水电站第二章

一、水头(head)毛水头Hg=EU-ED=ZU-ZD工作水头H=EA-EB

水轮发电机组装置原理图H=Hg-∆hI-A-∆hB-D=Hg-∆hI-A二、流量(m3/s)(flowquantity)单位时间内通过水轮机的水量

Q。

Q随H、N的变化：

H、N一定时，Q也一定；当H=Hr、N=N额时，Q为最大。

在Hr、nr、Nr

运行时——Qr(设计流量)转子：

p个磁场，2p个磁极转速和频率：从定子侧看，磁

场的变化频率为

f那么每分钟机械转速n

为f=np/60（Hz）转子产生磁场三、工作力矩和转速水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达

M——主轴力矩;ω——水轮机旋转角速度，

n——转速，n=3000/pp——发电机磁极对额定转速n：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。三、工作力矩和转速四、出力与效率(outputandefficiency)1.出力(水轮机的输出功率)N：

指水轮机轴传给发电机轴的功率。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（水轮机主轴传给发电机）：2.水轮机的效率：

η=N/Nw，一般η=80%~95%在Hr、Qr、nr运行时——额定出力

Nr第七节水轮机的效率及最优工况一、水轮机的效率(efficiency)

水轮机的能量损失导致N(水轮机出力)<Nω（水流输入功率），效率<1效率是由水力效率、流量效率、机械效率组成

1.水力损失(headloss)及水力效率蜗壳、导叶、转轮、尾水管——沿程损失旋涡、脱流、撞击——局部损失水轮机的水力效率为:2.流量损失(waterloss)及流量效率（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作功，称漏损。容积效率：3.机械损失(frictionloss)和机械效率水轮机的输入功率：Ne；输出功率:N=Ne-ΔNm机械效率：ηm=N/Ne

由机械摩擦引起水轮机的总效率

η=ηHηVηm提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。η根据模型试验得到。9第一节蜗壳的型式及主要参数选择

一、蜗壳的功用及型式

(一)功用

蜗壳是反击式水轮机的重要引水部件。把水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。为了提高水轮机的效率和运行的安全稳定性，蜗壳设计的基本要求为：过水表面光滑、平顺、水力损失小；水流均匀、轴对称进入导水机构；主要运行工况下，导水机构的水力损失小；形状尺寸经济，方便布置；有必要的强度，结构可靠，耐冲刷。

10

1.金属蜗壳当H>40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。钢板焊接：H=40~200m，钢板拼装焊接。铸钢蜗壳：H>200m时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。

(二)型式

11适用于低水头大流量的水轮机。

H≦40m,钢筋混凝土浇筑，梯形断面。当H>40m时，可用钢板衬砌防渗(H达80m)

上图为混凝土蜗壳的垂直剖面图，在水电站建设时搭好蜗壳内模，扎好钢筋，用钢筋混凝土直接筑成蜗壳，为了方便搭建蜗壳内模，节省建筑空间，混凝土蜗壳的内截面为方形。

2.混凝土蜗壳

12右图用半透明显示蜗壳内腔，用紫红色线框来表示该处内腔的截面。

13下图为混凝土蜗壳水平方向剖面图，紫红色线框来表示该处内腔的截面。

14二、蜗壳的主要参数

1.断面型式与断面参数

金属蜗壳：圆形结构参数：座环外径ra、内径rb、导叶高度b0、蜗壳断面半径ρ、断面外半径R、断面中心距a。15混凝土蜗壳：

(1)m=n时：称为对称型式

(2)m>n：下伸式

(3)m<n：上伸式

(4)n=0：平顶蜗壳中间断面：蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。16蜗壳中间断面金属蜗壳混凝土蜗壳17

2.蜗壳包角

蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0(1)金属蜗壳：φ0=340°~350°,常取345°(2)混凝土蜗壳：φ0=180°~270°,一般取180°，一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利。183、蜗壳进口平均流速：

进口断面流量：

一般由Hr—VC

曲线确定VC

。对于相同的过流量，VC

选的大，则蜗壳断面小，水力损失增大。19三、蜗壳的水力计算

水力计算的目的:

确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。已知：

201.水流在蜗壳中的运动规律

水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流)，之后进入导叶,水流速度分解为径向分速度Vr、圆周分速度Vu。进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，

