1、,水 力 机 械,水 利 学 院 2007年12月,绪 论,水力机械,绪 论 本章要点： 了解水力发电在能源开发中的作用； 了解世界水力发电的发展； 了解我国水电建设的现状和发展； 了解水电站的类型及组成建筑物，从体系上掌握本 课程的主要内容和学习方法，建立学习的基本框架。,第一章 绪论,水力机械,一、什么是水能资源(hydropower resources) 蕴藏于河川和海洋水体中,以位能、压能和动能等形式存在于水体中的能量资源，统称为水能。广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能和海洋热能资源；狭义的水能资源指河流水能资源。,绪论,水力机械,二、我国的水能资源中国地势西高东低，主要河流
2、发源于世界屋脊的青藏高原，奔流入海，蕴藏着得天独厚的水能资源。 中国到底有多少水电资源可以开发 理论蕴藏容量为6.944亿千瓦； 技术可开发的容量为3.78亿千瓦， 列世界之冠 截至2004年9月，我国水电装机容量突破了1亿千瓦，但开发率仅24左右，远低于发达国家5070。因此，相当长时期内，我国水力资源开发潜力巨大,!,!,?,中国地势图,(1) 总量十分丰富，而人均资源量并不富裕,水能资源：实际可开发量近378532MW、19233亿kWh左右，居世界第一位。 电 量 计：约占世界总量的15% 人 口： 占世界的21%注：实际可开发水能资源：由于受水量、落差、地形、地质、土地淹没、移民、政
3、治、经济、交通、施工技术等因素的制约，一条河流的水能蕴藏量不能完全开发，只能开发其中的一部分。,(2) 地区分布极不均衡，与经济发展现状不匹配,(3) 总开发率很低，东西开发差异极大,全国平均开发率按电量算仅9.12%，位居世界第83位，排在很多发展中国家如印度、越南、泰国、巴西、埃及等国家之后，与中国是发展中大国的位置极不相称。 东部，已开发70%以上 西部，开发率仅7.5% 从长远看，能输出水电的主要是云、川、青、藏四省(自治区)从河流看，能输出电能的主要是金沙江、雅鲁藏布江、雅砻江、澜沧江、怒江和黄河上游青海段。近期长江干流、乌江、红水河(含上游)均可视情况适量外送。,绪论,水力机械,三
4、、水能利用 利用水能转变为机械能作动力： 水能利用的基本措施是集中水头、 调解径流，安装水力机械或水力发 电装置，把水能转变为机械能或电能。水力发电(hydropower) 在河流或沿 利用水能舂米 、海的适当地点建设水力发电站、潮汐应用水能灌溉、电站或波浪能电站，将水能转变为机械能，并将机械能转变为电能。,舀水灌溉水轮,灌溉水车,绪论,水力机械,绪论,水力机械,（一）水力发电的优越性：,（1）可再生能源； （2）清洁能源； （3）发电效率高； （4）操作灵活； （5）生产成本低廉； （6）发挥水资源的综合利用,绪论,水力机械,（二）水力发电存在的问题,1. 生态影响； 2. 淹没损失大，移民
5、多； 3. 投资大，施工难，工期长,水能 旋转机械能 电能 用户,绪论,水力机械,（三）水力发电的基本原理,通常采取集中水头（如建坝）和 调节径流等措施，把天然水流中蕴 有的位能和动能经水轮机转换为机 械能，再通过发电机转换为电能， 最后经输变电设施送入电能电力 系统或直接供电给用户。,水轮机,发电机,输电线路,绪论,水力机械,（五）水力发电的形式,1.利用河川径流水能发电的为常规水电；2.利用海洋潮汐能发电的为潮汐发电；3.利用波浪能发电的为波浪发电；4.利用电力系统低谷负荷时的剩余电力抽水蓄能，高峰负荷时放水发电的为抽水蓄能发电。,绪论,水力机械,波浪能电站,常规水电站,抽水蓄能电站,潮汐
6、能电站,第一章 绪论,水力机械,四、中国水电发展,（一）最大的电站 目前世界上已完建的最大的水电站是伊泰普电站，18台发电机组，总装机容量1260万千瓦，年发电量750亿度 中国即将建成的三峡26台单机容量为70万kW机组，总容量为1820万kW、年平均发电量847亿kWh,伊泰普水电站,三峡水电站,绪论,水力机械,（三）发展目标及发展思路,1. “十一五” 到2020年的发展目标 2010年底，装机容量达1.25亿KW，占电力总装机容量的24%，水电开发程度达40% 2020年底，装机容量达2.7亿KW，占电力总装机容量的27%，水电开发程度达68% 2.发展思路 连续开发河流梯级水电站和分
7、片集中建设水电站群 根据具体条件，因地制宜，大中小型并举，高中低水头并举,2005年1-12月中国水电发电量累计为36,768,802.61万kWh 。7月份单月水电发电量最高，达4,049,852.09万kWh ，比上年同期增长25.68。 2006年1-12月中国水电发电量累计为37,831,820.68万kWh，比上年同期增长了3.5；其中单月发电量较高的月份是6月、7月和8月，6月水电发电量为4,365,807.80万kWh ，比上年同期增长了10.41；8月水电发电量为3,746,866.19万kWh ，比上年同期减少了4.04。 2007年1-10月中国水电发电量累计为37,347
