水力机械原理与设计课件

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ第一章水力机械概述水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述第一节水力机械的定义

流体机械是指以流体为工作介质的机械设备。流体机械的工作过程，是流体的能量与机械的机械能相互转换过程或是不同能量的流体之间能量传递的过程。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述原动机和工作机：

能量传递的方向不同华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述

原动机将流体的能量转换为机械能用于驱动其他的机械设备。水轮机、汽轮机、燃气轮机、风力机、各种液压马达和各种气动工具等。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述

工作机则将机械能转换为流体的能量，以便将

流体输送到高处

有更高压力的空间

克服管路阻力将流体输送到远处例如各种泵、风机和压缩机等。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述流体机械可分成容积式和叶片式：

取决于流体与机械相互作用的方式。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述容积式流体机械：

工作介质处于一个或多个封闭的工作腔中，工作腔的容积是变化的，机械与流体之间的相互作用力主要是静压力。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述例如往复活塞式流体机械：活塞与缸体形成一个封闭工作腔，介质与机械间的相互作用力为活塞表面的压力。当介质推动活塞运动时，是原动机。当活塞推动介质流动时，是工作机。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述叶片式流体机械的特点：

具有一个带有叶片（动叶）的转子（叶轮impeller或转轮runer）；

工作时介质对叶片连续绕流；

介质作用于叶片的力是惯性力；

流体由壳体与静止叶栅的引入。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述

涡壳、固定导叶、活动导叶、转轮华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述

泵体、叶轮、导叶华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述叶片式机器中流体圆周分速度的变化及其意义：原动机：cu=0—

（涡壳）导叶—

cu—

叶轮—

cu=0工作机：

cu=0—

叶轮—

cu—

导叶（涡壳）—

cu=0华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述结论：

叶轮进、出口cu的变化与叶轮所转换的能量成正比；机器进口处通常没有cu

机器出口处，通常不希望有cu

通过动叶与静叶以及涡壳的配合，可以满足以上要求。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述

叶片式流体机械可分成反击式和冲击式：

取决于流体在叶轮内的压力与速度的变化情况华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述反击式叶轮：流体的压力和速度都发生变化，流体与叶片交换的能量中既有压力能（势能）也有速度能（动能）；华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述反击式机器包括：（轴流式、径流式和混流式（斜流式））华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述轴流式机组华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述在反击式机器中：原动机静叶：c↑，p↓，但p>0；叶轮（转轮）中，c↓，p↓工作机叶轮（转轮）中，c↑，p↑，静叶中，c↓，p↑华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述冲击式叶轮：

流体的压力是不变的，流体与叶片交换的能量中只有速度能（动能）。

原动机静叶：c↑，p↓至

p=0；叶轮（转轮）中，c↓，p不变工作机无冲击式！！！华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述冲击式水轮机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述冲击式水轮机转轮（水斗）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述水力机械：

以液体为工作介质叶片式

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述水力机械的主要类型有：切击式水轮机、双击式水轮机、混流式水轮机、斜流式水轮机、轴流式水轮机、离心泵、混流泵、斜流泵、轴流泵

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述第二节水力机械在国民经济中的应用

电力工业

水利工程

化学工业

石油工业

采矿工业

航天技术环保部门

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述第三节水力机械的主要性能参数

流量、水头（扬程）、转速、效率、空蚀、水压脉动参数，称为水力机械的性能参数。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述一、流量Q

单位时间内通过机器的介质的量（体积或质量）称为流量。体积流量

：单位为m3／s、l／s或m3／h质量流量：单位为kg／s、kg／min或kg／h华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述二、水头、扬程

以液柱高度表示的机器进、出口断面单位数量液体能量的差值H水轮机中：称为水头叶片泵中：称为扬程单位：m（N·m／N＝m）

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述计算公式：±号是分别用于泵与水轮机，液体通过泵时吸收能量，而通过水轮机时释放能量。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述电站水头与电站静水头的关系：水轮机水头与电站水头的关系：

ΔH为引水管路的水力损失华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述泵装置扬程：

H——全部管路损失的总和

装置扬程：泵将单位重力液体介质从下游容器抽送到上游容器所做的功。在系统处于稳定状态时，装置扬程必等于泵的扬程。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述装置静扬程

扬程之间的关系

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述三、转速n

转速n是叶轮（转轮）旋转的速度。单位：转每分（r／min）

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述四、功率P与效率

工作机（泵）：功率P为机器的输入功率原动机（水轮机）：功率P为机器的输出功率单位：kW华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述单位时间内通过机器的介质的能量变化总量（流体功率）可表示为

损失的存在，机器功率与流体功率之间有一差值

P。用效率

来衡量损失的大小，则有

或华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述五、叶片式流体机械的特性曲线

水力机械的各个性能参数并不是固定的，在机器运行过程中，将随着环境和调节过程而变化。但各参数的变化并不是独立的，而是相互关联的。一般说来，可将水头（扬程）H、功率P和效率

视为转速n和流量q的函数。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述泵性能曲线：注意工况的概念最优工况设计工况华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述

第四节水力机械的结构形式

一、叶轮的配置方式

多级配置

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述多流配置

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述二、水轮机的结构

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述轴流式水轮机

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述导水机构活动导叶固定导叶转轮蜗壳尾水管华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述贯流式水轮机

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述活动导叶发电机转子转轮叶片尾水管全贯流式：华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述灯泡贯流式水轮机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述发电机转轮尾水管转轮活动导叶华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述混流式水轮机

