水轮机工作原理

水轮机中的水流运动一、蜗壳中的水流运动蜗壳是水流进入水轮机的第一个部件。通过它将水引向导水机构并进入转轮区。蜗壳应满足下列基本要求：⑴尽可能减少水力损失以提高水轮机效率；⑵保证导水机构周围的进水流量均匀，水流呈轴对称，使转轮四周受水流的作用力均匀，以便提高运行的稳定性；水轮机各过流部件水流运动的特点水轮机中的水流运动⑶水流在进入导水机构前应具有一定的旋转环量（即具有一定的圆周分速度），以保证在水轮机的主要工况下导叶处在不大的冲角下被绕流，即水流进入导水机构时水力损失较小。无撞击进口进口有撞击（水力损失）导叶骨线漩涡消耗动能，加大水力损失漩涡还可能引起空化，产生汽蚀相对速度⑷有合理的断面尺寸及形状，以降低电站厂房投资及便于电站辅助设备的布置（如导水机构的接力器及传动机构的布置）。水轮机蜗壳3、导水机构调节水轮机流量的功能导水机构由导叶和导叶传动机构组成。导叶传动机构通过改变导叶位置，调节水轮机流量。水轮机中的水流运动22020212hgHrQrctgctgbA导叶调节流量的调节方程水轮机导水机构水轮机导水机构三、转轮中的水流运动水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着弯曲的转轮叶片做相对运动，另一方面又随转轮旋转。因此，转轮中的水流形成一种复杂运动。为简化问题，一般假定转轮叶片数和导叶数为无限多，且水流在水轮机中的运动可做如下假设：⑴稳定流：认为在水头、流量和转速一定的情况下(即固定工况下)，水流在引水室、导水机构、尾水管中的流动以及在转轮中相对于叶片的流动是稳定的，即不随时间而改变运动状况。⑵轴对称流：认为水流对称于水轮机轴线流向导叶和转轮，即导叶周围的水流运动状况在3600的圆周线上各处相同。水轮机中的水流运动水轮机转轮混流式水轮机转轮装配图水轮机中的水流运动2、水流运动的合成与分解水流在转轮中的运动，一方面是水流相对于转轮叶片流动，即相对运动，另一方面随转轮转动，即圆周运动或牵连运动。转轮中的水流的绝对运动可看成这两种运动的合成。若用速度关系表示，则绝对速度是相对速度与圆周速度的矢量和VWUUWV速度三角形：绝对速度——在静止的地面上看到的水流速度；相对速度——随转轮一起运动时看到的水流速度；圆周速度——考察点随转轮转动时的线速度。VWU＝Wm水轮机中的水流运动在实际应用中为了分析的方便，常把绝对速度分解为式中——绝对速度沿圆周方向的分量，称为绝对速度圆周分速度；——垂直于圆周方向的分量。因垂直圆周方向的平面都通过水轮机轴向，因而在轴面上，故称为轴面速度。在转轮的水力设计时，或当分析水流在转轮中的流动时，常常要应用到这两个速度分量。3、转轮进、出口速度三角形水流通过转轮时，转轮获得能量的大小主要决定于水流流经转轮进、出口其运动状态的变化。而速度三角形实质上表征着水轮机的工作状态。这是因为速度三角形与水轮机工作参数水头H、流量Q及转速n等直接有关。因此有必要研究和分析转轮进、出口速度三角形。VmuVVVuVmVmVmV（1）混流式转轮进、出口速度三角形混流式转轮进、出口速度三角形水轮机中的水流运动水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率水轮机的水力理论是研究其性能、流态与流道形状之间的相互关系，这些关系中最重要的是研究当流体通过转轮时流体扭转变化与流体传递到转轮的力矩关系。水轮机的基本方程式就是在理论上建立这个关系。水轮机基本方程式及其含义、水轮机的各种损失及相应的效率计算根据动量矩定理，单位时间内水流质量对定轴的动量矩变化等于作用在该质量上的全部外力对定轴的力矩和，即rmVdtdMua式中Ma——外力矩。dtgq)/(dtgq)/(在时刻t，水流质量充满转轮流道ABCD，经过时间dt后，这部分质量运动到A’B’C’D’，此时有BB’C’C部分的水流从流道中流出，其质量为，q为通过该流道的流量。在流道的进口处，经dt时间后流空的AA’D’D部分为后继水流充满，其质量也应是。