第三章_水轮机的工作原理

1、水轮机的工作原理水轮机的工作原理n1、水轮机根据能量转换特征分为哪几类?反击式水轮机及冲击式水轮机又是如何分类的? 根据水能转根据水能转换的特征分换的特征分根据水流流经转轮的方式不同分根据水流流经转轮的方式不同分2、试说明各型水轮机的特点及其应用范围。3、各型水轮机各个部件、构造及各部件的作用是什么？ (3) 工作部件转轮（核心)(4) 泄水部件尾水管(1) 引水部件蜗壳(2) 导水部件导水机构 （导叶及控制设备) n作用：使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机。作用：水轮机的作用：水轮机的，承受机墩及传来的荷载，承受机墩及传来的荷载，并传到下部基础；支承活动导叶。并传到下部

2、基础；支承活动导叶。作用：作用： 根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力，引导水流按切向进入转轮，形成速度矩。变出力，引导水流按切向进入转轮，形成速度矩。作用：作用： 水能转变为机械能水能转变为机械能回收利用转轮出口的大部分动能。回收利用转轮出口的大部分动能。 尾水管的作用：尾水管的作用：将通过水轮机的水流泄向下游；将通过水轮机的水流泄向下游；能利用转轮出口与下游水位之间的势能；能利用转轮出口与下游水位之间的势能； (1) 喷嘴喷嘴 (2) 折流板折流板 (3) 转轮转轮 (4) 机壳机壳将射流将射流转变为旋转转变为旋转。:将水流压能变为动能，形成射流并

3、将水流压能变为动能，形成射流并以一定方向冲击转轮，使转轮旋转，完成以一定方向冲击转轮，使转轮旋转，完成能量转换。能量转换。:调节进水流量，以调节水轮机出力。调节进水流量，以调节水轮机出力。 作用：把水斗排出的水引入尾水槽中排向下游作用：把水斗排出的水引入尾水槽中排向下游 当机组突然丢弃全部负荷时，折流板先转动，在当机组突然丢弃全部负荷时，折流板先转动，在12s内使射流部分全部偏向，不冲击转轮，此时针阀内使射流部分全部偏向，不冲击转轮，此时针阀可在可在510s或更长时间内缓慢关闭，减小水锤压力。或更长时间内缓慢关闭，减小水锤压力。4、试说明混流式水轮机转轮及轴流式水轮机转轮的构造及各组成部分的作

4、用。 转轮转轮叶片叶片均布在均布在上冠上冠与与下环下环之间，轮叶上端固定于转轮上冠，之间，轮叶上端固定于转轮上冠，下端固定于转轮下环。轮叶呈扭曲形，各轮叶间形成狭窄的流道。下端固定于转轮下环。轮叶呈扭曲形，各轮叶间形成狭窄的流道。一般轮叶的数目为一般轮叶的数目为1220片。片。 上冠上端与水轮机主轴相连，下端装有泄水锥。上冠上端与水轮机主轴相连，下端装有泄水锥。混流式混流式水轮机的转轮由水轮机的转轮由上冠、下环、叶片上冠、下环、叶片组成。组成。泄水锥泄水锥:引导水流平顺地形成轴向流动，减小水力损引导水流平顺地形成轴向流动，减小水力损失和振动。失和振动。 轴流式水轮机转轮由轮毂，轮叶，泄水锥组成

5、。 轮轮 毂毂轮叶轮叶泄水锥泄水锥n轴流定浆式：轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。叶片不能随工况的变化而转动。n轴流转浆式：轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动。叶片能随工况的变化而转动。轴流定桨式转轮模型轴流定桨式转轮模型轴流转桨式转轮模型轴流转桨式转轮模型轮轮 毂毂轮叶轮叶泄水锥泄水锥5、试阐述尾水管有哪些型式及尾水管的作用。直锥形与弯肘形尾水管的轮廓尺寸如何确定？ 尾水管的形式：尾水管的形式：直锥型、弯管直锥形、弯曲型直锥型、弯管直锥形、弯曲型。直锥型直锥型尺寸确定从以下几个参数考虑：尺寸确定从以下几个参数考虑： 尾水管进口直径D3 圆锥角 尾水管管长L 尾水管出口直径D5 尾水室

