)律分布，正水錘壓力分布曲線都是向上凸的，負水錘壓力分布曲線是往下凹的。第十章 調(diào)壓室1.調(diào)壓室的定義、工作原理及作用：定 義： 調(diào)壓室

42、是有壓引水系統(tǒng)的平水建筑物， 實際上是一個具有自由水面的筒式或井式建筑物設置在地面以上的成為調(diào)壓塔，地面以下的稱為調(diào)壓井。工作原理： 設置了調(diào)壓室以后，利用調(diào)壓室擴大的斷面積和自由水面，水錘波就會在調(diào)壓室反射到下游去。這樣就相當于 把引水系統(tǒng)分成兩段，調(diào)壓室以前這段引水道，基本可以避免水錘壓力的影響；調(diào)壓室以后這段壓力管道， 由于縮短了水錘波傳遞的路程，從而減少了壓力管道中的水錘值，改善了機組運行條件及供電質(zhì)量。作 用：反射水錘波，限制了水錘壓力繼續(xù)向水引水道傳播，使其基本避免了水錘壓力的影響。 減小了水錘壓力，縮短了壓力管道的長度。 改善了機組在負荷變化時的運行條件。2.調(diào)壓室的設計要求與基

43、本類型與布置方式。 設計要求：1）能充分反射水錘波；使傳道引水道中的水錘值控制在合理的范圍內(nèi)； 2）要求調(diào)壓室波動穩(wěn)定，并且要求波動能迅速衰減。 3）調(diào)壓室應盡量靠近廠房，縮短壓力管道長度，降低水錘值及壓力管道造價。 4）波動振幅小，頻率低，減小調(diào)壓室高度，并有利于機組穩(wěn)定運行。 5）在正常運行時，水流經(jīng)過調(diào)壓室與引水道連接處的水頭損失應盡量小。 6）工程安全可靠，施工簡便，造價經(jīng)濟。 基本類型：1）圓筒式調(diào)壓室； 2）阻抗式調(diào)壓室； 3）水室式調(diào)壓室； 4）溢流式調(diào)壓室； 5）差動式調(diào)壓室； 6）氣墊式調(diào)壓室。 調(diào)壓室的布置方式： 上游調(diào)壓室( 引水調(diào)壓室) 下游調(diào)壓室(尾水調(diào)壓室) 上下游

44、雙調(diào)壓室系統(tǒng) 上游雙調(diào)壓室系統(tǒng) 3.調(diào)壓室的基本尺寸是由水力計算來確定的，其內(nèi)容應包括（1）由調(diào)壓室水位波動的穩(wěn)定條件，確定調(diào)壓室的斷面積；（2）計算調(diào)壓室最高涌波水位 ，從而確定調(diào)壓室的頂部高程（3）計算調(diào)壓室最低涌波水位 ，從而確定調(diào)壓室底部和壓力管道進口的高程。4、調(diào)壓室水位波動的穩(wěn)定問題計算： 調(diào)壓室水位波動穩(wěn)定的條件： （1）m>0，即, ， ，取可能最大值 （2），即+<（引水道水力損失，壓力管道水頭損失） 例題：某露天式壓力鋼管，管徑D3m，跨中斷面最大靜水頭=62m。水錘壓力，鋼管允許應力MPa，焊縫系數(shù)，若將允許應力降低20。試確定管壁厚度，并驗算是否應設加勁環(huán)？

45、若其鋼管軸向傾角，求徑向水壓力在此非加勁環(huán)斷面的管壁頂點()和水平軸線()處的環(huán)向應力？解：(1) 構(gòu)造要求：(a) (b) 6mm最后取管壁厚度(2)是否應設加勁環(huán)？ 故需設加勁環(huán)。(3) 環(huán)向應力(1-1斷面)作業(yè)(要求抄題)：某電站采用露天式壓力鋼管，跨中斷面最大作用水頭為80.6m(包括水錘壓力)，鋼管直徑D=3m，管厚,若其管軸線與地面夾角，法向均布力(垂直管軸線)，支墩間距L=10m。求（1） 是否需設加勁環(huán)？（2） 管截面頂點由徑向水壓力產(chǎn)生的環(huán)向應力？（3） 由法向力在管壁頂點產(chǎn)生的軸向應力？解：(1) 故需設加勁環(huán)。(2) 管截面頂點由徑向水壓力產(chǎn)生的環(huán)向應力 (3) 由法向