8、,214.47万kWh ，比上年同期增长了16.01。8月份的发电量最高，为5,272,918.08万kWh ，比上年同期增长了40.64%。,本章重点：水轮机的主要类型及基本构造。 本章难点：水轮机的基本构造。 应注意的问题：反击式、冲击式水轮机的划分原则。,第一章,水力机械,第一章 水轮机的主要类型及构造,水轮机的工作参数、水轮机的主要类型、水轮机的基本构造以及水轮机的型号及标称直径。,本章主要内容：,第一章,水力机械,第一节 水轮机的主要参数Parameters of water turbine,水轮发电机组装置原理图,反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。由水能出力公
9、式: N=9.81QH 可知，其基本参数包括工作水头H、流量Q、出力N、效率，此外还有工作力矩M、机组转速n。1.毛水头(nominal productive head) HM=EU-ED=ZU-ZD2.水轮机的工作水头毛水头 - 水头损失=净水头HG=EA- EB=HM - hI-A,第一章,3. 特征水头（ characteristic head）水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变，常用的几个特征水头： （1）最大水头Hmax：允许水轮机运行的最大净水头。它对水轮机结构的强度设计有决性的影响。 Hmax=Z正-Z下min-hI-A（2）最小水头Hmin ，是保证水轮机安全、稳定运
10、行的最小净水头。 Hmin=Z死-Z下max-hI-A （3）加权平均水头Hav ：在一定期间内（视水库调节性能而定），所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。Hav =Z上av-Z下av（4）设计水头Hr，是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。,第一章,二、流量Q（discharge）水轮机的流量是单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，常用符号Q表示，常用的单位为m3/s。 Q随H、N的变化而变化，当H=Hr、N=N额时，Q为最大 在Hr、nr、Nr 运行时 Qr 三、转速n（speed）水轮机的转速是水轮机转轮在单位时间内的旋转的次数，常用
11、符号n表示，常用单位为r/min。对于大中型水轮发电机组，水轮机主轴和发电机主轴直接联接（用法兰河螺栓直接刚性连接），因此，水轮机转速与发电机的标准同步转速相同。,第一章,四、出力与效率（ output and efficiency ）水轮机出力是水轮机轴端输出的功率，常用符号P表示，常用单位kW。水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量，即水流的出力，常用符号Pn表示，则水轮机的输入和输出功率之比称为水轮机的效率。,第一章,第一章,水力机械,根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机冲击式水轮机,第二节 水轮机的主要类型及构造,一、反击式水轮机 (reacti
12、on water turbine) 定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为反击式水轮机。 特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都由水流通过，即水流充满转轮室。 原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，因此动量也发生了改变，水流产生反作用力，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。,第一章,(一) 类型 1. 混流式水轮机 ：水流径向流入转轮，轴向流出,适用水头范围30700m，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。,如：刘家峡水电站龙羊峡水电站三峡水电站,上冠,轮叶,下环,蜗壳,导叶,蜗壳,尾
13、水管,第一章,2. 轴流式水轮机： 水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。,轴流转浆式水轮机,泄水锥,转轮轮叶,转轮轮毂,轴流定浆式水轮机,轴流定桨式水轮机：叶片不能随工况的变化而转动。结构简单，适于水头小，变化幅度不大的电站。,轴流转桨式水轮机：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度)。具有较高的水流效率，适于水头和出力都有较大变化的水电站。如：葛洲坝水电站,第一章,3. 贯流式水轮机水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。H20m,小型河床电站。 卧轴水轮机，广泛用于平原和潮汐电站。如：大源度水电站、株