6、的尺寸 1 1、圆锥段、圆锥段2 2、弯管段（肘管）、弯管段（肘管）3 3、水平扩散段、水平扩散段6、水轮机引水室有哪几种类型？为适应不同条件，水轮机的引水室有开敞式与封闭式两大类。（1）开敞式（明槽式）（2）封闭式压力槽式和罐式蜗壳式HL220L J140XL220LH520ZZ560LH250GD103WP275水轮机的工作原理水轮机的工作原理 第一节第一节 水轮机的基本方程水轮机的基本方程 第二节第二节 水轮机的能量损失和效率水轮机的能量损失和效率 第三节第三节 水轮机的汽蚀、吸出高度与安装高程水轮机的汽蚀、吸出高度与安装高程 3-1 水轮机的基本方程式1 1、水流在转轮中的运动、水流在

7、转轮中的运动n（1）复杂的空间非恒定流复杂的空间非恒定流n（2 2）恒定流状态）恒定流状态n（3 3）水流运动是空间三元流）水流运动是空间三元流（1）复杂的空间非恒定流复杂的空间非恒定流n水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流 1) 1) 水头、流量在不断变化水头、流量在不断变化 2) 2) 叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。不断地变化，而转轮本身也在运动。 水轮机在水轮机在工况下，水流在水轮机中的流动工况下

8、，水流在水轮机中的流动是是恒定流。恒定流。（2 2）恒定流状态）恒定流状态 水轮机在某一工作状况时，水轮机在某一工作状况时，(H(H、Q Q、N N、不变不变) )，水流在水轮机的蜗壳、导，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动是恒定流。水流水叶及尾水管中的流动是恒定流。水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。言，也是恒定流。 水轮机在稳定工况水轮机在稳定工况 ( () )下，水下，水流在水轮机的蜗壳、导水机构及尾水管中的流流在水轮机的蜗壳、导水机构及尾水管中的流动是动是恒定流恒定流。水流在转轮内的流动相对于转轮。水流在转轮内的流动相对于转轮

9、旋转坐标而言，是旋转坐标而言，是相对恒定流相对恒定流。（3 3）水流运动是空间三元流）水流运动是空间三元流 水流绝对流速（相对于地球）水流绝对流速（相对于地球） 水流随转轮旋转牵连流速水流随转轮旋转牵连流速 水流沿叶片流动的相对流速水流沿叶片流动的相对流速 用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。方法。WUVVUW 转轮室中水流的运动，绝对流速转轮室中水流的运动，绝对流速; ; 水流随转轮的旋转而产生的转动，牵连流水流随转轮的旋转而产生的转动，牵连流速速; ; 水流沿叶片流道的流动，相对流速水流沿叶片流道的流动，相对流速;

10、; 用速度角形三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速用速度角形三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。场的重要方法。 WUVVWUU水流运动的速度三角形水流运动的速度三角形: :UW（假定水流进入转轮后不动）（假定水流进入转轮后不动）（假定转轮流道不动）（假定转轮流道不动）牵连速度牵连速度U绝对速度绝对速度V相对速度相对速度W轴面速度轴面速度Vm圆周速度圆周速度Vucosvvusinvvm 水流传给转轮的能量与水流在转轮进出口之间的动量矩的水流传给转轮的能量与水流在转轮进出口之间的动量矩的变化相平衡。没有这种动量矩的改变，转轮就不可能获得水流变化相平衡。没有这种动量矩的改变，转轮就

11、不可能获得水流能量而做功。能量而做功。该方程只与进、出口速度三角形有关，而与中间水流特征无关。该方程只与进、出口速度三角形有关，而与中间水流特征无关。 该方程式为通用方程式，对反击式、冲击式水轮机均适用。该方程式为通用方程式，对反击式、冲击式水轮机均适用。 guvuvgVuVuHuu2221112211coscos水流在转轮叶片上流动时，由于叶片流道迫使水流水流在转轮叶片上流动时，由于叶片流道迫使水流动量矩的改变，而水流的动量矩改变又反作用于转动量矩的改变，而水流的动量矩改变又反作用于转轮的叶片上，驱动转轮旋转形成了转轮的机械能，轮的叶片上，驱动转轮旋转形成了转轮的机械能，这就是这就是水轮机的

