第一章 水輪機的類型、構(gòu)造及工作原理 第二章 輪機的蝸水殼、尾水管及汽蝕 第三章 水輪機的特性及選型 第四章 水輪機調(diào)節(jié) 第五章 水電的典型布置及組成建筑物 第六章 水電站進水口 第七章 水電站渠道及隧洞 第八章 水電站的壓力管道 第九章 水電站的水錘 第十章 調(diào)壓室 第十一章 引水式地面廠房布置設(shè)計   第一章 水輪機的類型、構(gòu)造及工作原理 本章內(nèi)容簡介 １.水輪機的工作參數(shù)，類型及構(gòu)造 水輪機的工作參數(shù) 現(xiàn)代水輪機的分類 各類水輪機的構(gòu)造 水輪機牌號及標(biāo)稱直徑 水流在轉(zhuǎn)輪中的運動 速度三角形的組成 速度分解及影響因素 水輪機根本方程式及其意義 速度系數(shù)及其與速度三角形內(nèi)角的關(guān)系 第一節(jié) §1. 水輪機的根本概念 ⒈水輪機的定義 水輪機是將水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能的動力設(shè)備，它用來帶動發(fā)電機工作，產(chǎn)生電能。水輪機和發(fā)電機連在一起稱為水輪發(fā)電機組。 ⒉水輪機的開展史 人們很早就知道利用水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能做功。三國時的石碓，晉朝初期的水磨，這些簡單的水力工具演變到近代，逐漸形成現(xiàn)代水輪機?，F(xiàn)代水輪機的雛形以巴克水磨最為典型。 1847年Francis 創(chuàng)造了混流式水輪機，但葉片薄，受不了高水頭的壓力，另一方面還存在汽蝕的問題(cavitation)。1880年P(guān)elton 創(chuàng)造了水斗式水輪機，可以承受500～600m的水頭。1912年Kaplan 提出了定漿軸流式水輪機，使引用的Q增大，但平均效率不高。后又提出轉(zhuǎn)漿式，提高了平均效率。1930～40年出現(xiàn)貫流式，通過的Q更大，以適應(yīng)低水頭、大流量的電站，尤其是潮汐電站。 經(jīng)過近兩百年人們的努力，逐漸形成了現(xiàn)代的水輪機?，F(xiàn)代水輪機與它們的雛形，沒有根本性的變化，但在容量上和適用范圍上有了大大的提高，并且隨著水輪機設(shè)計和制造技術(shù)的開展，還可能進一步地提高。 第二節(jié) Parameters of water turbine 在水流通過水輪機時，水能將轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機械能，這一過程可用以下公式表述: 上面兩式中共有六個參數(shù)：水頭 流量 轉(zhuǎn)速 出力 效率 力矩。 水頭可以分為一以下三大類： 1.毛水頭:電站上下游的水位差,即。 2.工作水頭:水輪機做功的有效水頭,等于水輪機進、出口斷面的單位能量差。 3.特征水頭：包括以下四種水頭。 ①最大水頭：允許水輪機運行的最大凈水頭。 ②最小水頭：能保證水輪機平安、穩(wěn)定運行的最小凈水頭。 ③加權(quán)平均水頭：考慮了各種水頭可能持續(xù)的時間的平均水頭，即： 按時間加權(quán)   按電能加權(quán)   式中－－各水頭出現(xiàn)的相應(yīng)持續(xù)時間和出力。 選擇水輪機時盡可能使 通過水輪即的最高效率區(qū)的中心。這樣可以保證水輪機以最大的運行小時數(shù)在高效率區(qū)運行。 ④設(shè)計水頭(計算水頭):水輪機發(fā)出額定出力使的最小凈水頭。在運轉(zhuǎn)綜合曲線上，此水頭使水輪機和發(fā)電機出力限制線焦點所對應(yīng)的水頭。 ,稱為靜水頭或水輪機的工作水頭。   流量:流入轉(zhuǎn)輪的流量不等于流進輪室的流量，動部件與固定部件之間有縫隙，有縫隙就有漏水，故水輪機作有效功的流量是,令 ,一般容積損失很小，。 轉(zhuǎn)速:對于大中型水輪發(fā)電機組，水輪機的主軸與發(fā)電機的軸是直接連接的，所以它們的轉(zhuǎn)速是相同的，并需滿足同步轉(zhuǎn)速的要求，即f=pn/60(其中f是電流頻率，50HZ，(p是發(fā)電機的磁極對數(shù)).所以n=3000/p。 不同磁極對數(shù)的發(fā)電機，其標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速如下： 磁極對數(shù)P 3 4 5 6 7 8 9 同步轉(zhuǎn)速n(r/min) 1000 750 600 500 375 磁極對數(shù)P 10 12 14 16 18 20 22 同步轉(zhuǎn)速n(r/min) 300 250 150 磁極對數(shù)P 24 26 28 30 32 34 36 同步轉(zhuǎn)速n(r/min) 125 100 磁極對數(shù)P 38 40 42 44 46 48 50 同步轉(zhuǎn)速n(r/min) 79 75 60 對于主軸直接連接的水輪發(fā)電機組,發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速也就是該機組及其水輪機的額定轉(zhuǎn)速nr 出力:水流給予水輪機的功率是，但水輪機作的有效功率，有效功率不等于水輪機的輸出功率，因為水輪機旋轉(zhuǎn)還存在著機械損失，令： 效率:由于水流通過水輪機時存在一定的能量消耗,所以水輪機的出力N總是小于其輸入功率Nw。通常把N和Nw的比值稱為水輪機的效率，用表示，即： 力矩:,顯然作用于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的力矩(M)小于水輪機作有效功的力矩,，更小于水流作用于水輪機的力矩,因為轉(zhuǎn)速n是一定的，所以三者之間的關(guān)系與的三者關(guān)系一致。 第三節(jié) structure of water turbine ⑴水輪機的分類 由于水能資源條件的千差萬別，各座水電站所能利用的水頭和流量差異也很大，因此需要有各種類型的水輪機來適應(yīng)不同水能資源條件，以便能充分和有效地利用水能資源。根據(jù)水輪機利用能量的不同可分為還擊式和沖擊式兩大類。 ★還擊式和沖擊式的主要差異 還擊式和沖擊式的主要差異是什么？ 實現(xiàn)水流能量轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備是轉(zhuǎn)輪，因此可以按水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)工作原理來區(qū)別還擊式和沖擊式。取轉(zhuǎn)輪進口點和出口點的能量之差，當(dāng)忽略其間的水頭損失，可用下式表示： ，改寫為如下形式： ， 即+＝1。 *假設(shè)＝0，＝1，這種利用水流動能的水輪機稱為沖擊式水輪機。 沖擊式容易理解，就是利用強大動能的水流沖擊水輪機的轉(zhuǎn)輪，形成力矩，使之旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)輪中水流為無壓流動，水流具有自由外表，轉(zhuǎn)輪內(nèi)僅局部充水。