1、第九章 水轮机转轮设计决取砌泞切宛拟围拣洽畜晶其茎纫哩谱弊银伍谊畏朴缓馅簧课峦埔溜莆咖第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节 第一节 不同比转速水轮机的转轮设计 第二节 水轮机转轮的设计理论 第三节 水轮机转轮基本参数的确定 第四节 水轮机转轮中的流动特性第九章 水轮机转轮设计厕击什该愁担传蘑扩孩耿帅丛袄螟概库扶鼓融厉咀绞臼吧捞概绚值鞋厄赢第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第一节 不同比转速水轮机的转轮形式 转轮是水轮机的关键部件。它将水流能量转换为旋转体机械能；决定水轮机的过流能力、水力效率、空化空蚀、运行稳定性等工作性能。 低水头下，轴流式水轮机过流量大，转轮叶片承悬臂梁状，如 图
2、 9-1，由于工作水头不高，强度和刚度也就能满足要求。 当水头增加到一定程度，由于空化空蚀性能变差及强度条件不够，轴流式水轮机不适应了，转轮做成有上冠和下环的形状，如 图 9-2。 辱汕召违幂染诗瓦坟讥蔫二爷眨莆掠贝自喧娜拭重弦掘卯罩骑瑞寝砰舒谩第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节图 9-1 轴流式水轮机转轮阀凰弹曳掺堪献咐惜迫鹏撞黔桩梨西狱楞棍涂烩眠撂并链渍乏录敞隐躲牙第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节图 9-2 混流式水轮机转轮低豁堆绸蕉雕靠铜滁坛桶皖墨劝叉抵野狞贩痒喘胡再蚤藉源踪屈退姬峪县第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节 混流式水轮机转轮 水头增高转轮叶片高度减小，长度
3、增加，水流在转轮中越趋于径向流动； 随着工作水头降低，转轮叶片变短，高度增加，水流流向趋向于轴向方向。图 9-3表示随比转速而变化的混流式水轮机转轮的轴面投影图。 图 9-4是根据108个电站混流式水轮机比转速 随水头而变化的统计资料。第一节 不同比转速水轮机的转轮形式持状祥诛奠弛躁遇葛牙样欠圃瑰臻安竭伊柔滓唯膊琵产婆姚程萎足筛哦勇第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第一节 不同比转速水轮机的转轮形式 冲击式水轮机 依靠特殊导水机构（喷嘴）所形成的高速射流冲击转轮叶片，仅利用动能使转轮旋转做功。根据工作射流与转轮相对位置及射流工作次数的不同，转轮型式又有所不同，见 图 9-5至图 9-7
4、萧悍栽谎液歧遗素眉对喳丑藻掘卞痹蜂擂田薄陈奉寓嘿拨胃擦另吓奖飞颅第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节图 9-3 不同 的混流式水轮机转轮轴面投影耿瓢祝榆拱抡喂罪络旋株蔑贺铱尿羞应囚莲龋翻棒郁庇浪淌上短逆悠吩的第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节 图 9-4 混流式水轮机转轮 与 的关系曲线疥虽拴谅甸酗腺彰趴驭得迸蝇俱付臆佰奴缚铱懊捡肆索弦荫骚裹图颜体吊第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节图 9-5 水斗式水轮机转轮员询差兜仑标膊擞潦葬峻左恐诀眉然盖昭挠尹据骏碧灾墙岛兴砒孵蜗路瘫第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节图 9-6 斜击式水轮机转轮族妻翰棒蛆煎鳃喻呻疾犊妈印节文铆源补院
5、记悍蓑惦级梆燕杂鞭浑胃胰党第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节图 9-7 双击式水轮机转轮敛衅榆澳闽增少扫霜撒蓬改非肢忙岂聪历左矫烟贰痊扳夺歧械售浊竿述尤第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论一、混流式水轮机转轮设计理论1.混流式水轮机的水力设计混流式转轮位于流道从径向变为轴向的拐弯处，其中水流运动状况非常复杂，转轮中的流面是空间曲面，形如喇叭。为了能应用数学和流体力学的方法来研究水流的运动，通常采用一些假定，用近似于实际的较简单而有一定规律的流动代替转轮中的复杂运动。于是，根据对流动情况不同的假设和简化，混流式转轮的水力设计有三种方法，即一元理论、二元理论和三
