水輪機(jī)基本概念

1、水輪機(jī)的工作原理第一節(jié)水流在還擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動一、復(fù)雜的空間非恒定流水輪機(jī)內(nèi)的水流運(yùn)動是復(fù)雜的空間非恒定流1 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內(nèi)為復(fù)合運(yùn)動，流速的大 小、方向在不斷地變化，而轉(zhuǎn)輪本身也在運(yùn)動。二、恒定流狀態(tài) 水輪機(jī)在某一工作狀況時， H、Q、N、n 不變 ，水流在水輪機(jī)的蝸殼、導(dǎo)水 葉及尾水 管中的流動是恒定流。水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動相對于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)而言，也是恒定流。 水流在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動非常復(fù)雜，上述假定可以簡化分析。三、水流運(yùn)動是空間三元流 水流運(yùn)動規(guī)律用速度三角形表達(dá)V =U +WV 水流絕對流速相對于地球U 水流隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)牽連流速W

2、水流沿葉片流動的相對流速 用速度三角形分析水流運(yùn)動的方法是研究轉(zhuǎn)輪流速場的重要方法。對于混流式水輪機(jī)，可以認(rèn)為任一水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪中的運(yùn)動是沿著某一喇叭形的空間曲面 稱之為流面 而作的螺旋形曲線運(yùn)動。相同的。流面即由某一流線繞主軸旋轉(zhuǎn)而成的盤旋曲面。 在整個轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)有無數(shù)個這 樣的流面。 流面上每一個進(jìn)口點(diǎn)的速度三角形是相同的；每一個出口點(diǎn)的速度三角形也是贛*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)動狀態(tài)及其流動到轉(zhuǎn)輪出口的運(yùn)動狀態(tài)可由同一時刻該流面上任意進(jìn)、出口點(diǎn)的速度三角形表示。速度與分速度的空間矢量關(guān)系第二節(jié)水輪機(jī)工作的根本方程式、動量矩定理單位時間內(nèi)水流對轉(zhuǎn)輪的動量矩改變，應(yīng)等于

3、作用在該水流上的外力的力矩總和。即：M =-A 乂需-必 22g其中M為水流對轉(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)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的平衡關(guān)系。二、 水輪機(jī)的根本方程在穩(wěn)定工況下n、Q H均不變，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運(yùn)動時相對的恒定流，因此轉(zhuǎn) 輪的出力為：YQe:QeNe=M 二亠 g - 必 2叨 4 UMI - 匕必 2g g肌二 QeH s所以，水輪機(jī)的根本方程為：H sg 二 UMi -5 必 2該方程式對還擊式、沖擊式水輪機(jī)均適用。三、 根本方程的物理意義方程的實質(zhì)：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。水流與葉片相互作用，使得水輪機(jī)

4、做功。水流通過水輪機(jī)時，葉片迫使水流動量矩發(fā)生變化，而水流以反作用力作用在葉片，從而使轉(zhuǎn)輪獲得力矩。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。第三節(jié)水輪機(jī)的效率及最優(yōu)工況一、水輪機(jī)的效率 efficiency 水輪機(jī)的能量損失導(dǎo)致 N < Ns，效率n<1效率是由水力效率、流量效率、機(jī)械效率組成1. 水力損失 head loss 及水力效率蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管一一沿程損失旋渦、脫流、撞擊 一一局部損失H 送也 HH水輪機(jī)的水力效率為 ：H一 100% =HH2. 流量損失及流量效率容積效率q,此局部流量不n根據(jù)

5、模型試驗容駅損I央機(jī)播視失沿程水力損失器術(shù)力損失水流通過轉(zhuǎn)動局部與非轉(zhuǎn)動局部間隙直流入尾水管的流量為經(jīng)過轉(zhuǎn)輪作功，稱漏損。容積效率：V =QAQeQ Q3. 機(jī)械損失和機(jī)械效率水輪機(jī)的輸入功率：Nb；輸出功率：N = Ne - ANm機(jī)械效率：n=N/N e水輪機(jī)的總效率n =nn n提咼效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機(jī)械摩擦。得到。、水輪機(jī)的最優(yōu)工況水輪機(jī)的最優(yōu)工況是指 n最高的工況。一般情況下，對n起主要作用的是水力損失，流量損失和機(jī)械損失相對較小，且根本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。1、葉片進(jìn)口設(shè)計撞擊損失主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口處。當(dāng)0 w,u二葉片進(jìn)口安放角時，那么為

