大工14秋《水电站建筑物》辅导资料3

1、=H1 -E = E - E? P _ _N+Hz 2 /以V 2_2.有尾水管能量利用情况-h1-2P + H + Z +2二广 2 g JZ - H2 s+ h2-5 j设尾水管后，转轮出口处压力为P /Y-H , H大连理工大学网络教育学院 水电站建筑物辅导资料三主题：第二章 水轮机的工作原理5-6节学习时间：2014年10月13日-10月19日内容：我们这周主要学习第一大部分水力机械第二章5 - 6节的相关内容。希望通 过下面的内容能使同学们加深对水轮机的尾水管、气蚀、吸出高度和安装高程相 关知识的理解。一、学习要求掌握尾水管的作用及其效率；掌握水轮机的气蚀特性，掌握吸出高度与安装高程

2、的计算。二、主要内容重要知识点：尾水管的作用及效率；水轮机气蚀特性和吸出高度与安装高程的计算。第二章水轮机的工作原理第五节尾水管的作用及其效率（一）尾水管的作用无尾水管能量利用情况如图所示无尾水管情况，水轮机利用的单位能量为1-1和2-2截面的能量差:（P 以 V 2 ） + Z 2 + 2g / 、2 g + 1-2 /转轮出口的动能及转轮出口到下游尾水位间 的位能全部损失掉了。如图所示有尾水管情况，转轮出口至下游水位变成有压流，尾水管中产生负 压。水轮机所利用的单位能量为1-1和5-5截面的能量差，即：E = E - E7 p 下+h1+z 2 J-（h1 2 + h2=（气 + H ）-

3、（以V 25 5 + hI 2 g1-2与尾水管的性能无直接关系，称为静力真空。同时由于装设了扩散的尾水管，使 水轮机出口流速由V降低到V，可以回收部分动能。两个能量的比较 5比较以上两个能量公式发现，设置尾水管可以多利用的能量为：一 一 a V2 a V2 , AE = E - E = H +-h2 5设置尾水管使水轮机多利用了静力真空Hs，并由于出口动能减少多利用了气匕2 一以5咋的动能，称为转轮出口处的附加动力真空。同时增加了尾水管本身 2g水头损失h v2-5尾水管的作用（重要知识点，常见简答题）（1 ）以附加动力真空方式使水轮机回收并利用了转轮出口水流大部分动能;（2）当转轮安装于下

4、游尾水位以上时，多利用了静力真空；（3）将转轮出口处的水流引向下游。（二）尾水管的效率（掌握动力真空效率和尾水管阻力系数定义）静力真空一与水轮机的安装高程有关；动力真空一与尾水管的扩散作用、内部损失有关。尾水管效率即为动力真空效率，也称尾水管动能恢复系数，它是动力真空与 转轮出口动能的比值。a V2 a V2a V2 72 2 2丧A h2 5 + h七Oy21 - Oy21Y w 22222 g2 g式中匚称为尾水管阻力系数。从公式中可以看出：匚越小，即尾水管出口流速和水头损失越小，则尾水 管效率越高。所以需尽量增大尾水管出口断面尺寸，并减小尾水管中的水头损失。但为了防止水流条件复杂，需采用

5、合理的扩散角，因此将使尾水管长度增加， 引起水下开挖量的增加。所以，一般的大中型立式水轮机都采用弯肘型尾水管。 对于大中型水轮机，尾水管的效率一般为0.800.85，与尾水管的型式、尺寸和 构造有关。第六节 水轮机的气蚀特性、吸出高度与安装高程（一）水轮机的气蚀现象气蚀现象的成因（重要知识点，常见填空选择，也作为简答题一部分）（1 ）机械作用一主要作用小气泡压力降低（低于汽化压力）水汽化使小气泡膨胀，进入高于汽化压力 区液化，压力降低周围水流质点以极高速度来补充，形成巨大的水击压 力，气泡被压缩到弹性压力大于水击压力 由于反作用力膨胀，水流质点向外冲 击，如此反复，破坏水轮机过流部件。（2）化