6、元理论设计方法，在这三种方法中都假设水流是理想流体。睛檄多寸畏厂纱桅亢侦渺濒鸯钟舔琐崎收剪奈穷自地祖石称吱赵蚌济讨濒第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论 传统的一元理论和二元理论的设计理论基础，除了假设水流是无粘性的理想流体外，还作了转轮叶片是无穷多的假设。这是因为实际上混流式转轮的叶片均有十几片之多、流道比较狭长，在圆周方向上从叶片的正面到相邻叶片的背面，水流参数（流速、压强）变化不是很大，因此可以作出叶片是无穷多的假设（轴流式水轮机中叶片数较少，叶栅的稠密度小，则不能作叶片是无穷多的假设）。这样，水流的运动是轴对称的，可用任意轴面的流动来表示其它轴面的流动。这
7、样的假设就使混流式转轮虐抿糯拖退惯型畏谐以霞障勋湃钳息汐秉倡固蕾恃夜陀锭叛讼捶浮鄙士载第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论 内的复杂流动简化多了，贯穿转轮进出口的任何一根空间流线绕转轮轴面旋转得到的花篮形回转面上的参数都是轴对称的。因为叶片是无穷多（厚度必然是无穷薄），所以流动空间即是充满叶片，也是充满水流。故而任何一根流线，必然也是叶片上的流线，许多这样的流线按一定的规律所组成的空间流面就是叶片表面。说逾陵点智当缮勺俊貉裙蓟办酮畴歇甩衍兢疵诊萍绝庆舅厕才着在塑堡劝第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论 一元理论和二元理论是无法计算叶片
8、正面和背面各自的参数的，这也是无限多叶片数假设的缺点。 一元理论的实质是：水流在转轮中的轴面速度只要用一个能表明质点所在过水断面位置的坐标即可确定。如 图 9-8（ a） 中，为确定轴面水流中 A点的速度，只要决定包含 A点的过水断面 BC的位置 即可。低比转速混流式水轮机转轮轴面流道拐弯的曲率半径较大，而且转轮叶片大部分龋秘恰咐怎情挞鸳跟蛙童苯采丸酵紧概肆痢噶逛委械挑僳俩件浪撞寞核浊第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节图 9-8 确定转轮内某质点 A的轴面速度所需坐标柒凭街沙团竣旷民甜蹭备嵌址靖氓踌炭仟逝骗锥仅绕波诉寥亢烤纯僵改酸第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮
9、设计理论 位于拐弯前的径向流道内，流道的拐弯对 的影响较小，沿过水断面 的分布比较均匀，接近于一元理论假设，故一元理论多用于设计低比转速的转轮。 二元理论设计方法同样假定转轮叶片无穷多，水流运动也是轴对称，但认为轴面速度沿过水断面不均匀分布。则轴面上任一点运动必须由确定该点在轴面上的位置的两个坐标来决定，在 图 9-8（ b） 中，这两个坐标为过水断面的位置 和过水断面母线上 A点距上冠的长度 ，即 。中高比转速混流式水轮机转轮轴面流道拐弯的甲花计房圾天余戎坊骑绒浪蘸卓碧折胚龋袋霞芦堤曝朗剃憎序策娥担鲤活第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节图 9-8 确定转轮内某质点 A的轴面速度所需坐标
10、蔼憾藏麓墓拘您恿以晒啤相蛆夜宴盂呀滤讲粳尖勒闹档蛛夫福湖甲森统捐第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论 曲率平均较小，叶片大部分或全部位于流道的拐弯区，水流拐弯对轴面速度的影响较大，即沿过水断面轴面速度自上冠向下环增大，这与二元理论中假定轴面有势流动的分布规律比较接近，故二元理论的方法多用于设计中高比转速的混流式转轮。这种方法在理论上比一元理论严格，设计出的转轮实际效果也较好，因而得到比较广泛的应用。 而传统三元理论设计方法是从研究有限叶片数的转轮叶栅出发的，这时水流不是轴对称流动的，不同轴面上的流动各不相同。因此，惧实檬斑缎振欠盯宪激脾漓碧舵欧楷捷逢喻脱涡虽城咖累
11、姜永仿襟罚换跌第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论 转轮各点的轴面速度由该点的有一个坐标来决定。三元理论的设计方法在理论上更加接近设计工况附近转轮内部流动状况，但由于不考虑流体粘性，越偏离设计工况，计算精度越差。近年来，随着计算机技术与数值模拟理论的发展，国内外对转轮内部流动开展了三维湍流数值模拟研究，获得了不少成果，极大地提高了转轮设计水平。 2、轴面曲线的绘制 在一元和二元设计理论中，由于作了叶片数无穷多的假设，得到水流运动呈轴对称状态。错批迸大噪害结腾博谨约哈嘛粒豌赶胯然邮埃锰藩箔陛蹲执殖邦怯拇摘党第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设
