第二章水輪機的工作原理第一節(jié)水流在還擊式水輪機轉(zhuǎn)輪中的運動一、 復(fù)雜的空間非恒定流水輪機內(nèi)的水流運動是復(fù)雜的空間非恒定流1） 水頭、流量在不斷轉(zhuǎn)變2） 葉片形狀為空間扭曲面，水流在兩葉片之間的流道內(nèi)為復(fù)合運動，流速的大小、方向在不斷地轉(zhuǎn)變，而轉(zhuǎn)輪本身也在運動。二、 恒定流狀態(tài)水輪機在某一工作狀況時，（H、Q、N、n不變），水流在水輪機的蝸殼、導(dǎo)水葉及尾水管中的流動是恒定流。水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動相關(guān)于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)而言，也是恒定流。水流在轉(zhuǎn)輪中的運動超級復(fù)雜，上述假定能夠簡化分析。三、 水流運動是空間三元流水流運動規(guī)律用速度三角形表達(dá)V二U+WV 水流絕對流速（相關(guān)于地球）U——水流隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)連累流速W——水流沿葉片流動的相對流速用速度三角形分析水流運動的方式是研究轉(zhuǎn)連番速場的重要方式。關(guān)于混流式水輪機，能夠以為任一水流質(zhì)點在轉(zhuǎn)輪中的運動是沿著某一喇叭形的空間曲面（稱之為流面）而作的螺旋形曲線運動。流面即由某一流線繞主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。在整個轉(zhuǎn)連番道內(nèi)有無數(shù)個如此的流面。流面上每一個入口點的速度三角形是相同的；每一個出口點的速度三角形也是相同的。

依照恒定流假定可知，任一水流質(zhì)點在轉(zhuǎn)輪入口的運動狀態(tài)及其流動到轉(zhuǎn)輪出口的運動狀態(tài)可由同一時刻該流面上任意進(jìn)、出口點的速度三角形表示。軸富武弟昨猶料臨乂、出門宦JE三傳博軸富武弟昨猶料臨乂、出門宦JE三傳博速度與分速度的空間矢量關(guān)系第二節(jié)水輪機工作的大體方程式―、動量矩定理單位時刻內(nèi)水流對轉(zhuǎn)輪的動量矩改變，應(yīng)等于作用在該水流上的外力的力矩總和。即：(Vr(Vr-Vr)u11u22其中M為水流對轉(zhuǎn)輪的力矩，方程右端為水流本身速度矩的轉(zhuǎn)變。該式表達(dá)了水輪機中水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平穩(wěn)關(guān)系。二、水輪機的大體方程在穩(wěn)固工況下(n、Q、H均不變)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流運動時相對的恒定流，因此轉(zhuǎn)輪的出力為：Meu11 Meu11 u22坐(UV-UV)1u1 2u2N二YQHqees因此，水輪機的大體方程為：Hqg二UV-UVs 1u12u2該方程式對還擊式、沖擊式水輪機均適用。三、大體方程的物理意義方程的實質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平穩(wěn)方程，方程左側(cè)為轉(zhuǎn)換成的機械能。水流與葉片彼此作用，使得水輪機做功。水流通過水輪機時，葉片迫使水流動量矩發(fā)生轉(zhuǎn)變，而水流以反作使勁作用在葉片，從而使轉(zhuǎn)輪取得力矩。水能轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)機械能的必要條件：水流在轉(zhuǎn)輪出口的能量小于入口處的能量，即轉(zhuǎn)輪的入口和出口必需存在速度矩的差值。第三節(jié)水輪機的效率及最優(yōu)工況―、水輪機的效率(efficiency)水輪機的能量損失致使NVNs，效率n<1效率是由水力效率、流量效率、機械效率組成1.水力損失(headloss)及水力效率蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管——沿程損失旋渦、脫流、撞擊——局部損失水輪機的水力效率為：q二H-2血x100%二HeHH H流量損失及流量效率（容積效率）水流通過轉(zhuǎn)動部份與非轉(zhuǎn)動部份間隙直流入尾水管的流量為q,此部份流量不通過轉(zhuǎn)輪作功，稱漏損。容積效率：耳= =￡vQQ機械損失和機械效率水輪機的輸入功率：Ne；輸出功率：N=Ne-ANm機械效率： nm=N/Ne水輪機的總效率nqnvnm提咼效率的有效方式是減小水頭損失、流量損失、機械摩擦。n依照模型實驗取得。二、水輪機的最優(yōu)工況水輪機的最優(yōu)工況是指n最高的工況。一樣情形下，對n起要緊作用的是水力損失，流量損失和機械損失相對較小，且大體不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。