水轮机的工作原理学习教案.pptx

会计学 1水轮机的工作(gngzu)原理第一页，共64页。贯流式 贯流式全贯流式 全贯流式半贯流式 半贯流式轴伸式 轴伸式竖井竖井(shjng)(shjng)式式灯泡 灯泡(dngpo)(dngpo)式 式第2页/共64页第二页，共64页。2、试说明(shumng)各型水轮机的特点及其应用范围。能量转换 能量转换 水流流态 水流流态 转轮 转轮 主要组成部件 主要组成部件反击式 反击式势能 势能（动能）（动能）压 压 力 力 有 有 压 压蜗壳、导水部件、蜗壳、导水部件、转轮、尾水管 转轮、尾水管冲击式 冲击式 动能 动能 自由射流 自由射流 大气压 大气压喷嘴、折流板、喷嘴、折流板、转轮、机壳 转轮、机壳第3页/共64页第三页，共64页。水流流经转轮 适用水头 单机容量 适用电站流入 流出 H（M）KW混流式 辐向 轴向 30700 几十几十万 广泛轴流式 轴向 轴向 388 几十几十万低水头大流量河床式斜流式 斜向 斜向 40200 抽水蓄能贯流式 轴向 轴向 230 几几万河床式潮汐式第4页/共64页第四页，共64页。射流特点适用水头H（M）适用电站切击式 切线方向 402000 广泛斜击式 侧面 50400 小型双击式 二次冲击 6150 小型第5页/共64页第五页，共64页。3、各型水轮机各个部件、构造(guzo)及各部件的作用是什么？反击式水轮机主要组成 主要组成(z chn)(z chn)部件：部件：(3)工作(gngzu)部件转轮（核心)(4)泄水部件尾水管(1)引水部件蜗壳(2)导水部件导水机构（导叶及控制设备)第6页/共64页第六页，共64页。蜗 壳 n 作用：使水流产生圆周运动，并引导(yndo)水流均匀地、轴对称地进入水轮机。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(zh chn)活动导叶。导 水 机 构作用(zuyng)：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。第7页/共64页第七页，共64页。转 轮作用(zuyng)：水能转变为机械能回收(hushu)利用转轮出口的大部分动能。尾水管的作用(zuyng)：将通过水轮机的水流泄向下游；能利用转轮出口与下游水位之间的势能；第8页/共64页第八页，共64页。主要组成部件 主要组成部件(bjin)(bjin)：(1)(1)喷嘴 喷嘴(2)(2)折流板 折流板(3)(3)转轮 转轮(4)(4)机壳 机壳冲击(chngj)式水轮机第9页/共64页第九页，共64页。转 轮(核核 心心)作用 作用:将射流动能转变 将射流动能转变(zhunbin)(zhunbin)为 为旋转机械能。旋转机械能。喷嘴喷嘴:将水流压能变为动能，形成射流并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，完以一定方向冲击转轮，使转轮旋转，完成成(wn chng)(wn chng)能量转换。能量转换。针阀针阀:调节进水流量，以调节水轮机出力。调节进水流量，以调节水轮机出力。第10页/共64页第十页，共64页。机 壳作用：把水斗排出(pi ch)的水引入尾水槽中排向下游折折 流流 板板 当机组突然丢弃全部负荷时，折流板先转动，在12s内使射流部分全部偏向(pinxing)，不冲击转轮，此时针阀可在510s或更长时间内缓慢关闭，减小水锤压力。第11页/共64页第十一页，共64页。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(z chn b fn)的作用。转轮叶片均布在上冠与下环之间，轮叶上端(shn dun)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1220片。上冠上端(shn dun)与水轮机主轴相连，下端装有泄水锥。混流式水轮机的转轮由上冠、下环、叶片(ypin)组成。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。第12页/共64页第十二页，共64页。轴流式水轮机转轮(zhun ln)由轮毂，轮叶，泄水锥组成。轮 毂轮叶泄水(xi shu)锥第13页/共64页第十三页，共64页。n 轴流定浆式：叶片不能随工况的变化(binhu)而转动。n 轴流转浆式：叶片能随工况的变化(binhu)而转动。轴流定桨式转轮(zhun ln)模型 轴流转(lizhun)桨式转轮模型轮 毂轮叶泄水锥第14页/共64页第十四页，共64页。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(ch cun)如何确定？尾水管的形式：直锥型、弯管(wn un)直锥形、弯曲型。直锥型尺寸(ch cun)确定从以下几个参数考虑：尾水管进口直径D3 圆锥角 尾水管管长L 尾水管出口直径D5 尾水室的尺寸 1、圆锥段2、弯管段（肘管）3、水平扩散段弯曲型尾水管弯曲型尾水管第15页/共64页第十五页，共64页。6、水轮机引水(ynshu)室有哪几种类型？为适应不同条件(tiojin)，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）封闭式压力槽式和罐式蜗壳式第16页/共64页第十六页，共64页。