Vr=常数。21

圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定：

(1)速度矩Vur=K

假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘性及摩擦力，Vu会随r的增加而减小。

(2)圆周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C222.蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C)

金属蜗壳水力计算23(1）蜗壳进口断面：断面半径：从轴心线到蜗壳外缘半径：

24

(2)中间断面()由此可以绘出蜗壳平面单线图。其步骤为：(a)确定φ0

和VC

；(b)求Fc、ρmax、Rmax；(c)由φi确定Fi、ρi、Ri。

25混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)

26(1)求进口断面积；(2)根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其(3)选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表示并画出1、2、3…….等中间断面。(4)测算出各断面的面积，绘出：F=f(R)关系曲线。(5)按绘出F=f(Φ)直线。(6)根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。

27第二节尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定一、尾水管的作用

28

转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：1.无尾水管时：

转轮获得能量：一、尾水管的作用

292.设尾水管时：根据2-2至5-5断面能量方程：转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：设尾水管后，转轮所获得能量：30不设尾水管，转轮所获得能量：设尾水管后，转轮所获得能量：水轮机多获得的能量：31

设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了真空现象，真空由两部分组成：静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度Hs；动力真空(转轮出口的部分动能)

3.尾水管的作用(1)汇集转轮出口水流，排往下游。(2)当Hs>0时，利用静力真空。

(3)利用动力真空Hd。32

尾水管的动能恢复系数

尾水管的静力真空Hs取决于水轮机的安装高程，与尾水管的性能无关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（与尾水管尺寸有关），一般用动能恢复系数ηw表示ηw>0.8

时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。为尾水管总水能损失系数33二、尾水管型式及其主要尺寸尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸影响厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。尾水管尺寸越大，ηw越高，工程量及投资越大。型式：直锥形——用于小型水轮机弯锥形（肘形）——用于卧轴水轮机弯肘形——大中型电站34常见尾水管的形式直锥形（用于小型水轮机）35常见尾水管的形式弯锥形（用于卧轴水轮机）弯肘形（大中型电站）36

弯肘型尾水管

减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机均采用弯肘型尾水管。

组成：直锥段、肘管、出口扩散段。371.进口直锥段：进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为直锥管进口直径，θ为锥管单边扩散角。混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径)，θ=7°~9°轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，θ=8°~10°。h3——直锥段高度，其长度增加将会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。38

2.肘管：

90°变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。F进/F出=1.3曲率半径R小——离心力大——压力、流速分布不均匀—hw大。R=(0.6~1.0)D4为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩断面：高/宽=0.253、出口扩散段：矩形扩散管，出口宽度B5，B5很大时，支墩厚度b5=(0.1~0.15)B5顶板仰角α=10°~13°，底板水平。39

大型水电站的尾水管除了直锥段采用钢结构外，弯肘段与水平扩散段直接由混凝土浇筑而成。404.尾水管的高度尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。h=h1+h2+h3+h4h1，h2由转轮结构确定;h4肘管高度确定，不易变动。

h取决于h3。h3大→ηw大→开挖加大，工程投资大；415.尾水管水平长度：L：机组中心到尾水管出口，L大→F出大→V出小→ηw大→厂房尺寸加大，一般L=(3.5～4.5)D1。42

6.尾水管局部尺寸的变更厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，在不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺寸可作局部变更。(1)减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜6°~12°(2)大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布置(3)地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面。(4)加长L。43三、水轮机的气蚀系数

影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡量水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言，其标志为气蚀系数。反击式水轮机发生气蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了p<pb的情况，因此防止气蚀的措施是限制p的降低，使p≥pb。气蚀系数б是水轮机气蚀特征的一个标志，б越大，越容易破坏。44叶片上压力最低点（一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)45

通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点（一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为：

K点的真空值Hk.v：46静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关；动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明气蚀性能的只是动力真空：б称水轮机的气蚀系数，是动力真空的相对值。

б与叶型、工况有关，流道内水流相对速度越大，б越大。

б与尾水管的性能有关，ηw↑→б↑。几何形状相似的水轮机，工况相似，б相同；对任一水轮机在既定工况下，б也是定值。

б值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm。

47第四节水轮机的吸出高度和安装高程一、水轮机的吸出高度

保证水轮机内不发生气蚀的条件：

pk≥pB

48水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度