水力机械 【水工专业的知识点】

(1)HL、ZD： M
(3-25)
max
(3-26)
M max
Δη－最高效率点的效率修正值 ，即换算值，为常数。 21 水轮机的模型综合特性曲线
水轮机特性是由其各参数间的关系来反映的。 一、水轮机参数
包括：结构、工作、综合参数。 (1) 结构参数：D1，b0，a0，φ等。 (2) 工作参数：H、Q、n、Hs 等。 (3) 综合参数：
（3）设计水头(计算水头)Hr：水轮机发额定出力时的最小水头，即过去所谓的设计水头， 现在规范中称为额定水头，一般根据电站情况确定。
（4）加权平均水头：水电站出现次数最多、历时最长的水头，即某一时间段内的上下游 加权平均水位差。 5、水电站毛水头 Hm
①反击式水轮机：为水电站的上下游水位差。 ②冲击式水轮机：为上游水位与喷嘴处的高程差。 6、额定转速 ne： 一般我国所用的电流频率为 50Hz。对于一定的发电机，其磁极对数也一定，因此 为了保证供电质量，使电流频率保持 50Hz 不变，在正常情况下，机组的转速也应保持为相 应的固定转速，该转速称为水轮机或机组的额定转速，并与发电机的同步转速相等。n =
无因次的相对系数σ来表示汽蚀系数，
(V22 V52 2g
h25 ) / H
汽蚀系数的基本特性
(1) σ越大越容易破坏。 (2) σ与叶型、工况有关。几何形状相似的水轮机，工况相似，σ相同；任一水轮机在 既定工况下，σ是定值。
(3) σ与尾水管的性能有关，ηw↑→σ↑。 (4) σ值理论难以确定，一般由模型试验得出，取σ原=σM。 17 水轮机模型与原型之间主要是考虑的水流运动之间的相似，包括几何相似、运动相似和 动力相似。
aKv1
2g sin 1
（2）
对模型水轮机同样有：
QMrM D12M HMsM
a MK v1M
2g sin 1M
（3）
★ 此二式右端均为常数项，对同一轮系的水轮机，a=aM；在相似情况下 α1=α1M；进
口流速系数主要与水流进口角有关，忽略相对糙度时，可认为 Kv1＝Kv1M，由此可得出流
量相似律。
(1) HL：
max 1 (1 M max)5
D1M D1
(3-23)
(2) ZL：
max
1
(1 M
max)[0.3
0.7(
D1M D1
)1/5
(
HM H
)1/10
]
(3-24)
ηMmax 通过模型试验确定，代入上式即可求出原形水轮机效率。
一般工况下的效率修正 在非最优工况下利用上面的式子进行效率换算得出的结果η偏高。通常按下式进行：
④流量相似律为：
QMrM
Qr C
D12M HMsM
D12 Hs
（3-6）
式(3-6)即为几何相似的水轮机在相似工况下流量之间应保持的固定关系，称为水轮机的 流量相似律。
★ 在应用中，H，D1，HM，D1 M 均为固定值，QM 可以测得，若 ηrM、ηsM、ηr、ηs 已知，则可求出原型水轮机的流量 Q。 19 转速相似律
Qr Vm1F1 V1 sin 1fb0D1 Kv1 2gHs sin 1fb0D1
式中：F1 为转轮进口处的过水断面积；f 为叶片排挤系数；Kv1 为进口流速系数。
b b / D ②令导叶相对高度：
0
01
则有： F1 fb0D12 aD12 (a 为系数)
③经整理有：
Qr D12 Hs
此种尾水管水头损失大，ηW 仅为 0.4-0.6。 弯肘型尾水管
(1) 适用：大中型水轮机，为减小厂房开挖深度，获得较好水力性能，均采用弯肘 型尾水管。
2CJ30—W— 120/(2×10)：表示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，射流直径为 10cm。 12、 水轮机的效率ηT
引入原因：水流通过水轮机时，产生了水力沿程损失、漏水容积损失和机械摩擦损失：
ηT = N / Ns ，即出力与输入功率的比值 ☆ ηT 用百分数表示，由水轮机模型试验得出，一般为 85%-90%，现代大型水轮机可达 90%~96%。 13、理论上：当水轮机同时满足β1=βe1、α2=90°的工况工作时，则水流在转轮进口无 撞击损失，出口无涡流损失，此时水轮机η最高，称为水轮机的最优工况。 14 水轮机尾水管的作用
水电站的特征水头一般由水能规划计算确定。 （1）最大工作水头：Hmax=Z 正-Z 下 min-hA-B。
Z 正为上游正常设计水位；Z 下 min 为下游最低水位，一般取一台机组发电时下游水位。 （2）最小工作水头: Hmin=Z 死-Z 下 max-hA-B。
Z 死为上游的下游水位或 汛期下泄安全泄量时的水位。
转速相似律
n MD1M HMsM
nD1 C Hs
（3-7）