考虑水流通过转轮时动量矩的变化：水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率在dt时间内将转轮中的水流运动看成是稳定流动，则A’BCD’部分的动量矩没有变化，因而流道的动量矩变化就等于BB’C’C部分的动量矩减去AA’D’D部分的动量矩，即11221122rVrVdtgqrdtVgqrdtVgquuuu假设在整个转轮进、出口处与分别为常数，则整个转轮流道水流质量总的动量矩变化为11rVu22rVu11221122rVrVgQrVrVgqrmVdtduuuuu水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率上述的水流动量矩变化是由dt时段内作用在水流上的外力对水轮机旋转轴线的力矩引起的。下面三种外力并不产生这种力矩：⑴重力：因重力的合力与轴线重合或相交；⑵上冠、下环的内表面对水流压力：因这些表面为旋转面，故压力与轴线相交；⑶转轮外的水流在转轮进、出口处对所考虑的水流压力：因这两部分水流在转轮进、出口处的接触面可看作是旋转面，故压力与轴向相交。水流通过转轮时动量矩的变化仅由叶片的作用力矩引起。二、水轮机基本方程式设叶片对水流的作用力矩为Mb，则由此得baMM1122rVrVgQMuub则水流对转轮叶片的作用力矩为（大小相等，方向相反）水流传递给转轮的功率为式中ω——转轮旋转角速度。2211rVrVgQMMuub2211UVUVgQMNuu水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率又由得上式就是反击式和冲击式水轮机的基本方程式，也称水轮机欧拉方程。hQHN22111UVUVgHuuh水轮机基本方程式的其它表达形式：⑴⑵考虑到环量，则方程亦可用环量的形式表示为2211rVrVgHuuhurVC2212CCgHh水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率基本方程式的含义：⑴方程左边，表示作用于水轮机转轮上的单位重量水流所具有的有效水能，也就是单位重量水流所能传给转轮的有效能量。方程右边，则表示转轮进、出口处水流速度矩的变化（即水流本身运动状态的变化）。因此水轮机基本方程式给出了水轮机能量参数与运动参数的关系。⑵基本方程式从理论上表明了水轮机中水流能量是怎样转换成机械能的。它是由于水流和转轮叶片相互作用的结果。一方面是流道迫使水流动量矩发生变化，另一方面，水流在其动量矩改变得同时，它以一定的压力作用在叶片上，从而驱使转轮旋转，其能量传递给转轮并形成水轮机轴上的旋转力矩。2211rVrVgHuuh水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率⑶由基本方程式可见水流对转轮作用的有效能量，是靠转轮进、出口必要的速度矩或环量之差来保证的。显然，当就不能利用水流了做功。水流对转轮做功的必要条件是当它通过转轮时，其速度矩或环量发生变化。如转轮进、出口速度矩变化不充分，则水流对转轮作用力矩（能量）就要减少，水流能量就得不到充分利用，表现为效率低。02211rVrVuu⑷为了有效利用水头H，充分地进行能量转换，过流部件设计时应保证水流速度矩产生按基本方程式规定的变化。为此，转轮的作用是控制出口水流的速度矩的大小，使进口水流速度矩发生变化以此实现能量转换。至于转轮进口水流速度矩可由其前面的过流部件来形成。导水机构的作用之一就是形成这个速度矩对于无导水机构的水轮机（冲击式），进口速度矩亦能由转轮本身形成。22rVu11rVu水轮机广义基本方程式水流通过转轮叶片时，速度的大小和方向都发生了变化，水流动量矩随之发生改变，从而将能量传给转轮，并使转轮旋转。计算出瞬时工况下水流作用在水轮机转轮叶片上的动态力矩，再利用动量矩定理（单位时间内某物体对定轴的动量矩变化等于作用在该物体上的全部外力对该轴的力矩和），就可获得水轮机的广义基本方程式。dWtrVrVrVQMuHHuHuHH)()(2211、式中：Vu1H和Vu2H分别为转轮进、出口水流绝对速度的圆周分量；下标H表示动态值。