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述蜗壳尾水管转轮活动导叶固定导叶导水机构华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述斜流式水轮机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述切击式水轮机

转轮喷嘴喷针调节机构华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述三、叶片泵的结构

用途广泛，结构种类繁多华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述单级单吸悬臂式离心泵

叶轮泵体（蜗壳）泵盖悬架（轴承支架）轴华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述单级双吸水平中开式离心泵

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述叶轮泵体轴华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述压水室为双涡壳华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述潜水电机叶轮蜗壳潜污泵华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述节段式多级泵

中段进水段出水段平衡盘导叶叶轮华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述双壳泵

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述双壳体泵外壳体内壳体（中段）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述蜗壳式多级泵（水平中开式多级泵）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述立式轴流泵

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述四、立式水轮机结构特点

不同参数机组的结构和尺寸差别很大，按照轴和轴承的数量和位置并从振动试验角度将立式机组的主要结构类型分为以下几种：华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述特点：推力轴承位于发电机的上方，三个导轴承。运行可靠，厂房高度高，机组结构不够紧凑。适用于转速<200转/分的中小型机组。悬垂式华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述伞式（推力轴承在下机架上）特点：推力轴承位于发电机的下面，有二个导轴承，上机架为非承重机架。机组结构紧凑，可以降低厂房地高度。适用于转速较低的大型机组。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述伞式（推力轴承在顶盖上）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述半伞式（推力轴承在下机架上）特点：推力轴承位于发电机的下面，有三个导轴承，上机架为非承重机架。适用于大型机组。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述半伞式（推力轴承在顶盖上）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述第五节水力机械理论与设计方法的现状与发展

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述一、水力机械内部流动分析

准三维解：将三维流动简化为两个相关二维流面，即s1、s2流面，在s1和s2流面上迭代求解。三维Euler解：将三维N-S方程中的粘性项略去，得到三维Euler方程，在求解域中解Euler方程。三维粘性解：从平均NS方程出发，辅以一定的湍流模式，求解平均NS方程。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述二、水力机械设计方法

一元理论：假定转轮轴面速度沿过水断面均匀分布。二元理论：假定转轮轴面流为轴对称有势流动。“一元半”理论：认为转轮轴面流动既不是均匀流动也不是有势流动，根据工程经验直接给定轴面速度的分布规律。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述传统的设计方法避免计算的困难，不得不引入一些简化条件，以求用简单的方法对流动进行分析计算，并在此基础上确定通流部件的几何尺寸。由于这些简化而产生的误差，则通过经验进行修正或通过试验进行改进。

一般的步骤为：简化——

经验——

数表——

修正——模型试验华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述现代设计方法

现代设计方法在传统的经验设计的基础之上，引入内部流动分析（CFD）、性能预估计算、优化设计理论、工质物性计算以及强度计算和CAD、CAM等先进技术，发展为现代水力机械的设计体系。直接用三元流动分析方法求解反问题在技术上尚有困难，所以实际的设计过程是一个反复依次求解正、反问题的过程。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械概述

软件名称 功能和用途 适用部件SDRC-IDEAS实体造型几何分析 水轮机所有部件

刚、强度分析

TASCflow

CFD求解前后处理器水轮机所有部件性能预测

ICEMCFD 通流部件网格划分水轮机所有部件

bbX

转轮设计转轮Turbogrid

转轮网格划分 转轮SWINExcel通流部件设计蜗壳、固定导叶、活动导叶、尾水管

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换第二章叶片式流体机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换

第一节流体在叶轮中的运动分析一、叶轮流道（叶片）投影图及主要尺寸华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换离心泵轴面投影图华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换叶片表面方程：

＝

（r，z）工程中表达叶片表面的方法:投影图圆柱坐标系中的投影方法：旋转投影轴面投影＋平面投影华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换叶轮的轴面投影图:

反映了叶轮的总体尺寸和特征轴面投影图平面投影图华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换离心泵叶轮：主要尺寸：D1、D2、b1、b21—进口；2—出口；D—直径；b—宽度华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换混流（斜流）泵叶轮：主要尺寸：D1、D2、b1、b21—进口；2—出口；D—直径；b—宽度华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换水轮机的混流式转轮主要尺寸：D1、D2、b0华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换轴流式水轮机：主要尺寸：D、Dh、b0华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换轴流泵叶轮：主要尺寸：D、Dh混流式转轮的机构华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换cu能量头cm流量二、叶轮中的流动速度圆柱坐标系中速度矢量及分解c＝cr+cz+cu=cm+cucm=cr+cz

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换流线与流面：流线：空间流线与轴面流线华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换流面：流线（轴对称假设）旋转一周空间流面的展开径流式：

圆环面(平面)华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换混流式：

圆锥面(展开成平面)华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换轴流式：

圆柱面(展开成平面)华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换轴面流动的过流断面

A=2

RcbqV＝Acm过水断面过水断面线华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换流网：轴面流线与cm的分布轴面流线过水断面线断面质心华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换流线流面轴面流线cm分布轴对称旋转一周轴面投影与轴面的交线几个概念之间的关系三、绝对运动与相对运动绝对速度c牵连速度（圆周速度）u相对速度w速度三角形注意重点内容！！！HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换离心叶轮中的速度三角形华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换轴流式叶轮中的速度三角形华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换轴面速度的关系：cm＝wm圆周速度的关系：u＝cu－wu相对流动角

