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1、会计学1水轮机工作水轮机工作(gngzu)原理原理第一页，共41页。第2页/共41页第二页，共41页。水轮机中的水流水轮机中的水流(shuli)(shuli)运动运动 一、蜗壳中的水流运动一、蜗壳中的水流运动 蜗蜗壳壳是是水水流流进进入入水水轮轮机机的的第第一一个个部部件件。通通过过它它将将水水引引向向导导水水机机构构并并进进入入转转轮轮区区。蜗蜗壳壳应应满足下列基本要求：满足下列基本要求：尽可能减少水力损失以提高尽可能减少水力损失以提高(t go)(t go)水轮机效率；水轮机效率；保保证证导导水水机机构构周周围围的的进进水水流流量量均均匀匀，水水流流呈呈轴轴对对称称，使使转转轮轮四四周周受
2、受水水流流的的作作用用力力均均匀匀，以便提高以便提高(t go)(t go)运行的稳定性；运行的稳定性；水轮机各过流部件水流运动水轮机各过流部件水流运动(yndng)的特点的特点第3页/共41页第三页，共41页。水轮机中的水流水轮机中的水流(shuli)(shuli)运动运动 水水流流在在进进入入导导水水机机构构前前应应具具有有(jyu)(jyu)一一定定的的旋旋转转环环量量（即即具具有有(jyu)(jyu)一一定定的的圆圆周周分分速速度度），以以保保证证在在水水轮轮机机的的主主要要工工况况下下导导叶叶处处在在不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。大的冲角下被绕流，即水流进入
3、导水机构时水力损失较小。无撞击进口无撞击进口进口有撞击进口有撞击（水力损失）（水力损失）导叶骨线导叶骨线漩涡消耗动能，加大水力损失漩涡消耗动能，加大水力损失漩涡还可能引起空化，产生汽蚀漩涡还可能引起空化，产生汽蚀相对速度相对速度 有有合合理理的的断断面面尺尺寸寸及及形形状状，以以降降低低电电站站厂厂房房(chngfng)(chngfng)投投资资及及便便于于电电站站辅辅助助设设备的布置（如导水机构的接力器及传动机构的布置）。备的布置（如导水机构的接力器及传动机构的布置）。第4页/共41页第四页，共41页。水轮机蜗壳水轮机蜗壳(w k)第5页/共41页第五页，共41页。3 3、导水机构调节水轮机
4、流量的功能、导水机构调节水轮机流量的功能 导导水水机机构构由由导导叶叶和和导导叶叶传传动动机机构构组组成成。导导叶叶传传动动机机构构通通过过(tnggu)(tnggu)改改变变导导叶叶位置，调节水轮机流量。位置，调节水轮机流量。水轮机中的水流水轮机中的水流(shuli)(shuli)运动运动 导叶调节流量导叶调节流量(liling)的调节方程的调节方程第6页/共41页第六页，共41页。水轮机导水机构水轮机导水机构(jgu)第7页/共41页第七页，共41页。水轮机导水机构水轮机导水机构(jgu)第8页/共41页第八页，共41页。三、转轮中的水流三、转轮中的水流(shuli)(shuli)运动运动
5、 水水流流通通过过水水轮轮机机转转轮轮流流道道时时，一一方方面面沿沿着着弯弯曲曲的的转转轮轮叶叶片片(ypin)(ypin)做做相相对对运运动动，另另一一方方面面又又随随转转轮轮旋旋转转。因因此此，转转轮轮中中的的水水流流形形成成一一种种复复杂运动。杂运动。为为简简化化问问题题，一一般般假假定定转转轮轮叶叶片片数数和和导导叶叶数数为为无无限限多多，且且水水流流在在水水轮轮机机中的运动可做如下假设：中的运动可做如下假设：稳稳定定流流：认认为为在在水水头头、流流量量和和转转速速一一定定的的情情况况下下(即即固固定定工工况况下下)，水水流流在在引引水水室室、导导水水机机构构、尾尾水水管管中中的的流流
6、动动以以及及在在转转轮轮中中相相对对于于叶叶片片的的流流动动是是稳稳定定的，即不随时间而改变运动状况。的，即不随时间而改变运动状况。轴轴对对称称(duchn)流流：认认为为水水流流对对称称(duchn)于于水水轮轮机机轴轴线线流流向向导导叶叶和和转轮，即导叶周围的水流运动状况在转轮，即导叶周围的水流运动状况在3600的圆周线上各处相同。的圆周线上各处相同。水轮机中的水流运动水轮机中的水流运动 第9页/共41页第九页，共41页。水轮机转轮水轮机转轮(zhun ln)第10页/共41页第十页，共41页。混流式水轮机转轮混流式水轮机转轮(zhun ln)装配图装配图第11页/共41页第十一页，共41