6、学作用一次要作用高温高压作用下，发生氧化作用，使金属表面腐蚀，产生麻点。高温产生原因：气泡中蒸汽液化时，放出热量，使温度升高；产生水击压力 时也可使温度升高，温度可达数百度。（3）电化作用一次要作用高温高压下，冷热部件之间会产生热电偶，形成电位差，在其作用下，产生 很强的电解作用，使金属表面腐蚀。总之，气蚀主要是由水击压力引起的，其次是氧化作用，电解作用加速了叶 片的破坏。气蚀的类型（熟记四种类型，掌握各种类型的定义）水轮机气蚀按发生的条件和部位分为四种类型:（1）翼型气蚀：是反击式水轮机最主要的气 蚀型式之一。翼型气蚀是由转轮翼型引起的，取决于转轮 叶片的几何形状和水轮机的运行工况，通常靠近

7、 叶片出水边的背面负压最大，在此容易发生气蚀 破坏。（2）间隙气蚀水流通过水轮机某些狭小的通道或间隙时，由 于出现局部的流速增加和压力降低而产生的气蚀。主要发生在轴流式水轮机转轮叶片外缘与转 轮室间、转轮止漏环间以及所有可能因间隙存在而 使流速过高而压力降低的部位。（3）局部气蚀由于水轮机过流部件表面凹凸不平或光洁度 差引起脱流而产生的气蚀。（4）空腔气蚀发生在反击式水轮机上。反击式水轮机偏离 最优工况运行时，转轮出口的圆周速度分量会使 水流旋转，在转轮出口处出现一条螺旋形状、中 间含有蒸汽和其它气体的大空腔，腔内真空度彳艮 高，并以某种频率在尾水管圆锥段部分摆动，称 之为涡带。这种周期性摆动

8、的真空涡带造成的气蚀称为 空腔气蚀。这种气蚀会引起压力脉动和噪音，严 重时使机组产生过大的振动。气蚀的危害（常见简答题）（1）破坏水轮机的过流部件金属表面失去光泽而变暗 一毛糙而出现麻点和蜂窝 在转轮出水 边较薄的部位将会穿孔，甚至整块脱落。（2）降低水轮机的出力和效率增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。（3）增加维修的工作量，即增加维修的费用缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消耗钢材、延长工期。（4）使机组产生噪音和振动，严重时使厂房振动，甚至造成厂房振动破坏。预防气蚀的措施（常见简答题，着重掌握设计部门措施）影响水轮机气蚀的因素很多，为了防止气蚀发生，减

9、少气蚀危害，应从多方 面入手共同采取措施：（1）从水电站设计部门来说正确选择水轮机的型号（比转速），合理选择安装高程（Hs），以免产生翼型 气蚀和空腔气蚀。（2）从运行部门来说要及时维修；要避开不利的运行工况，特别是小出力工况；增设补气装置。（3 ）从水轮机生产部门（生产厂家）来说通过科研工作改善轮叶形状、断面尺寸、轮叶数目等；采用新材料（抗磨、耐气蚀材料一不锈钢）；提高过流部件的光洁度；加真空破坏阀（负压力达一定值时自动打开补气）。（二）气蚀系数，吸出高度，安装高程气蚀系数o （掌握气蚀系数的定义和变化，静动力真空的相关因素）。是衡量水轮机气蚀性能的指标。o越大，气蚀性能越差，即越容易产生气

10、 蚀；o越小，气蚀性能越好，即越不容易产生气蚀。（1）静力真空与动力真空静力真空H :与水轮机性能无关，仅与水轮机的安装高程有关。动力真空：与水轮机转轮的性能、尾水管的性能及工况（0 H）有关。同一水轮机，工作水头不同，动力真空值不同；不同水轮机，工作水头相同 时，动力真空值也不同。为了确切表达和比较水轮机的气蚀特性，用相对水头o 表示水轮机的动力真空，称o为气蚀系数。（2）气蚀系数的定义以V 2 以V 2 h 有2g5K 一5nHo是一个无因次的量，是评定水轮机气蚀性能好坏的指标，其值与转轮翼型 参数、运行工况及尾水管动力特性有关。o值很难直接用理论计算求得，主要通 过水轮机模型试验进行实测

11、。（3）气蚀系数的分析o对不同轮系的水轮机不一样，对同一轮系的水轮机随工况的变化而变化。在相同水头下，o越大，动力真空越大，越容易气蚀；在相同o下，水头 越大，动力真空越大，越容易气蚀。试验和理论分析证明：o随比转速的增大而增加。在水轮机设计时，可能会希望通过减小动力真空，使o减小，但动力真空 减小，将使工作水头减小，则减小发电量。因此实际工程中总是采用减少静力真 空（降低水轮机安装高程）的办法防止气蚀。吸出高度Hs （掌握不同类型水轮机的K点位置）若P P （汽化压力），则不产生气蚀，因此不发生气蚀的条件是K点的 压力大于或等于水的汽化压力。哈尔滨大电机研究所建议的公式（最常用的公式）H k