HL220 L J 140XL220 LH 520ZZ560 LH 250GD103 WP 275XJ02 XJ02 W W 60/114 60/114CJ22 CJ22 W W 125/112.5 125/112.5第17页/共64页第十七页，共64页。水轮机的工作(gngzu)原理 第一节 水轮机的基本(jbn)方程 第二节 水轮机的能量(nngling)损失和效率 第三节 水轮机的汽蚀、吸出高度与安装高程 第18页/共64页第十八页，共64页。3-1 水轮机的基本(jbn)方程式1、水流在转轮中的运动（1）复杂的空间非恒定(hngdng)流（2）恒定(hngdng)流状态（3）水流运动是空间三元流第19页/共64页第十九页，共64页。（1）复杂的空间(kngjin)非恒定流n 水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流n 1)水头、流量在不断变化(binhu)n 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(binhu)，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非(shfi)恒定流。第20页/共64页第二十页，共64页。（2）恒定(hngdng)流状态 水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、不变)，水流(shuli)在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动是恒定流。水流(shuli)在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。第21页/共64页第二十一页，共64页。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(lidng)是恒定流。水流在转轮内的流动(lidng)相对于转轮旋转坐标而言，是相对恒定流。第22页/共64页第二十二页，共64页。（3）水流运动(yndng)是空间三元流水流运动规律用速度三角形表达 水流运动规律用速度三角形表达 水流绝对流速 水流绝对流速(li s)(li s)（相对于地球）（相对于地球）水流随转轮旋转牵连流速 水流随转轮旋转牵连流速(li s)(li s)水流沿叶片流动的相对流速 水流沿叶片流动的相对流速(li s)(li s)用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速 用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速(li s)(li s)场的重要方法。场的重要方法。第23页/共64页第二十三页，共64页。第24页/共64页第二十四页，共64页。n n 转轮室中水流 转轮室中水流(shuli)(shuli)的运动，绝对流速 的运动，绝对流速;n n 水流 水流(shuli)(shuli)随转轮的旋转而产生的转动，牵 随转轮的旋转而产生的转动，牵连流速 连流速;n n 水流 水流(shuli)(shuli)沿叶片流道的流动，相对流速 沿叶片流道的流动，相对流速;n n 用速度角形三角形分析水流 用速度角形三角形分析水流(shuli)(shuli)运动的方法是 运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。研究转轮流速场的重要方法。水流(shuli)运动的速度三角形:UW（假定(jidng)水流进入转轮后不动）（假定转轮流道不动）第25页/共64页第二十五页，共64页。牵连速度 U绝对速度 V相对速度 W轴面速度 Vm圆周速度 Vu第26页/共64页第二十六页，共64页。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(binhu)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。该方程只与进、出口速度三角形有关，而与中间水流(shuli)特征无关。该方程式为通用方程式，对反击式、冲击(chngj)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。方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。第27页/共64页第二十七页，共64页。3.2 3.2 水轮机的效率 水轮机的效率(xio(xio l l)(efficiency)(efficiency)水轮机的能量损失导致NNs，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(xingyng)地效率由水力效率、容积效率、机械效率组成。1.水力(shul)损失(head loss)及水力(shul)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。水力损失与水流流速，过流部件的形状、粗糙率有关。水力损失水力效率：水力效率：第28页/共64页第二十八页，共64页。2.2.