根據(jù)轉(zhuǎn)輪的進水特征，沖擊式水輪機又分為水斗式、斜擊式和雙擊式。 *假設(shè)0<<1,+＝1,這種同時利用水流動能和勢能的水輪機稱為還擊式水輪機。 還擊式，就是利用水流的反推力，即反作用力作功。還擊式水輪機轉(zhuǎn)輪的葉道是彎曲的，它迫使壓力水流不斷改變其流動方向和流速大小。即轉(zhuǎn)輪給水流一個作用力，反過來水流以其壓能和動能給轉(zhuǎn)輪以反作用力，形成力矩，使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)輪以及整個流道中的水流是有壓流動，水流充滿整個轉(zhuǎn)輪。根據(jù)轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流運動方向的特征，還擊式水輪機又分為軸流式、斜流式、混流式和貫流式。 ★水輪機的分類 由于水能資源條件的千差萬別，各座水電站所能利用的水頭和流量差異也很大，因此需要有各種類型的水輪機來適應(yīng)不同水能資源條件，以便能充分和有效地利用水能資源。 ⑵水輪機的構(gòu)造 水輪機必須有其它部件來配合水輪機工作，使水輪機具有較高的效率。 ★還擊式水輪機的構(gòu)造 還擊式水輪機的構(gòu)造 還擊式水輪機通常由四大部件組成：即進水、導(dǎo)水、轉(zhuǎn)輪及尾水，這四大部件對于不同類型 的水輪機，各不完全相同，有著自身的特點 ★沖擊式水輪機的構(gòu)造 沖擊式水輪機的構(gòu)造 沖擊式水輪機的構(gòu)造比擬簡單，主要由噴嘴、針閥、轉(zhuǎn)輪和折向器組成。噴嘴的作用是引導(dǎo)壓力水流均勻流動，在噴嘴處收縮轉(zhuǎn)換為僅有動能的自由射流；針閥的作用是控制流量的大小，適應(yīng)出力大小的需要。 ⑶水輪機應(yīng)滿足的要求 自然界水力資源的多樣性，決定了水輪機類型和構(gòu)造的多樣性。為了充分利用水能，并且滿足合理、經(jīng)濟、平安的開發(fā)原那么，故對于在一定Q、H條件下，水輪機應(yīng)滿足如下要求： 1.有較高的工作效率和防汽蝕的性能； 2.足夠的機械強度 3.較大的過水能力，即在相同的轉(zhuǎn)輪直徑下，通過的Q較大。換句說在出力 相等條件下， 過水能力大，轉(zhuǎn)輪直徑小?？s小了水輪機組的尺寸，節(jié)省了機電設(shè)備和土建的投資。 第四節(jié) brand of water turbine 水輪機的牌號就是水輪機的姓名，其目的是為了統(tǒng)一產(chǎn)品規(guī)格，提高產(chǎn)品質(zhì)量，便于選擇使用。說明水輪機性能有兩個主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪直徑D和水輪機的比轉(zhuǎn)速n，所以在水輪機牌號上不僅要說明是什么類型的水輪機，而且要表示它的轉(zhuǎn)輪直徑和比轉(zhuǎn)速。 我國統(tǒng)一規(guī)定的水輪機牌號由三局部代號組成,如下所示(HL240-LJ-140): 舉例說明: 1. HL220-LJ-550 表示混流式水輪機,轉(zhuǎn)輪型號(比轉(zhuǎn)速)為220,立軸,金屬蝸殼,轉(zhuǎn)輪直徑為550cm; 表示軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機,轉(zhuǎn)輪型號為560,立軸,混凝土蝸殼,轉(zhuǎn)輪直徑為800cm; 表示斜流可逆式水輪機,轉(zhuǎn)輪信號為200,立軸,金屬蝸殼,轉(zhuǎn)輪直徑為300cm; 表示貫流定漿式水輪機,轉(zhuǎn)輪型號為600,臥軸,燈泡進水室,轉(zhuǎn)輪直徑為250cm; 另外，各種水輪機的轉(zhuǎn)輪直徑規(guī)定如下表： 類型 轉(zhuǎn)輪直徑規(guī)定 配圖 混流式 轉(zhuǎn)輪葉片進水邊的最大直徑 軸流式 斜流式 貫流式 與轉(zhuǎn)輪葉片軸線相交處的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)徑 沖擊式 轉(zhuǎn)輪與射流中心線相切處的節(jié)圓直徑  第五節(jié)表示混流式水輪機,轉(zhuǎn)輪型號(比轉(zhuǎn)速)為220,立軸,金屬蝸殼,轉(zhuǎn)輪直徑為550cm; §   ★恒定流假設(shè) 水輪機的水頭、流量、出力和轉(zhuǎn)速都保持恒定，并且水流在蝸殼、導(dǎo)水機構(gòu)、尾水管中的流動以及在轉(zhuǎn)輪中相對于轉(zhuǎn)動葉片的運動都是恒定的，即不隨時間蠻化。圓柱坐標(biāo)系〔r，2，〕：由于轉(zhuǎn)輪的葉道形狀復(fù)雜，而轉(zhuǎn)輪本身在旋轉(zhuǎn)，所以水流在還擊式水輪機轉(zhuǎn)輪中的運動是一個復(fù)雜的三維空間運動，常用圓柱坐標(biāo)系來描述，如下所示： ★混流式水輪機轉(zhuǎn)輪中水流運動. 混流式水輪機轉(zhuǎn)輪中水流運動 對于混流式水輪機，水流由輻向流動轉(zhuǎn)為軸向流動的變化是在轉(zhuǎn)輪中進行的?？梢哉J(rèn)為水流質(zhì)點流經(jīng)轉(zhuǎn)輪時，它沿著一個喇叭形的空間曲面流動，整個轉(zhuǎn)輪區(qū)有無數(shù)這樣的流動曲面。假設(shè)忽略水的粘性，還可認(rèn)為這些流面之間是互不干擾的。以下圖中a-0-1-2曲線是流面上的一條流線(如右所示)。 混流式水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流面和軸線 為了研究問題的簡化起見，假定轉(zhuǎn)輪是由無限多，無限薄的葉片組成。這樣就可認(rèn)為轉(zhuǎn)輪中的水流運動是均勻的、軸對稱的。葉片翼形斷面的中心線稱為骨線。顯然在上述假定下，流線也就和骨線的形狀完全一致。將流線與葉片相割的流面展開，即得出流面展開圖(如右所示)。 流面展開圖 是葉片進口安放角，是葉片出口安放角。顯然，轉(zhuǎn)輪中任意一點的水流質(zhì)點，一方面沿葉道運動，另一方面又隨著轉(zhuǎn)輪而旋轉(zhuǎn)，是一種復(fù)合運動。水流質(zhì)點沿葉道的運動稱為相對運動(相對運動的跡線就是流線)；隨轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)運動稱為牽連運動；而水流質(zhì)點相對大地的運動稱為絕對運動。每種運動相應(yīng)的水流質(zhì)點的速度分別稱為相對速度W、牽連速度U和絕對速度V。于是在該點構(gòu)成一個速度三角形(如右所示)。 速度三角形 三角形的形狀、大小可以由它的兩個邊和夾角唯一確定。 對于進口三角形，U1大小等于，方向切于圓周，所以U1取決于n和D1。W1大小取決于H、和n，其方向角也取決于，所以W1取決于H、、n、D1。，所以進口三角形的形狀、大小也取決于H、、n、D1。 對于一個轉(zhuǎn)輪，一定的出口三角形對應(yīng)于一定的進口三角形，所以出口三角形的形狀、大小也取決于H、、n、D1。     總而言之，轉(zhuǎn)輪中旋轉(zhuǎn)流場的任意一點的速度三角形取決于H、、n、D1，即。