2025年水輪機工程師考試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.混流式水輪機的比轉(zhuǎn)速范圍通常為（）A.50-150B.150-300C.300-500D.500-700答案：B2.水輪機空化系數(shù)σ的計算公式中，與（）無關(guān)A.下游尾水位B.轉(zhuǎn)輪葉片背面最低壓力點壓力C.當(dāng)?shù)卮髿鈮毫.水輪機設(shè)計流量答案：D3.軸流式水輪機的導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化的核心目標(biāo)是（）A.提高最高效率B.擴大高效區(qū)范圍C.降低制造成本D.減少轉(zhuǎn)輪重量答案：B4.水輪機模型試驗中，相似準(zhǔn)則要求滿足（）A.雷諾數(shù)相等B.弗勞德數(shù)相等C.歐拉數(shù)相等D.韋伯?dāng)?shù)相等答案：C5.蝸殼水力設(shè)計中，“包角”指的是（）A.蝸殼進口斷面中心角B.蝸殼斷面逐漸縮小的角度C.水流在蝸殼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度D.導(dǎo)葉最大開度時的覆蓋角度答案：A6.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，電液轉(zhuǎn)換器的主要功能是（）A.將機械位移信號轉(zhuǎn)換為電信號B.將電信號轉(zhuǎn)換為液壓信號C.調(diào)節(jié)導(dǎo)葉接力器行程D.監(jiān)測轉(zhuǎn)速偏差答案：B7.水輪機轉(zhuǎn)輪葉片采用不銹鋼材料的主要原因是（）A.降低成本B.提高強度C.增強抗空蝕能力D.便于焊接答案：C8.低水頭電站（H≤30m）優(yōu)先選用的水輪機類型是（）A.混流式B.軸流轉(zhuǎn)槳式C.沖擊式D.斜流式答案：B9.水輪機效率修正的主要依據(jù)是（）A.模型與原型的尺寸差異B.運行水頭波動C.水質(zhì)含沙量D.導(dǎo)葉磨損程度答案：A10.水輪機甩負荷過渡過程中，最大壓力上升發(fā)生在（）A.導(dǎo)葉關(guān)閉初期B.導(dǎo)葉關(guān)閉中期C.導(dǎo)葉關(guān)閉末期D.導(dǎo)葉全關(guān)后答案：C二、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述水輪機空化的三種主要類型及其危害。答案：水輪機空化主要分為三類：①翼型空化（葉片背面低壓區(qū)氣泡提供），導(dǎo)致葉片表面剝蝕、效率下降；②間隙空化（導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪間隙高速水流減壓），引發(fā)局部材料破壞；③空腔空化（轉(zhuǎn)輪出口低壓區(qū)形成大團氣泡），造成壓力脈動和機組振動。危害包括材料損傷、效率降低、振動加劇，嚴(yán)重時影響機組安全運行。2.說明水輪機導(dǎo)水機構(gòu)的組成及主要功能。答案：導(dǎo)水機構(gòu)由固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、導(dǎo)葉臂、控制環(huán)、接力器等組成。功能包括：①調(diào)節(jié)進入轉(zhuǎn)輪的流量，控制水輪機出力；②引導(dǎo)水流以最優(yōu)角度進入轉(zhuǎn)輪，提高能量轉(zhuǎn)換效率；③在事故狀態(tài)下快速關(guān)閉，防止機組飛逸。3.模型水輪機效率試驗的主要步驟及關(guān)鍵參數(shù)測量方法。答案：步驟：①模型安裝與系統(tǒng)調(diào)試；②在不同導(dǎo)葉開度下調(diào)節(jié)流量、水頭至穩(wěn)定；③測量輸入功率（扭矩儀測軸扭矩×轉(zhuǎn)速）、輸出水功率（流量×水頭×重力加速度）；④計算效率并繪制綜合特性曲線。關(guān)鍵參數(shù)測量：流量用電磁流量計或量水堰，水頭用差壓變送器，轉(zhuǎn)速用光電傳感器，扭矩用應(yīng)變式扭矩儀。4.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成及各部分作用。答案：組成包括轉(zhuǎn)速測量裝置（磁阻傳感器，監(jiān)測機組轉(zhuǎn)速）、調(diào)節(jié)控制器（PLC或微機，計算轉(zhuǎn)速偏差）、電液轉(zhuǎn)換裝置（伺服閥，將電信號轉(zhuǎn)為液壓信號）、執(zhí)行機構(gòu)（接力器，驅(qū)動導(dǎo)葉動作）、反饋裝置（位移傳感器，監(jiān)測導(dǎo)葉開度）。各部分協(xié)同工作，通過PID控制算法調(diào)整導(dǎo)葉開度，維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。