14、洲航电枢纽。,灯泡式,竖井,发电机,转轮,水轮机主轴,发电机,尾水管,竖井式,轴伸式,第一章,水力机械,4. 斜流转浆式水轮机在混流式及轴流式 的基础上，产生了斜流式水轮机。,叶片轴线与主轴相交，叶片812片，适用于水头变化大的水电站，高效区较大，但制造工艺复杂，要求高，限制了其发展。,水流斜向流入转轮，又斜向流出，故称斜流式水轮机。,泄水锥,转轮叶片,二、冲击式水轮机(Inpulse water tubine) 定义：利用水流的动能来做功的水轮机为冲击式水轮机。 特征： 由喷管和转轮组成。水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在同一
15、时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。,第一章,类型：1. 切击式水轮机：特点：射流与转轮在一个平面上适用于高水头，小流量水电站。,水斗,转轮,喷嘴,水斗,圆盘,缺口,水斗,喷针,第一章,水力机械,2. 斜击式水轮机 特点：射流与转轮旋转平面成一锐角（约22.5）效率低，多用于小型水电站。,第一章,水力机械,3. 双击式水轮机 特点：结构简单效率低，仅用于小型水电站。,圆盘,圆盘,弧形轮叶,水轮机的基本类型：,第一章,冲击式水轮机与反击式水轮机的区别?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
16、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。,第三节 水轮机的基本构造 反击式水轮机的主要组成部件：(1) 进水(引水)部件蜗壳：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮。(2) 导水机构（导叶及控制设备)：控制工况（调节流量）(3) 转轮（工作核心)：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。(4) 泄水部件(尾水管):回收能量、排水至下游。,一、 混流式水轮机基本构造 水流蜗壳座环导叶转轮尾水管下游,蜗壳蜗壳的作用是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。,座环位于导水叶的外围。由上、下环
17、和立柱组成。 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； 断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。,第一章,导水机构,作用：“调节出力”，“改变流量” 2. 构造：导叶、转轴、 连杆。,导叶,拐臂,控制环,连杆,接力器,接力器活塞杆,3. 导水机构的调节过程,第一章,导叶的主要几何参数（1）导叶数Z0：与D1有关，一般1624。 （2）导叶相对高度b0/D1：HL：0.10.39; ZL:0.350.45 （3）导叶轴分布圆直径D0 一般D0=1.131.16D1(4) 导叶开度a0：两导叶之间的垂直距离，最大开度为amax。,转轮,上冠,轮叶,下
18、环,第一章,1. 作用：将水能转变为旋转机械能 2. 构造：上冠、叶片、下环、止漏环及泄水锥等。,尾水管尾水管的作用是引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。,二、轴流转浆式水轮机的构造轴流转浆式水轮机除转轮和转轮室外 其他部分均与混流式水轮机类似。 1. 转轮构造：叶片和轮毂组成。 2. 叶片调节机构,第一章,1. 轴流式水轮机特点 (1) 转速高，当H，N相同时，是混流式的2倍，尺寸较小。 (2) 轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站,转轮叶片可以转动（双调），H、N变化时，水轮机具有较高的效率。,2.转轮构造 组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构,叶片 ：表面为曲面，断面为翼形，
19、根部厚，边缘薄以承受水流作用的抟矩。 叶片数目：与H大小有关，一般为48片； 叶片转角：最优工况时=0，0，叶片开始启动，+200 轮毂：外部连接叶片，内部安装转动机构。 转动机构：安装在轮毂内，由调速器控制，调整导叶角度。,三、斜击式水轮机构造,主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水管、主轴、导轴承等。 与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与主轴成45-60的夹角。,四、灯泡贯流式水轮机,实际上是卧轴安装的轴流式水轮机，发电机安装在灯泡体内。,五、冲击式水轮机构造(水斗式),1. 水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、机壳、尾水槽,转轮,组成：轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。 连接