效翠容積損先效翠容積損先珀楝損央沿程水力損先鹽帀力損失出力N、葉片入口設(shè)計撞擊損失要緊發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片入口處。當(dāng)”i（Wi，U）=”ei（葉片入口安放角）時，那么為無撞擊入口工況，即轉(zhuǎn)輪入口處的水流相對速度的方向與轉(zhuǎn)輪葉片骨線在入口處的切線方向一致。佃） （b） （c）二、葉片出口設(shè)計渦流損失要緊發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片出口處。當(dāng)V2丄U2時，即a=90°，水流平行主軸，Vu2=0,為法向出口，無渦流損失。同時知足爲(wèi)=必、嗎=90°（V2丄U2）時，入口無撞擊，出口無渦損，n最高，稱為水輪機的最優(yōu)工況。對高水頭水輪機，能量損失要緊發(fā)生在引水部件內(nèi)，故最優(yōu)轉(zhuǎn)輪出口應(yīng)為法向出口。對中、低水頭水輪機，能量損失要緊發(fā)生在尾水管和轉(zhuǎn)輪內(nèi)，一樣?2略小于90°時，效率較高，能夠幸免尾水管內(nèi)脫流，運行穩(wěn)固，空蝕性能好。軸流轉(zhuǎn)漿式、斜流式水輪機在不同工況下，能夠進(jìn)行雙調(diào)劑（導(dǎo)葉開度a0、葉

片角度◎，一樣可使水輪機在較大范圍內(nèi)達(dá)到或接近入口無撞擊、出口無渦流，具有較寬廣的效率區(qū)。水輪機在最優(yōu)工況運行時，不但效率高，而且穩(wěn)固性和空蝕性能也好。因此，在實際運行中，水輪機的運行工況范圍均有必然限制。第四節(jié)尾水管的工作原理第四節(jié)尾水管的工作原理轉(zhuǎn)輪所取得能量等于轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口之間的能量差：E=E-E=（H+匕）-E1 2 1 Y 2p paV21.無尾水管時:轉(zhuǎn)輪取得能量:E=(H+ ，E二H+p+—1.無尾水管時:轉(zhuǎn)輪取得能量:1 1y 2a 2y2gE=E-E=H-(H+TOC\o"1-5"\h\zA1 2A -設(shè)尾水管時:依照2-2至5-5斷面能量方程:+匕5葉+Ah2g 2-5可得：昌二P-H-(巴V二V2-Ah)丫丫 2 2g 2-5設(shè)尾水管后，轉(zhuǎn)輪所取得能量：E二E-E二H-(JZ+Ah)B12B12g 2-5水輪機多取得的能量：AE二E-E二H+(巴吩—哄-Ah)BA 2 2g 2-5因此，設(shè)置尾水管以后，在轉(zhuǎn)輪出口形成了壓力降低，顯現(xiàn)了真空現(xiàn)象，真空由兩部份組成：靜力真空:H2(落差),也稱為吸出高度H；動力真空(轉(zhuǎn)輪出口的部份動能)-aV2-aV2 「H二22 —Ahd 2g 2-5尾水管的作用聚集轉(zhuǎn)輪出口水流，排往下游。當(dāng)H>0時，利用靜力真空。利用動力真空Hd。尾水管的動能恢復(fù)系數(shù)尾水管的靜力真空Hs取決于水輪機的安裝高程，與尾水管的性能無關(guān)；衡量尾水管性能好壞的標(biāo)志是恢復(fù)動能的程度(與尾水管尺寸有關(guān))，一樣用動能恢復(fù)系數(shù)nw表示：av2-av2 av2 av2二（22 —h ）/=H/222g 2-5 2gd2gnw>時，成效較好；nw三?時，成效較差。nw=i-dW(贏為尾水管的水力損失系數(shù))第五節(jié)水輪機的空化與空蝕一、水輪機的空蝕空化及空化壓力的概念水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的水在必然壓力下加溫引發(fā)的汽化為沸騰；環(huán)境溫度不變壓力降低引發(fā)的汽化叫空化。在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的空化壓力（Pb）2?水輪機的空蝕（1） 空蝕破壞的機理由：p civ2E= -+Z+ =CY 2g可知，當(dāng)Vf—PJ，當(dāng)P=Pb時，水開始汽化—汽泡（水蒸氣+空氣）—進(jìn)入高壓區(qū)（汽泡時蒸氣變成水，汽泡內(nèi)氣體稀薄，顯現(xiàn)壯大真空，汽泡外面的水流質(zhì)點在內(nèi)外壓差的作用下急速向汽泡中心緊縮、沖擊）在汽泡內(nèi)形成專門大的微觀水擊壓力（可達(dá)幾百大氣壓）；汽泡產(chǎn)生反作使勁向外膨脹，壓力升高，水流質(zhì)點向外沖擊。大量汽泡持續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點反復(fù)沖擊，使過流通道的金屬表面受到嚴(yán)峻破壞—機械破壞，叫疲勞剝蝕汽泡被緊縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質(zhì)點彼此撞擊，引發(fā)局部溫度升高（可達(dá)到300°C）,汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學(xué)反映，造成侵蝕；同時由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用—化學(xué)侵蝕（2） 水輪機空蝕概念汽泡在潰滅進(jìn)程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周期性轉(zhuǎn)變，使周圍的水流質(zhì)點發(fā)生龐大的反復(fù)沖擊，對水輪機過流金屬表面產(chǎn)生機械剝蝕和化學(xué)侵蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機的空蝕。