5.水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋的常見原因及處理措施。答案：原因：①交變應(yīng)力（水流脈動、機械振動）導(dǎo)致疲勞裂紋；②焊接缺陷（未熔合、夾渣）引發(fā)應(yīng)力集中；③材料性能不足（強度或韌性不夠）；④空蝕磨損削弱材料承載能力。處理措施：表面探傷（磁粉/超聲波）確定裂紋位置；打磨去除裂紋并開坡口；采用不銹鋼焊條補焊，控制層間溫度；焊后熱處理消除應(yīng)力；加工修型后做動平衡測試。三、計算題（每題10分，共30分）1.某混流式水輪機設(shè)計參數(shù)：凈水頭H=120m，流量Q=50m3/s，效率η=92%，求水輪機輸出功率（g取9.81m/s2）。答案：水功率P_w=ρgQH=1000×9.81×50×120=58,860,000W=58.86MW；輸出功率P=P_w×η=58.86×0.92≈54.15MW。2.模型水輪機（比尺λ=1:20）在H_m=10m時，流量Q_m=0.5m3/s，效率η_m=88%，求原型水輪機在H_p=160m時的流量及效率（效率修正系數(shù)取Δη=1.5%）。答案：根據(jù)相似律，流量比Q_p/Q_m=λ^(5/2)×√(H_p/H_m)，λ=20，故Q_p=0.5×20^(5/2)×√(160/10)=0.5×(202×√20)×4=0.5×400×4.472×4≈3577.6m3/s；原型效率η_p=η_m+Δη=88%+1.5%=89.5%。3.設(shè)計一金屬蝸殼，進口斷面流速v=8m/s，設(shè)計流量Q=600m3/s，蝸殼包角θ=340°，求進口斷面面積A及直徑D（斷面為圓形）。答案：進口斷面面積A=Q/(v×θ/360)=600/(8×340/360)=600/(8×0.944)=600/7.55≈79.5m2；圓形斷面直徑D=√(4A/π)=√(4×79.5/3.14)≈√101.5≈10.07m。四、綜合分析題（每題15分，共30分）1.某水電站原設(shè)計水頭范圍為80-120m，現(xiàn)因上游水庫擴容，水頭提升至100-150m，需對水輪機進行增容改造。請分析改造時水輪機選型的關(guān)鍵考慮因素，并提出選型建議。答案：關(guān)鍵因素：①原有機組安裝尺寸限制（蝸殼、尾水管、機坑尺寸）；②新水頭范圍下的比轉(zhuǎn)速匹配（原混流式可能比轉(zhuǎn)速偏低，需提高效率）；③空化性能（水頭升高，轉(zhuǎn)輪進口流速增加，需優(yōu)化葉片型線降低低壓區(qū)）；④過渡過程穩(wěn)定性（水頭變幅大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)需升級）；⑤與發(fā)電機匹配（轉(zhuǎn)速是否需調(diào)整，避免共振）。選型建議：若原機型為混流式（原比轉(zhuǎn)速約150-250），新水頭范圍平均提高25%，建議采用更高比轉(zhuǎn)速的混流式轉(zhuǎn)輪（比轉(zhuǎn)速提升至200-300），優(yōu)化葉片進口角和出口角，采用抗空蝕不銹鋼材料；若原機組尺寸允許，可考慮更換轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機構(gòu)，同時升級調(diào)速器為數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，擴大高效區(qū)范圍。2.某軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機運行中出現(xiàn)振動值超標(biāo)（垂直振動0.2mm，標(biāo)準(zhǔn)≤0.1mm），請列出可能的原因及排查步驟。答案：可能原因：①水力因素：轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)關(guān)系失調(diào)（水流沖擊）、尾水管渦帶（低負荷區(qū)）、轉(zhuǎn)輪空化（局部壓力脈動）；②機械因素：轉(zhuǎn)輪動不平衡（葉片磨損或結(jié)垢）、軸承間隙過大（導(dǎo)軸承或推力軸承）、主軸彎曲；③電氣因素：發(fā)電機轉(zhuǎn)子動不平衡、電磁拉力不均（氣隙不均）。排查步驟：①監(jiān)測振動頻率：若頻率為轉(zhuǎn)頻（f=轉(zhuǎn)速/60），可能是機械不平衡；若為葉頻（f=導(dǎo)葉數(shù)×轉(zhuǎn)速/60），可能是水力沖擊；若為低頻（0.2-0.4倍轉(zhuǎn)頻），可能是尾水管渦帶。②檢查協(xié)聯(lián)關(guān)系：對比設(shè)計協(xié)聯(lián)曲線，測試不同開度下振動值，確認是否存在協(xié)聯(lián)偏差。③空化檢查：觀察尾水氣泡情況，測量空化系