水輪機(jī)的工作原理

水輪機(jī)的工作原理

了解水輪機(jī)水運(yùn)動(dòng)的速度三角形，熟悉水輪機(jī)的能量損失；理解水流作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的力和力矩。熟悉水輪機(jī)的最優(yōu)工況，非最優(yōu)工況對(duì)混流式、軸流式水輪機(jī)的影響。理解空化機(jī)理，熟悉空蝕及破壞，空蝕防護(hù)措施。了解水輪機(jī)磨損、振動(dòng)原因，熟悉防護(hù)及消除措施。通過水輪機(jī)工作的理解，提高設(shè)計(jì)、管理、維護(hù)、防護(hù)意識(shí)。水輪機(jī)的工作原理一、水輪機(jī)的水流運(yùn)動(dòng)在水輪機(jī)中的水流，一方面隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)，一方面在葉片間流道作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。空間運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，難用數(shù)學(xué)方法表示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。引入假設(shè)，簡(jiǎn)化分析。1、水輪機(jī)速度三角形(1)水流在水輪機(jī)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪繞定軸旋轉(zhuǎn)，故采用圓柱坐標(biāo)系分析。水輪機(jī)的工作原理水輪機(jī)的工作原理①軸面——由z軸與r軸所構(gòu)成的平面，即通過主軸軸線的徑向面。在轉(zhuǎn)輪內(nèi)空間上任一點(diǎn)可由z、r和Ф確定。②流面——以軸面流線為母線，繞軸線旋轉(zhuǎn)所形成的旋轉(zhuǎn)面?；炝魇剿啓C(jī)的流面呈喇叭形。軸流式水輪機(jī)的流面（忽略徑向速）近似呈圓柱形。水輪機(jī)的工作原理（2）運(yùn)動(dòng)速度分析相對(duì)速度W——水流質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)輪內(nèi)沿轉(zhuǎn)輪葉片表面方向的運(yùn)動(dòng)速度。圓周速度U——水流質(zhì)點(diǎn)隨轉(zhuǎn)輪一起旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)速度。絕對(duì)速度V——水流質(zhì)點(diǎn)對(duì)水輪機(jī)固定部件（對(duì)地球）的運(yùn)動(dòng)速度。轉(zhuǎn)輪內(nèi)任一質(zhì)點(diǎn)的流速都可表示為：

水輪機(jī)的工作原理2、水輪機(jī)的能量損失水流流經(jīng)過流部件，水能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳給發(fā)電機(jī)。水力損失——水流經(jīng)過流部件，沿程產(chǎn)生摩擦、局部發(fā)生撞擊和漩渦所產(chǎn)生的水頭損失。容積損失——水流經(jīng)過流部件，少量水流不做功由間隙漏掉所產(chǎn)生的流量損失。機(jī)械損失——水流經(jīng)過流部件，克服軸承處的機(jī)械摩擦等所產(chǎn)生的功率損失?，F(xiàn)代水輪機(jī)容積效率、機(jī)械效率都很高，水輪機(jī)的損失主要是水力損失，盡量減小其損失，提高水輪機(jī)效率。水輪機(jī)的工作原理3、水流作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的力和力矩

·水流在流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，作用于轉(zhuǎn)輪葉片，使水輪機(jī)獲得旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。

·用動(dòng)量矩定理分析作用在轉(zhuǎn)輪葉片上的力和力矩：

水輪機(jī)的工作原理絕對(duì)速度V分解為軸面分速Vm和圓周分速Vu。Vm方向通過轉(zhuǎn)輪軸線，對(duì)主軸不起作用Vu垂直于徑向，對(duì)主軸產(chǎn)生動(dòng)量矩mVu.r水流質(zhì)點(diǎn)所受的力及力矩：重力——與軸線重合，不產(chǎn)生力矩。轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)內(nèi)表面對(duì)水流的壓力——環(huán)形部件，水流呈軸對(duì)稱而抵消，不產(chǎn)生力矩。轉(zhuǎn)輪葉片對(duì)水流的作用力——產(chǎn)生力矩，改變水流運(yùn)動(dòng)方向和大小。水輪機(jī)的工作原理水流對(duì)葉片的作用力相反——以一定水壓作用在葉片上，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。水流速度矩的大小關(guān)鍵取決于進(jìn)、出口速度圓周分量的大小。水輪機(jī)的工作原理二、水輪機(jī)的運(yùn)行工況水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)——運(yùn)行工況——隨時(shí)變化1、水輪機(jī)的最優(yōu)工況最優(yōu)工況——效率最高的工況水力損失起決定性作用——取決于轉(zhuǎn)輪進(jìn)水方向、出水方向水輪機(jī)的工作原理（b）圖無撞擊進(jìn)口，不產(chǎn)生撞擊、脫流、漩渦現(xiàn)象等，水力損失最小。水輪機(jī)的工作原理（b）圖法向出口，水力損失最小。Vu2越大，尾水管的摩擦損失和漩渦損失越大。水輪機(jī)的工作原理2、水輪機(jī)的非最優(yōu)工況非最優(yōu)工況——偏離最優(yōu)工況，進(jìn)口產(chǎn)生撞擊損失和脫流損失，出口尾水管產(chǎn)生漩渦損失，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)，水輪機(jī)效率下降。（1）對(duì)混流式和軸流定槳式水輪機(jī)的影響水輪機(jī)的工作原理備注：圖中虛線表示最優(yōu)工況。2-13圖中，水頭不變，流量變化，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)開或關(guān)導(dǎo)葉，V1的大小、方向變化；W2方向不變，大小變。2-14圖中，水頭變化，流量不變，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的導(dǎo)葉不變，V1的大小變、方向不變化；W2方向不變，大小變。（2）對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的影響轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)動(dòng)作，影響不大。水輪機(jī)的工作原理三、水輪機(jī)的空化1、空化現(xiàn)象和空化機(jī)理（1）空化現(xiàn)象——在環(huán)境溫度不變情況下，由于動(dòng)壓力下降，引起汽化，產(chǎn)生一定水錘，破壞材料。