12、 10 -总-（c+Ac） H -1式中：为水轮机安装地点海拔高程，初设时用水电站下游尾水位，Ao为 气蚀系数修正值，与水轮机工作水头有关。下图为气蚀系数修正值与水头关系线。由于K点的位置是不定的、变化的，很难确定，因此规范中对K点的位置 做了如下规定：立轴混流式：位于导水叶下环平面上。立轴轴流式：位于转轮叶片中心线高程上。卧轴反击式：位于转轮叶片最高点（尾水管弯段最高点）。将K点做了如上规定后，Hk变为H （称为吸出高度），即：H 10-90-（c+Ac）H -1由于H越小，水轮机安装高程越低，地基开挖量越大，所以设计时取：SH = 10-总-（c+Ac）H -1为保证水轮机在各种运行水头下

13、都不发生气蚀，应该分别采用不同的工作水 头（最大水头、设计水头和最小水头）及其对应的气蚀系数，求出不同的吸出高 度，并选用其中的最小值。安装高程V （掌握各类型水轮机安装高程的确定，常见选择题）水轮机的安装高程是指水轮机的标高所在的海拔高程。水轮机的安装高程决 定了整个厂房的高程，它的确定是水电站设计中的重要环节，它与水电站的运行 质量、发电量、水轮机设备的使用寿命及工程造价等关系密切。立轴反击式水轮机：导水叶中心线的海拔高程；卧轴反击式水轮机：主轴中心线的海拔高程。（1 ）立轴混流式水轮机=V + H + b0T W s 2式中：V 一水电站下游最低尾水位（m）（2 ）立轴*由流式水轮机=

14、V + H +a D式中：a为转轮中心线到导水叶中心线距离与转轮直径的比值，一般为 0.380.46,初设时取0.41。（3）卧轴反击式水轮机Vt =% + H -%关于水电站下游最低尾水位V的选取：应该充分考虑水电站的运行方式、机组台数、河流综合利用要求和电站施工 后下游河床可能出现的冲淤变化等因素。初设时，可按机组台数选取：单机运行时：采用半负荷运行对应的下游水位；34台机运行时：采用一台机满负荷运行对应的下游水位；68台机运行时：采用电站发保证出力对应的下游水位；超过8台机运行时：采用电站的正常尾水位。（4）斗叶式水轮机斗叶式水轮机的转轮在大气压力下工作，气蚀主要发生在喷嘴、针阀等部位，

15、 以间隙气蚀为常见。因此其安装高程的确定原则是充分利用水头，在保证落水回 溅不致妨碍转轮旋转的前提下，力求减小水轮机的泄水高度A，即斗叶中心到下 游水位间的距离。下图为立轴斗叶式水轮机距离A的选择曲线。U 50【0015020025 U初步设计时：立轴斗叶式水轮机的泄水高度A由图中查取；卧轴斗叶式水 轮机的泄水高度A以大于转轮直径的1.5倍为宜。下游水位一般采用二十至五十年一遇洪水相应的下游水位。三、本周课程内容典型例题（一）选择题1、 尾水管产生的静力真空主要与（）有关。A.尾水管的扩散作用B.尾水管的内部损失C.水轮机的安装高程D.水轮机气蚀系数答案：C2、卧轴反击式水轮机其安装高程是指（）。B.主轴中心线的海拔高程 D.电站的设计水位A.导水叶中心线的海拔高程C.水电站下游最低尾水位答案：B（二）填空题1、水轮机气蚀按发生的条件和部位可分为、四种类型。答案：翼型气蚀、间隙气蚀、局部气蚀、空腔气蚀（三）重要名词解释总结静力真空、动力真空、动力真空效率、气蚀、翼型气蚀、间隙气蚀、局部气 蚀、空腔气蚀、气蚀系数、安装高程（四）简答题1、综合装设尾水管前后的能量变化，简述尾水管的作用。答案：（1 ）以附加动力真空的方式使水轮机