7、页。水轮机中的水流水轮机中的水流(shuli)(shuli)运动运动 2、水流运动的合成与分解、水流运动的合成与分解 水水流流在在转转轮轮中中的的运运动动，一一方方面面是是水水流流相相对对于于转转轮轮叶叶片片流流动动，即即相相对对运运动动，另另一一方方面面随随转转轮轮转转动动，即即圆圆周周运运动动或或牵牵连连运运动动。转转轮轮中中的的水水流流的的绝绝对对运运动动可可看看成成这这两两种种运运动动的的合合成成。若若用用速速度度关关系系表表示示，则则绝绝对对速速度度 是是相相对对速度速度 与圆周速度与圆周速度 的矢量和的矢量和速度三角形速度三角形：绝对速度绝对速度 在静止的地面上看到的水流速度；在静
8、止的地面上看到的水流速度；相对速度相对速度 随转轮一起运动时看到的水流速度；随转轮一起运动时看到的水流速度；圆周速度圆周速度 考察点随转轮转动时的线速度。考察点随转轮转动时的线速度。Wm第12页/共41页第十二页，共41页。水轮机中的水流水轮机中的水流(shuli)(shuli)运动运动 在实际应用中为了分析的方便，常把绝对速度在实际应用中为了分析的方便，常把绝对速度 分解为分解为式中式中 绝对速度沿圆周方向的分量，称为绝对速度圆周分速度；绝对速度沿圆周方向的分量，称为绝对速度圆周分速度；垂垂直直于于圆圆周周方方向向的的分分量量。因因垂垂直直圆圆周周方方向向的的平平面面都都通通过过水水轮机轴向
9、，因而轮机轴向，因而 在轴面上，故称在轴面上，故称 为轴面速度。为轴面速度。在在转转轮轮的的水水力力设设计计时时，或或当当分分析析水水流流在在转转轮轮中中的的流流动动时时，常常常常要要应应用用到这两个速度分量。到这两个速度分量。3、转轮进、出口速度三角形、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、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。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这是因为速度三角形与水轮机工作参数
10、水头H、流量、流量Q及转速及转速n等直接有关。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。因此有必要研究和分析转轮进、出口速度三角形。第13页/共41页第十三页，共41页。（1）混流式转轮）混流式转轮(zhun ln)进、出口速度三角形进、出口速度三角形 混流式转轮混流式转轮(zhun ln)进、出口速度三角形进、出口速度三角形水轮机中的水流水轮机中的水流(shuli)(shuli)运动运动 第14页/共41页第十四页，共41页。水流水流水流水流(shuli)(shuli)(shuli)(shuli)作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率作
11、用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率 水水轮轮机机的的水水力力理理论论是是研研究究其其性性能能、流流态态与与流流道道形形状状之之间间的的相相互互关关系系，这这些些关关系系中中最最重重要要的的是是研研究究当当流流体体通通过过转转轮轮时时流流体体扭扭转转变变化化与与流流体体传传递递到到转转轮轮的的力力矩矩关关系系。水水轮轮机机的的基基本本方方程程式式就就是是(jish)(jish)在在理理论论上上建建立立这这个个关关系。系。水轮机基本方程式及其含义、水轮机的各种损失水轮机基本方程式及其含义、水轮机的各种损失(snsh)及相应的效率计算及相应的效率计算 根根
12、据据动动量量矩矩定定理理，单单位位时时间间内内水水流流质质量量对对定定轴轴的的动动量量矩矩变变化化等等于于作作用用在该质量上的全部外力对定轴的力矩和，即在该质量上的全部外力对定轴的力矩和，即式中式中 Ma外力矩。外力矩。第15页/共41页第十五页，共41页。在在时时刻刻t t，水水流流质质量量充充满满转转轮轮流流道道ABCDABCD，经经过过时时间间dtdt后后，这这部部分分质质量量运运动动到到A AB BC CD D，此此时时有有BBBBC CC C部部分分的的水水流流从从流流道道中中流流出出，其其质质量量为为，q q为为通通过过该该流流道道的的流流量量。在在流流道道的的进进口口处处，经经d
