水轮机的工作原理

第二章水轮机的工作原理§2.1水流在反击式水轮机转轮中的运动FrarteisTurbineanimationproducedbySELLICOnlineFrarteisTurbineanimationproducedbySELLICOnline一、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（spatialtransientflow）1） 、水头、流量在不断变化2） 、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。二、 恒定流状态水轮机在某一工作状况时，（H、Q、N、不变），水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管的流动是恒定流。水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。三、 空间三元流水流运动是空间三元流，其运动规律用速度三角形表达。V=U+WV 水流绝对流速（相对于地球）W——水流随转轮旋转牵连流速U 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方法。对反击式水轮机以一定的速度和方向流进转轮时，由于空间曲面叶片所形成的叶道对水流产生约束，使水流不断改变其运动速度和方向，水流给叶片以反作用力迫使转轮旋转作功。一、动量矩定理(principleofmomentummoment)单位时间内水流对转轮的动量徒工的改变，应等于作用在该水流上的外力对同轴的力矩总和：单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。即：YQ, 、M=兰(Vr-Vr)gu11u22其中M为水流对转轮的力矩，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。二、水轮机的基本方程在稳定工况下(n、Q、H均不变)，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为:yQ yQN=Ma=%(Vr-Vr知=%(UV-UV)

e g u11 u22 g1u1 2u2又：Ne=YQe的“门s为通过水轮机的水力效率。所以，水轮机的基本方程为：的sg=U1Vu1-U2Vu2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。§2.3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<Ns，因此N/Ns=n(效率)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、尾水管一一沿程损失场水流——Eh旋涡、脱流、撞击——局部损失hw水轮机的水力效率为门s=HHRX100%H 为工作水头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：门r=@ X100%Q—水轮机的引用流量3、 机械损失(frictionloss)和机械效率水轮机的输入功率： Ne=9.81(Q-Zq)(H-Zh)nsnr输出功率： N=9.8iQHnsnrnj机械效率： nj=N/Ne 由机械摩擦引起4、 水轮机的总效率n=ns〃r〃j提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。n根据模型试验得到。二、水轮机的最优工况(optimalworkingcondition)n是出力N的函数，(D,H,n一定时)，一般情况下，水力损失最大，且随N的变化较大。流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，而在水力损失中撞击和涡流损失最大。要提高效率就要减少撞击及涡流损失。1、 叶片进口设计撞击损失主要发生在转轮叶片进口处。当61(W］，u)=pe1(进口安放角)时，则为无撞击进口工况。2、 叶片出口设计涡流损失主要发生在转轮叶片出口处。、当V2±U2时，即a2=90°，水流平行主轴，Vu2=0，为法向出口，无涡流损失。、a2#90。时，Vu2#0，(出口旋转分速)产生涡流损失，尾水管中有脉动、汽蚀振动；a2>90°时为大出力，存在有较小的涡流损失;a2<90。时为小出力，存在有较大的涡流损失，应避免小出力。3、 反击式水轮机最优工况同时满足p1=pe1、a2=90°(V2±U2)时，进口无撞击，出口无涡损，n最高，称为水轮机的最优工况。一般 a2略小于90。时，效率较高，出力N=(85〜90)%N额，运行稳定，汽蚀性能好。4、 ZZ、XL水轮机在不同工况下，可以进行双调节(导叶开读a0、叶片角度中)，一般可使水轮机在较大范围内达到或接近进口无撞击、出口无涡流，具有较宽广的效率区。§2.4尾水管的工作原理一、尾水管(draughttube或tailtube)的工作原理尾水管空间图 尾水管原理示意图1、无尾水管时：假定转轮高出下游尾水面(5—5)。水轮机出口处的总能量损失：P 以V2E2=?+H2+寸当用相对压力表示式(p2=pa):E'=H+蜡

2 2 2g水流出转轮后，进入大气，自由落入下游水面，部分能量未被利用。2、有尾水管时(设有一圆锥形尾水管)：尾水管的出口在水面以下，尾水管的全部保持密闭)，由2—2到5—5断面间的能量方程：P+H+堕=P-H+竺+hY22gy52g 2一5P=-H-（气V2一以5咋-h）简化为：y2 2g 2-5

因此，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:⑴静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度，Hs=H2⑵动力真空：Hd=气兰咋-«5有尾水管后转轮出口(2—2)能量损失:E"=-H-(22av2—av2h)+丑

