大工14秋《水電站建筑物》輔導資料3

1、=H1 -E = E - E? P _ _N+Hz 2 /以V 2_2.有尾水管能量利用情況-h1-2P + H + Z +2二廣 2 g JZ - H2 s+ h2-5 j設尾水管后，轉輪出口處壓力為P /Y-H , H大連理工大學網(wǎng)絡教育學院 水電站建筑物輔導資料三主題：第二章 水輪機的工作原理5-6節(jié)學習時間：2014年10月13日-10月19日內(nèi)容：我們這周主要學習第一大部分水力機械第二章5 - 6節(jié)的相關內(nèi)容。希望通 過下面的內(nèi)容能使同學們加深對水輪機的尾水管、氣蝕、吸出高度和安裝高程相 關知識的理解。一、學習要求掌握尾水管的作用及其效率；掌握水輪機的氣蝕特性，掌握吸出高度與安裝高程

2、的計算。二、主要內(nèi)容重要知識點：尾水管的作用及效率；水輪機氣蝕特性和吸出高度與安裝高程的計算。第二章水輪機的工作原理第五節(jié)尾水管的作用及其效率（一）尾水管的作用無尾水管能量利用情況如圖所示無尾水管情況，水輪機利用的單位能量為1-1和2-2截面的能量差:（P 以 V 2 ） + Z 2 + 2g / 、2 g + 1-2 /轉輪出口的動能及轉輪出口到下游尾水位間 的位能全部損失掉了。如圖所示有尾水管情況，轉輪出口至下游水位變成有壓流，尾水管中產(chǎn)生負 壓。水輪機所利用的單位能量為1-1和5-5截面的能量差，即：E = E - E7 p 下+h1+z 2 J-（h1 2 + h2=（氣 + H ）-

3、（以V 25 5 + hI 2 g1-2與尾水管的性能無直接關系，稱為靜力真空。同時由于裝設了擴散的尾水管，使 水輪機出口流速由V降低到V，可以回收部分動能。兩個能量的比較 5比較以上兩個能量公式發(fā)現(xiàn)，設置尾水管可以多利用的能量為：一 一 a V2 a V2 , AE = E - E = H +-h2 5設置尾水管使水輪機多利用了靜力真空Hs，并由于出口動能減少多利用了氣匕2 一以5咋的動能，稱為轉輪出口處的附加動力真空。同時增加了尾水管本身 2g水頭損失h v2-5尾水管的作用（重要知識點，常見簡答題）（1 ）以附加動力真空方式使水輪機回收并利用了轉輪出口水流大部分動能;（2）當轉輪安裝于下

4、游尾水位以上時，多利用了靜力真空；（3）將轉輪出口處的水流引向下游。（二）尾水管的效率（掌握動力真空效率和尾水管阻力系數(shù)定義）靜力真空一與水輪機的安裝高程有關；動力真空一與尾水管的擴散作用、內(nèi)部損失有關。尾水管效率即為動力真空效率，也稱尾水管動能恢復系數(shù)，它是動力真空與 轉輪出口動能的比值。a V2 a V2a V2 72 2 2喪A h2 5 + h七Oy21 - Oy21Y w 22222 g2 g式中匚稱為尾水管阻力系數(shù)。從公式中可以看出：匚越小，即尾水管出口流速和水頭損失越小，則尾水 管效率越高。所以需盡量增大尾水管出口斷面尺寸，并減小尾水管中的水頭損失。但為了防止水流條件復雜，需采用

5、合理的擴散角，因此將使尾水管長度增加， 引起水下開挖量的增加。所以，一般的大中型立式水輪機都采用彎肘型尾水管。 對于大中型水輪機，尾水管的效率一般為0.800.85，與尾水管的型式、尺寸和 構造有關。第六節(jié) 水輪機的氣蝕特性、吸出高度與安裝高程（一）水輪機的氣蝕現(xiàn)象氣蝕現(xiàn)象的成因（重要知識點，常見填空選擇，也作為簡答題一部分）（1 ）機械作用一主要作用小氣泡壓力降低（低于汽化壓力）水汽化使小氣泡膨脹，進入高于汽化壓力 區(qū)液化，壓力降低周圍水流質點以極高速度來補充，形成巨大的水擊壓 力，氣泡被壓縮到彈性壓力大于水擊壓力 由于反作用力膨脹，水流質點向外沖 擊，如此反復，破壞水輪機過流部件。（2）化