13、tdt时时间间后后流流空空的的AAAAD DD D部分为后继水流充满，其质量也应是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：考虑水流通过转轮时动量矩的变化：水流作用水流作用(zuyng)(zuyng)于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率 第16页/共41页第十六页，共41页。在在dt时时间间内内将将转转轮轮中中的的水水流流运运动动看看成成是是稳稳定定流流动动，则则ABCD部部分分的的动动量量矩矩没没有有变变化化，因因而而流流道道的的动动量量矩矩变变化化就就等等于于BBCC C部部分分的的动动量量矩矩减减去去AADD部分的动量矩，即部
14、分的动量矩，即 假假设设在在整整个个转转轮轮进进、出出口口处处 与与 分分别别为为常常数数，则则整整个个转转轮轮流流道道水水流流质量总的动量矩变化为质量总的动量矩变化为水流作用于叶片的力矩、水轮机基本水流作用于叶片的力矩、水轮机基本(jbn)(jbn)方程式和效率方程式和效率 第17页/共41页第十七页，共41页。水流作用水流作用(zuyng)(zuyng)于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率 上上述述的的水水流流动动量量矩矩变变化化是是由由dt dt 时时段段内内作作用用在在水水流流上上的的外外力力对对水水轮轮机机旋旋转转轴轴线线的的力力矩矩引起的。下面引
15、起的。下面(xi mian)(xi mian)三种外力并不产生这种力矩：三种外力并不产生这种力矩：重力：因重力的合力与轴线重合或相交；重力：因重力的合力与轴线重合或相交；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；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；转转轮轮外外的的水水流流在在转转轮轮进进、出出口口处处对对所所考考虑虑的的水水流流压压力力：因因这这两两部部分分水水流流在在转转轮轮进进、出口处的接触面可看作是旋转面，故压力与轴向相交。出口处的接触面可看作是旋转面，故压力与轴向相交。水流通过水流通过(tnggu)(tnggu)转轮时动量矩的变
16、化仅由叶片的作用力矩引起。转轮时动量矩的变化仅由叶片的作用力矩引起。第18页/共41页第十八页，共41页。二、水轮机基本方程式二、水轮机基本方程式 设叶片对水流的作用力矩为设叶片对水流的作用力矩为MbMb，则，则由此得由此得 则水流对转轮叶片的作用力矩为则水流对转轮叶片的作用力矩为 （大小相等，方向相反）（大小相等，方向相反）水流传递给转轮的功率为水流传递给转轮的功率为式中式中 转轮旋转角速度。转轮旋转角速度。水流作用于叶片水流作用于叶片(ypin)(ypin)的力矩、水轮机基本方程式和效率的力矩、水轮机基本方程式和效率 第19页/共41页第十九页，共41页。水流作用于叶片的力矩水流作用于叶片
17、的力矩(l j)(l j)、水轮机基本方程式和效率、水轮机基本方程式和效率 又由又由得得上式就是反击式和冲击式上式就是反击式和冲击式水轮机的基本方程式水轮机的基本方程式，也称，也称水轮机欧拉方程水轮机欧拉方程。水轮机基本方程式的其它表达形式：水轮机基本方程式的其它表达形式：考虑到环量考虑到环量 ，则方程亦可用环量的形式表示为，则方程亦可用环量的形式表示为第20页/共41页第二十页，共41页。水流作用于叶片的力矩、水轮机基本水流作用于叶片的力矩、水轮机基本(jbn)(jbn)方程式和效率方程式和效率 基本方程式的含义：基本方程式的含义：方方程程左左边边，表表示示作作用用于于水水轮轮机机转转轮轮上