绝对流动角

速度三角形（重点内容）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换速度三角形在空间的位置cwuwmwuwzwrcucmcrcz华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换四、两类相对流面的概念流面的定义：经过任意一条不与流线重合的曲线上所有的点的流线的集合，称为流面。该任意曲线称为流面的生成线。两类相对流面的概念：（无穷多叶片，轴对称条件下）S1流面：生成线为垂直于叶轮轴线的平面上以轴线为圆心的圆（回转面）S2流面：生成线为（叶片数无穷多时）叶片表面的任意曲线（叶片表面）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换叶轮机械三元流动计算的创立：吴仲华1953准三元解与全三元解；全三元条件下S1流面的翘曲及S2流面的定义；华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换第二节叶片式流体机械的基本方程式

叶轮的叶片数为无穷多，叶片无限薄。因此叶轮内的流动可以看作是轴对称的，并且相对速度的方向与叶片表面相切。相对流动是定常的。轴面速度在过流断面上均匀分布。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换1、泵进口速度三角形作图条件：已知机器尺寸、转速和流量一、进出口速度三角形华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换1）进口边圆周速度2）进口边轴面速度3）吸入室与进口导流器的影响

cu1（或

1）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换阻塞系数（排挤系数）的概念：

＝A

／A无冲击进口：

1＝f（u1，cm1，

1）＝

b1华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换2、泵出口速度三角形作图条件：1）出口边圆周速度2）出口处轴面速度3）出口相对流动角

2=

b2华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换轴面过流面积的计算：离心、轴流和混流式叶轮华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换3、反击式水轮机进口速度三角形作图条件：

u1、cm1、cu1（

1）无冲击进口条件华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换4、反击式水轮机出口速度三角形

作图条件：

u2，cm2，

2＝

b2

2＝f（u2，cm2，

2）＝90

法向出口华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换5、冲击式水轮机的进、出口速度三角形

cwu

1）进口作图条件：cu1，cm1，u1

对切击式，cm1＝02）出口作图条件：u2，

2＝

b2，w1＝w2不满流条件华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换斜击式水轮机的进、出口速度三角形华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换二、欧拉方程式推导条件：无穷叶片数；定常流动；控制面单位时间流入的动量矩L1＝qmcu1r1流出的动量矩L2＝qmcu2r2根据动量矩定理有作用力矩：1）控制面外流体的作用的力矩为零2）叶轮的作用力对轴的力矩M华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换因为

M

＝

gqVHth，可得欧拉方程水轮机：泵：欧拉方程的其他形式第二欧拉方程华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换讨论：方程的意义与普遍性关于假设条件：

叶片无穷多；cm均匀分布对轴流式和混流式叶轮的运用对轴流式：hth＝u（cup－cus）＝u

cu华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换第三节过流部件的作用原理过流部件（通流部件）＝固定元件叶轮与环境（机器或相邻级进、出口）之间的连接，影响叶轮的工作，决定了整机尺寸与重量。各部件的相互影响：

叶片式机械的可逆性，流动方向与性能的关系华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换一、原动机过流部件的作用原理1、水轮机的引水室引水室的作用：产生所需的cu1将水流均匀（轴对称）地（经过导水机构）引入转轮。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换分类：开式与闭式华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换涡壳作用原理的要点：1、速度矩不变：cu·r＝K2、水流均匀进入转轮3、K值由进口断面确定：进口断面由于半径r减小，所以cu1增加华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换固定导叶华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换固定导叶：

仅起支承作用，不应对水流产生作用（阻力小，不改变环量）在自由流动时所以，骨线应为等角螺线2、水轮机的导水机构（活动导叶）导叶开口与出流角开口

a0mm出流角

0度作用：调节流量活动导叶的翼型形状：负曲率、对称、正曲率华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换流量调节方程当导叶出口角一定时，出口速度为转轮进出口速度矩：华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换代入欧拉方程式并解出qV，可得调节流量的手段：

0、b0

、

b2混流式：

0轴流式：

0

、

0＋

b2实际的流量调节关系，由试验确定华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换3、水轮机尾水管作用：收集水流回收利用转轮出口水流剩余的能量转轮出口（2点）的能量：华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换无尾水管时：

p2＝pa（大气压）有尾水管时：静力真空与动力真空

恢复系数华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换转轮出口动能的比重cu2的影响过大：产生涡带。略带：可以避免流动分离，减小ΔH2-5。实际的最优出口条件：

略带正环量（cu2略大于零）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换4、喷嘴和喷管华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换

p

cw

w

p

c水轮机过流部件速度、压力变化引水管路喷嘴转轮引水管路涡壳、导叶转轮尾水管华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换二、工作机过流部件的作用原理1、吸入室华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换吸入室的作用：向叶轮提供，速度大小合适、且分布均匀的入流。半螺旋形吸入室的工作原理吸入室由两部分组成：涡壳形部分非涡形部分华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换在螺旋部分：在非螺旋部分：

cu1r1=0平均：

cu1r1=k

•

qV因为所以a为比例系数，由吸水室的几何形状决定α1＝const.华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换不同吸入室对叶轮进口速度方向的影响半螺旋吸入室：

1=const与流量无关其他各种吸入室：

1=90

cu1r1>0对叶轮Hth

的影响使Hth降低华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换2、压水室与扩压元件华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换a、蜗壳蜗壳与叶轮之间，还可以有其他的扩压元件华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换b、无叶扩压器连续性方程：工作原理要点动量矩定理：所以：特点：稳定，变工况性能好，效率稍低华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换c、径向导叶两种考查方式：叶片、流道