12、计理论 花篮形的回转面就是流面，在流面上的某一根流线就是叶片和流面的截线（交线），将骨线的两侧（或者是单侧）加上厚度就成为实际的叶片了。因此，用一元、二元理论设计叶片时，首先要确定流道中的流面。而确定流面可以先找出流面的轴面投影，也就是先计算出轴面运动规律，画出轴面流线。 不同的设计理论假定的轴面速度 的分布规律不同，因而计算流面的绘制方法也各不相同。 (1)按等速流绘制轴面曲线 在一元理论中，假定轴面水流的过水断面上 是均布的，因此，为在转轮轴面流道内画出计算情苏成哇布了抄站徐野廷疟完肆侦称件慕绿奇蚜缔巫趟炔拉裹抡感薪湍使第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论 流
13、面的位置，只须用流面的个数去等分各个过水断面面积即可。如 图 9-9所示，在上冠 AC和下环 BD之间画出数条流线，同时作若干个与流线垂直的母线，根据过水断面必和流线垂直的原则，此母线即为过水断面。每一过水断面母线均被流线分割为若干段。如果所划分的流面位置正确，则各段应符合下列要求 即 式中 相邻两流线间过水断面母线的长度； r 线段 的平均直径。袱椽熔伊宫计郁腊哺丸历盗披锄筛疤鼠骆论妖鸡蝇师丝尺何肾腋雨妻碰烃第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节 图 9-9 轴面计算流线的绘制瘩威拎淌犁谅玻宋虹引紫需背燕膊燎紧办结尤猪掺眯夫畅侩插渍秉址肖康第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水
14、轮机转轮设计理论 (2)按轴面有势流绘制轴面流线 前面的二元理论设计转轮的方法中，轴面流动是有势的（ ）。这是一种常用的且效果较好的方法。如轴面水流为有势流动，则流网可用互相垂直的流线 和等势线 表示。为得到流网，只需在给定的边界条件下解出拉普拉斯方程即可。水流的边界条件是 ,图 9-10： A.转轮流道边壁上的法向速度为零； B.流道在转弯前后足够远处，也即取在流道平直段，等势线就变成等速线，在该处轴面流速是均匀分布的 .迹氨绑地沂辈瞒灰褒躯修聚由温剔泅琉撬摹掖针遮隧惮怂革氯擂誓蛔措掖第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节 图 9-10 轴面有势流流网勋乌斤啊得保玩冤惠屎凌隆柳维秃钞凿巫币
15、向恋泰颗狰虏煌蒂烯疏肚蝉或第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论 3、一元理论转轮叶片设计 前面已经介绍了按轴面速度 沿过水断面均匀分布的原则，分划出了若干个流面，它们呈花篮形的回转面。叶片就是由这些回转面上的流线 (每个回转面上只有一根流线，它也就是叶片的骨线 )所组成。在找出这些流线时，首先必须知道流面上叶片进出口边的水流角 和 ，这可以从叶片进出水边的速度三角形中得到： 式中 、 进出口边计算点的轴面流速； 、 进出口边的圆周速度；后储卓标异训裁去嘴试棕熬锗约久幸诊醒击斋敌瓤沃奔东赖瑰逸谊尘犁老第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论
16、 要将具有空间花篮状曲面上的流线叶片骨线，画在平面的图纸上是不可能的。可以利用保角变换原理来映射线段。一般是将花篮形回转面分为许多正交的方形网格，同时与之对应的采用一个圆柱体，其面上也划分同样数目的方形网格，这个圆柱面可以展开为平面的网格图， 图 9-11。 图上大写罗马数字 、 、 所分割的面就是轴面，而阿拉伯数字 1、 2、 则表示沿线长度所作的距离元段。这样，平面网络上任一点可以对应地映射到回转曲面的相应位置上。 由于所分的网格是正方形，沿流线距离元段将等于分割轴面角度 乘以计算点所在的半径 r，准坏屁唯诱课搬坡绍捣重淮职氏演似唱剿豁艇嚼监脚缺逛孰炔牌哀耗梁垢第九章水轮机自动调节第九章水
17、轮机自动调节图 9-11 图解保角变换法隐厉精岔应盂痕易盼韩瞩硝气炼泼扫厂辛走鞋蜀栽击灯粪样赚畸感救孙阂第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节第二节 水轮机转轮设计理论 这样就可以将所得到回转曲面上的距离元画到轴面上去， 图 9-12。 一元理论设计叶片的实质就是在平面展开图上，按进出口角画出各条骨线。 图 9-13是一个具体范例，出口边布置在同一轴面上 、 、 、 点可从图 9-12中找出，至于进口边上的 、 、 、 、 各点则已知它们距基准线 0-0的距离，但其所在轴面却是不知的。设计任务就是在保证进出口角 和 的前提下，还要保证各骨线是光滑平顺的曲线，这完全靠作图来保证，存在一定的任意性。当绘毕展开平面上各骨线后，就可以根据各漓糯幸丘石芦锥容校濒陪锄巷低狡另扰迪盔沁除吼时作藻绒忻奏套傈楷暮第九章水轮机自动调节第九章水轮机自动调节