既然速度是上述四個參數(shù)的函數(shù)，那么流量也是它們的函數(shù)。同理，水輪機效率、出力均為這四個參數(shù)的函數(shù)。即，，。     由于轉(zhuǎn)輪中水流的流態(tài)十分復(fù)雜，所以上述的函數(shù)關(guān)系通常不可能由純理論導(dǎo)出，也不可能用解析式來表達，而是由試驗得出。用各種各樣的水輪機特性曲線表達各個參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。     絕對速度由相對速度和牽連速度合成，也可以將這些速度向不同平面和坐標(biāo)軸分解。 (軸面m是指r軸和z軸所組成的平面，即通過z軸中心線的徑向平面) 從分解中可得出： 速度三角形中各速度與分速度的關(guān)系 軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪中水流運動    對于軸流式水輪機，水流是軸向進，軸向出。假定以主軸中心線為軸線的圓柱面流動，當(dāng)忽略水流的粘性時，可認(rèn)為流動是互不干擾的。由假定可得：,, ,     將水流運動的圓柱面與葉片相割的層面展開，即可得到一個平面葉柵的繞流圖。 第六節(jié) = 其中 ， (環(huán)量) 根本方程式推導(dǎo) 水流是軸對稱的，其絕對速度，其中通過軸心，而與主軸平行，所以兩者都不對主軸產(chǎn)生速度矩。由此可得 其中 m是dt時間內(nèi)通過水輪機轉(zhuǎn)輪的水體質(zhì)量，； 是作用在該水體質(zhì)量m上所有外力對主軸的力矩總和。 根據(jù)連續(xù)性定理：單位時間內(nèi)流進轉(zhuǎn)輪外緣的動量矩與單位時間內(nèi)流離轉(zhuǎn)輪內(nèi)緣的動量矩之差，等于單位時間內(nèi)水流質(zhì)量m 動量矩的增量。即 外力矩為重力矩、壓力矩、摩擦力矩和轉(zhuǎn)輪給水流的力矩之和。即 對主軸而言， ，摩擦力矩其數(shù)值很小可忽略 所以 Me 是水流給轉(zhuǎn)輪的力矩。 因此 = = 其中 ， (環(huán)量) 這就是水輪機的根本方程式。 對于旋轉(zhuǎn)的水力機械，可以采用動量矩定律來作為其根本方程。動量矩定律:"單位時間內(nèi)水流質(zhì)量對水輪機主軸的動量矩變化應(yīng)等于作用在該質(zhì)量是全部外力對同一軸的力矩總和" 根本方程式分析 根本方程式如下： = 其中 ， (環(huán)量) 分析如下： ①水流能量的交換是通過環(huán)量的變化來實現(xiàn)，要使該轉(zhuǎn)換的效率高，那么需要大，。， 即。從進口速度三角形可以看出：實際上不可能，水流無法進入轉(zhuǎn)輪，失去意義。所以只能要求進口無撞擊，。， 即，實際中是可行的，通常稱為法向出口。 ②當(dāng)水輪機的應(yīng)用水頭較大時，就得設(shè)法使U1>U2，即進口直徑大于出口直徑。 ③偏離最優(yōu)的進出口條件，那么可能很低，甚至水輪機空轉(zhuǎn)，沒有出力。又由于進出口速度三角形有如下關(guān)系： 流式水輪機U1=U2，便取決于絕對速度和相對速度，但它們之差不能過分增大，否那么會增大水力損失，這就限制了軸流式水輪機的水頭應(yīng)用范圍。 在水輪機的根本方程式中，流速與水頭H的關(guān)系并不明顯，因此可利用三角形正弦關(guān)系進行變換： 同理 并且 ，利用上述關(guān)系，從根本方程式中消去V1、V2、U2，可得：,其中流速系數(shù) 同樣的方法可得出U2、V1、V2、W1、W2與H之間的關(guān)系式。 顯然 ①之所以稱為流速系數(shù)，是因為上式與水力學(xué)中孔口出流公式是一致的。但其系數(shù)的表達式要復(fù)雜得多。不僅與速度三角形有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)輪的類型和進出口之比有關(guān)。 ②對于某一的水輪機，工況變，、變，隨之而變。 ③對于兩個幾何尺寸相似的水輪機，如果速度三角形也相似，那么兩者的流速系數(shù)相等。 ④對于某一的水輪機，速度系數(shù)取決于速度三角形，速度三角形又取決于H、n、，所以。 ⑤兩個流速系數(shù)，如、就可以決定速度三角形的形狀，即水輪機的工況。 第七節(jié) ⒈水輪機的效率 ★水力損失和水力效率 水流經(jīng)過水輪機的蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪及尾水管等過流部件時，由于摩擦、撞擊、渦流、脫流等所產(chǎn)生的能量損失統(tǒng)稱為水力損失。水力損失時水輪機能量損失中的主要局部。設(shè)水輪機的水頭為H，流量為Q，水力損失為，那么水輪機的有效水頭He和水力效率為 He=H-, ★容積損失和容積效率 進入水輪機的流量不可能全部進入轉(zhuǎn)輪做功，其中有一小局部流量會從水輪機的旋轉(zhuǎn)局部與固定局部之間的縫隙〔如混流式水輪機的上、下止漏環(huán)縫隙、軸流式水輪機的槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙)中漏損。這一小局部流量對轉(zhuǎn)輪不做功，所以稱為容積損失。進入水輪機的有效流量為 在同時考慮水力損失和容積損失后，水流傳送給轉(zhuǎn)輪的功率稱為有效功率Ne, 即 而容積效率為 ★機械損失和機械效率 水流作用于轉(zhuǎn)輪的有效功率Ne不可能全部轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的出力N，其中有一小局部功率△Nm消耗在各種機械損失上,如軸承及軸封處的摩擦損失、轉(zhuǎn)輪外外表與周圍水體之間的摩擦損失等。因此水輪機的出力N為 而機械效率為 1-7式可以整理的 故水輪機的總效率為 ★水輪機效率與出力的關(guān)系 從以上分析可知，水輪機的效率是衡量水輪機能量轉(zhuǎn)換性能的綜合指標(biāo)。它與水輪機型式、結(jié)構(gòu)尺寸、加工工藝及運行工況等多因素有關(guān)。目前原型水輪機效率大多由模型試驗成果經(jīng)適當(dāng)?shù)睦碚摀Q算后獲取。 右圖給出了還擊式水輪機在一定的轉(zhuǎn)輪直徑D1、轉(zhuǎn)速n和水頭H下，改變其流量時，效率和出力的關(guān)系曲線及各種損失隨出力變化的情況 ⒉水輪機的最優(yōu)工況 對效率起決定作用的是水力損失，而水力損失的大小主要取決于轉(zhuǎn)輪進口的水流撞擊的損失和轉(zhuǎn)輪出口尾水管內(nèi)的渦流損失。因此，最優(yōu)工況即為撞擊損失和渦流損失為最小的工況。 ①無撞擊進口 當(dāng)轉(zhuǎn)輪進口水流相對速度 的方向與葉片骨線在進口處的切線方向一致時，稱為無撞擊進口。此時，水流進口角 與葉片安放角相等，水流對葉片不發(fā)生撞擊和脫流，其進口平順，水力損失最小。 ②法向出口 當(dāng)水流在轉(zhuǎn)輪出口處的絕對速度 的方向角 時，稱為法向出口如下圖。此時與 垂直,， ，即水流離開轉(zhuǎn)輪沿軸向流出而無旋轉(zhuǎn)運動，不會在尾水管中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。 