3.空蝕造成的危害使過流部件機械強度降低，嚴(yán)峻時整個部件破壞。增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降。機組產(chǎn)生振動，嚴(yán)峻時造成廠房振動破壞?？s短了機組檢修的周期，增加了檢修的復(fù)雜性。消耗鋼材、延長工期；二、水輪機空蝕類型翼形（葉片）空蝕：轉(zhuǎn)輪葉片反面出口處產(chǎn)生的空蝕，與葉片形狀、工況有關(guān)。還擊式水輪機要緊汽蝕形式。間隙空蝕：當(dāng)水流通過間隙和較小的通道時，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生空蝕。空腔空蝕:在非最優(yōu)工況時，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對稱真空渦帶，引發(fā)尾水管中水流速度和壓力脈動，在尾水管入口處產(chǎn)生空蝕破壞，可能造成尾水管振動。局部空蝕：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空蝕。尾水管內(nèi)的真空渦帶和水流軌跡三、避免空蝕的方法流速和壓力是產(chǎn)生空蝕最重要的兩個緣故，因此要操縱流速和壓力的急劇轉(zhuǎn)變。1.設(shè)計制造方面：合理選型，葉型流線設(shè)計，表面滑膩，抗汽蝕鋼襯（不銹鋼）。工程方法：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙方法，避免泥沙進(jìn)入水輪

機。運行方面：躲開低負(fù)荷、低水頭運行，合理調(diào)度，必要時在尾水管補氣。機。第六節(jié)水輪機的空蝕系數(shù)、吸出高和安裝高程一、水輪機的空蝕系數(shù)還擊式水輪機發(fā)生空蝕破壞的全然緣故是過流通道中顯現(xiàn)了pvpb的情形，因此避免汽蝕的方法是限制p的降低，使p>pbo阻礙水輪機效率的要緊緣故是翼型空蝕，因此衡量水輪機汽蝕性能好壞一樣是針對翼型空蝕而言，其標(biāo)志為空蝕系數(shù)?？瘴g系數(shù)5是水輪機汽蝕特點的一個標(biāo)志，5越大，越容易破壞。葉片上壓力最低點通過研究葉片上的壓力散布情形，取得葉片上壓力最低點(一樣為葉片反面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處)K點的壓力為：ppTT /W2一W2k=a—H—(—k 2-V222gK點的真空值Hkv: V222gK點的真空值Hkv: Hkv kvpp W2—W2a—k=H+(k 2-YYs2gV2c2g靜力真空Hs是吸出高度，取決于水輪機的安裝高程，與水輪機的性能無關(guān)；動力真空hk與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機工況、尾水管性能有關(guān)，因此說明汽蝕性能的只是動力真空c=h/H=—^(W2—W2+耳V2)k2gHk2w26稱水輪機的汽蝕系數(shù)，是動力真空的相對值。6與葉型、工況有關(guān)，Wk大一W2大一5大。6與尾水管的性能有關(guān)，nw]^5]，汽蝕性能差。幾何形狀相似的水輪機，工況相似，5相同；對任一水輪機在既定工況下5也是定值。5值阻礙因素復(fù)雜，理論難以確信，普遍利用的方式是進(jìn)行水輪機模型實驗得出5m,并以為5=5mo二、水輪機的吸出高為了避免空蝕，必需限制K點的壓力，使pK》BTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"厶二p-H-(W2-W2+nV2)=p-H-CHyys2g w2g ys保證水輪機內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件：Pk^PBH<p- -CHsyyV vH二10.0-冊-Q+AC)H或簡化為 H二10.0-亦-kcHs 900 m s 900Cm水輪機吸出高Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點到下游水面的垂直高度Zk,隨工況而改變，規(guī)定如下：立軸混流式水輪機導(dǎo)葉下部底環(huán)平面到下游尾水垂直高度立軸軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片軸線到下游尾水垂直高度臥軸貫流式水輪機Hs葉片出口最高點到下游尾水垂直高度設(shè)計尾水位高于上述高程Hs為負(fù)，反之為正為保證水輪機在運行中不發(fā)生空蝕，對各類工況下Hs進(jìn)行實驗，取其中較小值。三、水輪機的安裝高程