222g55_2-5+HE"=-H-(22=av2/2g+h3、尾水管的作用:有尾水管后水轮机多利用的能量A3、尾水管的作用:有尾水管后水轮机多利用的能量AE=E；-E2=H2+(以v2—以v2222g55-2-5)作用：(1)、汇集转轮出口水流，排往下游。、当Hs>0时，利用静力真空。、利用动力真空Hd。二、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w表示。门=(气冗—以5咋-h)/a^=H/^2

w2g 2-52g d2g门w>0.8时，效果较好；门wW0.3〜0.4时，效果较差。§2.5水轮机的汽蚀、 汽蚀概述1、 空化(cavitation)及汽化压力(vapouring)的概念水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。水在一定压力下加温的汽化为沸腾；环境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的汽化压力(Pb)。2、 水轮机的汽蚀、汽蚀破坏的机理由p av2E='+Z+-2—=C可知，当V1-PI,当P=Pb时，水开始汽化一汽泡(水蒸气+空气)一进入高压区(汽泡时蒸气变成水，汽泡内气体稀薄，出现强大真空，汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击)在汽泡内形成很大的微观水击压力(可达几百大气压)；汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏_-＞机械破坏，叫疲劳剥蚀。汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部升高（300度），汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用一化学腐蚀。（2X水轮机汽蚀定义汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，一水轮机的汽蚀。二、 水轮机汽蚀类型1、 翼形（叶片）汽蚀:转轮叶片背面出口处产生的汽蚀，与叶片形状、工况有关。2、 间隙汽蚀:当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生汽蚀。3、 空腔汽蚀:在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生汽蚀破坏，造成尾水管振动。4、 局部汽蚀:在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀。三、 汽蚀造成的危害1、 使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。2、 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、 机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。四、 防止汽蚀措施流速和压力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。1、 设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗汽蚀钢衬（不锈钢）。2、 工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。3、运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气。§2.6水轮机的汽蚀系数、吸出高和安装高程一、水轮机的汽蚀系数反击式水轮机发生汽蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了p<pb的情况，因此防止汽蚀的措施是限制p的降低，使p\pb。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，其标志为汽蚀系数。 讨次十方丹汽蚀系数6是水轮机汽蚀特征 _二坏舟7「一—TOC\o"1-5"\h\z的一个标志，6越大，越容易破坏。「 1~~\ 即通过研究叶片上的压力分布情 /I I::况，得到叶片上压力最低点（一般为上—/叶片背面靠近转轮叶片出口处）K点!J—— ！的压力为： W—/ppL W2—W2V2、—k=—a-H-( +门2、)K点的真空值H:k.vpp W2-W2V2、H=—a k=H+(—k— +门"2^)Hs 叶片K点致下游尾水的距离Hk.v由动力真空与静力真空组成。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，H=Z.，动力真空为与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明汽蚀性能的只是动力真空：e=hjH=2^（W：-W22+门v2）（1）、6称水轮机的汽蚀系数，是动力真空的相对值。

、6与叶型、工况有关(影响Wk,W2和叶道压力分布)Wk大一W2大 6大。、6与尾水管的性能有关，nwt-6L汽蚀性能差。、几何形状相似的水轮机，工况相似，6相同；对任一水轮机在既定工况下，6也是定值。、6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6m,并认为6=6m。二、水轮机的吸出高度保证水轮机内不发生汽蚀的条件：pkNpb由pp W2-W2 V2、—k=—a—H-(+门2?)p=勺-H-eH>pH<'a—；-eHV则：H=10.0-H<'a—；-eHV则：H=10.0-900-eH V, ,、H=10.0-900-(e+Ae)HH=10.0-X-keHs900水轮机吸出高度昨是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度Zk，但一般K点较难确定，并随工况而改变，规定如下：、立轴混流式水轮机：Hs导叶下部底环平面到下游尾水垂直高度、立轴轴流式水轮机：Hs转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度、卧轴贯流式水轮机：Hs叶片出口最高点到下游尾水垂直高度、设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正、为保证水轮机在运行中不发生汽蚀，对各种工况下死进行试验，取其中较小值。三、水轮机的安装高程(Turbinesittinghight)1、 立轴HL：导叶中心平面高程b0水轮机导叶高度Za=Vw+Hs+b0/2 Vw水电站设计尾水位2、 立轴ZL：导叶中心平面高程D1转轮直径Za=Vw+Hs+xD1 x轴流水轮机高度系数，随型号变化3、 卧轴HL和GL：立轴中心高程Za=Vw+Hs-D1/2注：V 选用水电站最低尾水位(一台机级组满负荷运行时)w§2.7水斗式水轮机的工作原理一、水斗式水轮机的工作特点：、水斗式水轮机的喷嘴将压力水管引来的高压水流的压能转变为自由射流的动能。、射流仅对转轮上几个水斗冲击作功。、作功的整个过程都是在大气压力下进行的，不存在翼形汽蚀问题。、适用于高水头、小流量，当H>300m时，可考虑水斗式水轮机。二、水斗式水轮机工作的基本方程V2W2V2W2与反击式相同(能量转换方程)：H丑=-[U(V0-U)(1+cosP2)V0为射流速度：V了七顽Kv为射流系数0.97〜0.98,H：水轮机设计水头。三、水斗式水轮机的能量损失1、 喷嘴损失：沿程、局部(转弯、断面变化、分流)射流收缩、空气阻力2、 水斗损失、进口撞击损失：进口V0发生急剧变化、摩擦损失：水斗中急剧转弯扩散、出口损失：