第二章 水輪機的蝸殼、尾水管及汽蝕 本章主要內(nèi)容簡介 １.水輪機的最優(yōu)工況。 ２.尾水管的作用。    尾水管的動能恢復(fù)系數(shù)。 ３.水輪機汽蝕    汽蝕系數(shù)和允許吸出高    水輪機的安裝高程    各種還擊式水輪機的汽蝕系數(shù)。 ４.水斗式水輪機的速度三角形    根本方程式    效率特性及安裝高程。 第一節(jié) 1. 蝸殼可以分為金屬蝸殼和混凝土蝸殼兩種 金屬蝸殼 混凝土蝸殼       形式 當(dāng)水頭大于40m時，由于混凝土結(jié)構(gòu)不能承受過大的內(nèi)水壓力，常采用鋼板焊接或鑄造蝸殼，統(tǒng)稱為金屬蝸殼。金屬蝸殼按其制造方法可以分為焊接、鑄接、和鑄造三種類型。金屬蝸殼的結(jié)構(gòu)形式取決于水輪機的水頭及尺寸。 當(dāng)水頭小于40m時多采用鋼筋混凝土澆制成的蝸殼，簡稱混凝土蝸殼?；炷廖仛ひ话阌糜诖蟆⒅行偷退^電站，它實際上是直接在地下廠房下部大體積混凝土中做成的蝸殼空腔。當(dāng)采用鋼板襯砌及混凝土預(yù)應(yīng)力等措施后，混凝土蝸殼的適用水頭可大于40m，目前最大用到80m。 斷面形狀 常做成圓形，以改善其受力條件。 混凝土蝸殼的斷面常做成梯形,以便于施工和減小徑向尺寸,降低廠房的土建投資。 混凝土蝸殼的斷面形狀的選擇應(yīng)滿足四個條件 包角 由于其過流量較小，允許的流速較大，因此其外形尺寸對廠房造價影響較小。為了獲得良好的水力性能以及考慮到其結(jié)構(gòu)和加工工藝條件的限制，一般采用 =345°。 由于其過流量較大，允許的流速較小，因此其外形尺寸常稱為廠房大小的控制尺寸，直接影響到廠房的土建投資，通常采用=180°～270 °。 進口斷面的平均流速 當(dāng)蝸殼斷面形狀及包角確定后，蝸殼進口斷面的平均流速V 選的大，那么蝸殼斷面就小，但水力損失增大。V 值可根據(jù)水輪機設(shè)計水頭從經(jīng)驗曲線查取。在一般情況下，可取圖中的中間值；對金屬蝸殼和由鋼板里襯的混凝土蝸殼，科取上限值；當(dāng)布置上不受限制時也可取下限值，但V 不應(yīng)小于引水道中的流速。 蝸殼實際的根本要求 ⑴過水外表應(yīng)該光滑； ⑵保證水流均勻、軸對稱地進入導(dǎo)水機構(gòu)； ⑶水流在進入導(dǎo)水機構(gòu)前應(yīng)具有一定的環(huán)量，以保證在主要的運行工況下水流能以較小的沖角進入固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉，減小導(dǎo)水機構(gòu)的水力損失； ⑷具有合理的斷面形狀和尺寸，以降低廠房投資以便于導(dǎo)水機構(gòu)的接力器和傳動機構(gòu)的布置； ⑸具有必要的強度及適宜的材料，以保證結(jié)構(gòu)上的可靠性和抵抗水流的沖刷。 混凝土蝸殼進口斷面形狀應(yīng)滿足的4個條件。 (1)δ一般為20°～30°,常取δ＝30°； (2)當(dāng)n=0時，γ=10°～20l°，＝1.5 1.7,可達2.0； (3)當(dāng)m＞n時，γ=10°～20°， ＝1.2～1.70，可達1.85； (4)當(dāng)m≤n時，γ=10°～35°, =1.2～1.70,可達1.85。 當(dāng)混凝土蝸殼的斷面形狀確定后，其中間斷面形狀可由各斷面的頂角電機的焦點的變化規(guī)律來確定。通常采用直線變化規(guī)律或向內(nèi)彎曲的拋物線變化規(guī)律，前者對設(shè)計及施工比擬方便，后者的水力學(xué)條件比擬好。 2. 蝸殼的水力計算 ①蝸殼中的水流運動 ②金屬蝸殼的水力計算 ③混凝土蝸殼的水力計算 蝸殼中的水流運動 水流進入蝸殼后，受到蝸殼內(nèi)壁的約束而形成一種旋轉(zhuǎn)運動。為便于分析，將蝸殼中各點的水流運動速度V分解成徑向分速度 和圓周分速度 表示，如下圖。根據(jù)蝸殼中水流必須均勻地、軸對稱地進入導(dǎo)水機構(gòu)的根本要求，那么在座環(huán)進口四周各點處的水流徑向分速度 值應(yīng)等于一個常數(shù)。即= =常數(shù) 對于圓周分速度 沿徑向的變化規(guī)律，目前常用的有兩種假定： ⒈任一斷面上沿徑向各點的水流速度矩等于一個常數(shù)，即Vur=K, 式中r—考察點位置的半徑 　　K—常數(shù)，蝸殼內(nèi)任意點的K相等，因此，通常稱其為蝸殼常數(shù)。 ⒉任一斷面上沿徑向各點的水流圓周分速度等于一個常數(shù)。即Vu=C 式中C—常數(shù)，顯然C=VC 。 當(dāng)采用第一個假定時，可使水輪機構(gòu)進口的水流環(huán)量滿足均勻、軸對稱的要求。而采用第二個假定時，不能保證進入導(dǎo)水機構(gòu)水流環(huán)量的軸對稱性，從而可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪徑向受力的不平衡，影響水輪機的穩(wěn)定性。但按照第二個假定設(shè)計的蝸殼在其尾部流速較小，斷面尺寸較大，有利于減小水頭損失，并便于加工制造。 金屬蝸殼的水力計算 ⑴對于任一斷面，為了保證流量均勻地進入導(dǎo)水機構(gòu)，那么通過任一斷面I的流量應(yīng)為： Qi=Qmax /360°① 式中 —從蝸殼鼻端至斷面I的包角 如果近似取斷面I的過水面積為一個緊靠在固定導(dǎo)葉外側(cè)的完整的圓形斷面面積，如下圖，可得該斷面的尺寸為： 斷面半徑：      ② 斷面中心距：    ③ 斷面外半徑：Ri= +2       ④ ⑵對于進口斷面，將 = 代入式①—④中即可求出該斷面的Q0、 、 和R0的值。取假設(shè)干各斷面進行計算，可繪出蝸殼斷面單線圖和平面單線圖。如下所示： 蝸殼斷面單線圖 金屬蝸殼的平面單線圖  混凝土蝸殼的水力計算 ⑴按下式確定進口的斷面面積：F0＝ ，然后根據(jù)斷面進口形狀確定斷面進口尺寸 ⑵確定中間斷面的頂角點、底角點的變化規(guī)律。 ⑶繪制 輔助曲線。 ⑷根據(jù)計算需要，選定假設(shè)干個,查出相應(yīng)的Ri及斷面尺寸，繪制出蝸殼斷面單線圖和蝸殼平面單線圖。 蝸殼斷面單線圖 蝸殼平面單線圖 第二節(jié) §2.尾水管的主要作用: 無尾水管 裝置直錐型的尾水管 ⑴減小水頭損失 無尾水管的水頭損失 　有尾水管的水頭損失 　少損失的能量=()-() ⑵增加可利用的能量 無尾水管 　有尾水管 　那么多利用的能量 　=0, <0。 　求，寫2-2和5-5斷面的能量方程 所以，即 多利用的能量等于少損失的能量　 因此，尾水管的作用是通過降低壓能的方法來收回位能和局部動能。 ⑶應(yīng)該注意的問題： ①增加Z2是毫無意義的。因為，而尾水管的作用只是保證收回位能Z2。Z2取決于水輪機的安裝高程，即與水輪機的吸出高Hs有關(guān)，與尾水管性能無直接關(guān)系。因此衡量尾水管性能好壞的主要指標(biāo)應(yīng)該是尾水管的動能回收系數(shù)： ②增加V2是毫無意義的，只會加大尾水管的負擔(dān)。所以為了提高，必須減小和 ③由于低水頭水輪機(如軸流式水輪機)轉(zhuǎn)輪出口動能=(30-40%)H，所以尾水管起著極為重要的作用。 