20、方式： 螺拴、整体铸造、焊接。,喷管,组成：喷嘴、喷管体、导水叶栅、针阀、喷杆、 操作机构针阀： 控制水轮机的过水流量，以行程表示。,折流板 使针阀缓慢关闭，降低水击压力，使水流偏离水斗，避免机组转速升高。 机壳把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。 引水板防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失,水斗式水轮机的装置方式卧轴：中小型水轮机。单喷嘴、双喷嘴、单转轮、双转轮(2) 立轴：大型水轮机。,第四节 水轮机的型号及标称直径 反击式水轮机的型号 （由三部分组成）HL240 LJ 410混流式水轮机，型号240（比转速)，立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cmZZ440 LH 430轴流转
21、浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm,第一章,冲击式水轮机的型号 2CJ30W 120/210 一根轴上有两个转轮的水斗式水轮机，转轮型号为30，卧轴，转轮直径为120cm,每个转轮上有两个喷嘴，设计射流直径为10cm。,二、水轮机的标称直径,各种型式水轮机的转轮标称直径（常用表示）规定如下：,转轮与射流中心线相切处的节圆直径,冲击式,与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径,斜流式 轴流式 贯流式,转轮叶片进水边的最大直径；,混流式,本章小结通过对本章的学习：1. 掌握反击式、冲击式水轮机的划分原则;2. 理解混流式、轴流式、水斗式水轮机水流的特点;3. 掌握混流式、轴流式、
22、水斗式水轮机的基本构造;4. 了解斜流式、贯流式、斜击式、双击式水轮机水流的特点及基本构造特点；5. 掌握水轮机型号的表示方法及各部分的含义。,思 考 题,1现代水轮机的基本类型有哪些？它们的适应水头怎样？2了解我国已建及正在建的大型水电站的机组的单机容量和适用水头。3反击式和冲击式水轮机在能量转换上有何区别？4解释水轮机型号： HL160-LJ-520、 ZZ560-LH-800、 GD600-WP-250、 2CJ30-W-120/210。,第一章,Lets have a break!,课间休息,第二章 水轮机的工作原理,第二章,第一节 水流在反击式水轮机中的运动,水轮机内的水流运动是复杂
23、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。,第二章,混流式水轮机，水流辐进轴出的变化是在转轮中进行的。可认为水流质点流经转轮时，喇叭形的空间曲面流动，整个转轮区有无数这样的流动曲面。右图中a-0-1-2曲线是流面上的一条流线(如右所示)。,混流式水轮机转轮内的流面和轴线,转轮中任意一点的水流质点，一方面沿叶道运动，另一方面又随着转轮而旋转，是一种复合运动。,第二章,水流质点沿叶道的运动称为相对运动(相对运动的迹线就是流线)；随转轮的旋转运动称为牵连运动；而水流质点相对大地的运动称为绝
24、对运动。每种运动相应的水流质点的速度分别称为相对速度W、牵连速度U和绝对速度V。于是在该点构成一个速度三角形(如上所示)。,速度三角形各速度分量的关系,轴流式水轮机，水流是轴向进，轴向出。假定以主轴中心线为轴线的圆柱面流动，当忽略水流的粘性时，可认为流动是互不干扰的。将水流运动的圆柱面与叶片相割的层面展开，即可得到一个平面叶栅的绕流图。,第二章,轴流式水轮机出口三角形示意图,第二节 水轮机工作的基本方程 一、动量矩定理 单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。即：其中M为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能
25、的平衡关系。,第二章,二、水轮机的基本方程 在稳定工况下(n、Q、H均不变)，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：所以，水轮机的基本方程为： 该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。,方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。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。,第三节 水轮机的效率及最优工况一、水轮机的效率(efficiency)1. 水力损失(head loss)和水力效率 蜗壳、导叶、转轮、尾水管 沿程损失 旋涡、 脱流、 撞击 局部损失2. 容积损失和容积效率 进入水轮机的流量不全部进入