12、工作原理水轮机的工作原理。方程的实质方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。3.2 水轮机的效率水轮机的效率( (efficiency) %100HhHs 水轮机的能量损失导致水轮机的能量损失导致NNs NNs ，效率，效率11。能量损失主要包括水力损失、。能量损失主要包括水力损失、容积损失、机械损失三部分，相应地效率由水力效率、容积效率、机械效容积损失、机械损失三部分，相应地效率由水力效率、容积效率、机械效率组成。率组成。 1.1.水力损失水力损失( (head loss) )及水力效率及水力效率 水流经过蜗壳、导水机构、转轮及尾水管等过流部

13、件时产生水力摩擦、水流经过蜗壳、导水机构、转轮及尾水管等过流部件时产生水力摩擦、撞击、涡流、脱壁，尾水管出口引起能量损失。撞击、涡流、脱壁，尾水管出口引起能量损失。水力损失与水流流速，过流部件的形状、粗糙率有关。水力损失与水流流速，过流部件的形状、粗糙率有关。 水力损失水力损失2. 2. 容积损失及容积效率（流量效率）容积损失及容积效率（流量效率） QqQV 3.3.机械损失和机械效率机械损失和机械效率 转轮在完成能量转换过程中，水轮机的一些部件之间还存在一定的转轮在完成能量转换过程中，水轮机的一些部件之间还存在一定的摩擦（如密封与轴承之间、转轮外表面与周围水之间），这些摩擦摩擦（如密封与轴承

14、之间、转轮外表面与周围水之间），这些摩擦消耗一定的能量，这部分能量损失为机械损失，消耗一定的能量，这部分能量损失为机械损失， hHqQNe81. 9NNNe)(81. 9hHqQNNNNNNeeej 水轮机的最高效率可达水轮机的最高效率可达90%96%，在上述三种损失中，在上述三种损失中，水力损失为主要损失，其中局部撞击和涡流损失所占比重较水力损失为主要损失，其中局部撞击和涡流损失所占比重较大，容积损失、机械损失比重较小。大，容积损失、机械损失比重较小。 根据模型试验得到提高效率的有效方法减小水头损失、根据模型试验得到提高效率的有效方法减小水头损失、流量损失、机械摩擦。流量损失、机械摩擦。水轮

15、机的总效率水轮机的总效率HhHQqQhHqQNQHN.81. 981. 9svjsvj 这种周期性的气泡产生、破灭而破坏水轮机过流金属表面的现象这种周期性的气泡产生、破灭而破坏水轮机过流金属表面的现象称为称为水轮机的汽蚀现象水轮机的汽蚀现象 。 反击式水轮机所提供给水流的过道并不是等断面的，有宽窄之分，这反击式水轮机所提供给水流的过道并不是等断面的，有宽窄之分，这就会使水流流速大小不同，进而引起压力低高不同，亦就是造成水轮机内就会使水流流速大小不同，进而引起压力低高不同，亦就是造成水轮机内有高压区和低压区之分，若低压区的压力达到（或低于）该温度下水的汽有高压区和低压区之分，若低压区的压力达到（

16、或低于）该温度下水的汽化压力时，水就开始局部汽化产生大量汽泡，同时水体中存在的许多眼看化压力时，水就开始局部汽化产生大量汽泡，同时水体中存在的许多眼看不见的气核体积骤然增大也形成可见气泡，这些气泡随着水流进入高压区不见的气核体积骤然增大也形成可见气泡，这些气泡随着水流进入高压区（压力高于汽化力）时，气泡瞬时破灭，由于汽泡中心压力较低，气泡周（压力高于汽化力）时，气泡瞬时破灭，由于汽泡中心压力较低，气泡周围的水质点将以很高的速度向汽泡中心撞击形成巨大的水击压力（可达几围的水质点将以很高的速度向汽泡中心撞击形成巨大的水击压力（可达几百甚至上千个大气压力），并以很高的频率冲击金属表面，高频率冲击的百

17、甚至上千个大气压力），并以很高的频率冲击金属表面，高频率冲击的结果，使过流流道的金属表面遭到严重破坏结果，使过流流道的金属表面遭到严重破坏。 二、汽蚀的危害二、汽蚀的危害1.降低低水轮机效率，减小出力。降低低水轮机效率，减小出力。汽泡的产生破坏了水流的连续性，水汽泡的产生破坏了水流的连续性，水流质点相互撞击消耗部分能量从而增大了水力损失，使水轮机效率降低，流质点相互撞击消耗部分能量从而增大了水力损失，使水轮机效率降低，出力减小。出力减小。2.破坏水轮机过流部件，影响机组寿命。破坏水轮机过流部件，影响机组寿命。汽蚀产生，使金属表面失去光泽，汽蚀产生，使金属表面失去光泽，产生麻点，蜂窝，严重时轮叶