第三節(jié) ⒈汽蝕概述 當(dāng)水輪機過流通道中出現(xiàn)低于當(dāng)時水溫下的汽化壓力的低壓區(qū)，即 ，水中會產(chǎn)生汽泡。汽泡隨水流流到壓力高于汽化壓力的位置，汽泡破滅，產(chǎn)生很高的壓力和射流，沖擊水輪機的金屬外表，反復(fù)屢次的打擊，使得金屬材料疲勞剝蝕。這種現(xiàn)象稱為汽蝕。 ⒉氣蝕的成因和破壞作用 ①氣蝕的成因 水在各種溫度下的汽化壓力值如下表所示: 水的溫度(攝氏度)  0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 汽化壓力(mH2O) 由上表可以看出,汽化壓力很低時,在常溫下水就可以汽化.當(dāng)水通過水輪機部件時,由于繞流葉片局部脫流、水流急劇拐彎等原因，在相應(yīng)的部位都會引起流蘇過大而使壓力降低。如果壓力降低到該溫度下的汽化壓力時，一方面由于水的汽化產(chǎn)生了水蒸氣的氣泡，；另一方面水中溶解的一局部空氣也會隨著壓力降低被釋放出來，這樣就形成了水蒸氣和空氣混合的膨脹氣泡。這些膨脹的氣泡如果被水流帶到高壓區(qū)，氣泡中的水蒸氣會凝結(jié)成水珠，體積突然縮小，于是周圍的高壓水流質(zhì)點就高速的向氣泡中心沖擊，產(chǎn)生巨大的微觀水錘壓力，有時可以到達幾百個大氣壓力。在微觀水錘壓力的作用下，氣泡中的空氣被壓縮(或者被破裂為數(shù)個小氣泡),直到大氣的彈性壓力大于水錘壓力時，才停止壓縮。緊接著氣泡由于反作用力而瞬間膨脹，又會發(fā)育成新的氣泡。氣泡形成和壓縮(或破裂)的過程，約每秒近千萬次，如此高速的水錘沖擊力重復(fù)作用在金屬外表，會使金屬疲勞破壞，或者斷裂破壞。 ②氣蝕的破壞作用分類 ③氣蝕破壞的后果 1.金屬剝蝕 2.降低機組的效率和出力 3.產(chǎn)生噪音 4.使機組產(chǎn)生震動 ⒊汽蝕類型(汽蝕類型見圖〕 ①翼形汽蝕---一般發(fā)生在葉片反面(主要汽蝕類型，影響最大)； ②間隙汽蝕---水流通過某些間隙或小通道時，局部速度升高而壓力降低所產(chǎn)生的汽蝕； ③空腔汽蝕---偏離最優(yōu)工況時，在轉(zhuǎn)輪出口、尾水管進口處由于圓周分量引起的一種非軸對稱的真空渦帶； ④局部汽蝕---過流外表某些地方凸凹不平因脫流而產(chǎn)生的汽蝕。 ⒋汽蝕的防護 Ⅰ.水輪機設(shè)計、制造方面 　設(shè)計：葉型合理，具有光滑的流線； 　制造：保證葉片幾何形狀、光潔度。 Ⅱ.工程措施方面 　選擇適宜的安裝高程，使轉(zhuǎn)輪出口的壓力大于汽化壓力； 　采取防沙、排沙措施。 Ⅲ.運行方面：盡量避開汽蝕嚴(yán)重的工況。 ⒌汽蝕系數(shù) ①推導(dǎo)過程 氣蝕系數(shù)的推導(dǎo) 還擊式水輪機發(fā)生的四種氣蝕類型，以翼型氣蝕為主，一般用水輪機的汽蝕系數(shù)作為衡量水輪機翼型氣蝕性能的指標(biāo)。 如下圖：當(dāng)水流以相對速度進入葉片流道時，在葉片進入口邊緣處，局部流速水頭會轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫λ^，使其壓力大于進口前的 ,接著水流沿葉片進口邊緣向兩側(cè)繞流,由于其速頭的恢復(fù)及彎曲繞流產(chǎn)生的離心作用是水流在葉片增、倍面上的局部壓力就突然下降。此后，水流沿葉片兩側(cè)相對運動，由于水流與葉片的相互作用，使葉片反面壓力不斷下降，而葉片正面壓力那么逐漸上升。隨后由于水流不斷的做功，知是葉片兩側(cè)的水流壓力均逐漸下降，在葉片反面接近出口變得某點處壓力降到最低值。最后，葉片正、反面的水流壓力趨向一致，在出口邊處集合流動。 如果上述最低壓力降低到汽化壓力，那么翼型氣蝕將首先在K點發(fā)生?？梢?，最低壓力是研究翼型氣蝕的控制參數(shù)，為此，下面寫出K點和葉片出口邊2點的相對運動伯努力方程式： 式中 -----由K點至2點的總水頭損失 由于K點和2點相隔很近，可近似認(rèn)為 。此外，當(dāng)區(qū)下游水面為基準(zhǔn)面時，從發(fā)生氣蝕最危險的K點到aa的垂直高度常稱為水輪機的吸出高度，并用Hs表示。那么上式可以表述為： 對于式中的P2可通過2點與a點的伯努利方程求得： 式中：Va----下游水位行近流速，可近似取為Va=0 H12-----由2點到a點的總水頭損失〔即尾水管的總水頭損失〕，可寫為△h2-a=ζω ，ζω為尾水管的水頭損失系數(shù)。 由式可得P2的表達式為： 將式 代入式 ，并利用式引入尾水管的動能恢復(fù)系數(shù)，可得： 或?qū)憺? 式中：Hkv---K點真空值， --K點的動力真空值， 由上式可以看出，K點的真空值有由靜力真空Hs和動力真空hkv兩局部組成。由于吸出高度Hs的大小取決于水輪機的安裝高度，因此當(dāng)水輪機的安裝高程確定后，在Hw中能正確反映水輪機本身性能的只有動力真空hkv。動力真空是由轉(zhuǎn)輪及尾水管中的水流運動形成的，其值與轉(zhuǎn)輪本身的幾何形狀，水輪機的運行工況以及尾水管的性能密切相關(guān)。但是，如果直接利用h值表征水輪機的的汽蝕性能是不完善的，應(yīng)為h值與水頭H成正比。應(yīng)為h值與水頭H成正比。同一臺水輪機，當(dāng)工作水頭H不同時，動力真空k值也不同，這也不能確切反映此水輪機的汽蝕特性，也不便于對不同的水輪機的汽蝕性能進行比擬。為此將h除以水頭H，使之成為一個無因次系數(shù)，并用σ表示，即： σ稱為水輪機的汽蝕系數(shù)， 它表示轉(zhuǎn)輪中最容易發(fā)生翼形汽蝕的K點處的相對動力真空值。σ越大，水輪機越易發(fā)生氣蝕，汽蝕性能越差。 幾何形狀相似的水輪機在相似工況下的σ值相同,故可用σ值來評價同一型號的水輪機在不同工況下的汽蝕性能.σ值隨水輪機的工況改變而改變,故又可用值來評價同一型號水輪機在不同工況下的汽蝕性能. 在設(shè)計和應(yīng)用水輪機時,總是力圖提高葉片的流道內(nèi)水流相對速度以提高其過流能力,以及提高尾水管的動能恢復(fù)系數(shù),以及提高水輪機的效率.但是這都會增大水輪機汽蝕的危險性?？梢?，提高水輪機的的過流能力及能量性能與改善水輪機的汽蝕性能是矛盾的。 對于氣蝕系數(shù)的確實定，由于其影響因素較為復(fù)雜，要直接利用理論計算的結(jié)果或直接在葉片流道中量測都是很困難的，目前常用的方法是通過水輪機模型氣蝕試驗來求取。當(dāng)σ值時，葉片反面最低壓力計可用下式求出： 綜上所述，水輪機不發(fā)生氣蝕的根本條件是不小于對應(yīng)溫度下水的汽化壓力，即 第四節(jié) ⒈水輪機的吸出高度 由上節(jié)可知： 為吸出高，即轉(zhuǎn)輪葉片上壓力最低點到下游水面的垂直高度。如表所示。 水輪機安裝高程示意圖 類型 Hs 計算公式 配圖 立軸混流式 從導(dǎo)葉下部低環(huán)平面到下游水面的垂直高度 立軸軸流式 從轉(zhuǎn)輪葉片中心線到下游水面的垂直高度 臥軸混流式和貫流式 從轉(zhuǎn)輪葉片最高點到下游水面的垂直高度 為了保證水輪機不發(fā)生翼形汽蝕，必須使,即,那么 上式說明，為了防止水輪機發(fā)生汽蝕，必須限制吸出高Hs。 又 (水輪機安裝處海拔高程〕 ：當(dāng)水溫為 5- 時， 所以：是由試驗的出，為了平安起見，引入平安裕量或者平安系數(shù)k,那么, 由設(shè)計水頭查圖可得到。 