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1、第一章水轮机的类型、构造及工作原理第二章轮机的蜗水壳、尾水管及汽蚀第三章水轮机的特性及选型第四章水轮机调节第五章水电的典型布置及组成建筑物第六章水电站进水口第七章水电站渠道及隧洞第八章水电站的压力管道第九章水电站的水锤第十章调压室第十一章引水式地面厂房布置设计第一章 水轮机的类型、构造及工作原理本章内容简介.水轮机的工作参数，类型及构造水轮机的工作参数现代水轮机的分类各类水轮机的构造水轮机牌号及标称直径水流在转轮中的运动速度三角形的组成速度分解及影响因素水轮机根本方程式及其意义速度系数及其与速度三角形内角的关系第一节1. 水轮机的根本概念水轮机的定义水轮机是将水流的能量转换为旋转的机械能的动力
2、设备，它用来带动发电机工作，产生电能。水轮机和发电机连在一起称为水轮发电机组。水轮机的开展史人们很早就知道利用水流的能量转换为旋转的机械能做功。三国时的石碓，晋朝初期的水磨，这些简单的水力工具演变到近代，逐渐形成现代水轮机。现代水轮机的雏形以巴克水磨最为典型。 1847年Francis 创造了混流式水轮机，但叶片薄，受不了高水头的压力，另一方面还存在汽蚀的问题(cavitation)。1880年Pelton 创造了水斗式水轮机，可以承受500600m的水头。1912年Kaplan 提出了定浆轴流式水轮机，使引用的Q增大，但平均效率不高。后又提出转浆式，提高了平均效率。193040年出现贯流式，
3、通过的Q更大，以适应低水头、大流量的电站，尤其是潮汐电站。经过近两百年人们的努力，逐渐形成了现代的水轮机。现代水轮机与它们的雏形，没有根本性的变化，但在容量上和适用范围上有了大大的提高，并且随着水轮机设计和制造技术的开展，还可能进一步地提高。第二节Parameters of water turbine在水流通过水轮机时，水能将转换成旋转的机械能，这一过程可用以下公式表述:上面两式中共有六个参数：水头 流量 转速 出力 效率 力矩。 水头可以分为一以下三大类：1.毛水头:电站上下游的水位差,即。2.工作水头:水轮机做功的有效水头,等于水轮机进、出口断面的单位能量差。3.特征水头：包括以下四种水头
4、。最大水头：允许水轮机运行的最大净水头。最小水头：能保证水轮机平安、稳定运行的最小净水头。加权平均水头：考虑了各种水头可能持续的时间的平均水头，即：按时间加权 按电能加权 式中各水头出现的相应持续时间和出力。选择水轮机时尽可能使 通过水轮即的最高效率区的中心。这样可以保证水轮机以最大的运行小时数在高效率区运行。设计水头(计算水头):水轮机发出额定出力使的最小净水头。在运转综合曲线上，此水头使水轮机和发电机出力限制线焦点所对应的水头。,称为静水头或水轮机的工作水头。流量:流入转轮的流量不等于流进轮室的流量，动部件与固定部件之间有缝隙，有缝隙就有漏水，故水轮机作有效功的流量是,令,一般容积损失很小
5、，。 转速:对于大中型水轮发电机组，水轮机的主轴与发电机的轴是直接连接的，所以它们的转速是相同的，并需满足同步转速的要求，即f=pn/60(其中f是电流频率，50HZ，(p是发电机的磁极对数).所以n=3000/p。不同磁极对数的发电机，其标准同步转速如下：磁极对数P3456789同步转速n(r/min)1000750600500375磁极对数P10121416182022同步转速n(r/min)300250150磁极对数P24262830323436同步转速n(r/min)125100磁极对数P38404244464850同步转速n(r/min)797560对于主轴直接连接的水轮发电机组,发
6、电机的同步转速也就是该机组及其水轮机的额定转速nr出力:水流给予水轮机的功率是，但水轮机作的有效功率，有效功率不等于水轮机的输出功率，因为水轮机旋转还存在着机械损失，令：效率:由于水流通过水轮机时存在一定的能量消耗,所以水轮机的出力N总是小于其输入功率Nw。通常把N和Nw的比值称为水轮机的效率，用表示，即：力矩:,显然作用于发电机转子的力矩(M)小于水轮机作有效功的力矩,，更小于水流作用于水轮机的力矩,因为转速n是一定的，所以三者之间的关系与的三者关系一致。第三节structure of water turbine水轮机的分类由于水能资源条件的千差万别，各座水电站所能利用的水头和流量差异也很大
7、，因此需要有各种类型的水轮机来适应不同水能资源条件，以便能充分和有效地利用水能资源。根据水轮机利用能量的不同可分为还击式和冲击式两大类。还击式和冲击式的主要差异还击式和冲击式的主要差异是什么？实现水流能量转换的主要设备是转轮，因此可以按水流在转轮内工作原理来区别还击式和冲击式。取转轮进口点和出口点的能量之差，当忽略其间的水头损失，可用下式表示：，改写为如下形式：， 即+1。*假设0，1，这种利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机。冲击式容易理解，就是利用强大动能的水流冲击水轮机的转轮，形成力矩，使之旋转。转轮中水流为无压流动，水流具有自由外表，转轮内仅局部充水。根据转轮的进水特征，冲击式水轮机又
