第三章_水轮机的工作原理资料

上冠上端与水轮机主轴相连，下端装有泄水锥。
泄水锥:引导水流平顺地形成轴向流动，减小水力损 失和振动。
轴流式水轮机转轮由轮毂，轮叶，泄水锥组成。
轮毂
轮叶
泄水锥

轮毂 轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。
轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动。
轮叶
泄水锥
轴流定桨式转轮模型 轴流转桨式转轮模型
5、试阐述尾水管有哪些型式及尾水管的作用。直锥形与弯肘形尾 水管的轮廓尺寸如何确定？
HL220－L J－140
XL220－LH－520
ZZ560－LH－250
GD103－WP－275
XJ02—W—60/1×14
CJ22—W—125/1×12.5
水轮机的工作原理
第一节
水轮机的基本方程
第二节
水轮机的能量损失和效率
第三节 水轮机的汽蚀、吸出高度与安装高程
3-1 水轮机的基本方程式
1、水流在转轮中的运动
贯流式
半贯流式
轴伸式
灯泡式 竖井式
2、试说明各型水轮机的特点及其应用范围。
能量转换 反击式 冲击式 势能 （动能） 动能 水流流态 压 力 自由射流 转轮 主要组成部件
蜗壳、导水部件、 有 压 转轮、尾水管 大气压 喷嘴、折流板、 转轮、机壳
水流流经转轮 适用水头 流入 流出 H（M） 混流式 轴流式 斜流式 贯流式 辐向 轴向 斜向 轴向 轴向 轴向 斜向 轴向

