水轮机讲义-顾发英

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1、水轮机1水轮机工作参数水电厂是生产电能的工厂，其任务是将水能转化成电能，经变电、配电后供工农业生产和人民群众生活需要。水轮机是水电站生产电能的水力原动机，它将水能转化成旋转的机械能，再由发电机通过电磁感应将机械能转变成电能。水轮机和发电机以及相应的附属设备，组成水轮发电机组，水轮发电机组是水电站最重要的动力设备。下面主要介绍水轮机的几个基本工作参数。1.1工作水头水轮机进口断面和出口断面之间单位重量水流能量的差值称为水轮机的工作水头，用H表示，单位为m。1.2流量单位时间内通过水轮机的水流总量（体积）称为水轮机流量，用Q表示，通常采用m3/s为单位。1.3转速水轮机单位时间内旋转的次数，称为

2、水轮机的转速，用n表示，r/min。1.4出力单位时间内水轮机轴端输出的功率，即水轮机出力，用P表示，通常单位是KW出力：Psr=QHη(W)=9.8QHη(KW)为水的密度，一般取，为重力加速度，一般取。1.5效率由于水流流经水轮机进行能量转换过程中会产生一定损耗，因此水轮机出力小于水流出力，水轮机出力N和水流出力Nsr之比称为水轮机效率，用η表示。η=，η是小于1的系数，它表示水轮机对水流的有效利用程度。水流流经水轮机损失越小，有效利用率越大，即效率越高。目前大型水轮机的最高效率可达90-95%。2水轮机类型根据水轮机转轮所转换水流能量的特征可分为反击式水轮机和冲击式水轮机两大类。2.1

3、反击式水轮机反击式（根据水流流经转轮的方向划分）反击式水轮机工作原理，主要是利用水流的压能在叶片前后形成压力差，和小部分动能进行工作。转轮在工作过程中全部淹没在水中，没有自由表面。水流流经转轮叶片时由于受叶片的作用使流速大小和方向发生改变，因而对转轮产生了作用力，使转轮旋转作功。2.2冲击式水轮机冲击式(根据水流射向转轮方向划分)冲击式水轮机是利用水流的动能进行工作。工作时转轮内只有部分充水，水流流经转轮叶片过程中压力保持不变，等于大气压，水流具有与空气接触的自由表面。3反击式水轮机工作原理3.1水流在反击式水轮机转轮中的运动 3.1.1复杂的空间非恒定流水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定

4、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。3.1.2恒定流状态水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、η不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管的流动是恒定流。水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。3.1.3空间三元流水流运动是空间三元流，其运动规律用速度三角形表达。                        ——水流绝对流速（相对于地球）   ——水流随转轮旋转牵连流速   ——水流沿叶片流动的相对流速用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。3.2水轮机工

5、作的基本方程式对反击式水轮机以一定的速度和方向流进转轮时，由于空间曲面叶片所形成的叶道对水流产生约束，使水流不断改变其运动速度和方向，水流给叶片以反作用力迫使转轮旋转作功。3.2.1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的平衡关系。3.2.2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：又：，为通过水轮机的水力效率。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

6、。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。3.2.3水轮机的效率和水轮机的最优工况水轮机的能量损失导致N

7、—水轮机的引用流量3）机械损失和机械效率水轮机的输入功率：  Ne=9.81(Q-Σq)(H-Σh)ηsηr输出功率：          N=9.81QHηsηrηj机械效率：           ηj=N/Ne    由机械摩擦引起4）水轮机的总效率水轮机的最优工况η=ηsηrηj提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。η根据模型试验得到。5）水轮机的最优工况η是出力N的函数，(Q，H，n一定