8、分为水斗式、斜击式和双击式。*假设01,+1,这种同时利用水流动能和势能的水轮机称为还击式水轮机。还击式，就是利用水流的反推力，即反作用力作功。还击式水轮机转轮的叶道是弯曲的，它迫使压力水流不断改变其流动方向和流速大小。即转轮给水流一个作用力，反过来水流以其压能和动能给转轮以反作用力，形成力矩，使转轮转动。转轮以及整个流道中的水流是有压流动，水流充满整个转轮。根据转轮内水流运动方向的特征，还击式水轮机又分为轴流式、斜流式、混流式和贯流式。水轮机的分类由于水能资源条件的千差万别，各座水电站所能利用的水头和流量差异也很大，因此需要有各种类型的水轮机来适应不同水能资源条件，以便能充分和有效地利用水能
9、资源。 水轮机的构造 水轮机必须有其它部件来配合水轮机工作，使水轮机具有较高的效率。还击式水轮机的构造 还击式水轮机的构造 还击式水轮机通常由四大部件组成：即进水、导水、转轮及尾水，这四大部件对于不同类型的水轮机，各不完全相同，有着自身的特点冲击式水轮机的构造冲击式水轮机的构造冲击式水轮机的构造比拟简单，主要由喷嘴、针阀、转轮和折向器组成。喷嘴的作用是引导压力水流均匀流动，在喷嘴处收缩转换为仅有动能的自由射流；针阀的作用是控制流量的大小，适应出力大小的需要。水轮机应满足的要求自然界水力资源的多样性，决定了水轮机类型和构造的多样性。为了充分利用水能，并且满足合理、经济、平安的开发原那么，故对于在
10、一定Q、H条件下，水轮机应满足如下要求：1.有较高的工作效率和防汽蚀的性能；2.足够的机械强度3.较大的过水能力，即在相同的转轮直径下，通过的Q较大。换句说在出力 相等条件下， 过水能力大，转轮直径小。缩小了水轮机组的尺寸，节省了机电设备和土建的投资。第四节brand of water turbine水轮机的牌号就是水轮机的姓名，其目的是为了统一产品规格，提高产品质量，便于选择使用。说明水轮机性能有两个主要参数：转轮直径D和水轮机的比转速n，所以在水轮机牌号上不仅要说明是什么类型的水轮机，而且要表示它的转轮直径和比转速。我国统一规定的水轮机牌号由三局部代号组成,如下所示(HL240-LJ-14
11、0):举例说明:1. HL220-LJ-550 表示混流式水轮机,转轮型号(比转速)为220,立轴,金属蜗壳,转轮直径为550cm; 表示轴流转浆式水轮机,转轮型号为560,立轴,混凝土蜗壳,转轮直径为800cm; 表示斜流可逆式水轮机,转轮信号为200,立轴,金属蜗壳,转轮直径为300cm; 表示贯流定浆式水轮机,转轮型号为600,卧轴,灯泡进水室,转轮直径为250cm;另外，各种水轮机的转轮直径规定如下表：类型转轮直径规定配图混流式转轮叶片进水边的最大直径轴流式斜流式贯流式与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径冲击式转轮与射流中心线相切处的节圆直径第五节表示混流式水轮机,转轮型号(比转速)为22
12、0,立轴,金属蜗壳,转轮直径为550cm; 恒定流假设水轮机的水头、流量、出力和转速都保持恒定，并且水流在蜗壳、导水机构、尾水管中的流动以及在转轮中相对于转动叶片的运动都是恒定的，即不随时间蛮化。圆柱坐标系r，2，：由于转轮的叶道形状复杂，而转轮本身在旋转，所以水流在还击式水轮机转轮中的运动是一个复杂的三维空间运动，常用圆柱坐标系来描述，如下所示：混流式水轮机转轮中水流运动.混流式水轮机转轮中水流运动对于混流式水轮机，水流由辐向流动转为轴向流动的变化是在转轮中进行的。可以认为水流质点流经转轮时，它沿着一个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。假设忽略水的粘性，还可认为这些流面之
13、间是互不干扰的。以下图中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为了研究问题的简化起见，假定转轮是由无限多，无限薄的叶片组成。这样就可认为转轮中的水流运动是均匀的、轴对称的。叶片翼形断面的中心线称为骨线。显然在上述假定下，流线也就和骨线的形状完全一致。将流线与叶片相割的流面展开，即得出流面展开图(如右所示)。流面展开图是叶片进口安放角，是叶片出口安放角。显然，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。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
14、动称为绝对运动。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(如右所示)。速度三角形三角形的形状、大小可以由它的两个边和夹角唯一确定。对于进口三角形，U1大小等于，方向切于圆周，所以U1取决于n和D1。W1大小取决于H、和n，其方向角也取决于，所以W1取决于H、n、D1。，所以进口三角形的形状、大小也取决于H、n、D1。对于一个转轮，一定的出口三角形对应于一定的进口三角形，所以出口三角形的形状、大小也取决于H、n、D1。 总而言之，转轮中旋转流场的任意一点的速度三角形取决于H、n、D1，即。既然速度是上述四个参数的函数，那么流量也是它们的函数。同理，水轮机效率、出力均为这四个参数的函数。即，。 由于转轮中水流的流态十分复杂，所以上述的函数关系通常不可能由纯理论导出，也不可能用解析式来表达，而是由试验得出。用各种各样的水轮机特性曲线表达各个参数之间的函数关系。 绝对速度由相对速度和牵连速度合成，也可以将这些速度向不同平面和坐标轴分解。(轴面m是指r轴和z轴所组成的平面，即通过z轴中心线的径向平面)从分解中可得出：速度三角形中各速度与分速度的关系轴流式水轮机转轮中水流运动 对于