18、上的的单单位位重重量量水水流流所所具具有有的的有有效效水水能能，也也就就是是单单位位重重量量水水流流所所能能传传给给转转轮轮的的有有效效能能量量。方方程程右右边边，则则表表示示转转轮轮进进、出出口口处处水水流流速速度度矩矩的的变变化化（即即水水流流本本身身运运动动(yndng)(yndng)状状态态的的变变化化）。因因此此水水轮轮机机基基本本方方程程式式给给出出了了水水轮轮机机能能量量参参数数与与运运动动(yndng)(yndng)参参数的关系。数的关系。基基本本方方程程式式从从理理论论上上表表明明了了水水轮轮机机中中水水流流能能量量是是怎怎样样转转换换成成机机械械能能的的。它它是是由由于于水
19、水流流和和转转轮轮叶叶片片相相互互作作用用的的结结果果。一一方方面面是是流流道道迫迫使使水水流流动动量量矩矩发发生生变变化化，另另一一方方面面，水水流流在在其其动动量量矩矩改改变变(gibin)(gibin)得得同同时时，它它以以一一定定的的压压力力作作用用在在叶叶片片上上，从从而而驱驱使使转转轮轮旋旋转转，其其能能量量传传递递给给转转轮轮并并形形成成水轮机轴上的旋转力矩。水轮机轴上的旋转力矩。第21页/共41页第二十一页，共41页。水流作用于叶片的力矩水流作用于叶片的力矩(l j)(l j)、水轮机基本方程式和效率、水轮机基本方程式和效率 由基本方程式可见由基本方程式可见水流对转轮作用的有效
20、能量，是靠转轮进、出口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必要的速度矩或环量之差来保证的。显然，当。显然，当 就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。低。为了有效利用水头为了有效利用水头H H，充分地进行能量转换
21、，过流部件设计时应保，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，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转轮的作用是控制出口水流的速度矩口水流的速度矩 的大小，使进口水流速度矩发生变化以此实现的大小，使进口水流速度矩发生变化以此实现能量转换。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。（冲击式），进口速度矩
22、亦能由转轮本身形成。第22页/共41页第二十二页，共41页。水轮机广义基本方程式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。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
23、得水轮机的广义基本方程式。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。、式中：式中：Vu1H和和Vu2H分别为转轮进、出口水流绝对速度的圆周分量；下标分别为转轮进、出口水流绝对速度的圆周分量；下标(xi bio)H表示动态值。表示动态值。第23页/共41页第二十三页，共41页。水轮机基本方程的各种水轮机基本方程的各种(zhn)形式：形式：第24页/共41页第二十四页，共41页。水流作用水流作用(zuyng)(zuyng)于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率于叶片的力矩、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三、水轮机中的能量平衡及水力效率 分分析析水水轮轮机机
24、中中的的各各种种能能量量损损失失对对评评价价(pngji)(pngji)水水轮轮机机的的性性能能以以及及确确定定水水轮轮机机的的基本尺寸都是必需的。基本尺寸都是必需的。水水轮轮机机与与其其他他运运动动机机械械一一样样，存存在在能能量量损损失失，输输入入功功率率与与输输出出功功率率的的差差值值就就是是水轮机工作过程中产生的能量损失。水轮机工作过程中产生的能量损失。水水轮轮机机能能量量损损失失按按产产生生的的原原因因划划分分为为水水力力损损失失、容容积积损损失失和和机机械械损损失失。与与各各类类损失相应是水力效率、容积效率和机械效率。损失相应是水力效率、容积效率和机械效率。第25页/共41页第二十