26、转轮做功，有一小部分流量从水轮机的旋转部分与固定部分之间的缝隙（如混流式水轮机的上、下止漏环缝隙、轴流式水轮机的桨叶与转轮室之间的间隙)中漏损。这部分流量对转轮不做功，所以称为容积损失。,第二章,3.机械损失和机械效率 水流作用于转轮的有效功率Ne不可能全部转换成转轮的出力N，其中有一小部分功率Nm消耗在各种机械损失上,如轴承及轴封处的摩擦损失、转轮外表面与周围水体之间的摩擦损失等。水轮机的输入功率：Ne输出功率: N=Ne -Nm机械效率： m=N/Ne 水轮机的总效率=HVm 提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。根据模型试验得到。,第二章,二、水轮机的最优工况 水轮机的最
27、优工况是指最高的工况。 一般情况下，对起主要作用的是水力损失，流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，在水力损失中撞击和涡流损失最大。,水轮机效率与出力关系,1. 叶片进口设计 对效率起决定作用的是水力损失，而水力损失的大小主要取决于转轮进口的水流撞击的损失和转轮出口尾水管内的涡流损失。因此，最优工况即为撞击损失和涡流损失为最小的工况。,第二章,2. 叶片出口设计,涡流损失主要发生在转轮叶片出口处 当V2U2时，即2=90，水流平行主轴，Vu2=0，为法向出口，无涡流损失。,3、反击式水轮机最优工况同时满足1= e1、2=90(V2U2)时，进口无撞击，出口无涡损，最高，称为水轮机的最优工况。
28、一般2略小于90时，效率较高，出力N=(85-90)%Nr，运行稳定，汽蚀性能好。4、ZZ、XL水轮机在不同工况下，可以进行双调节(导叶开读a0、叶片角度)，一般可使水轮机在较大范围内达到或接近进口无撞击、出口无涡流，具有较宽广的效率区。,第四节 尾水管的工作原理 一、尾水管的工作原理,第二章,无尾水管,装置直锥形尾水管,转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：1.无尾水管时：转轮获得能量：2 . 设尾水管时：根据2-2至5-5断面能量方程：,可得：设尾水管后，转轮所获得能量：水轮机多获得的能量：,设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了真空现象，真空由两部分组成： 静力真空：H2(
29、落差)，也称为吸出高度Hs； 动力真空(转轮出口的部分动能)3. 尾水管的作用(1) 汇集转轮出口水流，排往下游。(2) 当Hs0时，利用静力真空。(3) 利用动力真空Hd。,三、尾水管的动能恢复系数 尾水管增加利用的能量有两部分组成： （1）静力真空Hs：取决于水轮机的安装高程； （2）动力真空 ：与尾水管的型式尺寸有密切关系因此，衡量尾水管性能好坏的主要指标应该是尾水管的动能回收系数：,第二章,尾水管内的水头损失及出口动能越小，则尾水管的恢复系数越高。因此，恢复系数表征了尾水管的质量，反映了其转换功能的能力。,一、气蚀的概述,（一）气蚀现象：金属剥蚀、设备破坏、效率和出力降低、噪音和振动等
30、,水力机械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力机械,转轮的气蚀,第五节 水轮机的气蚀,（二）空化及汽化压力的概念 水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。 水在一定压力下加温的汽化为沸腾； 环境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。 在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的汽化压力(Pb),水的温度与汽化压力关系曲线,汽泡的生成与溃灭物理过程：机械剥蚀化学过程：1氧化腐蚀2电解侵蚀,水力机械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力机械,二、气蚀的过程,(1) 汽蚀破坏的机理 由可知，当VP,当P= Pb时，水开始汽化汽泡（水蒸气+空气）进入高压区（汽泡时蒸气