18、上产生孔洞或大面积剥落。产生麻点，蜂窝，严重时轮叶上产生孔洞或大面积剥落。 3.产生强烈的噪音和振动，恶化工作环境，从而影响水轮机的安全稳定。产生强烈的噪音和振动，恶化工作环境，从而影响水轮机的安全稳定。 汽蚀破坏是机械、化学、电化学作用的共同结果，其中汽蚀破坏是机械、化学、电化学作用的共同结果，其中为主。为主。 三、汽蚀类型三、汽蚀类型1 1、叶型汽蚀、叶型汽蚀发生在水轮机转轮叶片上的汽蚀。是反击式水轮机的发生在水轮机转轮叶片上的汽蚀。是反击式水轮机的汽蚀形式，主要是由于叶片的几何形状造成的汽蚀。汽蚀形式，主要是由于叶片的几何形状造成的汽蚀。 反击式水轮机的轮叶为扭曲形，水流流经转轮时，一般

19、叶片正面为反击式水轮机的轮叶为扭曲形，水流流经转轮时，一般叶片正面为正压，背面为负压，靠近流道正压，背面为负压，靠近流道出口出口处的压力最低处的压力最低压力最低点，此压力最低点，此处最易产生汽蚀。处最易产生汽蚀。a叶型汽蚀叶型汽蚀2 2、间隙汽蚀、间隙汽蚀水流通过狭小的流道与间隙时流速变大，从而引起压力水流通过狭小的流道与间隙时流速变大，从而引起压力降低而产生负压，此处产生的汽蚀。降低而产生负压，此处产生的汽蚀。 如轴流式转轮与转轮室之间、导水叶端面间隙、转轮止漏装置、冲击式如轴流式转轮与转轮室之间、导水叶端面间隙、转轮止漏装置、冲击式水轮机喷嘴内腔、针阀表面等部位。水轮机喷嘴内腔、针阀表面等

20、部位。3 3、空腔汽蚀、空腔汽蚀反击式水轮机偏离最优工况时，水轮机出口流速则产生反击式水轮机偏离最优工况时，水轮机出口流速则产生一圆周分量使水流在转轮出口处产生一圆周分量使水流在转轮出口处产生脱流和旋涡脱流和旋涡形成一大空腔，在中心产生形成一大空腔，在中心产生很大真空，形成空腔汽蚀。很大真空，形成空腔汽蚀。空腔汽蚀多发生在尾水管中，使尾水管壁破坏，且有强烈的噪音和振动。空腔汽蚀多发生在尾水管中，使尾水管壁破坏，且有强烈的噪音和振动。 4. 局部汽蚀局部汽蚀：水轮机过流部件局部凸凹不平时，也会引起局部真空形成局部气蚀。：水轮机过流部件局部凸凹不平时，也会引起局部真空形成局部气蚀。四、水轮机汽蚀的

21、防护四、水轮机汽蚀的防护1 1、水轮机设计制造方面、水轮机设计制造方面 合理设计叶片形状、数目使叶片具有合理设计叶片形状、数目使叶片具有平滑流线平滑流线；尽可能使叶片背面；尽可能使叶片背面压力分布均匀，减小低压区；提高加工工艺水平，减小叶片表面粗糙度。压力分布均匀，减小低压区；提高加工工艺水平，减小叶片表面粗糙度。采用耐气蚀性较好的材料，如不锈钢。采用耐气蚀性较好的材料，如不锈钢。 2 2、工程措施方面、工程措施方面 合理确定水轮机安装高程，使转轮出口处压力高于汽化压力，多沙合理确定水轮机安装高程，使转轮出口处压力高于汽化压力，多沙河流上设除沙措施，防止粗粒径泥沙进入水轮机造成过多压力下降。河