容积损失 容积损失(snsh)(snsh)及容积效率（流量效率）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 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(zo chn)(zo chn)一部分能量损失，此损失称为容积损失。一部分能量损失，此损失称为容积损失。容积 容积(rngj)(rngj)效率 效率第29页/共64页第二十九页，共64页。3.3.机械损失 机械损失(snsh)(snsh)和机械效率 和机械效率 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(zhuchng)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 N 表示。表示(biosh)。扣除水力损失、容积损失后水流作用于转轮的效率：扣除水力损失、容积损失后水流作用于转轮的效率：水转轮的轴功率（输出功率）：水转轮的轴功率（输出功率）：机械效率：机械效率：第30页/共64页第三十页，共64页。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。根据模型试验得到(d do)提高效率的有效方法减小水头损失、流量损失、机械摩擦。水轮机的总效率(xio l)第31页/共64页第三十一页，共64页。第32页/共64页第三十二页，共64页。这种周期性的气泡(qpo)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。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(din jing)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。第33页/共64页第三十三页，共64页。二、汽蚀的危害(wihi)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(b fen)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(jz)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。汽蚀破坏是机械、化学、电化学作用的共同结果，其中机械 机械破坏 破坏为主。第34页/共64页第三十四页，共64页。三、汽蚀类型(lixng)1、叶型汽蚀发生在水轮机转轮叶片(ypin)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(ypin)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(kojn)流道出口处的压力最低压力最低点，此处最易产生汽蚀。第35页/共64页第三十五页，共64页。第36页/共64页第三十六页，共64页。叶型汽蚀第37页/共64页第三十七页，共64页。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(jingd)而产生负压，此处产生的汽蚀。如轴流式转轮(zhun ln)与转轮(zhun ln)室之间、导水叶端面间隙、转轮(zhun ln)止漏装置、冲击式水轮机喷嘴内腔、针阀表面等部位。第38页/共64页第三十八页，共64页。第39页/共64页第三十九页，共64页。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(chnshng)一圆周分量使水流在转轮出口处产生(chnshng)脱流和旋涡形成一大空腔，在中心产生(chnshng)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(qin li)的噪音和振动。第40页/共64页第四十页，共64页。4.局部汽蚀：水轮机过流部件局部凸凹不平时，也会引起(ynq)局部真空形成局部气蚀。第41页/共64页第四十一页，共64页。四、水轮机汽蚀的防护(fngh)1、水轮机设计制造方面 合理设计叶片(ypin)形状、数目使叶片(ypin)具有平滑流线；尽可能使叶片(ypin)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(ypin)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(zo chn)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。叶型汽蚀间隙汽蚀空腔汽蚀局部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。第42页/共64页第四十二页，共64页。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(qhu)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(qhu)压力。五、水轮机的汽蚀系数(xsh)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(qhu)压力就可避免汽蚀产生。K点第43页/共64页第四十三页，共64页。