或 k一般可取 1.1-1.2，對于大型水輪機k可取到1.5以上。 ⒉水輪機的安裝高程 通常水輪機的安裝高程按下式確定： 其中Hs、和CD1分別是水輪機的吸出高、水電站尾水位、水輪機類型主軸有關(guān)的安裝參數(shù)。對于不同類型的水輪機，不同主軸安裝方式，Hs起算點不相同，CD1也不相同,如表所示 和上圖一樣。 應(yīng)選用水電站最低尾水位，當(dāng)水庫具有年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)能力時，一般采用一臺機組滿負荷發(fā)電的最低尾水位；當(dāng)水庫具有季調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)能力或為徑流式水電站時，可采用對應(yīng)于保證出力的尾水位。 在水輪機運行中，汽蝕系數(shù)是隨工況而變的，所以Hs也隨之而變。最嚴(yán)重的汽蝕情況一般發(fā)生在最大水頭下機組擔(dān)負最大負荷或最小負荷。因此對于大中型水電站應(yīng)進行多方面的比擬，確定合理的安裝高程。 ⒊兩點需要說明： ①滿足了，但不能一定保證不產(chǎn)生汽蝕。該條件是平均的大面概念，沒有從水流質(zhì)點來分析。水流的流態(tài)是很復(fù)雜，可能出現(xiàn)局部的渦流等等。所以不能保證不出現(xiàn)局部汽蝕，如葉形汽蝕、間隙汽蝕等。但能保證不產(chǎn)生空腔汽蝕。 ②從尾水管的動能恢復(fù)系數(shù)和汽蝕系數(shù)來看，轉(zhuǎn)輪出口速度V2越大，動能恢復(fù)系數(shù)越大，但汽蝕系數(shù)也越大。這說明水輪機的能量特性與汽蝕特性是矛盾的。因此在設(shè)計和選擇水輪機時，要兩者兼顧，優(yōu)化處理。 第三章 水輪機的特性及選型 本 章 主 要 內(nèi) 容 從幾何相似，運動相似和動力相似到同系等角條件。速度系數(shù)在同系等角條件下為常數(shù)。從速度系數(shù)引導(dǎo)出單位參數(shù)的定義及其重要性質(zhì)，單位參數(shù)公式的應(yīng)用。比轉(zhuǎn)速的定義。比轉(zhuǎn)速根本性質(zhì)。水輪機牌號中的比轉(zhuǎn)速的規(guī)定。比轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪形狀的關(guān)系。比轉(zhuǎn)速與汽蝕系數(shù)的關(guān)系。各類水輪機的比轉(zhuǎn)速。各類水輪機適用的水頭范圍。 2.水輪機效率及單位參數(shù)的修正。 3.水輪機模型能量實驗。 4.水輪機的轉(zhuǎn)速特性?？辙D(zhuǎn)及飛逸。 5.水輪機的主要綜合特性。 6.水輪機的餓運轉(zhuǎn)綜合特性。 7.水輪機選擇： 選擇的內(nèi)容。選擇時應(yīng)具有的根本資料。機組臺數(shù)的選擇。型號選擇，直徑及轉(zhuǎn)速確實定。允許吸出高及安裝高程確實定。 8.水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線的繪制。 第一節(jié) ⑴理論根底 ①自然界中的相似都是具體事物、具表達象相似; ②任何相似都是相對的，不可能有絕對相似; ③相似理論在水輪機課程中有著重要的地位。原因是水輪機中水流流態(tài)十分復(fù)雜，不可能從純理論和解析公式來反映各種參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。必須進行模型試驗，把模型試驗的成果轉(zhuǎn)化到原型中去。這就必須應(yīng)用相似理論。具體他說，就是找出一定條件下的相似常數(shù)，建立相似公式。 ⑵水輪機相似的必須滿足以下三個條件： ①同系(幾何相似) 幾何相似是指兩個水輪機過流通道幾何形態(tài)的所有對應(yīng)角相等，所有對應(yīng)尺寸成比例。幾何相似的水輪機稱為同系水輪機。應(yīng)該指出的是：這里所講的幾何相似是水輪機主要尺寸大體相似，而不能苛求絕對相似例如對糙率的相似就難辦到。 ②等角(運動相似) 運動相似是指同一系列的水輪機，水流在過流通道中對應(yīng)點的速度方向相同。速度大小成比例。即對應(yīng)點的速度三角形相似，處于等角狀態(tài)。 ③動力相似 動力相似是指同一系列水輪機，水流在過流通道對應(yīng)點上作用力方向相同力的大小成比例。 水輪機的相似律similarity formulas 同一輪系的水輪機在相似工況下(等角狀態(tài))，各參數(shù)之間的固定關(guān)系稱為水輪機的相似律，它是相似原理的具體表達。 設(shè)同輪系的兩個水輪機標(biāo)稱直徑分別是Dip和Dam，導(dǎo)葉開度角和轉(zhuǎn)輪葉片角對應(yīng)相等。欲使這兩個水輪機的工況相似，其流量Qp與Qm、轉(zhuǎn)速np與nm、功率Np與Nm之間應(yīng)保持以下的關(guān)系： (1)轉(zhuǎn)速相似律 similarity formulas of rotational speed 前面曾給出 即 在同系等角條件下，速度系數(shù)是相同的。 所以 (2)流量相似律 similarity formulas of discharge 即 在同系等角條件下，速度系數(shù)是相同的。并且 所以 (3)出力相似律similarity formulas of output 同理，有 單位參數(shù)unit parameters 每一輪系的水輪機都可以制成大小不等的尺寸，而且可以在較寬廣的水頭、轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)工作。因此為了表征每一輪系的水輪機的特性，必須有一個共同的衡量標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)就是單位參數(shù)。 將D1m=1m，Hm=1m和原型與模型水輪機各項效率分別相等的假定代入上述的相似律，可得到相應(yīng)的單位參數(shù)。 ) (r/min) (kW) 顯然，對于同一輪系的水輪機在相似工況下，單位參數(shù)的數(shù)值不變；但對于不同輪系的水輪機，即使在特征工況(如最優(yōu)工況，限制工況)下，也不同。在水輪機設(shè)計和選型中應(yīng)利用上述的不同來進行不同輪系之間的比擬。 第二節(jié) (1) 效率修正 原型和模型水輪機的效率是有差異的。其主要原因在于原型水輪機的相對糙度和相對粘性力小很多，, 越小，水力損失越小。因此就越高，一般高出2％以上。 ①效率修正是水輪機在最優(yōu)工況下的水力效率的修正(,認(rèn)為相等)，而且水力效率的修正僅修正沿程損失，近似認(rèn)為渦流損失是相等的。假定，最優(yōu)工況下效率修正按下述經(jīng)驗公式計算： 混流式 軸流式 ②非最優(yōu)工況效率修正均以最優(yōu)工況下代替，所以。 ③對于轉(zhuǎn)漿式 ，不同的葉片角度有著不同的修正值。 (2) 單位參數(shù)修正 *最優(yōu)工況 *非最優(yōu)工況 第三節(jié) ⑴概念 由于單位參數(shù)、 中都含有D1，表征某一輪系的特征不方便。