31、变成水，汽泡内气体稀薄，出现强大真空，汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击）在汽泡内形成很大的微观水击压力（可达几百大气压）；汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏 机械破坏，叫疲劳剥蚀。,汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部升高(300)，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用化学腐蚀。 (2) 水轮机汽蚀定义汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面
32、产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，称水轮机的汽蚀。 气蚀对金属表面的侵蚀作用一般认为主要是机械作用；其次是电解和氧化的作用（加速了机械破坏的过程）,气蚀的发生,第二章,三、气蚀的类型 (一)翼型气蚀,1发生的部位2影响及预防措施,水力机械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力机械,翼型绕流,（二）间隙气蚀,1.发生原因：局部流速 ，压力 ，产生气蚀。 2.发生的部位 3.影响及措施,水力机械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力机械,（三）空腔气蚀,1产生的原因：偏离设计工况 非对称真空涡带 负压2发生的部位3. 影响及预防措施,水力机械 HYDRAULIC M
33、ACHINERY,第二章,水力机械,（四） 局部气蚀,1 发生原因：表面不平2 发生的部位3 影响及预防措施,水力机械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力机械,喷涂的抗磨金属粉末,表面气蚀,活动导叶表面蚀孔形态,转轮叶片蚀坑形态,水力机械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力机械,局部磨蚀,转轮气蚀,喷针气蚀,3. 汽蚀造成的危害 使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。 增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。 机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏 。 缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消耗钢材、延长工期；,四、气蚀防护措
34、施 1.改善水力设计，做好选型设计； 2.提高工艺水平，采用抗蚀材料； 3.改善运行条件，采用适当的运行措施； 4.新技术的采用。,第二章,思 考 题,1、气蚀有哪些现象？2、水轮机的气蚀是怎样产生的？3、水轮机的气蚀有哪些类型？是怎样产生的？4、采取哪些措施减小水轮机的气蚀?,水力机械 HYDRAULIC MACHINERY,第二章,水力机械,五、水轮机的气蚀系数 反击式水轮机发生汽蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了ppb的情况，因此防止汽蚀的措施是限制p的降低，使ppb。影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡量水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言，其标志为汽蚀系数。 汽蚀系数是水轮
35、机汽蚀特征的一个标志，越大，越容易破坏 。,如图：水流进入叶片流道，部分流速水头转变为压力水头，压力 , 水流沿叶片进口边缘向两侧绕流，因其流速水头的恢复及弯曲绕流产生的离心作用，水流在叶片正、背面上的局部压力 。水流沿叶片两侧相对运动，水流与叶片的相互作用使叶片背面压力 ，而叶片正面压力 。随由于水流不断做功，叶片两侧的水流压力 ，在叶片背面接近出口某点处压力降到最低值。,第二章,通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点（一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为：K点的真空值Hk.v：可见，K点的真空也是由静力真空和动力真空组成。静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装高程
36、，与水轮机的性能无关；动力真空则与转轮的叶型和水轮机的工况以及尾水管的性能有关。,因此表明汽蚀性能的只是动力真空：称水轮机的汽蚀系数，是动力真空的相对值。与叶型、工况有关，Wk大 W2大大。与尾水管的性能有关，w，汽蚀性能差。几何形状相似的水轮机，工况相似，相同；对任一水轮机在既定工况下，也是定值。值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行水轮机模型试验得出m,并认为=m。,第四节 水轮机的吸出高和安装高程 一、水轮机的吸出高度,第二章,保证水轮机内不发生汽蚀的条件： pk pB,第二章,水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点K点到下游水面的垂直高度，随工况而改变，规定如下：,立轴混流