25、五页，共41页。1、水力损失和水力效率、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。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。水水力力损损失失包包括括：从从蜗蜗壳壳进进口口断断面面开开始始，经经蜗蜗壳壳、座座环环、导导水水机机构构、转转轮轮、尾尾水水管管直直到到出出口口断断面面所所有有过过流流部部件件的的沿沿程程摩摩擦擦(mc)损损失失和和局局部部撞撞击击、漩漩涡涡、脱脱流流等等引引起起的的局局部部阻阻力力损损失失，以及尾水管的出口损失（速度水头）。以及尾水管的出口损失（速度水头）。沿沿程程摩摩擦擦损损失失与
26、与流流速速及及过过流流部部件件的的表表面面粗粗糙糙度度有有关关。而而局局部部(jb)(jb)损损失失除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。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。在在水水轮轮机机各各种种(zhn)zhn)损损失失中中，以以水水力力损损失失最最大。大。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 第26页/共41页第二十六页，共41页。水轮机有效水头水轮机有效水头 水力效率水力效率 即，水轮机水力效率为水轮机有效水头与水轮机水头之比。即，水轮机水力效率为水轮机有效水头与水轮机水头之比。正正确
27、确设设计计过过流流部部件件的的流流线线形形状状和和提提高高其其表表面面质质量量及及控控制制水水轮轮机机的的运运行行工况，可以提高水力效率。工况，可以提高水力效率。水流作用于叶片的力矩、水轮机基本水流作用于叶片的力矩、水轮机基本(jbn)(jbn)方程式和效率方程式和效率 第27页/共41页第二十七页，共41页。2 2、容积损失和容积效率、容积损失和容积效率 进进入入水水轮轮机机的的流流量量Q Q不不可可能能全全部部进进入入转转轮轮做做功功，其其中中一一部部分分流流量量 会会从从水水轮轮机机的的旋旋转转部部分分与与固固定定部部分分之之间间的的环环隙隙（如如混混流流式式水水轮轮机机的的止止漏漏环环
28、间隙和轴流式水轮机桨叶与转轮室之间的间隙）中漏损了。间隙和轴流式水轮机桨叶与转轮室之间的间隙）中漏损了。水轮机有效流量水轮机有效流量 容积效率容积效率 水流作用于叶片的力矩水流作用于叶片的力矩(l j)(l j)、水轮机基本方程式和效率、水轮机基本方程式和效率 第28页/共41页第二十八页，共41页。水流作用于叶片的力矩水流作用于叶片的力矩(l j)(l j)、水轮机基本方程式和效率、水轮机基本方程式和效率 3 3、机械损失和机械效率、机械损失和机械效率 水水流流交交付付给给水水轮轮机机的的有有效效功功率率（）也也不不可可能能全全部部被被转转换换为为机机械械能能输输出出，其其中中一一部部分分消
29、消耗耗在在各各种种机机械械损损失失上上，如如轴轴承承及及轴轴承承密密封封处处的的摩摩擦擦损损失失。对对混混流流式式水水轮轮机机还还存存在在着着不不属属于于过过流流部部分分的的外外表表面面（如如上上冠背面）与周围水流之间的摩擦损失，称为轮盘损失。冠背面）与周围水流之间的摩擦损失，称为轮盘损失。水轮机主轴获得的输出功率水轮机主轴获得的输出功率式中式中 机械摩擦损失。机械摩擦损失。机械效率机械效率近代大型水轮机的机械效率可达近代大型水轮机的机械效率可达98989999。第29页/共41页第二十九页，共41页。水流水流(shuli)(shuli)作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率作用于叶片的力矩
30、、水轮机基本方程式和效率 4、水轮机效率、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。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现代大型水力的总效率可达95。第30页/共41页第三十页，共41页。水轮机变工况转轮水轮机变工况转轮(zhun ln)(zhun ln)进、出口进、出口速度三角形的讨论速度三角形的讨论 最优工况最优工况:无撞击进口无撞击进口 最优水流最优水流(shuli)出口出口 水水轮轮机机在在运运行行过过程程中中，其其水水头头、流流量量、出出力力等等参参数数总总是是不不断断地地变变化化着着，因因此此(ync)(ync)，其其