所以得去掉D1，要去掉D1就需要引入ns的概念。 定義 (m.kW) ⑵性質(zhì) ①常數(shù)性質(zhì) 同輪系水輪機在相似工況下比轉(zhuǎn)速相等ns＝const，是一個與水輪機轉(zhuǎn)輪直徑無關(guān)的常數(shù)。說明用一個ns可以代表同一輪系水輪機的某一等角狀態(tài)。盡管是同一輪系水輪機，對于不同形狀的速度三角形(工況)，ns是不同的。為了用ns代表水輪機系列，就應(yīng)該選定代表工況。在水輪機牌號中ns選定的代表工況是計算水頭下最大出力工況Nmax。HL220－LJ－550 ②單位性質(zhì) 對于任何一個輪系，當(dāng)水輪機在1m的水頭下，發(fā)出1kW的出力，這時水輪機的轉(zhuǎn)速n在數(shù)值上就等于比轉(zhuǎn)速ns。所以在水頭相同，出力相同的條件下， 所以 ，在水輪機出力一定的前提下，比轉(zhuǎn)速越高，機組尺寸越小，有利于減小水電站廠房尺寸和機組造價。 ⑶ns與汽蝕系數(shù)的關(guān)系 在流量一定的前提下，，所以比轉(zhuǎn)速越高，汽蝕系數(shù)越大，如軸流式水輪機。為防止水輪機常數(shù)翼形汽蝕，必須將水輪機轉(zhuǎn)輪更深地埋置于下游水面之下，這樣將增加施工的困難及土建投資。因此，汽蝕條件限制了高比轉(zhuǎn)速水輪機在較高水頭下的應(yīng)用。 ⑷比轉(zhuǎn)速ns的意義 比轉(zhuǎn)速ns最完整地表征了水輪機的性能和轉(zhuǎn)輪形狀，即能表征水輪機的型式。不同型式水輪機的比轉(zhuǎn)速范圍如下： 水輪機型式 ns 水斗式 10-35(單噴嘴) 混流式 50-300 斜流式 150-350 軸流式 200-850 貫流式 600-1000 但目前難于用數(shù)學(xué)公式來表達，只能通過模型試驗繪制關(guān)系曲線。然而水輪機參數(shù)大多，所以根據(jù)實驗結(jié)果繪制特性曲線時，必須固定某一局部參數(shù)，在這樣的條件下，來反映其他局部參數(shù)之間的關(guān)系。 第四節(jié) ⒈定義 按一定比例將原型水輪機縮小成模型水輪機，然后通過試驗測出模型水輪機各工況下的工作參數(shù)，再應(yīng)用相似公式換算出該輪系水輪機在各相似工況下的綜合參數(shù)。 ⒉分類 能量試驗、汽蝕試驗、飛逸特性試驗和軸向水推力特性試驗 ⒊實驗裝置 水輪機效率是水輪機能量轉(zhuǎn)換性能的主要綜合指標(biāo)，因此模型水輪機的能量試驗主要是確定模型水輪機在各種工況下的運行效率。水輪機的能量試驗臺如圖示。 ⒋模型試驗參數(shù)的測量方法(見圖) ①水頭測量:模型水輪機7的工作水頭為上游壓力水箱1與下游尾水槽9的水位差。在 試驗時必須保持恒定。 ②流量測量:通過模型水輪機的流量用測流堰板13進行測量。 ③轉(zhuǎn)速測量:模型水輪機的轉(zhuǎn)速通常可用機械轉(zhuǎn)速表在水輪機主軸的頂端直接測量。 ④功率測量:這里NM指模型水輪機輸出的軸功率，它采用測功器進行測量。 ⒌綜合參數(shù)計算與試驗成果整理 為了獲得水輪機全部工作范圍內(nèi)的能量特性，必須在不同的導(dǎo)葉開度下進行試驗: ①從最小開度到最大開度之間選取8～10個開度 ②在每個開度下逐漸改變負荷P做6～10個工況點的試驗 ③測出每個工況點的工作參數(shù)、、和 ④然后求出每個工況點模型水輪機的、和。 第五節(jié) ⒈定義 表示水輪機各參數(shù)間關(guān)系的曲線叫做水輪機的特性曲線。 ⒉分類 ①工作特性曲線 工作特性曲線 working characteristic curves H、D1、n一定，改變(相當(dāng)于改變Q)，那么, 。于是對于不同類型、不同型號的水輪機都可得出N與的關(guān)系曲線。該曲線稱為工作特性曲線。   定漿式：曲線陡陵，高效率區(qū)狹窄，稍偏離最優(yōu)工況迅速下降； 轉(zhuǎn)漿式：高效率區(qū)比擬寬廣，效率變化平穩(wěn)； 混流式：效率較高，但平穩(wěn)性缺乏； 水斗式：效率較低，但變化平穩(wěn)。 不同型號水輪機工作特性曲線   A點：空轉(zhuǎn)點，對應(yīng)的開度稱為空轉(zhuǎn)開度 B點：最高效率點 C點：最大出力點 D點；最大開度點。 C－D段是禁區(qū)，工作不穩(wěn)定，與調(diào)速器有關(guān)。水輪機調(diào)節(jié)機構(gòu)是機械的，，。但在Nmax附近工作時，外界要求出力增大，導(dǎo)致開度增大；假設(shè)滑過Nmax，反而出力減小。于是導(dǎo)致開度進一步增大，而出力進一步減小。其結(jié)果不僅是工作狀態(tài)不好，而且導(dǎo)致水輪機不能工作。因此限制最大出力為極限出力的95%，E點就是95%出力的限制點。混流式水輪機特性曲線上一般都注明E點；轉(zhuǎn)漿式的限制點是受汽蝕特性的限制；水斗式水輪機沒有禁區(qū)。 ②轉(zhuǎn)速特性曲線 轉(zhuǎn)速特性曲線 main characteristic curves 、D1、一定，改變轉(zhuǎn)速n，這樣得出的特性曲線稱為轉(zhuǎn)速特性曲線或主特性曲線。即 , ，。如右所示:   轉(zhuǎn)速特性曲線 Ⅰ.從η∽n的曲線中可以看出 ①n＝0時，N＝0，＝0； ②n＝n0時，＝max，n0稱為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。要使水輪機能常在高效率下運行，應(yīng)使它的額定 轉(zhuǎn)速盡可能接近最優(yōu)轉(zhuǎn)速； ③n＝nx時，能量耗損在水頭損失、機械損失中，輸出N＝0，＝0。nx稱為飛逸轉(zhuǎn)速(對于某一開度)，飛逸轉(zhuǎn)速一般是最優(yōu)轉(zhuǎn)速的倍。出現(xiàn)飛逸時，機組產(chǎn)生強烈的振動，所以在運行中要防止機組發(fā)生飛逸事故。 Ⅱ.從Q∽n的曲線中可以看出 n變化，在還擊式水輪機中引起速度三角形的變化，Q隨之而變，并且十清楚顯；在沖擊式水輪機中，Q幾乎不隨n變化，但隨導(dǎo)葉開度變化，其變化比擬明顯。 ③模型綜合特性曲線 模型綜合特性曲線 model universal characteristic curves ⒈定義 將坐標(biāo)系n、Q換成單位參數(shù)、，在其坐標(biāo)場里繪制＝const，＝const，＝const的等值線圖,該等值線圖稱為模型綜合特性曲線。如下所示: ⒉特性 ①同一輪系的水輪機就只有一個綜合特性曲線圖。 ②對于不同類型和不同輪系的水輪機，由于它們的過流通道不同，因此它們的綜合特性曲線圖也是不同的。 ③對于混流式水輪機還有95%的出力限制線。 ⒊意義 水輪機模型綜合特性曲線表示了同一輪系水輪機的全部特性。不同型式水輪機的模型綜合特性曲線也有它自身的特點,如下表所示: 類型 模型綜合特性曲線特點 適用范圍 軸流 轉(zhuǎn)漿式 等線近似于橢圓。長軸與短軸相差較小，且長軸接近與坐標(biāo)軸平行。(或出力N)在較大范圍內(nèi)變化時，的變化不大。 低水頭、大流量、負荷及水頭變化較大的水電站 軸流 定漿式 等線是狹而長的橢圓。長軸與短軸相差較大，且長軸與坐標(biāo)軸成相當(dāng)大的傾斜角。