4由叶片形状决定特点：尺寸小，设计点效率高，变工况性能较差反导叶径向导叶华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换3、进口导流器（前导叶）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换导流器出口到叶轮进口：由欧拉方程

当流量和转速不变时，u2cu2的值将保持不变（忽略压力变化引起的出口体积流量的变化），此时转动叶片，就可改变能量头（或扬程、压力）的值，从而调节了工况。

华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换总结与对比wp吸入室叶轮扩压器出口管路c尾水管转轮引水室压力管路流体机械的可逆性扩压与收缩流动的不同叶轮：扩压、收缩扩压流：扩压器尾水管收缩流：吸入室引水室华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换第五节变工况的流动分析工况：

一组工作参数（qV、H、n、a0）及物性参数（R、

、pin、Tin）决定的一种工作状况设计工况、最优工况、非设计工况（非最优工况）或偏离工况华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换一、不同工况下泵内的流动1、设计工况：进口△的特征：

无冲击进口

1＝

b1出口△的特征：压水室无冲击进口进口：（cu1）由吸入室决定出口：

2＝

b2；作△时注意：2、流量变化时水力机械中的能量转换HSJ华中科技大学能源与动力学院水机教研室进口速度三角形出口速度三角形进口冲角

i＝

b1－

1能量头随流量变化qVH华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换3、转速变化时进口速度三角形出口速度三角形华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换4、导流器（前导叶）的影响华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换5、叶片转动的情况进口：适应

1的变化，减小或消除冲角出口：保持

2不变变流量变转速华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换

对于没有可转动的前置导叶的工作机，当给定了转速和流量后，即可确定进、出口速度三角形，从而确定了能量头（扬程），可见三个工况参数qV，hth和n不是独立的，给定了其中两个就可以确定第三个。实践中，通常是给定流量和转速。如果给定扬程（能量头、风压）求流量，理论上是可以的，但具体的计算复杂一些。小结：华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换二、不同工况下水轮机内的流动与工作机的区别：由于水轮机导水机构的转动，可以在H、n不变的条件下改变流量，故水轮机比泵多一个决定工况的参数。在工程实际中，水轮机通常是在H、n不变的条件下，通过导叶来改变流量。华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换1、活动导叶与转轮之间的流动在导叶的出口到转轮进口前为自由流动又由于所以

对于混流式：b1＝b0；A1＝2

b1r1；

1＝

0对于轴流式：A1与b0没有直接关系，r1也是变数华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换1、设计工况无冲击进口；法向出口2、流量变化：当H、n一定时，通过改变导叶开口来改变流量，所以在流量变化时，

1同时变化。冲角

i＝

1－

b1近似分析时，可认为绝对速度的矢端沿圆弧移动进口华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换出口注意Cu2华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换3、H变化时当a0、

及n都不变时H变化对出口△的影响？华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换4、n变化时△的变化对性能的影响：冲击损失cu2对尾水管工作的影响cu2对Hth的影响华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换5、转浆式水轮机：双重调节（请回忆流量调节方程）转速变化的情况？华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换总结：1、水轮机比泵多一个工况参数，故讨论的方式亦有不同2、最优工况下的法向出口条件3、导叶开度在进口速度三角形中的表现华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换第六节流体机械内的能量损失及效率流体机械的损失分类：1、流动损失（水力损失）

H（或

h、

p）：摩擦损失、冲击损失、分离损失、二次流损失、叶端损失本质上是压力损失华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换2、泄漏损失（容积损失）

qV（

qm）：流量损失3、机械损失

P：轴承、轴封的摩擦损失

Pm和圆盘损失

Pr力矩或功率损失华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换一、流动损失根本原因：介质的粘性1、摩擦损失沿程损失阻力系数

：与雷诺数和管壁相对粗糙度的关系，试验测定华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换2、分离损失边界层分离的原因（逆压梯度）和影响分离的控制：1、扩散角：可压＜6

～7

，不可压＜8

～12

2、扩压度：可压w1／w2＝A2

2／A1

1，不可压A2／A13、扩散（扩压）因子其他的分离损失，转弯、面积突变等华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换3、冲击损失进口冲击引起叶片表面的流动分离，但冲击损失与流量的关系不同于分离损失冲击速度冲击损失华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换加速与减速冲击工作机华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换原动机冲击速度的大小:wsh∝qV－qVopt其他部件中的冲击损失华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换4、二次流损失二次流的概念ac华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换5.叶端损失华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换6、按流动损失与流量的关系分类第一类，正比于流量的平方第二类，正比于流量与最优流量的差的平方华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换二、容积（泄漏）损失内部泄漏与外部泄漏间隙两端的压差离心泵的典型密封结构华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换三、圆盘摩檫损失（轮盘损失）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换开式与闭式泵腔华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换四、流体机械的效率能量平衡图华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换效率的定义：总效率；内部损失与外部损失；内效率；机械传动效率；圆盘效率；全压效率与静压效率华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换第七节有限叶片数的影响假定Z＝∞

→

2＝

b2→速度三角形

→cu2∞→hth∞实际上，Z≠∞

→

2≠

b2→cu2，hth＝？华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换

2≠

b2（滑移现象）的原因：1、惯性作用对泵：

cu2指向－u，

2＜

b2华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换对水轮机：

cu2指向＋u，

2＞

b2华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换2、轴向旋涡（对径流、混流式）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换3、粘性的影响出口后wm**＜wm*wu**＝wu*对二者形成相同方向的

