水电站第二章剖析.ppt

一、水头(head),毛水头 Hg=EU-ED=ZU-ZD 工作水头 H=EA-EB,水轮发电机组装置原理图,H=Hg- ∆hI-A- ∆hB-D =Hg- ∆hI-A,,二、流量(m3/s)(flow quantity),单位时间内通过水轮机的水量 Q Q随H、N的变化： H、N一定时， Q也一定； 当H=Hr、N=N额时，Q为最大 在Hr、nr、Nr 运行时—— Qr(设计流量),转子： p个磁场，2p个磁极 转速和频率： 从定子侧看，磁 场的变化频率为 f 那么每分钟机械转速 n 为,,f=np/60 （Hz）,转子产生磁场,三、工作力矩和转速,水轮机的出力可以用旋转机械运动公式来表达 M——主轴力矩; ω——水轮机旋转角速度， n ——转速，n=3000/p p ——发电机磁极对 额定转速n：正常情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并与发电机的同步转速相等三、工作力矩和转速,四、出力与效率(output and efficiency),1. 出力(水轮机的输出功率)N： 指水轮机轴传给发电机轴的功率 水轮机的输入功率 (水流传给水轮机的能量)为： 水轮机的输出功率（水轮机主轴传给发电机）： 2.水轮机的效率： η=N/Nw ， 一般η=80%~95% 在Hr、 Qr、nr运行时—— 额定出力 Nr,第七节 水轮机的效率及最优工况,一、水轮机的效率(efficiency) 水轮机的能量损失导致N(水轮机出力) Nω（水流输入功率），效率1 效率是由水力效率 、流量效率、机械效率组成 1. 水力损失(head loss)及水力效率 蜗壳、导叶、转轮、尾水管 —— 沿程损失 旋涡、 脱流、 撞击 —— 局部损失 水轮机的水力效率为:,,2. 流量损失(water loss)及流量效率（容积效率）,水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为q，此部分流量不经过转轮作功，称漏损。

容积效率：,3. 机械损失(friction loss)和机械效率,水轮机的输入功率：Ne；输出功率: N=Ne -ΔNm 机械效率： ηm=N/Ne 由机械摩擦引起 水轮机的总效率 η=ηHηVηm 提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦η根据模型试验得到9,第一节 蜗壳的型式及主要参数选择 一、蜗壳的功用及型式 (一) 功用 蜗壳是反击式水轮机的重要引水部件把水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮 为了提高水轮机的效率和运行的安全稳定性，蜗壳 设计的基本要求为： 过水表面光滑、平顺、水力损失小； 水流均匀、轴对称进入导水机构； 主要运行工况下，导水机构的水力损失小； 形状尺寸经济，方便布置； 有必要的强度，结构可靠，耐冲刷10,1. 金属蜗壳,当H40m时采用金属蜗壳其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机 钢板焊接：H=40~200m， 钢板拼装焊接 铸钢蜗壳：H200m时， 钢板太厚，不易焊接， 与座环一起铸造而成的 铸钢蜗壳，其运输困难二) 型式,11,适用于低水头大流量的水轮机 H≦40m, 钢筋混凝土浇筑，梯形断面 当H40m时，可用钢板衬砌防渗(H 达80m) 上图为混凝土蜗壳的垂直剖面图，在水电站建设时搭好蜗壳内模，扎好钢筋，用钢筋混凝土直接筑成蜗壳，为了方便搭建蜗壳内模，节省建筑空间，混凝土蜗壳的内截面为方形。

2. 混凝土蜗壳,,12,,右图用半透明显示蜗壳内腔，用紫红色线框来表示该处内腔的截面13,下图为混凝土蜗壳水平方向剖面图，紫红色线框来表示该处内腔的截面14,二、蜗壳的主要参数,1.断面型式与断面参数 金属蜗壳：圆形结构参数：座环外径ra、内径rb、导叶高度b0、蜗壳断面半径ρ、断面外半径R、断面中心距a15,混凝土蜗壳： (1) m=n时：称为对称型式 (2) mn：下伸式 (3) mn ：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳 中间断面： 蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定16,蜗壳中间断面,金属蜗壳 混凝土蜗壳,17,2.蜗壳包角,蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0 (1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°,常取345° (2) 混凝土蜗壳：φ0=180°~270°,一般取180°，一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利18,3、蜗壳进口平均流速：,进口断面流量： 一般由 Hr — VC 曲线确定 VC 对于相同的过流量， VC 选的大，则蜗壳断面小，水力损失增大19,三、蜗壳的水力计算,水力计算的目的: 确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。