k点压力(yl)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。，k点的真空度 静力真空 转轮出口到下游(xiyu)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(xngnng)有关。第44页/共64页第四十四页，共64页。动力真空(zhnkng)的相对值称为汽蚀系数，用 表示。是无因次量；随水轮机工况变而变化，工况一定时，为一定值；与尾水管性能有关(yugun)，尾水管动能恢复系数愈高，愈大；随水轮机比转速 的增加而增加，因 愈大，越大，则 越大。l汽蚀系数是水轮机汽蚀特征的一个(y)标志，越大，越容易破坏.第45页/共64页第四十五页，共64页。一、吸出高度(god)水轮机的吸出高度是指转轮中压力最低点到下游水面的垂直距离，常用 表示。5.4 水轮机的吸出高度(god)和安装高程第46页/共64页第四十六页，共64页。要避免产生汽蚀，就必须保证(bozhng)压力最低点的压力不小于当时温度下的水的汽化压力 水轮机安装(nzhung)地点的大气压力。当时水温下的汽化(qhu)压力，常取0.33m第47页/共64页第四十七页，共64页。实际(shj)计算吸出高度 时，采用计算公式如下：第48页/共64页第四十八页，共64页。立轴轴流式水轮机:下游水面至叶片转动中心(zhngxn)的距离；吸出高度(god)HS 本应从转轮中压力最低点算起，但在实践中很难确定此点的准确位置，为统一起见，对不同形式水轮机作如下规定：立轴混流式水轮机:下游水面至导叶下部(xi b)底环平面的垂直高度；立轴斜流式水轮机:下游水面至叶片旋转轴线与转轮室内表面相交点的垂直距离；卧轴混流式、贯流式水轮机:下游水面至叶片最高点的垂直高度。第49页/共64页第四十九页，共64页。设计尾水位高于上述(shngsh)高程Hs为负，反之为正为保证水轮机在运行中不发生汽蚀，对各种工况下Hs 进行试验，取其中较小值。第50页/共64页第五十页，共64页。第51页/共64页第五十一页，共64页。第52页/共64页第五十二页，共64页。立轴轴流式水轮机，立轴轴流式水轮机，HS HS为下游水面至叶片 为下游水面至叶片(ypin)(ypin)转动中心的距离 转动中心的距离。对不同对不同(b tn)(b tn)形式水轮机的形式水轮机的HSHS：第53页/共64页第五十三页，共64页。立轴混流式水轮立轴混流式水轮机，机，HSHS为下游水面为下游水面至导叶下部至导叶下部(xi(xi b)b)底底环平面的垂环平面的垂直高度直高度.第54页/共64页第五十四页，共64页。立轴斜流式水轮机，HS为下游水面至叶片旋转轴线与转轮(zhun ln)室内表面相交点的垂直距离（如右图）第55页/共64页第五十五页，共64页。卧轴混流式、贯流式水轮机，卧轴混流式、贯流式水轮机，HS HS为下游 为下游水面至叶片最高点的垂直高度 水面至叶片最高点的垂直高度(god)(god)（如（如下图）下图）第56页/共64页第五十六页，共64页。水轮机安装高程指基准面的安装高程，对于不同类型(lixng)不同安装方式的水轮机，工程上规定的基准面不同：二、安装(nzhung)高程1.立轴轴流式和混轴式水轮机基准面指导叶高度中心(zhngxn)面高程；2.卧轴混流式和贯流式水轮机指主轴中心线所在水平面高程。第57页/共64页第五十七页，共64页。1、反击式水轮机安装高程(gochng)确定（1）立轴(lzhu)混流式水轮机（2）立轴(lzhu)轴流式和斜流式水轮机（3）卧轴混流式和贯流式水轮机第58页/共64页第五十八页，共64页。（1 1）立轴混流式水轮机）立轴混流式水轮机 Z ZS 安装高程，安装高程，m m；Za Za 下游尾水位，下游尾水位，m m；H HS 吸出高度，吸出高度，m m；b0 导叶高度，导叶高度，m m。第59页/共64页第五十九页，共64页。（2 2）立轴）立轴(lzhu)(lzhu)轴流式和斜流式水轮 轴流式和斜流式水轮机 机、意义同上，意义同上，X X 结构系数，转轮中 结构系数，转轮中心与导叶中心距离 心与导叶中心距离(jl)(jl)与 与1 1的比值，一般取 的比值，一般取 X=0.380.46 X=0.380.46；转轮标称直径，转轮标称直径，第60页/共64页第六十页，共64页。（3 3）卧轴混流式和贯流式水轮机）卧轴混流式和贯流式水轮机 式中符号含义 式中符号含义(hny)(hny)与以上各式的相同 与以上各式的相同第61页/共64页第六十一页，共64页。2、冲击(chngj)式水轮机。冲击式水轮机无尾水管，除喷嘴 冲击式水轮机无尾水管，除喷嘴(pnzu)(pnzu)、针、针阀和斗叶处可能产生间隙汽蚀外，不产生叶型汽蚀 阀和斗叶处可能产生间隙汽蚀外，不产生叶型汽蚀和空腔汽蚀，故其安装高程确定应在充分利用水头 和空腔汽蚀，故其安装高程确定应在充分利用水头又保证通风和落水回溅不妨碍转轮运转的前提下，又保证通风和落水回溅不妨碍转轮运转的前提下，尽量减小水轮机的泄水高度 尽量减小水轮机的泄水高度 hp.hp.式中：下游最高水位(shuwi)，采用=2%5%。洪水相应的下游水位(shuwi)，m；泄水高度，取(11.5)，立轴机组取大值，卧轴机组取小值。第62页/共64页第六十二页，共64页。第63页/共64页第六十三页，共64页。感谢您的观看(gunkn)！第64页/共64页第六十四页，共64页。