6、學作用一次要作用高溫高壓作用下，發(fā)生氧化作用，使金屬表面腐蝕，產(chǎn)生麻點。高溫產(chǎn)生原因：氣泡中蒸汽液化時，放出熱量，使溫度升高；產(chǎn)生水擊壓力 時也可使溫度升高，溫度可達數(shù)百度。（3）電化作用一次要作用高溫高壓下，冷熱部件之間會產(chǎn)生熱電偶，形成電位差，在其作用下，產(chǎn)生 很強的電解作用，使金屬表面腐蝕?？傊?，氣蝕主要是由水擊壓力引起的，其次是氧化作用，電解作用加速了葉 片的破壞。氣蝕的類型（熟記四種類型，掌握各種類型的定義）水輪機氣蝕按發(fā)生的條件和部位分為四種類型:（1）翼型氣蝕：是反擊式水輪機最主要的氣 蝕型式之一。翼型氣蝕是由轉輪翼型引起的，取決于轉輪 葉片的幾何形狀和水輪機的運行工況，通常靠近

7、 葉片出水邊的背面負壓最大，在此容易發(fā)生氣蝕 破壞。（2）間隙氣蝕水流通過水輪機某些狹小的通道或間隙時，由 于出現(xiàn)局部的流速增加和壓力降低而產(chǎn)生的氣蝕。主要發(fā)生在軸流式水輪機轉輪葉片外緣與轉 輪室間、轉輪止漏環(huán)間以及所有可能因間隙存在而 使流速過高而壓力降低的部位。（3）局部氣蝕由于水輪機過流部件表面凹凸不平或光潔度 差引起脫流而產(chǎn)生的氣蝕。（4）空腔氣蝕發(fā)生在反擊式水輪機上。反擊式水輪機偏離 最優(yōu)工況運行時，轉輪出口的圓周速度分量會使 水流旋轉，在轉輪出口處出現(xiàn)一條螺旋形狀、中 間含有蒸汽和其它氣體的大空腔，腔內(nèi)真空度彳艮 高，并以某種頻率在尾水管圓錐段部分擺動，稱 之為渦帶。這種周期性擺動

8、的真空渦帶造成的氣蝕稱為 空腔氣蝕。這種氣蝕會引起壓力脈動和噪音，嚴 重時使機組產(chǎn)生過大的振動。氣蝕的危害（常見簡答題）（1）破壞水輪機的過流部件金屬表面失去光澤而變暗 一毛糙而出現(xiàn)麻點和蜂窩 在轉輪出水 邊較薄的部位將會穿孔，甚至整塊脫落。（2）降低水輪機的出力和效率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）增加維修的工作量，即增加維修的費用縮短了機組檢修的周期，增加了檢修的復雜性。消耗鋼材、延長工期。（4）使機組產(chǎn)生噪音和振動，嚴重時使廠房振動，甚至造成廠房振動破壞。預防氣蝕的措施（常見簡答題，著重掌握設計部門措施）影響水輪機氣蝕的因素很多，為了防止氣蝕發(fā)生，減

9、少氣蝕危害，應從多方 面入手共同采取措施：（1）從水電站設計部門來說正確選擇水輪機的型號（比轉速），合理選擇安裝高程（Hs），以免產(chǎn)生翼型 氣蝕和空腔氣蝕。（2）從運行部門來說要及時維修；要避開不利的運行工況，特別是小出力工況；增設補氣裝置。（3 ）從水輪機生產(chǎn)部門（生產(chǎn)廠家）來說通過科研工作改善輪葉形狀、斷面尺寸、輪葉數(shù)目等；采用新材料（抗磨、耐氣蝕材料一不銹鋼）；提高過流部件的光潔度；加真空破壞閥（負壓力達一定值時自動打開補氣）。（二）氣蝕系數(shù)，吸出高度，安裝高程氣蝕系數(shù)o （掌握氣蝕系數(shù)的定義和變化，靜動力真空的相關因素）。是衡量水輪機氣蝕性能的指標。o越大，氣蝕性能越差，即越容易產(chǎn)生氣

10、 蝕；o越小，氣蝕性能越好，即越不容易產(chǎn)生氣蝕。（1）靜力真空與動力真空靜力真空H :與水輪機性能無關，僅與水輪機的安裝高程有關。動力真空：與水輪機轉輪的性能、尾水管的性能及工況（0 H）有關。同一水輪機，工作水頭不同，動力真空值不同；不同水輪機，工作水頭相同 時，動力真空值也不同。為了確切表達和比較水輪機的氣蝕特性，用相對水頭o 表示水輪機的動力真空，稱o為氣蝕系數(shù)。（2）氣蝕系數(shù)的定義以V 2 以V 2 h 有2g5K 一5nHo是一個無因次的量，是評定水輪機氣蝕性能好壞的指標，其值與轉輪翼型 參數(shù)、運行工況及尾水管動力特性有關。o值很難直接用理論計算求得，主要通 過水輪機模型試驗進行實測