（1）复杂的空间非恒定流 （2）恒定流状态
（3）水流运动是空间三元流
（1）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
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。
水轮机在变工况下，水流在水轮机中的流动是
N N e N
N e N N N j Ne N e 9.81(Q q)(H h)
水轮机的总效率
N N Q q H h . . 9.81QH 9.81Q q H h Q H
j v s
j v s
水轮机的最高效率可达90%~96%，在上述三种损失中， 水力损失为主要损失，其中局部撞击和涡流损失所占比重较 大，容积损失、机械损失比重较小。 η根据模型试验得到提高效率的有效方法减小水头损失、 流量损失、机械摩擦。
反击式水轮机所提供给水流的过道并不是等断面的，有宽窄之分，这 就会使水流流速大小不同，进而引起压力低高不同，亦就是造成水轮机内 有高压区和低压区之分，若低压区的压力达到（或低于）该温度下水的汽 化压力时，水就开始局部汽化产生大量汽泡，同时水体中存在的许多眼看 不见的气核体积骤然增大也形成可见气泡，这些气泡随着水流进入高压区 （压力高于汽化力）时，气泡瞬时破灭，由于汽泡中心压力较低，气泡周 围的水质点将以很高的速度向汽泡中心撞击形成巨大的水击压力（可达几 百甚至上千个大气压力），并以很高的频率冲击金属表面，高频率冲击的 结果，使过流流道的金属表面遭到严重破坏。 这种周期性的气泡产生、破灭而破坏水轮机过流金属表面的现象称为 水轮机的汽蚀现象 。
转轮在完成能量转换过程中，水轮机的一些部件之间还存在一定的 摩擦（如密封与轴承之间、转轮外表面与周围水之间），这些摩擦 消耗一定的能量，这部分能量损失为机械损失，用 ΔN 表示。
扣除水力损失、容积损失后水流作用于转轮的效率： Ne 9.81Q qH h 水转轮的轴功率（输出功率）： 机械效率：
，
k点的 真空度
Pa P5 Z 5 r r
Hk Zk
2 k vk2 5v5
该方程只与进、出口速度三角形有关，而与中间水流特征无关。
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。 该方程式为通用方程式，对反击式、冲击式水轮机均适用。
水流在转轮叶片上流动时，由于叶片流道迫使水流 动量矩的改变，而水流的动量矩改变又反作用于转 轮的叶片上，驱动转轮旋转形成了转轮的机械能， 这就是水轮机的工作原理。
H h 100 % 水力效率： s H
水力损失与水流流速，过流部件的形状、粗糙率有关。
水力损失
2. 容积损失及容积效率（流量效率） 进入水轮机的水流，有一部分流量会从这些间隙中漏掉， 不对转轮做功，这样就会造成一部分能量损失，此损失称
为容积损失。
Qq 容积效率 V Q
3.机械损失和机械效率
a
叶型汽蚀
2、间隙汽蚀——水流通过狭小的流道与间隙时流速变大，从而引起压力 降低而产生负压，此处产生的汽蚀。 如轴流式转轮与转轮室之间、导水叶端面间隙、转轮止漏装置、冲击式 水轮机喷嘴内腔、针阀表面等部位。
3、空腔汽蚀——反击式水轮机偏离最优工况时，水轮机出口流速则产生 一圆周分量使水流在转轮出口处产生脱流和旋涡形成一大空腔，在中心产生 很大真空，形成空腔汽蚀。
空腔汽蚀多发生在尾水管中，使尾水管壁破坏，且有强烈的噪音和振动。
4. 局部汽蚀：水轮机过流部件局部凸凹不平时，也会引起局部真空形成局部气蚀。
四、水轮机汽蚀的防护
叶型汽蚀 间隙汽蚀 空腔汽蚀
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。
局部汽蚀
1、水轮机设计制造方面 合理设计叶片形状、数目使叶片具有平滑流线；尽可能使叶片背面 压力分布均匀，减小低压区；提高加工工艺水平，减小叶片表面粗糙度。 采用耐气蚀性较好的材料，如不锈钢。 2、工程措施方面 合理确定水轮机安装高程，使转轮出口处压力高于汽化压力，多沙 河流上设除沙措施，防止粗粒径泥沙进入水轮机造成过多压力下降。 3、运行方面 避免在易于产生汽蚀的工况下运行，出现真空低压区时补气增压，及时对 产生汽蚀破坏的部件进行维护。
机
壳
作用：把水斗排出的水引入尾水槽中排向下游
4、试说明混流式水轮机转轮及轴流式水轮机转轮的构造及各组成 部分的作用。
混流式水轮机的转轮由上冠、下环、叶片组成。
转轮叶片均布在上冠与下环之间，轮叶上端固定于转轮上冠， 下端固定于转轮下环。轮叶呈扭曲形，各轮叶间形成狭窄的流道。 一般轮叶的数目为12~20片。
（3）水流运动是空间三元流
水流运动规律用速度三角形表达
V U W
—— V 水流绝对流速（相对于地球） —— U 水流随转轮旋转牵连流速
W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 。
U
U
水流运动的速度三角形:
V U W
W
—— V 转轮室中水流的运动，绝对流速; —— U 水流随转轮的旋转而产生的转动，牵连流速; —— W水流沿叶片流道的流动，相对流速;
喷嘴:将水流压能变为动能，形成射流并
以一定方向冲击转轮，使转轮旋转，完成
能量转换。
针阀:调节进水流量，以调节水轮机出力。 转 轮 (核 心)
作用:将射流动能转变为旋转机械能。
折 流 板
当机组突然丢弃全部负荷时，折流板先转动，在 1~2s内使射流部分全部偏向，不冲击转轮，此时针阀 可在5~10s或更长时间内缓慢关闭，减小水锤压力。
五、水轮机的汽蚀系数
K 点
水轮机中产生汽蚀的根本原因是过流通道中出现了低于当时水温的 汽化压力的压力值。要避免汽蚀产生，只需使最低压力不低于当时水温 下的汽化压力。
水轮机中最易产生的汽 蚀为叶型汽蚀，即在叶片背 面的k点最易产生汽蚀，如 图，在此部位产生的汽蚀对 水轮机效率和水轮机性能影 响最大，故衡量水轮机汽蚀 性能好坏，一般是对k点的 压力值高于汽化压力就可避 免汽蚀产生。
（假定转轮流道不动） （假定水流进入转轮后不动）
用速度角形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。
绝对速度V

