水泵、水轮机讲义

第一章

概述

1．基本概念

（1）什么叫水轮机？

答：将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机。 （2）冲击式水轮机与反击式水轮机的区别。 答：工作原理方面：

利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机；利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机。

流动特征方面：

反击式水轮机转轮流道有压、封闭、全周进水；冲击式水轮机转轮流道无压、开放、部分进水。

结构特征方面也显著不同。如转轮的差别，有无喷嘴、尾水管。 （3）反击式水轮机的过流部件及其作用

引水室：作用是引水流进入导水机构。

导水机构：作用是调节水轮机过流量，并使水流能按一定方向进入转轮。 转轮：将水流能量转换为固体旋转机械能量的部件。

尾水管：作用是将水流排下下游，并回收转轮出口的剩余动能。 （4）冲击式水轮机的主要部件

喷嘴：水轮机自由射流的形成装置。

喷针：与喷嘴共同完成流量控制（以行程变化喷嘴控制喷嘴出口过流面积）。 转轮：由轮盘和轮盘外周均匀排列的水斗构成的组件，转换水流能量为固体旋转

机械能。

折向器：自由射流流程内部件，可遮断射流，以防止转轮飞逸。 （5）我国关于水轮机标准直径的定义

混流式：转轮叶片进水边上最大直径。 浆叶式（轴流式、斜流式、贯流式）：浆叶转动轴线与转轮室相交处直径。 冲击式：射流中心线与转轮相切处节圆直径。 （6）水轮机工作参数

工作水头H ：水轮机的进口和出口处单位重量水流的能量差值。 流量Q ：单位时间内通过水轮机的水流体积。 转速n ：水轮机转轮单位时间内旋转的次数。 出力P ：水轮机轴端输出的功率。

效率η：水轮机的输入与输出功率之比。

2．基本计算

（1）水电站的毛水头g H ：

d

u g Z Z H －=

其中：u Z ，d Z 分别为电站上、下游水位高度。

（2）水电站的工作水头H ：

理论表达式：

)

2()2(2

211g v p Z g v p Z H ∏

∏∏∏I I ++-++=αγαγ

式中参量见装置示意图。

测量与计算：

因为如示意图所示，I -I 断面为距出口断面一定距离的下游断面

γαγa

p Z g v p Z +≈++I ∏

∏∏∏22

，工作水头测量计算可如下进行。

∏I Z Z , —— 高程测量

)

(98102O H m p p ⋅=

I

I

γ，I p 为进口断面压力表读数（a p ）

)

/(42s m d Q

v ⋅=I π，Q 为过流量，d 为进口断面内径。

另，当已知引水系统损失h ∆的情形下，水轮机工作水头可用下式计算

h

H H g ∆-=

例：上游水库水位m Z u 2.88=，尾水位m Z d 2.44=，m h 0.2=∆，则

)(4222.442.88m H =--=

第二章 水轮机的工作原理

1.基本概念

（1） 水轮机中水流运动的分解

水轮机流道内水流空间运动，可用若干个简单运动表示的方法就是其水流运动的分解。

例如转轮中水流运动

u w v +=

其中，v 为水流质点绝对运动（或绝对速度），w

为水流质点沿叶片的相对运动（或

相对速度），u

为水流质点随转轮所用的周向牵连运动（或牵连速度）。其相应的矢量关系

图即为速度三角形：

常用的水流运动的分解方法还有： u m v v v += u r z v v v v ++=

z

y x v v v v ++=

（2）水轮机工况的概念

水轮机的运行状态或运行条件称为水轮机的工况。水轮机的不同工况相应一组不同的工作参数。

（3）无撞击进口与法向出口

无撞击进口指转轮进口水流相对速度方向与转轮进口叶片骨线切线方向一致的工况条件。

法向出口指转轮出口水流绝对速度的方向是法向的，即出口水流绝对速度的圆周分量02=u v 。

无撞击进口相应转轮进口水力损失最小，法向出口最有利尾水管动能回收效率，所以无撞击进口、法向出口是水轮机最优工况的理论条件。

2．基本理论

u

w v

（1）水轮机基本方程式

导出的基本理论依据是水流动量矩方程。通过分析转轮的水流动量矩变化，也即水流所长对同一轴的力矩，确定水流作用于转轮的总力矩，再列出该总力矩对转轮的有效功率（MW ）与水流传递给转轮的有效功率(h QH ηγ)得到水轮机基本方程式。

基本方程式的几种常用形式：

)

(1

2211u v u v g H u u h -=η )

cos cos (1

222111ααηv u v u g H h -= )

(221C C g H h -=πω

η

基本方程式的基本意义：

基本方程式本质上是水能与其所转变的固体能量间的能量平衡式，左边是转轮从单位重量水流所获得的机械能，右边是相应的水流运动条件；基本方程式指出水能转变成固体旋转机械能的必要条件是转轮进、出口必须存在水流速度矩（或环量）的差；基本方程式表明，要提供上述转换的必要条件,以至保证能量转换的成效，转轮叶片流道的形状（迫使水流速度矩变化）是决定性的因素。 （2）变工况时水轮机效率下降的原因

无撞击进口和法向出口水流条件是水轮机最优工况的理论条件，而变工况时，如工作水头变化或导水叶开度变化，即偏离最优工况条件，将在转轮进口形成水流撞击损失（1w 方向与叶片进口骨线切线方向不一致），以及在转轮出口形成出口环流，而相应尾水管动能损失增大。

（3）转浆式水轮机效率宽广的原因

转浆式水轮机的转轮叶片可随工况变化自动改变角度，如此，其可当工 况变化时，变化转轮叶片角度，最大限度的接近无撞击进口和法向出口条件，故可在较大工况范围内取得较高效率。

3．基本计算

（1）转轮进、出口水流速度三角形

进口速度三角形应用三个参量：

601Dn

u π=

11

F Q v m =

01αα≈（中、高比转速水轮机用

01cot απD b Q

v u =

）

式中，D ——计算点所在圆周直径，n ——水轮机转速，Q ——水轮机过流量，1

F ——关于1m v

的过水断面面积，0α——导水叶出口角，0b ——导水叶高度。

出口边速度三角形应用三个参量：

602Dn

u π=

22

F Q v m =

22b ββ≈

式中，D 、n 、Q 同上，2F ——关于2m v 的进水断面面积，2b β——叶片出口边安放角。

（2）基本方程式的应用

例题：已知某混流式水轮机转轮进口处s m u /4.521=，s m v u /7.471=转轮出口处