37、式水轮机安装高程示意图,第二章,立轴轴流式水轮机吸出高度和安装高程示意图,第二章,卧轴混流式和贯流式水轮机安装高程示意图,第二章,1. 立轴HL：导叶中心平面高程 Za=w+Hs+b0/2 2. 立轴ZL：导叶中心平面高程 Za=w+Hs+xD1 3. 卧轴HL和GL：轴中心高程Za=w+Hs-D1/2注： w ：水电站设计尾水位。可根据电站的水位流量关系曲线查取。12 台机组，水轮机的过流量取1台水轮机50%的额定流量；34台机组，水轮机的过流量取1台水轮机的额定流量；超过5台机组，水轮机的过流量取1.52台水轮机的额定流量,思考题 轴流式和混流式转轮中水流运动各有什么特点？ 反击式水轮机的
38、损失有哪些内容？水轮机效率有哪几部分组成，并说明各部分的意义。 3. 什么叫水轮机的吸出高度？写出带有汽蚀安全系数的允许吸出高度计算公式并说明各符号的意义。 4. 水轮机的安装高层是如何确定的？,本章小结通过对本章的学习： 1.了解水流在水轮机转轮中的运动； 2.理解水轮机的基本方程式； 3.理解水轮机效率的概念和水轮机的最优工况的含义； 4.理解尾水管的作用、型式及其主要尺寸的确定； 5.了解水轮机气蚀的物理过程、气蚀类型以及气蚀系数的概念，掌握气蚀的防护措施； 6.理解水轮机吸出高度的含义，掌握吸出高度的计算方法，理解水轮机安装高程的含义，掌握其计算方法。,本章重点：1. 水轮机相似条件及
39、单位参数的概念；2. 模型综合特性曲线的应用。本章难点：比转速的概念及性质。应注意的问题：比转速定义的工况。,第三章,相似理论概述、水轮机的相似率、单位参数和比转速、水轮机的效率换算与单位参数修正、水轮机模型综合特性曲线。,第三章 水轮机的相似理论及模型综合特性曲线,本章内容：,第一节 相似理论概述 一、基本概念1、水轮机特性水轮机在不同工况下运行时，各运行参数(H，Q，n，N，)及这些参数之间的关系，称水轮机的特性。由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机特性靠理论与实验相结合。 2、模型试验原型：尺寸大，试验困难，不经济。 模型：(D : 250460mm，H ：26m) 3、相似理论研究相似水
40、轮机之间存在的相似规律，并确立这些参数之间的换算关系的理论。,第三章,二、 水轮机的几个相似条件：1、几何相似：过流通道几何形状相似(1) 过流通道的对应角相等：e1e1M ；e2e2M ；M(2) 对应尺寸成比例：D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M.(3) 对应部位的相对糙率相等：/ D1M/D1M几何相似的大大小小的一套水轮机系列轮系同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。,第三章,2、运动相似： (1) 过流通道的对应点的速度方向相同(2) 过流通道的对应点的速度大小对成比例，即速度三角形相似。同一轮系水轮机，保持运动相似的工作状况相似工况 3、动力相似 (压力、惯性力、重力、摩擦
41、力等)同一轮系水轮机，水流对应点所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。,第二节 水轮机的相似律、单位参数和比转速一、 水轮机的相似律 similarity formulas 相似定律：水轮机在相似工况下运行时，各工作参数(H、n、N、)之间的固定关系。建立模型与原型水轮机各个参数之间的关系。1、 转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间的关系。 （similarity formulas of rotational speed）在同系等角条件下，速度系数是相同的。,第三章,2 流量相似律 similarity formulas of discharge 几何相似、相似工况下流量之间的关系。(
42、a=aM)3 出力相似律 similarity formulas of output出力相似律即原型和模型水轮机出力之间的关系。HM,D1M,H,D1均为固定值，QM可以测得，若VM、HM、V、H已知，可求出Q。,二、单位参数unit parameters (在不同轮系之间进行比较)每一轮系的水轮机都可制成尺寸不等，且可在较大的水头、转速和功率范围内工作。因此，引出单位参数表征每一轮系的水轮机的特性。将D1m=1m，Hm=1m和原型与模型水轮机各项效率分别相等的假定代入上述的相似律，可得到相应的单位参数。显然，对于同一轮系的水轮机在相似工况下，单位参数的数值不变；但对于不同轮系的水轮机，即使在