式（3-7）称为水轮机的转速相似律，即原型和模型水轮机转速之间的固定关系。 同样，在其他因素为已知时，亦可由测得的模型水轮机转速 nM 求得原型水轮机的 转速 n。 20 效率修正 最优工况下的效率修正 假设：在水轮机效率换算分析中，认为η＝ηs，且只考虑最优工况下的水力损失(h 沿) 。 用分析圆管水力损失的达西公式来分析水轮机中的水力粘性摩阻损失，最后得出： ★最优工况下水轮机的水力效率表达式为：
机。
24 金属蜗壳水力计算
(1）蜗壳进口断面 ①断面面积：
②断面半径： max
Fc
Fc
Qc Vc
Qmax0 360 0Vc
Q m a x0 3600 VC
(4-17)
(4-16)
③从轴心线到蜗
R r 2 壳外缘半径： max a
(4-18)
max
25 尾水管常用型式：直锥形、弯锥形、弯肘形。 弯锥形尾水管 (1) 适用：小型卧轴 HL，为布置方便多采用。 (2) 组成及尺寸：由一等直径的 90°弯管和一直锥管组成。直锥尺寸选择同上。
(1) 汇集转轮出口水流，并引导水流排往下游。 (2) 当 Hs>0 时，以静力真空的方式使水轮机完全利用了这一高度所具有的势能。 (3) 以动力真空的方式使水轮机回收并利用了转轮出口水流的大部分动能。 15 水轮机的汽蚀 （1）汽蚀破坏的机理 对于反击式水轮机的过流通道，当水流所处位置的静压降低（如转轮出口的静力真空） 和水流在运动中所引起的压力降低（如在叶片背面因流速过大而出现的压力降低），则可能 引起某些部位发生压力降低。 （2）汽蚀发生过程：低压处产生的空化水流(空气+水蒸气)运动至高压处 →水蒸气变成水，空泡内压强降低 →外高压水流冲向空泡中心，空泡被压缩 →气体的弹性压力>外水压力后，汽泡向外膨胀……此胀缩过程持续几次后汽泡溃破。 汽泡溃灭时间一般在 0.005-0.007s，产生的局部冲击力达几百到几千个大气压 ，并伴 随着声响。 （3）汽蚀的破坏作用：包括机械疲劳剥蚀，汽化破坏时水流质点相互撞击，局部温度升 高(可达 300℃以上)引起的化学反应及电解作用。
(4）水轮机汽蚀的定义 汽泡在溃灭过程中，因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产生汽蚀破坏(机械剥蚀和化学腐蚀破坏)的现象，称为水轮 机的汽蚀(空蚀)。
(5) 水轮机汽蚀的类型 根据汽蚀发生的部位和情况的不同，水轮机的汽蚀可分为：翼形汽蚀、间隙汽蚀、空腔 汽蚀和局部汽蚀等。 16 水轮机的汽蚀系数
m ax
1
(1
M m ax)(
D1M D1
)m ( HM H
)m / 2
(3-22)
m－与 H 有关，推荐使用 0.2 或 0.25。
对 ZL 认为最优工况时，仅 70%的水力损失由水力摩阻引起，而 30%的动能损失与尺寸
及 H 无关，可不修正。
《水轮机模型试验的验收规程》中推荐采用下列效率换算公式：
水流在转轮进口处的圆周速度 U1 可表示为：
U1
D1n 60
K v1
2gHs
或
同样，对模型水轮机亦有：
nD1 60Kv1
HS
2g 84.6Kv1 （1）
nM D1M H MsM
84.6Kv1M
（2）
★ 上两式右端亦均为常数项，Kv1 为水流在转轮进口处的圆周速度系数，对同一轮系的 水轮机保持运动相似时，可取 Kv1＝Kv1M，则整理有：
★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 p<pB 的情况。 ★因此防止汽蚀的措施是限制 p 的降低，使 p≥pB。 ★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。
汽蚀系数定义
为更确切地反映水轮机的汽蚀特性，将动力真空值除以水轮机的工作水头 H，用一
轮系：对于满足(1)、(2)两个几何相似条件的大大小小的一套水轮机系列称为轮系。 只有同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。
(1)βe1=βe1M ；βe2=βe2M ；Φ=ΦM；…… (2)D1/D1M＝b0/b0M ＝a0/a0M＝……. 18、流量相似律
①通过水轮机的有效流量：
(3-1) (3-2)
23 蜗壳型式
1、混凝土蜗壳
断面呈梯形 ，特别适用于低 H 大 Q 的 ZL 水轮机。
① Hmax≦40m，为节省钢材，蜗壳用钢筋混凝土浇筑，简称砼蜗壳。
② 当 Hmax>40m，蜗壳内壁可用钢板衬砌，作为防渗与磨损的保护层，厚 10-16mm。
(Hmax 达 80m)
金属蜗壳
当 Hmax>40m 时，通常采用金属蜗壳。其断面为圆形，多用于中高水头的 HL 水轮
9、HL 的水流过程为： 水流 →蜗壳→座环→导叶→转轮→尾水管→下游。水斗式 CJ 的水流过程：高压水流→
喷管→转轮(或拆流板)→（机壳、引水板） →尾水槽。 10、导叶开度 a0：用相邻两导叶之间可能通过的最大圆柱体直径表示。 11、水轮机型号：（会解释）