对原动机缓解了滑移现象华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换二、滑移系数考虑有限叶片数影响的方法：轴流式：解析或半解析法计算平面叶栅，基于试验数据的翼型和叶栅计算方法（升力法）径流式：用经验系数（滑移系数）修正无穷叶片数的计算结果混流式：两种方法都可以用华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换滑移系数的三种定义1）利用

cu2与u22）利用hth与hth∞3）利用

H和Hth（减功系数）华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换利用滑移系数进行计算：经验公式：1、Stodola式2、Pfleiderer式华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换利用滑移系数进行计算的程序与概念：

cu2

b2

cu2

b2

cu2

2HHth

Hth

速度三角形欧拉方程对于原动机，通常不进行精确计算，只用2

～4

叶片角度修正考虑有限叶片数的影响华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换华中科技大学能源与动力学院水机教研室HSJ水力机械中的能量转换本章涉及的主要内容

水力机械的流动相似准则

相似理论在水力机械中的应用

水力机械的综合判别数—比转速HSJ第一节水力机械的流动相似准则一、水力机械的流动相似条件

1、几何相似：流体流动空间几何相似

HSJ3、动力相似：相应点上所受的力成比例

注意：以上三条是水力机械工况相似的必要和充分条件2、运动相似：满足1且相应点的速度三角形相似HSJ二、水力机械的流动相似准则水力机械的π

数基本定义：若干个工作参数可以组成的一组无量纲的数；目的：相等的π

数也反映了同系列水力机械的相似工况。选定五个参数：

1).直径D（量纲：L）

2).有效水头参数gHηh（量纲：L/T2·L）

3).转速n（量纲：1/T）

4).水流密度ρ

（量纲：M/L3）

5).流量Q或功率N（量纲分别为：L3/T、ML2/T3)HSJ

取质量（M）、长度（L）和时间（T）作基本量纲

理由：可以表示所有参数的量纲自变量参数和基本量纲数相等，因此水力机械有（5-3）个基本π

数

为什么？取含M,L,T三个基本量纲的工作参数ρ

、D、n作自变量

1、当依变量为gHηh时有：gHηh=f(ρ,D,n)

即有：由M0,L0,T0HSJ从而有：即所谓的压力系数或水头系数！！2、当依变量为Q时即：则：同样，由M0,L0,T0从而：流量系数！！是水力机械的两个基本π

数HSJ3、将五个参数中的Q换成N，取自变量为请根据：无量纲数：引出：无量纲的水力机械比转速：HSJ4、考虑一些其他的工作参数，如压强P，速度v，表面张力σ等我们还可以得到如下的一些π

数：

表征液流压力相似的欧拉数表征液流粘性力相似的雷诺数表征液流弹性力相似的柯西数表征液流重力相似的佛汝德数表征液流表面张力相似的韦伯数表征液流不定常惯性力相似的斯特鲁哈数HSJ第二节相似理论在水力机械中的应用一、水力机械的单元工作量单元转速同系列的水力机械在相似工况下，

π1=常数引入的目的：真机和模型的相似换算（工况相似的依据）即：理解：1m直径，1m有效水头下机器的转速，称为单元转速，记为：（其中D1为转轮直径）HSJ单元流量同样，根据将n带入上式：理解：1m直径，1m有效水头下机器的流量，称为单元流量，记为：（其中D1为转轮直径）HSJ单元功率理解：1m直径，1m有效水头下机器的功率，称为单元功率，记为：（其中D1为转轮直径）HSJ以上我们从根本上讨论了水力机械最重要的三个单元工作量，单元转速、单元流量以及单元功率的由来。问题：这些单元工作量有何具体用途？HSJ

结论：如果认为同系列的水力机械在相似工况下水力效率相等，则单元参数为：单元转速（单位转速）单元流量（单位流量）单元功率（单位功率）

切记！切记！！HSJ

前面的讨论中一直认为模型与原型的效率相等，但实际上，由于难以达到完全相似，二者的效率是有差别的。二、水力机械相似工况下的效率换算问题：产生模型与真机效率不等的主要原因是什么？HSJ模型与真机效率不等的主要原因：模型和原型的尺寸不同由于尺寸不同，一方面使模型的雷诺数小于原型，这将使模型的效率低于原型；另一方面，当模型和原型用同样的工艺方法加工的时候，模型的表面相对粗糙度也要比原型大，这同样使模型的效率下降；出于结构方面的原因，尺寸相差较多的两台机器，其产生泄漏损失的间隙的相对值也难以完全相等，一般来说模型的相对间隙值较大，故容积效率也较低。这种因尺寸不同而使得模型与原型的效率不等的现象，称为比例效应。

HSJ水力机械的效率换算真机的效率难以测量，因此只有靠模型的效率来换算。HSJ（一）泵的效率换算在泵中，常用的效率换算公式为莫迪公式：

为了考虑转速或扬程对雷诺数的影响，普弗莱德勒尔（Pfleiderer）和吕齐（Rütsch）推荐的公式为：系数的确定：式中Dsp和Dsm分别为原型和模型的进口直径。