圆周速度Vu
轴面速度Vm
相对速度 W

牵连速度U
vu vcos
vm vsin
方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。
u1Vu1 u 2Vu 2 v1 cos1u1 v2 cos 2 u 2 H g g
导水机构
作用： 根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改 变出力，引导水流按切向进入转轮，形成速度矩。
转
尾水管的作用：
轮
作用： 水能转变为机械能
①将通过水轮机的水流泄向下游； ②能利用转轮出口与下游水位之间的势能； ③回收利用转轮出口的大部分动能。
冲击式水轮机
主要组成部件：
(1) 喷嘴
(2) 折流板 (3) 转轮 (4) 机壳
3.2 水轮机的效率(efficiency)
水轮机的能量损失导致N<Ns ，效率<1。能量损失主要包括水力损失、 容积损失、机械损失三部分，相应地效率由水力效率、容积效率、机械效 率组成。
1.水力损失(head loss)及水力效率
水流经过蜗壳、导水机构、转轮及尾水管等过流部件时产生水力摩擦、 撞击、涡流、脱壁，尾水管出口引起能量损失。
尾水管的形式：直锥型、弯管直锥形、弯曲型。
直锥型尺寸确定从以下几个参数考虑：
弯曲型尾水管
①尾水管进口直径D3
②圆锥角θ ③尾水管管长L ④尾水管出口直径D5 ⑤尾水室的尺寸
1、圆锥段 2、弯管段（肘管） 3、水平扩散段
wenku.baidu.com
6、水轮机引水室有哪几种类型？
为适应不同条件，水轮机的引水室有开敞式与封闭式两大类。 （1）开敞式（明槽式） （2）封闭式 ①压力槽式和罐式 ②蜗壳式
二、汽蚀的危害
1.降低低水轮机效率，减小出力。汽泡的产生破坏了水流的连续性，水 流质点相互撞击消耗部分能量从而增大了水力损失，使水轮机效率降低， 出力减小。 2.破坏水轮机过流部件，影响机组寿命。汽蚀产生，使金属表面失去光泽， 产生麻点，蜂窝，严重时轮叶上产生孔洞或大面积剥落。 3.产生强烈的噪音和振动，恶化工作环境，从而影响水轮机的安全稳定。
单机容量 KW
适用电站 广泛 低水头大流 量河床式 抽水蓄能 河床式 潮汐式
30~700 几十~几十万 3~88 40~200 2~30 几~几万 几十~几十万
射流特点 适用水头H（M） 适用电站
切击式 切线方向 斜击式 侧面 40~2000 50~400 广泛 小型
双击式 二次冲击
6~150
小型
静力真空 ——转轮出口到下游水 面间距离，取决于水轮机的安装高 程，与水轮机的性能无关。
动力真空，与转轮 叶型、水轮机工况、 尾水管性能有关。
k点压力值求解可通过以下游水面为基准面列转轮出口断面K（近似于尾水管 进口）和尾水管出口断面5-5的能量方程来实现。
2 2 Pk k vk P5 5 v5 Zk Z 5 hk 5 r 2g r 2g
非恒定流。
（2）恒定流状态
水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、
η 不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶 及尾水管中的流动是恒定流。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。
水轮机在稳定工况 (H、Q、n不变)下，水流
在水轮机的蜗壳、导水机构及尾水管中的流动 是恒定流。水流在转轮内的流动相对于转轮旋 转坐标而言，是相对恒定流。
水轮机的工作原理
1、水轮机根据能量转换特征分为哪几类?反 击式水轮机及冲击式水轮机又是如何分类的 ? 根据水流流经转轮的方式不同分

根据水能转 换的特征分 反击式 水轮机
混流式
轴流式 斜流式 贯流定浆式 贯流式 贯流转浆式 水斗式（切击式） 冲击式 斜击式 双击式 轴流定浆式 轴流转浆式

全贯流式
3、各型水轮机各个部件、构造及各部件的作用是什么？
反击式水轮机
主要组成部件：
(1) 引水部件—蜗壳 (2) 导水部件—导水机构 （导叶及控制设备) (3) 工作部件—转轮（核心) (4) 泄水部件—尾水管

作用：使水流产生圆周运动，并引导水流 均匀地、轴对称地进入水轮机。
蜗
壳
座
环
作用：水轮机的骨架，承受机墩及传来的荷载， 并传到下部基础；支承活动导叶。
汽蚀破坏是机械、化学、电化学作用的共同结果，其中机械 破坏为主。
三、汽蚀类型
1、叶型汽蚀——发生在水轮机转轮叶片上的汽蚀。是反击式水轮机的主 要汽蚀形式，主要是由于叶片的几何形状造成的汽蚀。 反击式水轮机的轮叶为扭曲形，水流流经转轮时，一般叶片正面为 正压，背面为负压，靠近流道出口处的压力最低——压力最低点，此 处最易产生汽蚀。