6、無撞擊進(jìn)口工況，即轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的水流相對速度的方向與轉(zhuǎn)輪葉片骨線在進(jìn)口處的切線方向一致。b何2、葉片出口設(shè)計渦流損失主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片出口處。當(dāng)V2丄U2時，即a=90。水流平行主軸，Vu2=0,為法向出口，無渦流損失。同時滿足 妝=伍1、a=90° V2丄U2時，進(jìn)口無撞擊，出口無渦損，n最高，稱為水輪機(jī)的最優(yōu)工況。對高水頭水輪機(jī)，能量損失主要發(fā)生在引水部件內(nèi)，故最優(yōu)轉(zhuǎn)輪出口應(yīng)為法向出口。對中、低水頭水輪機(jī)，能量損失主要發(fā)生在尾水管和轉(zhuǎn)輪內(nèi)，一般a略小于90。寸，效率較高，可以防止尾水管內(nèi)脫流，運(yùn)行穩(wěn)定，空蝕性能好。軸流轉(zhuǎn)漿式、斜流式水輪機(jī)在不同工況下，可以進(jìn)行雙調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度a。、葉

7、有較寬廣在實際運(yùn) 時25片角度D 般可使水輪機(jī)在較大范圍內(nèi)到達(dá)或接近進(jìn)口無撞擊、出口無渦流，具 的效率區(qū)。水輪機(jī)在最優(yōu)工況運(yùn)行時，不但效率高，而且穩(wěn)定性和空蝕性能也好。因此，行中，水輪機(jī)的運(yùn)行工況范圍均有一定限制。第四節(jié) 尾水管的工作原理I 二205-轉(zhuǎn)輪所獲得能量等于轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口之間的能量差:E 二 Ei-E2= Hi ?旦-E21. 無尾水管時:EA二巳-E2A二已-戰(zhàn)乎2g轉(zhuǎn)輪獲得能量:2 E 訐Hr 2a, E2B 二 H2 P2. 設(shè)尾水管時:；2g根據(jù)2-2至5-5斷面能量方程:2 2可得：匹二也_出-泌址-巾2 J2g設(shè)尾水管后，轉(zhuǎn)輪所獲得能量：Eb =巳-E2B=已_ -Aj :

8、 h2_5 水輪機(jī)多獲得的能量：2 2.汨二Eb-Ea二H2 ?止也-訃2丿2g所以，設(shè)置尾水管以后，在轉(zhuǎn)輪出口形成了壓力降低，出現(xiàn)了真空現(xiàn)象，真空靜力真空：H2 落差，也稱為吸出高度Hs；由兩局部組成：2 2化-*5-:h2 _5 動力真空轉(zhuǎn)輪出口的局部動能Hd3. 尾水管的作用1聚集轉(zhuǎn)輪出口水流，排往下游。當(dāng)Hs>0時，利用靜力真空。 3利用動力真空 Hd。4. 尾水管的動能恢復(fù)系數(shù)尾水管的靜力真空HS取決于水輪機(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)志是恢復(fù)動能的程度與尾水管尺寸有關(guān)，一般用動能恢復(fù)系數(shù) nw 表示：2 2 2 2、心 2 5V2V22V22gw -