HSJ（二）水轮机的效率换算依据：在低效率区，认为模型与真机的相对损失相等，而在高效率区则与雷诺数有关。

对轴流式机组而言：

对混流式机组而言：HSJ注意：从不同的角度考虑，水力机械还有许多其他的效率换算公式，具体情况请参阅有关参考书。效率对相似换算的影响。HSJ第三节水力机械的综合判别数—比转速引入比转速的目的：消去直径D，便于应用（水轮机）理解：相似流体机械在相似工况下工作时，当水头(扬程)为1m，功率为1kW时流体机械所具有的转速。HSJ回顾前面引入的比转速的概念从量纲分析的角度得出的比转速：简化为：HSJ由来：工程上以马力（HP）或千瓦（kW）作为功率的单位（1HP=0.735kW，1kW=1.36HP）一、比转速的两种不同形式：当功率以HP计时，比转速的形式为：HSJ当功率以kW计时，比转速的形式为：在相似工况下，Ns（或ns）相等，我们近似认为水力效率也相等。HSJ引入由单元参数表示的转速、流量和功率：HSJ（二）不同比转速的流体机械的应用范围ns大好还是小好？提高ns有无限制？ns提高的轨迹强度空化HSJ比转速的流体机械叶片形状的关系对水轮机而言：ns=60~100ns=100~220ns=220~350ns=350~420ns=400~1000混流式转轮轴流式转轮HSJ对水泵而言：ns=30~80ns=80~150ns=150~300ns=300~700ns=700~2000离心式叶轮轴流式叶轮HSJ不同比转速水轮机的应用范围HSJ本章涉及的主要内容

叶片式水力机械的空化与空蚀机理水力机械的空化参数空化与空蚀的防护与改善措施HSJ第一节

叶片式水力机械的空化与空蚀机理（一）空化现象基本定义由于压力的变化而导致的液流内的空泡的产生、发展和溃灭过程以及由此而产生的一系列物理和化学变化，称为空化

一、空化及空蚀机理HSJ空化发展过程压力降低汽化空泡形成压力升高空泡溃灭材料破坏外特性下降HSJ（二）空化初生液体的抗拉强度实测最大26~27Mpa理论值160~325Mpa

＝7.4×10－2

N／m初生空泡的平衡条件2

r

＋

r2p＝

r2pva空化核HSJ（三）空蚀破坏机理任何固体材料（包括化学惰性的、非导电的、甚至高强度的），在任何液体（包括海水、淡水、化学惰性液体、甚至金属性液体如汞、钠等）的一定动力条件作用下，都能引起空蚀破坏。微射流理论射流速度100～300

m/s压力7.05

108

Pa微射流直径2~3

m冲抗直径2~20

m冲击次数

100~1000/s-cm2其他因素：HSJ微射流HSJ（四）空化现象的分类（按形态和产生原因）1）游动型空化2）固定型空化3）旋涡型空化4）振动型空化HSJ旋涡型空化HSJ泵叶轮的空化HSJ二、空化数翼型的压力系数最低压力点HSJ空化开始K的意义环境参数p0↑，pva↓，w0↓，则K↑对既定的翼型，产生空化的可能性↓Ki的意义翼型特性参数与工况有关对既定翼型的既定工况是常数p0－pmin↑，w0↓，Ki↑，对既定环境,产生空化的可能性↑翼型的空化性能的指标。HSJ空化发展条件K＞Ki，不产生空化K＝Ki，开始空化（空化初生）K＜Ki，空化发展（加剧）空化的相似准则Sr，K，KiHSJ三空蚀破坏类型及对性能的影响（一）空化和空蚀破坏类型（按发生的部位）分类1、翼型空化和空蚀IIHSJ泵叶轮的翼型空蚀HSJ2、间隙空化和空蚀HSJ3、空腔空化和空蚀4、局部空化和空蚀水轮机空蚀量合格的评定标准HSJ（二）空化与空蚀对叶片式水力机械性能的影响1、机器能量特性恶化2、引起振动和噪声3、材料破坏HSJ第二节水力机械的空化参数一、有因次空化参数（一）转轮叶片上的最低压力转轮的低压侧L机器的低压侧S叶片最低压力点KHSJ逐步利用0、S、L、K间的伯努利方程可得用HS代替ZK并令:最后得:HSJ（二）空化余量装置的有效空化余量

ha是与机器外部环境（装置）有关的参数。是机器低压侧液体总能头（折算到基准面）超过液体汽化压力的部分，它表示了外部环境（装置）给机器提供的避免发生空化的条件。根据伯努利方程，

ha的数值可以根据下游水面的参数计算。hahr基准面水力机械必需空化余量

hr是一个只与机器内部流动有关的参数，对于既定的机器的既定工况是常数。它表示由于液体流动而引起的叶片上最低压力点处相对于机器低压侧压力的降低，称为动压降。它是水力机械内部空化性能的度量，而与机器的安装位置和液体性质无关。在一定的外界条件下，

hr的值越小，pK的值越高，则发生空化的可能性就越小。

HSJNPSH（NetPositiveSuction

Head）cavitationmarginha的计算对水轮机空化的发生过程

ha>hr

无空化

ha=hr

空化初生

ha<hr

空化发展HSJ

hr的测量能量法临界值的确定安全余量[

hr]=

hcr+K根据：空化初生时，

hr=

haHSJ（三）吸出（入）真空度[HV]的值由试验确定HSJ二、无因次空化参数（一）空化（或空蚀）系数装置空化系数水力机械空化系数初生空化条件

p＝

空化相似准则

p＋

HSJ（二）空化（或空蚀）比转速∵hr正比于H∴可定义效率为主：C=600~800；兼顾效率和空化：C=800~1100；空化性能为主：C=1100~1600；特殊要求（例如对火箭推进泵）：C＞5500。HSJ吸入比转速无量纲HSJ三、泵的空化性能与入流角度的关系这一部分内容不再讲述，有兴趣可参阅有关书籍。HSJ四、水力机械的安装高度水轮机安全余量的选择：关系重大HSJ吸出高基准与安装基准HSJ泵的吸入高基准面与安装高程基准面相同HSJ用允许吸入真空度计算非标准状况下允许吸入真空度的换算HSJ第三节空化与空蚀的防护与改善措施一、设计1、合理确定叶轮低压侧的几何尺寸DScLwL最优值：HSJ2、下环（前盖板）圆弧半径和进口边位置4、采用诱导轮3、采用双吸叶轮HSJ诱导轮HSJ5、采用超空化翼型HSJ超空化螺旋桨HSJ二、制造1、提高加工精度和表面光洁度2、采用耐空蚀破坏的材料3、表面处理提高材料耐空蚀性能三、安装合理确定吸出（入）高度四、运行适当限制运行工况（水轮机的补气）HSJ运行工况HSJ五、维修

