水力机械基本知识

水力机械基本知识

（混流式、轴流式、可逆式及水泵）

一、水力机械简介

液体通过水力机械其本身能量获得增加的称为水力工作机（各类型泵）；液体通过水力机械其本身能量减少的称为水力原动机（各类型水轮机）；液体通过水力机械其本身能量既无增加又无减少的称为液力传动机。我们工作范围主要是各种水轮机、混流泵及水泵水轮机。

到目前为止我们国内水力发电机组常用机型有以下几种：

混流式水轮机：应用水头范围从四十多、五十米水头左右到五百米左右，五十米到三、四百米水头段，我们的水平已经和国外先进水平相近，具有同等的竞争实力，但是在四百多到五百米左右水头段我们现在还没有好的转轮，还有待于我们进一步努力，开发出高水平的转轮。

轴流式水轮机：应用水头从十几米到四十多米左右，我们水平和国外相比还有很大差距，现在我们正在努力，根据我们最近几年研究发现，差距形成的原因不在水力设计而是在模型试验，模型加工方面，我们的间隙要比国外大很多，这是我们效率低的主要原因，之所以间隙大是我们的静压轴成摆动大，另外我们试验台为水不能加压，做周六试验时空化系数小，转轮可能局部发生空化影响效率。

贯流式水轮机：应用水头从几米到十几米，我们到现在已经研制了一套装置正在进行试验，还要摸索、积累经验。

冲击式水轮机：应用水头在五百米以上，最高已经达到一千多米，我们现在虽然做过几次模型试验但还没有真正自己开发的转轮，没有进行自主研发。

可逆式水泵水轮机：我们现在接触的都是混流式水泵水轮机，应用水头在一百米以上，与冲击式水轮机相似，也是做过几次模型试验，虽然尝试过自主开发，但效果不理想，现在通过打捆招标有所进步，已经开始自行设计研究。

混流泵：只针对哈三电厂冷却泵进行过改造效果很好。

核电站循环泵：还没有开展工作

核潜艇循环泵：还没有开展工作

在水力机械术语中经常用到如下参数：

1、水头或扬程H：水力机械进、出口断面处介质单位机械能（每单位重量的介质（如水）的机械能e=p/γ+z+v2/(2g)）之差。水轮机中称为水头，指单位重

量的液体流过水轮机后，机械能的减值，H=H

st －Δh

t

；水泵中称为扬程，指单位

重量的液体流过水泵后，机械能的增值，H=H

st ＋Δh

p

。式中：H

st

是电站上下游水

位差，Δh

t 是水轮机引水管路水力损失，Δh

p

是泵下池至入口及出口至上池管路

水力损失之和。（可应用伯努利方程推导，非常简单。）

在模型试验中水头指进出口测量断面的压力差也称为静水头，动水头是根据流量计算出来的。

2、流量Q：单位时间内流过一既定过流断面的水流体积（m3/s）。既定过流断面对于水轮机是指转轮进口断面；对于水泵是指转轮出口断面。由此可见水轮机流量指总流量，水泵流量指有效流量。

3、转速n：水力机械转轮旋转速度。（r/min），水轮机有n＝f×60/P，f为电网频率，P为发电机磁极对数。

4、轴功率N：水力机械轴单位时间内消耗或输出的机械能（w、kw）。对水轮机而言又称为输出功率，对水泵而言又称为输入功率。

5、液体功率N

t 与N

p

：水流单位时间对水轮机付出的机械能N

t

或由水泵获得

的机械能N

p

（w、kw）。对水轮机而言又称为输入功率，对水泵而言又称为输出功率。

N t ＝N

p

＝ρ×g×Q×H＝9.81×Q×H（w）＝9.81×Q×H/1000.（kw）。

6、效率η：η

t ＝N/ N

t

或η

p

＝N

p

/N。效率由三部分组成：水头损失、容积

损失（水泵和水轮机不同）和机械损失。η＝η

h ×η

q

×η

m

7、力矩T：水力机械轴上的扭矩。（N.m）和轴功率之间有如下关系：

N＝T×ω＝T×2×π×n/60

压力脉动、空化系数、吸出高度、安装高程以及单位参数等在以后的篇幅中会有介绍。

现在新版IEC标准对水轮机中的概念、参数作了详尽的定义和解释，请参阅。

二、水力机械基本原理

1、引水部件

引水部件包括蜗壳和固定导叶，蜗壳使水流形成环量，设计时经常采用环量VuR＝常数或切向速度Vu＝常数。固定导叶只起支撑作用。水泵原理相同。

2、导水部件

导水部件起调整环量及调节流量的作用。流量调节方程推导如下：

转轮进口速度矩：V

1u R

1

=V

0u

R

=V

0r

×R

×ctgα

=Q/（2πb

）×ctgα

转轮出口速度矩：V

2u R

2

=U

2

R

2

－V

2m

×R

2

×ctgβ

2e

＝R

2

2ω－Q/A

2

×R

2

×ctgβ

2e

代入水轮机基本方程式，并解出流量Q得到流量调节方程：

Q=（R

22ω＋η

h

gH/ω）/( ctgα

/（2πb

）＋R

2

/ A

2

×ctgβ

2e

)

对于水泵一般情况没有导水机构。

3、转轮

转轮起能量转换作用，水流作用在转轮叶片上的力矩为：

M＝∫ρdQ（V

1u R

1

－V

2u

R

2

）＝ρQ（V

1u

R

1

－V

2u

R

2

），它与转速乘积应该等于水力

机械的轴功率，对水泵与水轮机来说，轴功率表示公式不同，故有：

水轮机转轮功率为：N=ρgQHη

h 由N=Mω得出ρgQHη

h

＝ρQ（V

1u

R

1

－V

2u

R

2

）ω，故：

水轮机基本方程为：H＝（V

1u R

1

－V

2u

R

2

）ω/（gη

h

）

水泵转轮功率为：N=ρgQH/η

h 由N=Mω得出ρgQH/η

h

＝ρQ（V

1u

R

1

－V

2u

R

2

）ω，故：

水泵基本方程为：H＝η

h （V

1u

R

1

－V

2u

R

2

）ω/g

转轮叶片进出口速度三角形如下所示：图中所示为（进口处导叶开度不变，故绝对来流方向不变；出口处叶片安放角不变，故相对速度方向不变；进出口处的牵连速度也不变）当水头、或流量变化时，进口相对速度大小、方向，出口绝对速度大小、方向的变化情况。在模型试验中也可以观测到流态的变化，具体可分以下几种情形：

3.1 小流量叶片靠上冠处头部脱流—叶道涡

小流量时叶片头部上冠处脱流现象我们可以通过内窥镜直接从进口看到，也能从出口看到，仍然以图2-1中为例，牵连速度不变，绝对速度方向不变，当水头较高时绝对速度大，相对速度与牵连速度夹角较大，叶片背面产生脱流；当