注：沸騰——液體在一定壓力下加熱引起汽化，不破壞材料。（2）空化機(jī)理①闡述空化機(jī)理過程（空化水錘產(chǎn)生過程）②空蝕——空化造成過流表面的材料損壞空化破壞作用：機(jī)械作用、電化作用、化學(xué)作用。主要是機(jī)械作用破壞。水輪機(jī)的工作原理2、水輪機(jī)的空蝕類型及破壞（1）水輪機(jī)空蝕類型：翼型空蝕、局部空蝕、間隙空蝕、空腔空蝕翼型空蝕為主。（2）空蝕破壞破壞過流部件；引起機(jī)組振動(dòng)、噪音；增加機(jī)組檢修；降低水輪機(jī)效率。水輪機(jī)的工作原理3、水輪機(jī)的吸出高度和安裝高程

（1）空化系數(shù)水輪機(jī)空蝕性能的好壞，一般是翼型空蝕的好壞。水輪機(jī)的工作原理在葉片背面接近出口邊的K點(diǎn)壓力最低，為保證水輪機(jī)不發(fā)生空蝕，PK≥PV(一定溫度下的汽化壓力)注：M點(diǎn)為尾水渠，即大氣壓處推理過程略···K點(diǎn)真空值：（水輪機(jī)吸出高度）靜力真空

動(dòng)力真空與水頭有關(guān)水輪機(jī)的工作原理確定水輪機(jī)的空化性能：空化系數(shù)——?jiǎng)恿φ婵张c水頭的比值在水輪機(jī)設(shè)計(jì)和選型時(shí)，在保證良好能量特性的情況下，應(yīng)盡量使空化系數(shù)小。（2）水輪機(jī)的吸出高度和安裝高度

K點(diǎn)真空值：

水輪機(jī)的工作原理不發(fā)生空蝕的條件：得出吸出高度：吸出高度是指在水輪機(jī)中所規(guī)定的的空化基準(zhǔn)面與尾水位的高差。水輪機(jī)的吸出高度Hs與水輪機(jī)的安裝高程有關(guān)。水輪機(jī)的工作原理標(biāo)準(zhǔn)海平面平均大氣壓=101kPa水溫5°～20°時(shí)，水的空化壓力=0.9～2.4KPa3000m內(nèi)，若電站海拔高程為Z，該處大氣壓降所最大吸出高程

(m)注：r=9.8KPa/m（1米水壓）一般Z常用Zw（所在電站的最低尾水位）

H多采用額定水頭Hr水輪機(jī)的工作原理模型與原水輪機(jī)之間存在尺寸比例的影響及模型水輪機(jī)試驗(yàn)的誤差，需對(duì)空化系數(shù)σ修正。為保證不發(fā)生空蝕，計(jì)算水輪機(jī)的吸出高度需留一定安全裕量。

(m)水輪機(jī)的安裝高程Z——水輪機(jī)按規(guī)定安裝時(shí)作為基準(zhǔn)的某一平面的海拔高程。Z=Zw+Hs實(shí)際工程計(jì)算，Zw一般為水電站的最低水位。不同水輪機(jī)，對(duì)吸出高度點(diǎn)的規(guī)定不同。（參看P75）模型水輪機(jī)的空化系數(shù)水輪機(jī)的工作原理水輪機(jī)的工作原理4、水輪機(jī)空蝕的防護(hù)設(shè)計(jì)方面、制造方面、材質(zhì)選用方面、運(yùn)行方面、檢修方面（帶學(xué)生勾出重點(diǎn)）四、水輪機(jī)的磨損與振動(dòng)1、水輪機(jī)磨損（P78）①磨損概念