采用耐空蚀材料补焊表面喷、涂耐空蚀材料HSJ第四章内容总结空化与空蚀机理空化现象空化核子空化数对外特性的影响溃灭过程临界压力空化的分类水力机械空化参数NPSHrsS(c)HVNPSHaspNPSHcrscr空化相似律NPSHr=K·H

r=constS(C)=const比例效应基准面粘性空化核子拉应力时间空化与空蚀的防护设计叶轮几何尺寸诱导轮超空化翼型制造加工精度材料安装吸入高度运行维修安全工况补焊表面喷涂HSJ第五章水力机械的模型试验及特性曲线HSJ本章讲述的主要内容：第一节水力机械模型试验的意义和任务第二节水力机械特性曲线的定义和分类第三节模型试验及特性曲线的绘制第四节水力机械与管网系统的联合工作第五节泵的串联和并联运行第六节水力机械的工况调节第一节水力机械模型试验的意义和任务HSJ一、水力机械的现代设计方法：理论与试验相结合的方法理解：水力机械过流通道内的流动规律目前还不能利用数学的方法完全解决，因此设计时，必须引入一些假设进行简化。设计对给定计算工况（即设计工况）下进行。在非设计工况下，流动会产生脱流或转轮低压侧的强烈旋涡等，进行流动分析更加困难。因此除了在理论上进行探索之外，还必须通过试验来修正和补充。试验工作必须有理论进行指导。二、水力机械的模型试验HSJ1、进行真机的全特性试验不可能，真机试验多为验收试验、专题研究试验及改进性试验。但有些情况：如制造质量的检验；实际运行情况（振动、轴承发热、漏水等）以及泥沙磨损和汽蚀程度等，则只有在真机上才能观察到。2、为得到水力机械的全特性，模型水力试验的任务包括：

确定水力机械各工况下的效率及汽蚀系数（即能量特性和汽蚀特性）确定水力机械某些部件的力特性（如导水机构、转轮的力特性）确定水力机械在非设计工况下的压力脉动和不稳定性（水轮机）确定过流部件的液流结构水力试验是设计水力机械的一个重要手段HSJ三、水力机械的模型试验必须遵循水力机械的相似准则四、新转轮的出现，一般要经过下面的程序：

根据给定的参数（Q，H,σ及n），设计出一些模型转轮方案。由于工作参数和结构参数的不同组合以及不同的计算方法，这些方案彼此不同。对各种方案进行试验，给出模型转轮的全特性。其中性能最好的就是我们要求的模型转轮。HSJ第二节水力机械特性曲线的定义和分类f（a0，

，

，qV，H，n，P，

，

）＝0决定工况的参数：2～5综合特性曲线和线型特性曲线全工况（四象限）特性曲线力特性曲线和飞逸特性曲线HSJ一、线型特性曲线（一）水泵的工作特性曲线（二）水轮机的工作特性曲线H、n＝const，qV＝f（a0）P、

＝f（qV）1）空载流量qVxx2）最优流量qV03）极限功率Pnp与极限流量4）功率限制P=gqVHHSJ（三）水轮机的转速特性曲线H、a0、

＝constqV、M、P、

＝f（n）飞逸转速nR流量随转速变化的规律模型试验曲线HSJ（四）不同比转速机器工作特性曲线的比较效率随流量（或负荷）变化的规律平均运行效率影响效率曲线形状的因素功率限制问题HSJ泵的比较HSJ二、综合特性曲线自变量＝2（一）工作机的综合特性曲线1、变转速曲线HSJ变叶片角曲线HSJ（二）原动机（水轮机）的综合特性曲线1、综合特性曲线等效率线等开度线等空化系数线功率限制线HSJ2、运转特性曲线功率限制线：电机功率限制水轮机功率限制混流式：Pmax轴流转桨：a0HSJ各种水轮机的综合特性曲线低比速混流式HSJ切击式水轮机HSJ轴流定桨HSJ轴流转桨HSJ3、综合特性曲线与比转速的关系HSJ第三节模型试验及特性曲线的绘制一、试验装置与测量方法（略）二、试验程序1、水泵的能量试验目标：测定qV、H、ptF、P、

程序：低比速从qV＝0开始，高比速从qV＝max开始用阀门调节流量，造成不同的工况对每一个工况点，测定各参数将测量结果换算到额定转速HSJ2、水轮机能量试验程序1、试验过程中H

基本不变2、在一系列a0下进行试验3、在每一a0个下通过改变负荷改变转速（工况）4、将数据换算成单位参数（n11、Q11、P11、

）5、在一个a0下测量的数据可以绘制转速特性曲线对转桨式水轮机，应在每一个叶片角度下进行上述测量H、a0＝constHSJ3、泵的空化试验程序（开式台）1、在能量试验的基础上，确定试验工况点2、将进口阀全开，通过出口阀将流量调到指定值3、用进口阀增加真空度，同时用出口阀保持流量不变4、记录各测量参数，计算H5、不断增加真空度，直至H

