第九章水轮机自动调节

第九章水轮机转轮设计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。混流式水轮机转轮水头增高转轮叶片高度减小，长度增加，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、二元理论和三元理论设计方法，在这三种方法中都假设水流是理想流体。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。这样的假设就使混流式转轮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。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ml第二节水轮机转轮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mVmVml(,)mmVfl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，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。第二节水轮机转轮设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mC第二节水轮机转轮设计理论流面的位置，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。constf2constr第二节水轮机转轮设计理论(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.0u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；121111muvtguv2222muvtguv1mv2mv1u2u第二节水轮机转轮设计理论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Ⅰ、Ⅱ、……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，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2b2c2d2e1a1b1c1d1e1e2e第二节水轮机转轮设计理论点的映射关系，将同在以轴面上的骨线截点画到轴面投影图上去（图9-14）。绘得的各轴面截线应满足相邻两条曲线的间距是有规律的变化，不应有波浪形的弯曲。因为，只有这样才能保证所设计的叶片具有平滑的表面。若所得的轴面截线不满足上述要求，则应修改保角变换平面上的形状。第二节水轮机转轮设计理论4、二元理论转轮叶片设计与一元理论不同，二元理论认为轴面速度沿着过水断面不是均布，轴面水流为二元流动且为有势流动，但水流仍然是对轴对称的。基于这样的前提，根据流体力学理论，叶片对水流的作用可以用漩涡面来代替，即漩涡面所诱导出的流动和叶片在水中所形成的流场完全一样。叶片可以看成是一个涡面，则涡线必须位于叶片表面上。由于叶片是空间的曲面，所以涡线也是空间的曲线。设漩涡运动的角速度向量为，和涡线相切它在空间的三个坐标轴上的投影、和。mVzur5.转轮叶片木模图前面介绍的一元理论和二元理论设计叶片的最终结果中都是求得位于叶片进口边之间数条流线在流面上的形状，但要制造出来还应有叶片木模加工图，根据它可以制作木模进行翻砂制造。但是叶片的轴面截线图是不能用来作为木模图的，因为按它制造木模和样板都是很困难很不方便的，为了制造方便，一般叶片木模图是以叶片的水平面截线表示。第二节水轮机转轮设计理论二、轴流式水轮机转轮设计理论第二节水轮机转轮设计理论轴流式转轮的设计过程分为两步，首先通过实践经验选择某些参数和转轮前后速度的分布规律，然后绘出转轮的轴面流道和转轮进出口的速度三角形。再依据圆柱层无关性假设，把转轮叶片的设计简化为5～6个平面直列叶栅的绕流来计算。转轮叶片设计是叶栅绕流计算的反问题，在已知每个圆柱截面上叶片进出口水流速度三角形及叶栅应产生的出力的条件下，求出各圆柱截面上翼型的形状、几何尺寸及其在叶栅中的安放位置，由计算得到各圆柱面上的翼型后，再按一定的关系组合成叶片。第二节水轮机转轮设计理论轴流式转轮叶片的水力计算方法有升力法、奇点分布法、统计法和保角变换法。升力法是一种半经验半理论的方法，它把单个翼型的动力特性应用于叶栅，并考虑到组成叶栅后翼型之间的相互影响而加以修正的计算方法。缺点是无法求出叶栅表面各点的速度和压力，对水轮机的空化性能只能作粗略的估计。但是，在积累了丰富的实验资料及设计经验的条件下，由于计算工作量小，这是一种既方便又准确的设计方法。奇点分布法的基本出发点是用一系列分布在第二节水轮机转轮设计理论翼型骨线上的奇点来代替叶栅中的翼型对水流的作用，这些奇点是一系列的源、汇或旋涡，原来翼型围线的位置是流线。只要恰当地选择奇点的分布规律，就可使奇点和来流所造成的流场和原来叶栅绕流的流场完全相同。因此，叶栅绕流的计算就可转化为基本势流的叠加计算，从而可以得到叶片表面各点的速度和压力。因此奇点分布法的最大优点是可以有目的地控制翼型表面的速度和压力分布，因而能事先考虑空化性能的要求，这对转轮设计有很大意义。统计法是将现有转轮的性能，过流通道的第二节水轮机转轮设计理论形状尺寸及叶栅几何参数进行综合统计，并作出充分的分析研究，根据几何参数对转轮性能的影响规律进行设计。实践证明，这种方法可以较快设计出转轮。保角变换法是一种经典的流体力学方法，该法是将平面直列叶栅的绕流保角变换为一已知的绕流图像来研究分析。保角变换法可以用来解由弯度不大的薄翼或由理论翼型组成的平面叶栅的绕流正反问题，但目前在水轮机设计中较少采用此法。第三节水轮机转轮基本参数确定一、混流式水轮机转轮基本参数1.导叶相对高度混流式转轮与导叶距离很近，直接决定了转轮流道进口过水断面面积的大小,越大则转轮流道进口过水断面面积也越大。则是提高转轮过流量的有效办法之一。但在高水头下工作的混流式水轮机，增大受到转轮叶片和导叶强度条件的限制。另外还需与比转速相适应，使导叶相对开度在计算工况附近时保持在30%到70%范围内。