31、流流道道中中的的水水流流流流态态也也是是不不断断地地改改变变的的。相相应应于于这这些些不不同同运运行行工工况况的的速速度度三三角角形形也也就就不不同同。下下面面通通过过对对水水轮轮机机变变工工况况下下转转轮轮进进、出出口口水水流流速速度度三三角角形形的的讨讨论论，进进一一步步了了解解水水轮轮机机内内地地水水流流运运动动状状态态。尤其是水轮机内的相对水力损失情况。尤其是水轮机内的相对水力损失情况。第31页/共41页第三十一页，共41页。一、水轮机的最优工况一、水轮机的最优工况 工况工况水轮机工作状况的简称。水轮机工作状况的简称。在在水水轮轮机机运运行行过过程程中中，为为了了适适应应不不同同的的负
32、负荷荷(fh)(fh)要要求求，必必须须改改变变导导叶叶的的安放位置（即改变导叶的出口角），调节流量，改变出力。安放位置（即改变导叶的出口角），调节流量，改变出力。最优工况最优工况效率最优的工况。效率最优的工况。非最优工况非最优工况最优工况以外的工况。最优工况以外的工况。水水轮轮机机在在最最优优工工况况运运行行时时，水水力力损损失失最最小小。而而水水力力损损失失大大小小又又主主要要取取决决于于转转轮轮的的进进口口水水流流角角 （和和 的的夹夹角角）和和出出口口水水流流角角 （和和 的的夹夹角角）。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。理论上，最优工况应发生在进口水流无
33、撞击、出口水流呈法向的条件下。水轮机变工况转轮进、出口速度水轮机变工况转轮进、出口速度(sd)(sd)三角形的讨论三角形的讨论 第32页/共41页第三十二页，共41页。1 1、无撞击进口、无撞击进口 叶片中线（骨线）叶片中线（骨线）叶片剖面型线内切圆圆心的连线。叶片剖面型线内切圆圆心的连线。叶片进口安放角叶片进口安放角 转轮进口叶片中线与该点圆周切线的交角。转轮进口叶片中线与该点圆周切线的交角。水流进口水流角水流进口水流角 转轮进口水流相对速度转轮进口水流相对速度 与圆周切向的夹角。与圆周切向的夹角。无撞击进口无撞击进口转轮进口水流相对速度转轮进口水流相对速度 的方向与叶片剖面中线在进的方向与
34、叶片剖面中线在进口处的切线一致。此时，转轮的进口水流角等于叶片进口安放角，即口处的切线一致。此时，转轮的进口水流角等于叶片进口安放角，即 ，水流对叶片不发生撞击和脱流，绕流平顺，水力损失小。，水流对叶片不发生撞击和脱流，绕流平顺，水力损失小。无撞击方向无撞击方向无撞击无撞击(b)1=b1V1W1U11图图217 水流的进口情况水流的进口情况水轮机变工况转轮进、出口水轮机变工况转轮进、出口(ch ku)(ch ku)速度三角形的讨论速度三角形的讨论 第33页/共41页第三十三页，共41页。发生撞击时就会出现脱流和漩涡区，从而产生发生撞击时就会出现脱流和漩涡区，从而产生(chnshng)(chns
35、hng)撞击损失。撞击损失。水轮机变工况转轮水轮机变工况转轮(zhun ln)(zhun ln)进、出口速度三角形的讨论进、出口速度三角形的讨论 第34页/共41页第三十四页，共41页。水轮机变工况转轮进、出口速度水轮机变工况转轮进、出口速度(sd)(sd)三角形的讨论三角形的讨论 2 2、最优水流、最优水流(shuli)(shuli)出口出口 不不同同水水头头下下的的反反击击式式水水轮轮机机对对最最优优水水流流(shuli)(shuli)出出口口的的要要求求略略有有不不同同。对对高高水水头头水水轮轮机机，最最理理想想的的转转轮轮出出流流是是法法向向出出口口；而而对对中中、低低水水头头混混流流
36、式式水水轮轮机及轴流式水轮机，转轮的略具正环量的水流机及轴流式水轮机，转轮的略具正环量的水流(shuli)(shuli)出口是有利的。出口是有利的。第35页/共41页第三十五页，共41页。水轮机变工况转轮进、出口速度水轮机变工况转轮进、出口速度(sd)(sd)三角形的讨论三角形的讨论 法向出口法向出口 当当从从转转轮轮流流出出的的水水流流是是沿沿着着轴轴面面流流动动且且无无旋旋时时（），称称为为法法向向出口，此时出口水流角出口，此时出口水流角 ，出口速度三角形为直角三角形。，出口速度三角形为直角三角形。（实线）（实线）第36页/共41页第三十六页，共41页。优点：优点：最最 小小，可可 减减