明显降低6、将数据换算为额定转速7、作H＝HPSH曲线8、计算NPSHcrqV＝constHSJ3、水轮机的空化试验程序（闭式台）1、根据能量试验结果，确定若干空化试验的n112、在每一个n11下，选定若干试验开口a03、调整工况参数为指定值并使之稳定4、用真空泵逐步降低整个系统的压力，并保持H、n、qV不变5、测量并记录能量指标与真空度的关系6、绘制

、P＝f（

）曲线7、根据曲线确定

crHSJ二、流体机械综合特性曲线的绘制等效率线和等开度线（一）定桨式水轮机HSJ功率限制线HSJ等空化系数线根据空化试验结果HSJ（二）转桨式水轮机综合特性曲线的绘制不同

角的定桨性能协联工况的概念协联曲线的求得HSJ第四节水力机械与管网系统的联合工作

机器的实际运行工况：为了确定流体机械的实际运行工况点及其变化，必需研究管网的特性以及机器特性与管网特性的相互作用。一、管网特性曲线管网能量头（装置扬程、管网阻力）管网系统：HSJ管网特性曲线Hst和

k

均可为零HSJ二、流体机械与管网系统的联合工作决定机器的实际工作点（工况点）的条件：能量平衡和质量平衡平衡点工况的调节HSJ稳定与不稳定工况稳定条件的判据特性曲线的稳定性HSJ第五节流体机械的串联和并联运行HSJ一、工作机的串联运行（一）输送不可压介质时的机器特性、qV＝qV1＝qV2H=H1+H2目的：p

NPSHa搭配条件：最佳工况点的流量相等或相近机器特性不变HSJ（二）输送可压缩介质时的机器特性总特性不等于两机器的和HSJ多级机器的特性

冷却的影响HSJ串联机器在管网中的工况点HSJHSJHSJ第六节水力机械的工况调节HSJHSJHSJHSJ第六章叶片式流体机械的选型第一节流体机械产品的标准化与系列化一个矛盾用户：性能参数的多样性价格低、质量可靠维修方便制造商：满足多样要求：单件或小批量生产，价格、质量、维修难以保证满足价格、质量、维修要求：大批量生产，参数难以满足不同用户要求解决办法：三化（标准化、系列化、通用化）HSJ流体机械的系列型谱主要考虑因素：流动特性和结构（强度、材料）型谱的主要内容：1）模型的数量模型、“系列”

和

“型式”2）叶轮的标准直径“品种”确定品种数量的依据：效率降低值HSJ第二节中、小型水轮机的系列型谱一、水轮机型号的编制方法水轮机型式＋转轮型号（比转速）——主轴布置型式＋引水室的特征——转轮直径HSJ主轴布置型式和引水室特征代表符号

冲击式水轮机直径表示：标称直径：直径射流数×射流直径型号示例：

HL220－LJ－5502CJ30－W－1202×10HSJ二、中小型轴流式、混流式水轮机转轮的系列型谱表6-5混流式入谱转轮主要参数

HSJ标准直径系列HSJ三、中小型轴流式、混流式水轮机产品系列型谱HSJ第三节水轮机的选型计算一、原始资料，选型任务及原则（一）水轮机选型的原始资料

1）水电站的水头和流量：

Hmax、Hmin：运行范围内的最大与最小水头；

设计水头Hd：最高效率点的净水头；

额定水头Hr：能发出额定功率的最小净水头； 加权平均水头Hw，加权平均值；

最大流量qVmax：流经电站的流量的最大值；

额定流量qVr：额定水头、转速，功率时的流量。HSJ2）上下游水位标高（海拔高程）。3）水电站的装机容量，机组台数，及初步选择的水轮机转轮型号、参数、直径和转速。4）调节保证要求值。5）水电站的水质资料，如河流含砂量及砂粒大小等。6）水轮机输水管道尺寸及布置情况。7）水电站允许的最大挖深值。8）运输及安装条件。原始资料，选型任务及原则HSJ系统的负荷分配9）水电站的运行情况，如水电站在电力系统中担任峰荷或基荷的情况，是否要作调相机运行等。HSJ（二）选型计算的任务1）水轮机的类型和转轮型号。2）水轮机的结构型式。3）保证发出额定功率的转轮直径。4）水轮机的额定转速和飞逸转速。5）所有运行水头和功率下水轮机的效率和吸出高度值，即绘出水轮机的运转特性曲线。6）轴向推力及叶片力矩的计算。7）调节保证计算。8）辅助设备的选择。HSJ（三）选型的一般原则电站的水轮机选型是复杂的系统工程，对工程的综合效益有重大影响主要的技术经济因素：工程的综合利用：发电、航运、防洪、灌溉、养殖、旅游机组：效率、空化、稳定性、尺寸、价格土建：工程造价、施工难度、工期制造：设计、毛坯、加工运输：安装：水力角度：HSJ

max，

av；NPSH；D；n；成本；比速系数：在保证安全的条件下

nSHSJ二、用系列型谱使用范围图和系列使用范围图选型HSJZZ500系列使用范围图HSJ三、根据综合特性曲线进行选型计算1、选择水轮机的系列（水头段）2、转轮直径：参数：P

：单机额定功率（考虑电机效率）Q11：混流式——5%功率限制线orHS