9、 -一“2_5/H d / 2g 2gn >0.8 時，效果較好； n = 0.3 ? 0.4 時，效果較差。n=1-w w為尾水管的水力損失系數(shù)第五節(jié)水輪機(jī)的空化與空蝕、水輪機(jī)的空蝕1. 空化及空化壓力的概念水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的水在一定壓力下加溫引起的汽化為沸騰；環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。(Pb)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2. 水輪機(jī)的空蝕1空蝕破壞的機(jī)理由：1 -Z -2g可知，當(dāng)VT-PJ當(dāng)P= Pb時，水開始汽化一汽泡水蒸氣 +空氣一進(jìn)入高壓 區(qū)汽泡時 蒸氣變成水，汽泡內(nèi)氣體稀薄，出現(xiàn)強(qiáng)大真空，汽泡外面的水流質(zhì)點(diǎn)在內(nèi)外壓

10、差的作用下急速向汽泡中心壓縮、沖擊在汽泡內(nèi)形成很大的微觀水擊壓力可達(dá)幾百大氣壓；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，使過流通道的金屬外表遭到嚴(yán)重破壞一機(jī)械破壞，叫疲勞剝蝕。汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質(zhì)點(diǎn)相互撞擊，引起局部溫度升高可到達(dá)300C，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反響，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用一化學(xué)腐蝕。2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，對水輪機(jī)過流金屬外表產(chǎn)生機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機(jī)的空蝕。3. 空蝕造成的危害使

11、過流部件機(jī)械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時整個部件破壞。增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降機(jī)組產(chǎn)生振動，嚴(yán)重時造成廠房振動破壞?？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；二、水輪機(jī)空蝕類型翼形葉片空蝕：轉(zhuǎn)輪葉片反面出口處產(chǎn)生的空蝕，與葉片形狀、工況有關(guān)。還擊式水輪機(jī)主要汽蝕形式。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?？涨豢瘴g：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(jìn)口處產(chǎn)生空蝕破壞，可能造成尾水管振動。局部空蝕：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

12、帶和水流軌跡三、防止空蝕的措施流速和壓力是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。1.設(shè)計制造方面：合理選型，葉型流線設(shè)計，外表光滑，抗汽蝕鋼襯不銹 鋼。2.工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。3. 運(yùn)行方面：避開低負(fù)荷、低水頭運(yùn)行，合理調(diào)度，必要時在尾水管補(bǔ)氣第六節(jié) 水輪機(jī)的空蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程一、水輪機(jī)的空蝕系數(shù)還擊式水輪機(jī)發(fā)生空蝕破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了pvpb的情況，因此防止汽蝕的措施是限制 p的降低，使pApbO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)汽蝕性能好壞一般是針對翼型空蝕而言，其標(biāo)志為空蝕系數(shù)?？瘴g系

13、數(shù)6是水輪機(jī)汽蝕特征的一個標(biāo)志，6越大，越容易破壞。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)一般為葉片反面靠Pa-出-(2 2Wk -W22g2g2gWVL)2g近轉(zhuǎn)輪葉片出口處K點(diǎn)的壓力為:K點(diǎn)的真空值Hkv：Hkv =已-匕二Hs 叫嚴(yán)77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)的性能無關(guān)；動力真空hk與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機(jī)工況、尾水管性能有關(guān)，因此說明汽蝕性能的只是動力真空：hk/H1(Wk -W22gHwV2)6稱水輪機(jī)的汽蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。6與葉型、工況有關(guān)， W大一 W大一 6大。6與尾水管的性能有關(guān)，nw TFT,汽蝕性能差。幾何形

14、狀相似的水輪機(jī)，工況相似，6相同；對任一水輪機(jī)在既定工況下6也是定值。6 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)模型試驗得出血，并認(rèn)為6= 6m、水輪機(jī)的吸出高為了防止空蝕，必須限制K點(diǎn)的壓力，使Pk書bPl Pa h2 2 2Wk -W22gV2_=匹 HS2gHPaT巳T -CH保證水輪機(jī)內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件: 氣=10.0( ；m)H900Pk> PB或簡化為H=10.0k=mH900Zk，隨工況而水輪機(jī)吸出高Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點(diǎn)到下游水面的垂直高度改變，規(guī)定如下:(1)立軸混流式水輪機(jī)：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(jī):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(jī)：HS葉片出口最高點(diǎn)到下游尾水垂直高度(4) 設(shè)計尾水位高于上述高程Hs為負(fù)，反