37、小小 进进 入入 尾尾 水水 管管 中中 的的 水水 流流 速速 度度（因因 ，当当Q一一定定时时，也也一一定定，则则当当出出口口水水流流角角 时时，最最小小），减小水力损失减小水力损失（减小尾水管摩擦损失和出口动能损失）。（减小尾水管摩擦损失和出口动能损失）。尾尾水水管管进进口口轴轴面面水水流流（）的的动动能能可可通通过过尾尾水水管管回回收收一一大大半半，而而旋旋转转水水流流（）的的动动能能却却绝绝大大部部分分不不能能回回收收而而丢丢失失了了。在在法法向向出出口口时时，尾尾水水管管进进口口旋旋转转动动能能为为零零，尾尾水水管管对对水水流流剩剩余余动动能能的的利利用用最最充充分分，尾尾水水管管
38、出出口口水水流流动能损失最小。动能损失最小。水轮机变工况转轮进、出口水轮机变工况转轮进、出口(ch ku)(ch ku)速度三角形的讨论速度三角形的讨论 第37页/共41页第三十七页，共41页。(b)略具正环量略具正环量法向出口法向出口 略具正环量的水流出口略具正环量的水流出口 当当转转轮轮出出口口水水流流略略具具正正环环量量时时，出出口口水水流流角角 略略小小于于900，略略大大于于零零，此此时时的的 方方向向与与转转轮轮转转动动的的方方向向一一致致。此此出出流流与与法法向向出出口口相相比比，对对中中、低低水水头头混混流流式式水水轮轮机机及及轴轴流流式式水水轮轮机机，反反而而能能减减少少水水
39、力力损损失失，改改善善水水轮轮机的效率及汽蚀性能。机的效率及汽蚀性能。原因：原因：具具微微量量正正向向旋旋转转的的水水流流，在在水水流流自自身身的的离离心心力力作作用用下下，将将紧紧贴贴尾尾水水管管的的管管壁壁流流动动，因因而而不不易易发发生生脱脱流流及及滞滞水水区区，从从而而减减少少尾尾水水管管的的能能量量损失；损失；由于转轮进、出口环量的增大由于转轮进、出口环量的增大（），相应使），相应使转轮进、出口水流相对流速转轮进、出口水流相对流速 、减少，从而也能降低转轮中的水减少，从而也能降低转轮中的水力损失。力损失。水轮机变工况转轮进、出口速度水轮机变工况转轮进、出口速度(sd)(sd)三角形的
40、讨论三角形的讨论 第38页/共41页第三十八页，共41页。水轮机变工况转轮进、出口水轮机变工况转轮进、出口(ch ku)(ch ku)速度三角形的讨论速度三角形的讨论 第39页/共41页第三十九页，共41页。水轮机变工况转轮水轮机变工况转轮(zhun ln)(zhun ln)进、出口速度三角形的讨论进、出口速度三角形的讨论 二、水轮机变工况下的转轮进、出口速度二、水轮机变工况下的转轮进、出口速度(sd)(sd)三角形三角形 如如前前所所述述，水水轮轮机机在在转转轮轮无无撞撞击击进进口口和和法法向向（或或略略具具正正环环量量）出出口口的的条条件件下下水水力力损损失失最最小小，水水力力效效率率最最
41、高高。对对于于形形状状和和尺尺寸寸均均已已确确定定的的水水轮轮机机，最最优优工工况况只只会会在在某某个个水水头头、流流量量和和转转速速的的条条件件下下出出现现。但但水水轮轮机机在在实实际际运运行行中中，水水头头、流流量量总总是是变变化化的的，不不可可避避免免地地要要偏离最优工况。偏离最优工况。轴流转桨式水轮机：轴流转桨式水轮机：转转轮轮叶叶片片随随着着工工况况的的改改变变而而转转动动到到相相应应的的角角度度，使使转转轮轮进进口口处处比比较较接接近近无无撞撞击击和和出出口口比比较较接接近近最最优优出出流流，因因而而可可以以在在相相当当广广阔阔的的水水头头和和流流量量变变化化范范围围(fnwi)(fnwi)内内获得高效率和保证机组稳定运行。获得高效率和保证机组稳定运行。这种在桨叶与导叶之间实现了最有利配合的工况称为协联工况。这种在桨叶与导叶之间实现了最有利配合的工况称为协联工况。第40页/共41页第四十页，共41页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第41页/共41页第四十一页，共41页。