大工14秋《水电站建筑物》辅导2

1、大连理工大学网络教育学院第8页 共8页水电站建筑物辅导资料二主 题：第二章水轮机的工作原理14节学习时间：2014年10月6日10月12日内 容：我们这周主要学习第一大部分水力机械第二章14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工作原理相关知识的理解。一、学习要求1. 掌握水轮机的基本参数；2. 掌握水轮机的能量损失及效率；3. 掌握速度三角形的绘制和水轮机的基本方程式；4. 掌握水轮机水力效率分析的方法及结论。重要知识点：水轮机的基本参数、能量损失及效率；速度三角形和水轮机基本方程；水轮机水力效率分析。二、主要内容第一节 水轮机的基本参数（熟记六个参数）水轮机的工作过程是水

2、能向机械能转化的过程，水流进入水轮机使转轮旋转做功。水流出力变成水轮机轴上出力N，表达式为：此外水轮机出力还可以用机械能的形式表示：上式中M与水流对转轮反作用力和转轮直径D有关，以上N、Q、H、n、D为反映水轮机工作状况特性值的参数，称水轮机的基本参数。前五个为工作参数，D为结构参数。不同的水轮机有不同的基本参数；同一水轮机在不同工况下有不同的工作参数。（一）出力N与效率1. 出力(水轮机的输出功率)N：指水轮机轴传给发电机组的功率。水轮机的输入功率（水流传给水轮机的能量）为：。水轮机的输出功率N恒小于其输入功率：。2. 效率：，一般=80%95%。（二）水头H 1. 毛水头 是指水电站引水道

3、进口断面与尾水渠出口断面间水流的单位能量差。如忽略这两个断面流速和表面大气压力的差异，毛水头就等这两个断面的水位差。2. 水轮机的工作水头是指单位重量水流在水轮机进口断面与出口断面间的能量差。表示水轮机可利用水能的大小。毛水头-水头损失=净水头（即水轮机的工作水头)3. 特征水头：表示水轮机的运行范围和运行工况。（掌握各特征水头定义）主要包括：最大工作水头Hmax，最小工作水头Hmin，设计水头Hr，平均水头Hw。最大工作水头Hmax：电站运行范围内水轮机水头的最大值 最小工作水头Hmin：电站运行范围内水轮机水头的最小值 设计水头Hr：水轮机在最高效率点运行时的净水头 平均水头Hw：电站运行

4、范围内，考虑负荷工作历时的水轮机水头的加权平均值。（三）流量Q 单位时间内通过水轮机的水量，也能反映水轮机可利用的水能的大小。Q随H、N的变化而变化，H、N一定时，Q也一定，当H=Hr、N=N额时，Q为最大；如果水轮机在Hr、nr、Nr 运行时，则流量为Qr。（四）转速n水轮机单位时间内旋转的次数称为水轮机的转数，用n表示，单位为r / min。 正常情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并与发电机的同步转速相等。机组丢弃全部负荷同时调速系统失灵时，导水叶不能关闭，水流能量使转轮转速增加到最大，称为飞逸转速np，飞逸转速可达额定转速的数倍。机组发生飞逸时，离心力非常大，它对机组的

5、设计、制造，对机组支撑结构及水电站厂房的振动都有较大的影响。第二节 水轮机的能量损失及效率水轮机的能量损失包括水力损失、容积损失、机械损失三部分，这些损失分别用水力效率容积效率和机械效率来衡量。（重点掌握三种损失和效率，各损失的特点，常见选择和填空题）（一）水力损失和水力效率 沿程损失：蜗壳、导叶、转轮、尾水管。局部损失：旋涡、脱流、撞击。水力损失的大小与流速，过流部件表面形状和粗糙度，即水流的流态有关。水轮机的水力效率为：式中，H水轮机工作水头，H从蜗壳进口到尾水管出口的水头损失。（二）容积损失及容积效率水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为q，此部分流量不经过转轮做功，称漏损

6、。由漏水流量q造成的能量损失称为容积损失。容积效率为：式中，Q进入水轮机的流量；q漏水流量。（三）机械损失及机械效率考虑水力损失和容积损失后水轮机转轮的有效功率Ne仍不能全部传递到轴上输出，在转轮与水流之间，轴承及止漏装置的摩擦都会造成一定能量损失，这部分能量损失总称为机械损失N j。机械效率为： 水轮机的总效率可表示为：，水轮机的三种损失中，水力损失是最主要的。对于某一个水轮机而言，容积损失和机械损失基本上是不变的，但水力损失随水轮机工况改变变化很大。第三节 水轮机的基本方程式（一）水流在反击式水轮机转轮中的运动1. 水轮机内水流运动的复杂性水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流运动： 水头

7、、流量在不断变化； 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、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。2. 速度三角形的描述（要求会画速度三角形，并熟练掌握各参数意义）水轮机转轮中任一点水流状况可用该点的速度三角形描述。可由下式表达： 式中：水流绝对流速（相对于地球）； 水流质点随转轮作旋转运动，牵连运动（圆周运动）； 水流从转轮进口沿叶片流道到转轮出口的运动（相对运动）。绝对速度V与圆周速度U之间的夹角，称为绝对速度方向角；相对速度W与圆周速度U之间的夹角称为相对速度方向角。3. 利用速度三角形研究水流在水轮机转轮的运动的假定（常见客观题）利用速度三角形研究水流在水