水轮机基本方程的各种形式：)(2211rVrVQMuu)(12211uuheVUVUgHH2211rVrVgHuuhgWWgUUgVVHh222212222212221水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率三、水轮机中的能量平衡及水力效率分析水轮机中的各种能量损失对评价水轮机的性能以及确定水轮机的基本尺寸都是必需的。水轮机与其他运动机械一样，存在能量损失，输入功率与输出功率的差值就是水轮机工作过程中产生的能量损失。水轮机能量损失按产生的原因划分为水力损失、容积损失和机械损失。与各类损失相应是水力效率、容积效率和机械效率。1、水力损失和水力效率当水流通过水轮机时，为克服各过流部件的水力阻力而引起的水头损失称为水力损失。水力损失包括：从蜗壳进口断面开始，经蜗壳、座环、导水机构、转轮、尾水管直到出口断面所有过流部件的沿程摩擦损失和局部撞击、漩涡、脱流等引起的局部阻力损失，以及尾水管的出口损失（速度水头）。沿程摩擦损失与流速及过流部件的表面粗糙度有关。而局部损失除与流速分布有关外，更主要取决于各过流部件流线形状及运行工况。在水轮机各种损失中，以水力损失最大。水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率水轮机有效水头水力效率即，水轮机水力效率为水轮机有效水头与水轮机水头之比。正确设计过流部件的流线形状和提高其表面质量及控制水轮机的运行工况，可以提高水力效率。HHHeHHHh水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率2、容积损失和容积效率进入水轮机的流量Q不可能全部进入转轮做功，其中一部分流量会从水轮机的旋转部分与固定部分之间的环隙（如混流式水轮机的止漏环间隙和轴流式水轮机桨叶与转轮室之间的间隙）中漏损了。Q水轮机有效流量容积效率QQQeQQQQQQQeV1水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率3、机械损失和机械效率水流交付给水轮机的有效功率（）也不可能全部被转换为机械能输出，其中一部分消耗在各种机械损失上，如轴承及轴承密封处的摩擦损失。对混流式水轮机还存在着不属于过流部分的外表面（如上冠背面）与周围水流之间的摩擦损失，称为轮盘损失。eeeHQP水轮机主轴获得的输出功率式中——机械摩擦损失。机械效率近代大型水轮机的机械效率可达98％～99％。mePPPmPemeemPPPPP水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率4、水轮机效率即水轮机效率等于其水力效率、容积效率和机械效率的乘积。现代大型水力的总效率可达95％。mVh水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论最优工况:无撞击进口最优水流出口水轮机在运行过程中，其水头、流量、出力等参数总是不断地变化着，因此，其流道中的水流流态也是不断地改变的。相应于这些不同运行工况的速度三角形也就不同。下面通过对水轮机变工况下转轮进、出口水流速度三角形的讨论，进一步了解水轮机内地水流运动状态。尤其是水轮机内的相对水力损失情况。一、水轮机的最优工况工况——水轮机工作状况的简称。在水轮机运行过程中，为了适应不同的负荷要求，必须改变导叶的安放位置（即改变导叶的出口角），调节流量，改变出力。最优工况——效率最优的工况。非最优工况——最优工况以外的工况。水轮机在最优工况运行时，水力损失最小。而水力损失大小又主要取决于转轮的进口水流角（和的夹角）和出口水流角（和的夹角）。理论上，最优工况应发生在进口水流无撞击、出口水流呈法向的条件下。11W1U22V2U水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论1、无撞击进口叶片中线（骨线）——叶片剖面型线内切圆圆心的连线。叶片进口安放角——转轮进口叶片中线与该点圆周切线的交角。水流进口水流角——转轮进口水流相对速度