43、特征工况(如最优工况，限制工况)下，也不同。,第三章,单位流量,单位转速,单位出力,通常用 ， 表示水轮机的运行工况。当几何相似，单位流量和单位转速对应相等时，两个水轮机工况相似。 对同一轮系水轮机在不同的工况下单位参数分别为一常数(工况不同，单位参数不同)。 单位参数由模型试验得出原形水轮机的参数(相应工况)。 水轮机在最优工况下的单位参数最优单位参数，用 表示。,三、水轮机的比转速 1. 概念 由于单位参数中都含有D1，表征某一轮系的特征不方便。故去掉D1，因此引入ns。,第三章,2. 性质 (1) 常数性质 同轮系水轮机在相似工况下比转速相等nsconst，是一个与水轮机转轮直径无关的常
44、数。在水轮机牌号中ns选定的代表工况是计算水头下最大出力工况Nmax。HL220LJ550 (2) 单位性质 对于任何一个轮系，当水轮机在1m的水头下，发出1kW的出力时，这时水轮机的转速n在数值上就等于比转速ns。故在水轮机出力一定时，比转速越高，机组尺寸越小，水电站厂房尺寸和机组造价减小。,3. ns与汽蚀系数的关系在流量一定的前提下， 比转速越高，汽蚀系数越大。为防止水轮机翼形汽蚀，须加大水轮机转轮在下游水面下的深度，但增加了施工难度及土建投资。因此，汽蚀条件限制了高比转速水轮机在较高水头下的应用。4. 比转速ns的意义 比转速ns表征了水轮机的性能和转轮形状，即水轮机的型式。,第三章,
45、不同型式水轮机的ns,讨论： 相似水轮机，工况相似，ns相同，不同的ns ，反映不同轮系水轮机特征。 当H一定时： ns Nn。机组尺寸缩小，投资减少，因此提高比转速可以降低造价。 当H和N一定时，ns越高，汽蚀系数越大，增加厂房开挖。 比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数目减少。,第三节 水轮机的效率换算与单位参数的修正一、 效率修正 单位参数公式是在假定相似工况下 ，实际上(2%7%)，其原因是： 1、最优工况下效率修正经验公式计算： 混流式 轴流式,第三章,2、一般工况 HL、ZD： ZZ ： 二、单位参数的修正 最优工况时： 其他工况时：,第四节 水轮机的主要综合特性曲线
46、一、定义 表示水轮机各参数间关系的曲线叫做水轮机的特性曲线。 水轮机参数：参数关系反映水轮机特性。(1) 结构参数：转轮直径D1，导叶高度b0，导叶开度a0，叶片转角(2) 工作参数：H、Q、n 、Hs(3) 综合参数： ，轴功率N、,二、分类 1. 工作特性曲线（working characteristic curves ）2. 转速特性曲线（main characteristic curves ）3. 模型综合特性曲线(model universal characteristic curves )4. 运转特性曲线(operating characteristic curves)5. 飞逸
47、特性曲线(runaway characteristic curves)三、特性曲线转换 对于同一轮系水轮机来说，模型综合特性曲线是唯一的。它是根据模型实验的结果绘制出，能表达水轮机的能量特性、汽蚀特性等，具有普遍意义的特性曲线。其他的特性曲线可由模型综合特性曲线，通过相似律的关系以及效率的修正，得出运转综合特性曲线、工作特性曲线和转速特性曲线等等。,工作特性曲线（working characteristic curves ）,1.轴流转浆式：高效率区比较宽广，效率变化平稳 2.混流式：效率较高，但平稳性不足 3.水斗式：效率较低，但变化平稳 4.轴流定浆式：曲线陡陵，高效率区狭窄，稍偏离最优工
48、况 迅速下降；,不同型号水轮机工作特性曲线,第三章,转速特性曲线（main characteristic curves ）,.从右图可以看出： （1）n0时，N0， 0； （2）nn0时， max，n0为最优转速。水轮机的额定转速接近最优转速才能常在高效区运行 （3）nnx时，输出N0， 0，nx称为飞逸转速。出现飞逸 时，机组产生强烈的振动。 .从Qn的曲线中可以看出： n变化，反击式水轮机Q随之变；冲击式水轮机Q几乎不随n变化，但随导叶开度变化。,转速特性曲线,第三章,模型综合特性曲线model universal characteristic curves,一、定义将坐标系n、Q换成单位参数，在其坐标场里绘制=const， =const，=const的等值线图,该等值线图称为模型综合特性曲线。 二、特性 1. 同一轮系的水轮机就只有一个综合特性曲线图。 2. 对于不同类型和不同轮系的水轮机，由于它们的过流通道不同，因此它们的综合特性曲线图也是不同的。 3. 对于混流式水轮机还有95%的出力限制线。 三、意义 水轮机模型综合特性曲线表示同一轮系水轮机的特性。不同型式水轮机的模型综合特性曲线也有它自身的特点（表）。,