效率對(水頭)變化不敏感，而(出力)稍有變化，效率急劇降低。 低水頭、大流量、水頭變化大而負荷變化較小的水電站 中高比轉(zhuǎn)速 混流式 等線接近于橢圓。長軸與短軸相差不大，長軸與坐標(biāo)軸成某一較小角度。效率對(或出力N)及(水頭)變化的敏感程度在各類型水輪機中均屬中等。95%出力限制線靠近最優(yōu)效率區(qū)。 中低水頭、流量不大、水頭變化較大及負荷變化小的水電站 低比 轉(zhuǎn)速 混流式 等線類似于扁平橢圓。長軸與短軸相差較大，長軸與坐標(biāo)軸接近于平行。效率對(或出力N)變化不敏感，但對(水頭)變化很敏感。 高水頭、小流量、水頭變化小及負荷變化大的水電站 水斗式 等線更扁平。長軸與短軸相差更大，長軸與坐標(biāo)軸平行。效率對(水頭)變化很敏感，但(或出力N)在很大范圍內(nèi)變化，變化很小。 高水頭、小流量、水頭變化小及負荷變化大的水電站 ④運轉(zhuǎn)特性曲線 運轉(zhuǎn)特性曲線 operating characteristic curves ⒈定義 工作特性曲線是對某一個水頭而言的，假設(shè)以H為參變，在同一張圖上畫出一簇＝f(N)的關(guān)系曲線，就稱為運轉(zhuǎn)特性曲線。如下所示： 在實際的水輪機工作時，n＝const，D1＝const。但H在一年時間內(nèi)是變化的。由于運轉(zhuǎn)特性曲線中的H不連續(xù)，運用時不方便。所以將運轉(zhuǎn)特性曲線轉(zhuǎn)換成運轉(zhuǎn)綜合特性曲線。 ⒉特性 在運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上，計算水頭Hr＝發(fā)出發(fā)電機額定出力的最小水頭。顯然對應(yīng)的水輪機引用流量最大。 另外在運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上有兩條重要的限制線，水輪機出力限制線和發(fā)電機出力限制線，也就是說機組只能在限制線內(nèi)工作。 ⑤飛逸特性曲線 飛逸特性曲線 runaway characteristic curves ⒈定義 ①飛逸轉(zhuǎn)速:機組在正常運行時，其轉(zhuǎn)速保持為額定轉(zhuǎn)速不變。只有當(dāng)機組甩負荷，并且導(dǎo)葉拒動時，才能出現(xiàn)飛逸現(xiàn)象。此時輸出功率為零，而水流輸入功率依然存在。于是機組轉(zhuǎn)速迅速升高，直至水流能量與轉(zhuǎn)速升高時機械摩擦損失能量相平衡，轉(zhuǎn)速才到達某一穩(wěn)定的最大值，即飛逸轉(zhuǎn)速。飛逸轉(zhuǎn)速的特點是N＝0，＝0。 ②飛逸特性曲線：如果將所有開度的飛逸轉(zhuǎn)速畫在一張圖，并且以單位參數(shù)、作為縱橫坐標(biāo)，那么＝0的等效率線就是該輪系水輪機的飛逸特性曲線。 ⒉特性 飛逸特性曲線上的最大值稱為最大單位飛逸轉(zhuǎn)速。那么原型水輪機最大飛逸轉(zhuǎn)速 (r/min) 長時間的飛逸，會引起機組轉(zhuǎn)動部件的破壞和機組廠房的強烈振動。因此工程上常設(shè)置快速閥門的措施，在2分鐘內(nèi)截流，使水流的出力為零Ns＝0，促使機組轉(zhuǎn)速很快下降，并停止轉(zhuǎn)動。 ⒊特性曲線轉(zhuǎn)換   前面我們講了各種型式的特性曲線，而對于同一輪系水輪機來說，模型綜合特性曲線只有一個，是唯一的。它是根據(jù)模型實驗的結(jié)果繪制出，能表達水輪機的能量特性、汽蝕特性等，完整的具有普遍意義的特性曲線。而其他的特性曲線是針對具體的水輪機而言的?？梢杂赡Ｐ途C合特性曲線，通過相似律的關(guān)系以及效率的修正，得出運轉(zhuǎn)綜合特性曲線、工作特性曲線和轉(zhuǎn)速特性曲線等等。 第六節(jié) ★水輪機的臺數(shù)和單機容量； ★水輪機的牌號、型號及裝置方式； ★水輪機的直徑和轉(zhuǎn)速； ★水輪機的吸出高及安裝高程； ★繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線； ★確定蝸殼及尾水管尺寸。 2.收集的根本資料 (1)水能規(guī)劃資料 ★裝機容量； ★各種代表水頭：Hmax、Hmin、Hav、Hr。 加權(quán)平均水頭是水電站在運行期間出現(xiàn)次數(shù)最多、經(jīng)歷時間最長的水頭；設(shè)計水頭(計算水頭)是水輪機發(fā)出額定出力時所需的最小水頭，它的精確值只能在水輪機選好之后確定。初估按下式進行： 河床式：Hr＝0.9 Hav；壩后式：Hr＝0.95 Hav；引水式：Hr＝ Hav。 ★下游水位與流量的關(guān)系曲線 (該流量不僅是通過水輪機的流量，也包括通過其他途徑下泄的流量)。 (2)水輪機產(chǎn)品技術(shù)資料 ①水輪機的系列型譜(主要包括輪系的水頭適用范圍、最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速、最大單位流量和模型汽蝕系數(shù))。 ②標(biāo)準(zhǔn)直徑D1：在選擇大中型水輪機時可以不套用標(biāo)準(zhǔn)直徑，按實際大小定做。 ③同步轉(zhuǎn)速n：機組的同步轉(zhuǎn)速與發(fā)電機的磁極對數(shù)有關(guān)，磁極對數(shù)只能是一對一對的，所以同步轉(zhuǎn)速分檔改變。在選擇水輪機轉(zhuǎn)速時必須套用同步轉(zhuǎn)速。 ④某一輪系的模型綜合特性曲線∽，(理應(yīng)包括飛逸特性曲線)。 ⑤某一輪系水輪機的應(yīng)用范圍圖，利用該圖可以根據(jù)Hr和單機容量Nr查得D1、n和Hs等。但得出的結(jié)果不夠精確，多適用于規(guī)劃階段或小型水輪機的選擇。 (3)套用資料 收集國內(nèi)外正在設(shè)計、施工和已在運行的同類型水輪機及水電站的有關(guān)資料，以便套用 ⑴臺數(shù) 機組臺數(shù)與機電設(shè)備制造、水電站投資、水電站運行系列、水電站管理各方面的關(guān)系。總而言之，在制造水平允許的情況下，一般是3∽8臺，并且盡可能將單機容量選得大一些。 ⑵牌號 根據(jù)水輪機的系列型譜選擇。Hmax不能超過該輪系的適用水頭的上限；Hav、Hr在適用水頭范圍之內(nèi)。假設(shè)兩種型號都適用，那么需要進行比照分析和計算?；蚋鶕?jù)類似水電站，套用機組。 ⑶D1和n的計算 ⑴求D1 由可得 1. N取水輪機額定出力Nr，Nf是發(fā)電機的額定出力(機組容量)； 2. H取設(shè)計水頭Hr； 3. 取推薦的最大單位流量，查型譜表； 4. 效率，在模型綜合特性曲線 ∽上，對應(yīng)型譜表上和的效率，找到。與選取的水輪機直徑有關(guān)，目前正是計算D1，所以只能初估＝1，2，3%。 5. 由計算所得的D1，對照標(biāo)準(zhǔn)直徑取定D1；通常是選用相近而偏大的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便使水輪機有一定的富裕容量。 6. 將選取標(biāo)準(zhǔn)直徑D1和代入效率修正的經(jīng)驗公式，求，看結(jié)果是否與初估的接近，假設(shè)