11、。（3）氣蝕系數(shù)的分析o對不同輪系的水輪機不一樣，對同一輪系的水輪機隨工況的變化而變化。在相同水頭下，o越大，動力真空越大，越容易氣蝕；在相同o下，水頭 越大，動力真空越大，越容易氣蝕。試驗和理論分析證明：o隨比轉速的增大而增加。在水輪機設計時，可能會希望通過減小動力真空，使o減小，但動力真空 減小，將使工作水頭減小，則減小發(fā)電量。因此實際工程中總是采用減少靜力真 空（降低水輪機安裝高程）的辦法防止氣蝕。吸出高度Hs （掌握不同類型水輪機的K點位置）若P P （汽化壓力），則不產(chǎn)生氣蝕，因此不發(fā)生氣蝕的條件是K點的 壓力大于或等于水的汽化壓力。哈爾濱大電機研究所建議的公式（最常用的公式）H k

12、 10 -總-（c+Ac） H -1式中：為水輪機安裝地點海拔高程，初設時用水電站下游尾水位，Ao為 氣蝕系數(shù)修正值，與水輪機工作水頭有關。下圖為氣蝕系數(shù)修正值與水頭關系線。由于K點的位置是不定的、變化的，很難確定，因此規(guī)范中對K點的位置 做了如下規(guī)定：立軸混流式：位于導水葉下環(huán)平面上。立軸軸流式：位于轉輪葉片中心線高程上。臥軸反擊式：位于轉輪葉片最高點（尾水管彎段最高點）。將K點做了如上規(guī)定后，Hk變?yōu)镠 （稱為吸出高度），即：H 10-90-（c+Ac）H -1由于H越小，水輪機安裝高程越低，地基開挖量越大，所以設計時?。篠H = 10-總-（c+Ac）H -1為保證水輪機在各種運行水頭下

13、都不發(fā)生氣蝕，應該分別采用不同的工作水 頭（最大水頭、設計水頭和最小水頭）及其對應的氣蝕系數(shù)，求出不同的吸出高 度，并選用其中的最小值。安裝高程V （掌握各類型水輪機安裝高程的確定，常見選擇題）水輪機的安裝高程是指水輪機的標高所在的海拔高程。水輪機的安裝高程決 定了整個廠房的高程，它的確定是水電站設計中的重要環(huán)節(jié)，它與水電站的運行 質量、發(fā)電量、水輪機設備的使用壽命及工程造價等關系密切。立軸反擊式水輪機：導水葉中心線的海拔高程；臥軸反擊式水輪機：主軸中心線的海拔高程。（1 ）立軸混流式水輪機=V + H + b0T W s 2式中：V 一水電站下游最低尾水位（m）（2 ）立軸*由流式水輪機=

14、V + H +a D式中：a為轉輪中心線到導水葉中心線距離與轉輪直徑的比值，一般為 0.380.46,初設時取0.41。（3）臥軸反擊式水輪機Vt =% + H -%關于水電站下游最低尾水位V的選?。簯摮浞挚紤]水電站的運行方式、機組臺數(shù)、河流綜合利用要求和電站施工 后下游河床可能出現(xiàn)的沖淤變化等因素。初設時，可按機組臺數(shù)選?。簡螜C運行時：采用半負荷運行對應的下游水位；34臺機運行時：采用一臺機滿負荷運行對應的下游水位；68臺機運行時：采用電站發(fā)保證出力對應的下游水位；超過8臺機運行時：采用電站的正常尾水位。（4）斗葉式水輪機斗葉式水輪機的轉輪在大氣壓力下工作，氣蝕主要發(fā)生在噴嘴、針閥等部位，

15、 以間隙氣蝕為常見。因此其安裝高程的確定原則是充分利用水頭，在保證落水回 濺不致妨礙轉輪旋轉的前提下，力求減小水輪機的泄水高度A，即斗葉中心到下 游水位間的距離。下圖為立軸斗葉式水輪機距離A的選擇曲線。U 50【0015020025 U初步設計時：立軸斗葉式水輪機的泄水高度A由圖中查??；臥軸斗葉式水 輪機的泄水高度A以大于轉輪直徑的1.5倍為宜。下游水位一般采用二十至五十年一遇洪水相應的下游水位。三、本周課程內(nèi)容典型例題（一）選擇題1、 尾水管產(chǎn)生的靜力真空主要與（）有關。A.尾水管的擴散作用B.尾水管的內(nèi)部損失C.水輪機的安裝高程D.水輪機氣蝕系數(shù)答案：C2、臥軸反擊式水輪機其安裝高程是指（）。B.主軸中心線的海拔高程 D.電站的設計水位A.導水葉中心線的海拔高程C.水電站下游最低尾水位答案：B（二）填空題1、水輪機氣蝕按發(fā)生的條件和部位可分為、四種類型。答案：翼型氣蝕、間隙氣蝕、局部氣蝕、空腔氣蝕（三）重要名詞解釋總結靜力真空、動力真空、動力真空效率、氣蝕、翼型氣蝕、間隙氣蝕、局部氣 蝕、空腔氣蝕、氣蝕系數(shù)、安裝高程（四）簡答題1、綜合裝設尾水管前后的能量變化，簡述尾水管的作用。答案：（1 ）以附加動力真空的方式使水輪機