水轮机的工作原理

水轮机的工作原理

了解水轮机水运动的速度三角形，熟悉水轮机的能量损失；理解水流作用在水轮机转轮上的力和力矩。熟悉水轮机的最优工况，非最优工况对混流式、轴流式水轮机的影响。理解空化机理，熟悉空蚀及破坏，空蚀防护措施。了解水轮机磨损、振动原因，熟悉防护及消除措施。通过水轮机工作的理解，提高设计、管理、维护、防护意识。水轮机的工作原理一、水轮机的水流运动在水轮机中的水流，一方面随转轮旋转作圆周运动，一方面在叶片间流道作相对运动。空间运动复杂，难用数学方法表示其运动规律。引入假设，简化分析。1、水轮机速度三角形(1)水流在水轮机内的运动水轮机转轮绕定轴旋转，故采用圆柱坐标系分析。水轮机的工作原理水轮机的工作原理①轴面——由z轴与r轴所构成的平面，即通过主轴轴线的径向面。在转轮内空间上任一点可由z、r和Ф确定。②流面——以轴面流线为母线，绕轴线旋转所形成的旋转面。混流式水轮机的流面呈喇叭形。轴流式水轮机的流面（忽略径向速）近似呈圆柱形。水轮机的工作原理（2）运动速度分析相对速度W——水流质点在转轮内沿转轮叶片表面方向的运动速度。圆周速度U——水流质点随转轮一起旋转的运动速度。绝对速度V——水流质点对水轮机固定部件（对地球）的运动速度。转轮内任一质点的流速都可表示为：

水轮机的工作原理2、水轮机的能量损失水流流经过流部件，水能不能全部转化为机械能传给发电机。水力损失——水流经过流部件，沿程产生摩擦、局部发生撞击和漩涡所产生的水头损失。容积损失——水流经过流部件，少量水流不做功由间隙漏掉所产生的流量损失。机械损失——水流经过流部件，克服轴承处的机械摩擦等所产生的功率损失。现代水轮机容积效率、机械效率都很高，水轮机的损失主要是水力损失，尽量减小其损失，提高水轮机效率。水轮机的工作原理3、水流作用在水轮机转轮上的力和力矩

·水流在流经转轮叶片时，作用于转轮叶片，使水轮机获得旋转的机械能。

·用动量矩定理分析作用在转轮叶片上的力和力矩：

水轮机的工作原理绝对速度V分解为轴面分速Vm和圆周分速Vu。Vm方向通过转轮轴线，对主轴不起作用Vu垂直于径向，对主轴产生动量矩mVu.r水流质点所受的力及力矩：重力——与轴线重合，不产生力矩。转轮上冠、下环内表面对水流的压力——环形部件，水流呈轴对称而抵消，不产生力矩。转轮叶片对水流的作用力——产生力矩，改变水流运动方向和大小。水轮机的工作原理水流对叶片的作用力相反——以一定水压作用在叶片上，驱动转轮旋转，产生旋转力矩。水流速度矩的大小关键取决于进、出口速度圆周分量的大小。水轮机的工作原理二、水轮机的运行工况水轮机的运行状态——运行工况——随时变化1、水轮机的最优工况最优工况——效率最高的工况水力损失起决定性作用——取决于转轮进水方向、出水方向水轮机的工作原理（b）图无撞击进口，不产生撞击、脱流、漩涡现象等，水力损失最小。水轮机的工作原理（b）图法向出口，水力损失最小。Vu2越大，尾水管的摩擦损失和漩涡损失越大。水轮机的工作原理2、水轮机的非最优工况非最优工况——偏离最优工况，进口产生撞击损失和脱流损失，出口尾水管产生漩涡损失，导致机组振动，水轮机效率下降。（1）对混流式和轴流定桨式水轮机的影响水轮机的工作原理备注：图中虚线表示最优工况。2-13图中，水头不变，流量变化，导水机构开或关导叶，V1的大小、方向变化；W2方向不变，大小变。2-14图中，水头变化，流量不变，导水机构的导叶不变，V1的大小变、方向不变化；W2方向不变，大小变。（2）对轴流转桨式水轮机的影响转轮叶片与导水机构的导叶协联动作，影响不大。水轮机的工作原理三、水轮机的空化1、空化现象和空化机理（1）空化现象——在环境温度不变情况下，由于动压力下降，引起汽化，产生一定水锤，破坏材料。

注：沸腾——液体在一定压力下加热引起汽化，不破坏材料。（2）空化机理①阐述空化机理过程（空化水锤产生过程）②空蚀——空化造成过流表面的材料损坏空化破坏作用：机械作用、电化作用、化学作用。主要是机械作用破坏。水轮机的工作原理2、水轮机的空蚀类型及破坏（1）水轮机空蚀类型：翼型空蚀、局部空蚀、间隙空蚀、空腔空蚀翼型空蚀为主。（2）空蚀破坏破坏过流部件；引起机组振动、噪音；增加机组检修；降低水轮机效率。水轮机的工作原理3、水轮机的吸出高度和安装高程

（1）空化系数水轮机空蚀性能的好坏，一般是翼型空蚀的好坏。水轮机的工作原理在叶片背面接近出口边的K点压力最低，为保证水轮机不发生空蚀，PK≥PV(一定温度下的汽化压力)注：M点为尾水渠，即大气压处推理过程略···K点真空值：（水轮机吸出高度）静力真空

动力真空与水头有关水轮机的工作原理确定水轮机的空化性能：空化系数——动力真空与水头的比值在水轮机设计和选型时，在保证良好能量特性的情况下，应尽量使空化系数小。（2）水轮机的吸出高度和安装高度

K点真空值：

水轮机的工作原理不发生空蚀的条件：得出吸出高度：吸出高度是指在水轮机中所规定的的空化基准面与尾水位的高差。水轮机的吸出高度Hs与水轮机的安装高程有关。水轮机的工作原理标准海平面平均大气压=101kPa水温5°～20°时，水的空化压力=0.9～2.4KPa3000m内，若电站海拔高程为Z，该处大气压降所最大吸出高程

(m)注：r=9.8KPa/m（1米水压）一般Z常用Zw（所在电站的最低尾水位）

H多采用额定水头Hr水轮机的工作原理模型与原水轮机之间存在尺寸比例的影响及模型水轮机试验的误差，需对空化系数σ修正。为保证不发生空蚀，计算水轮机的吸出高度需留一定安全裕量。

(m)水轮机的安装高程Z——水轮机按规定安装时作为基准的某一平面的海拔高程。Z=Zw+Hs实际工程计算，Zw一般为水电站的最低水位。不同水轮机，对吸出高度点的规定不同。（参看P75）模型水轮机的空化系数水轮机的工作原理水轮机的工作原理4、水轮机空蚀的防护设计方面、制造方面、材质选用方面、运行方面、检修方面（带学生勾出重点）四、水轮机的磨损与振动1、水轮机磨损（P78）①磨损概念