8、轮机转轮的运动以下列假定为基础：（1）假定转轮叶片无限多、无限薄。可认为水流在转轮中的运动是均匀的、轴对称的，水流相对运动轨迹与叶片骨线的空间扭曲面重合；（2）假定水流在进入转轮之前的运动是均匀的、轴对称的；（3）假定水轮机在所研究的工况下保持稳定运行，水力机的水头、出力、流量和转速保持不变。水流在各过流部件中的流动均为恒定流。根据流动的轴对称性，流面上每一个进口点的速度三角形是相同的，而任一出口点的速度三角形也是相同的。下图为任一叶片的进出口点的速度三角形。为了研究方便，将绝对运动速度分解成圆周分速度和轴面分速度。轴面分速度，还可以再分解为径向分速度 和轴向分速度。相对速度，也可以作类似分解

9、：（二）水轮机的基本方程式（重要考查知识点，掌握公式表达和方程意义）1. 水流所受外力矩 单位时间内水流对转轮动量矩改变，应等于作用在该水流上外力力矩总和。式中：水流对转轮的力矩；，转轮进、出口的半径；，转轮进、出口水流的圆周切向分速度。方程右端为水流本身速度矩的变化。该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。2. 基本方程在稳定工况下（n、Q、H均不变），转轮内的水流的相对运动为恒定流，因此转轮的出力为：其中 ，此外，所以，水轮机的基本方程为： 该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。水流传给转轮的能量与水流在转轮进、出口之间的动量

10、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能量而做功。第四节 水轮机水力效率的分析（一）反击式水轮机水力效率分析1. 主要损失根据水轮机的基本方程可知水流对转轮作用的有效能量与进出水的角度密切相关。水轮机的水力损失主要包括：沿程损失和撞击、涡流局部损失。其中局部损失主要取决于转轮中水流流态。2. 工况分析（掌握各角定义和符号）反击式水轮机中除转桨式水轮机外，转轮进出口叶片装置角度和是固定不变的。撞击和涡流水力损失的大小与转轮进口相对速度方向角与出口水流出水角密切相关。（1）当进口的相对速度W1的方向角与进口叶片装置角一致时，即，水流平行叶道进入转轮，不产生撞击和脱流，转轮进口水

11、力损失最小，这种情况称为无撞击进口。（2）在转轮出口速度三角形中，当V2与U2的方向垂直即时，V2在圆周切线方向无分速度不产生涡流现象。由水轮机的基本方程也可以看出：当时，方程右端项最大，水力效率最高。这种出流称为法向出口。3. 最优工况（熟记最优工况，重要知识点）当水轮机同时具备无撞击进口和法向出口，即同时满足和时，效率最高。这种工况称为水轮机的最优工况。下图为最优工况及偏离最优工况时转轮进、出口速度三角形图。（二）斗叶式水轮机水力效率分析 水流在斗叶式水轮机中的运动也是一种复杂的空间流动，水轮机基本方程也同样适用。下图为斗叶式水轮机速度三角形： 由斗叶式水轮机速度三角形可知：将上面的式子带

12、入水轮机的基本方程得到斗叶式水轮机效率的表达式：使效率最大的条件是：和。（重点掌握，并与反击式区分）1. 对于条件由于这是在假定圆周速度U在射流断面上是均匀分布条件下得到，而实际分布是不均匀的，所以通常采用。 2. 对于条件要求水流从斗叶进口到出口转角，否则斗叶出口水流会回射到下一斗叶背面造成水流干扰。因此常采用。（三）水轮机效率的变化（要求能准确判断效率与其它参数的变化关系）水轮机的效率取决于水力效率、容积效率和机械效率三者的乘积，影响效率的因素很多：。进行模型试验时，取H，n，D1为定值时，通过改变Q而改变N，从而得到水轮机的工作特性曲线。下图为水轮机效率与出力关系曲线。容积损失和机械损失

13、所占比例很小，且基本不变。绝大部分损失为水力损失，其中管流损失随Q的增大而增大，撞击与涡流损失随Q的增大而减小。各类型水轮机最高效率max均不是出现在最大出力Nmax时，而是一般出现在(70%90%) Nmax范围内，大部分情况出现在(85%90%) Nmax左右。（熟记系数）图为不同类型水轮机效率出力关系曲线。1轴流转桨式，ns=625 2混流式，ns =300 3斗叶式，ns =20 4轴流定浆式，ns =570（1）若H，Q变化不大，一般采用轴流定浆式水轮机，因为其虽然高效率区较窄，但构造简单、便宜、安全；（2）若H，Q变化较大，一般采用轴流转浆式或混流式水轮机，因为其高效率区较宽；（3）斗叶式水轮机的最高效率最低，但高效率区最宽。三、本周课程内容典型例题（一）选择题1、水轮机的能量损失中，哪种损失是随水轮机工况改变变化很大的。（ ）A容积损失 B机械损失C水力损失 D容量损失答案：C（二）填空题1、水轮机的基本参数主要包括_、_、_、_、_、_。答案：出力、流量、水头、效率、转速、转轮直径2、反击式水轮机工作原理研究中，水流的速度三角形主要有_、_、_三种速度。答案：绝对速度、圆周速度（牵连速度）、相对速度（三）重要名词解释总结出力、效率、毛水头、净水头、最大工作水头、最小工作水头、设计水头、平均水头、流量、转速、