46、力在管壁頂點產(chǎn)生的軸向應力例題：某引水式水電站設有三臺沖擊式水輪機，單管單機供水，=3200kW，試根據(jù)下面資料對機組丟棄全部負荷時進行水錘計算(判斷水錘類型并計算其值)。已知管長500m，直徑0.85m，管壁厚度=14mm，管末端中心線設計水頭250m，設計流量1.6m3/s，機組總的關(guān)閉時間5.3秒,采用明鋼管，=0.3，=2.1×105N/cm2，=2.1×105N/mm2。思路：(1)判斷是直接水錘還是間接水錘？(2)若是間接水錘，繼續(xù)判斷是第一相水錘還是末相水錘？水錘計算直接水錘間接水錘第一相水錘末相水錘解：(1)計算水錘波速(2)判斷水錘類型 因為，故發(fā)生間接水

47、錘。(3)判斷間接水錘類型 故產(chǎn)生第一相水錘。(4)計算第一相水錘值作業(yè)(要求抄題)：某水電站裝有沖擊式水輪機，靜水頭，采用簡單管，管長L=400m，閥門全開時，管道流速，水錘波速a=1000m/s，(1)閥門有效關(guān)閉時間，求最大水錘壓力；(2)如果閥門的有效關(guān)閉時間延長到，求閥門由全開到全關(guān)的最大水錘壓力；（3）閥門有效關(guān)閉時間，求閥門由部分開啟()到全關(guān)的最大水錘壓力。(開度依直線規(guī)律變化，用近似公式)。解：(1)(a)判斷水錘類型 因為，故發(fā)生直接水錘。 (b)計算最大水錘值 m(2)(a)判斷水錘類型 因為，故發(fā)生間接水錘。 (b)判斷是第一相水錘還是末相水錘 故產(chǎn)生末相水錘。(c)計

48、算末相水錘值 (3)(a)判斷水錘類型因為閥門按線性規(guī)律關(guān)閉，關(guān)閉時間，故發(fā)生間接水錘。(b)判斷是第一相水錘還是末相水錘 故產(chǎn)生第一相水錘。(c)計算第一相水錘值啟示：（1）由前兩問可知，直接水錘壓力一般很大，發(fā)生間接水錘比發(fā)生直接水錘的水錘壓力小，電站設計要避免發(fā)生直接水錘；（2）由后兩問可知，管道特性系數(shù)和的值沒有變化，它們的取值與初始開度無關(guān)；（3）由后兩問可知，水錘壓力的最大值未必發(fā)生在丟棄全負荷的情況，可能發(fā)生在丟棄部分負荷的情況，設計電站與電站運行時要注意這一點（參考P133圖9-5）。（4）第二問與第三問的水錘壓力相對值計算結(jié)果偏大(參考教材P102的標準)，實際設計時還宜延長閥門的有效關(guān)閉時間。與啟示（3）相似的情況：消力池的尺寸設計時未必由通過正常設計流量時控制，也有可能是由較小的流量控制，設計時要假設閘門逐漸開啟，流量從小到大先找到最不利的情況，然后根據(jù)最不利的情況設計消力池尺寸。例題：D總=2m,D岔=1.2m，a=1000m/s，Ts=5s，H0=62m,Q=3×4.5m3/s，求閥門末端水錘壓力值。思路：岔管串聯(lián)管簡單管解：(1)簡化成串聯(lián)管(2)換算