22、流上设除沙措施，防止粗粒径泥沙进入水轮机造成过多压力下降。 3 3、运行方面、运行方面 避免在易于产生汽蚀的工况下运行，出现真空低压区时补气增压，及时对避免在易于产生汽蚀的工况下运行，出现真空低压区时补气增压，及时对产生汽蚀破坏的部件进行维护。产生汽蚀破坏的部件进行维护。叶型汽蚀叶型汽蚀间隙汽蚀间隙汽蚀空腔汽蚀空腔汽蚀局部汽蚀局部汽蚀流速和压力流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因，是产生汽蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。因此要控制流速和压力的急剧变化。 水轮机中产生汽蚀的水轮机中产生汽蚀的是过流通道中出现了低于当时水温的是过流通道中出现了低于当时水温的汽化压力的压力值。汽化

23、压力的压力值。要避免汽蚀产生，只需使最低压力不低于当时水温要避免汽蚀产生，只需使最低压力不低于当时水温下的汽化压力。下的汽化压力。五、水轮机的汽蚀系数五、水轮机的汽蚀系数 水轮机中最易产生的汽水轮机中最易产生的汽蚀为叶型汽蚀，即在叶片背蚀为叶型汽蚀，即在叶片背面的面的k点最易产生汽蚀，如点最易产生汽蚀，如图，在此部位产生的汽蚀对图，在此部位产生的汽蚀对水轮机效率和水轮机性能影水轮机效率和水轮机性能影响最大，故衡量水轮机汽蚀响最大，故衡量水轮机汽蚀性能好坏，性能好坏，一般是对一般是对k点的点的压力值高于汽化压力就可避压力值高于汽化压力就可避免汽蚀产生。免汽蚀产生。K K点点 k点压力值求解可通过

24、以下游水面为基准面列转轮出口断面点压力值求解可通过以下游水面为基准面列转轮出口断面K（近似于尾水管（近似于尾水管进口）和尾水管出口断面进口）和尾水管出口断面5-5的能量方程来实现。的能量方程来实现。 525555222kkkkkhgvrPZgvrPZrPZrPa55kkZH， 525522kkkhgvvrPrPkakHk点的点的真空度真空度 静力真空静力真空 转轮出口到下游水面转轮出口到下游水面间距离，取决于水轮机的安装高程，间距离，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关。与水轮机的性能无关。动力真空，与转轮动力真空，与转轮叶型、水轮机工况、叶型、水轮机工况、尾水管性能有关。尾水管性能有关

25、。 动力真空的相对值称为动力真空的相对值称为汽蚀系数，汽蚀系数，用用 表示。表示。 Hhgvvkkk525522 是是无因次量；随水轮机工况变而变化，工况一无因次量；随水轮机工况变而变化，工况一定时，定时， 为一定值；为一定值； 与尾水管性能有关，尾水管动与尾水管性能有关，尾水管动能恢复系数愈高，能恢复系数愈高， 愈大；愈大； 随水轮机比转速随水轮机比转速 的增的增加而增加，因加而增加，因 愈大，愈大， 越大，则越大，则 越大。越大。 snvsnl汽蚀系数汽蚀系数是水轮机汽蚀特征的一个标志，是水轮机汽蚀特征的一个标志，越大，越大，越容易破坏越容易破坏 .一、吸出高度一、吸出高度水轮机的吸出高度

26、是指转轮中压力最低点到下游水面的垂直水轮机的吸出高度是指转轮中压力最低点到下游水面的垂直距离，常用距离，常用 表示。表示。 sH525522kkkkkahgvvHrPrPHhgvvkkk525522HHrPrPkak5.4 水轮机的吸出高度和安装高程水轮机的吸出高度和安装高程HHrPrPSak要避免产生汽蚀，就必须保证压力最低点的压力不小于当时温度下的水的汽化压力要避免产生汽蚀，就必须保证压力最低点的压力不小于当时温度下的水的汽化压力 rPrPk汽 HHrPrPSakHppHas汽水轮机安装地点的大水轮机安装地点的大气压力。气压力。 当时水温下的汽化压当时水温下的汽化压力力 ，常取，常取0.33m)(90033.10mPasHH9000 .10实际计算吸出高度实际计算吸出高度 时，采用计算公式如下：时，采用计算公式如下： sHH)(9000 .10sHsHHk9000 .10 立轴轴流式水轮机立轴轴流式水轮机: 下游水面至叶片转动中心的距离下游水面至叶片转动中心的距离 ；吸出高度吸出高度 HS 本应从