已知：,,20,1. 水流在蜗壳中的运动规律 水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流)，之后进入导叶,水流速度分解为径向分速度Vr、圆周分速度Vu 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求， Vr=常数21,圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩Vur= K 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘性及摩擦力，Vu会随r的增加而减小 (2) 圆周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C,22,2. 蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C),金属蜗壳水力计算,23,(1）蜗壳进口断面： 断面半径： 从轴心线到蜗壳外缘半径：,,,,,24,,(2) 中间断面( ) 由此可以绘出蜗壳平面单线图其步骤为： (a) 确定φ0 和VC ； (b) 求Fc、ρmax、Rmax； (c) 由φi确定Fi、ρi、Ri25,混凝土蜗壳的水力计算(半解析法),26,(1) 求进口断面积； (2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其 (3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表示并画出1、2、3…….等中间断面 (4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。

(5) 按 绘出F = f(Φ)直线 (6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图27,第二节 尾水管的作用、型式及其主要尺寸确定,一、尾水管的作用,28,转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差： 1.无尾水管时： 转轮获得能量：,,一、尾水管的作用,29,2 . 设尾水管时： 根据2-2至5-5断面能量方程：,,转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：,设尾水管后， 转轮所获得能量：,30,,,不设尾水管，转轮所获得能量：,设尾水管后，转轮所获得能量：,水轮机多获得的能量：,31,,设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了真空现象，真空由两部分组成： 静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度Hs； 动力真空(转轮出口的部分动能) 3. 尾水管的作用 (1) 汇集转轮出口水流，排往下游 (2) 当Hs0时，利用静力真空 (3) 利用动力真空Hd32,尾水管的动能恢复系数,尾水管的静力真空Hs取决于水轮机的安装高程，与尾水管的性能无关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（与尾水管尺寸有关），一般用动能恢复系数ηw表示,ηw 0.8 时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。

为尾水管总水能损失系数,33,二、尾水管型式及其主要尺寸,尾水管的作用是排水、回收能量其型式、尺寸影响厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸 尾水管尺寸越大，ηw越高，工程量及投资越大 型式： 直锥形——用于小型水轮机 弯锥形（肘形）——用于卧轴水轮机 弯肘形——大中型电站,34,常见尾水管的形式,直锥形（用于小型水轮机）,35,常见尾水管的形式,弯锥形（用于卧轴水轮机）,弯肘形（大中型电站 ）,36,弯肘型尾水管,减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机均采用弯肘型尾水管 组成：直锥段、肘管、出口扩散段37,1. 进口直锥段： 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为直锥管进口直径，θ为锥管单边扩散角 混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径)， θ=7°~ 9° 轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，θ=8°~ 10° h3——直锥段高度，其长度增加将会导致开挖量增加一般在直锥段加钢板衬38,2. 肘管： 90°变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面F进/F出=1.3 曲率半径R小——离心力大——压力、流速分布不均匀—hw大R=(0.6~1.0)D4 为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩断面：高/宽=0.25 3、出口扩散段： 矩形扩散管，出口宽度B5， B5很大时，支墩厚度b5=(0.1~0.15) B5 顶板仰角 α=10°~13°，底板水平。

39,大型水电站的尾水管除了直锥段采用钢结构外，弯肘段与水平扩散段直接由混凝土浇筑而成40,4.尾水管的高度 尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素 h=h1+h2+h3+h4 h1，h2由转轮结构确定; h4肘管高度确定，不易变动 h取决于h3h3大→ηw大→开挖加大，工程投资大；,41,5.尾水管水平长度： L：机组中心到尾水管出口，L大→F出大→V出小→ηw大→厂房尺寸加大，一般L=( 3.5～4.5) D142,6.尾水管局部尺寸的变更 厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，在不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺寸可作局部变更 (1) 减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜6°~12° (2) 大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布置 (3) 地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面 (4) 加长L43,三、水轮机的气蚀系数,影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡量水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言，其标志为气蚀系数 反击式水轮机发生气蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了ppb的情况，因此防止气蚀的措施是限制p的降低，使p≥pb。

气蚀系数б是水轮机气蚀特征的一个标志，б越大，越容易破坏 44,,叶片上压力最低点（一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处),45,通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点（一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为： K点的真空值Hk.v：,,,46,静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关； 动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明气蚀性能的只是动力真空： б称水轮机的气蚀系数，是动力真空的相对值 б与叶型、工况有关，流道内水流相对速度越大，б越大 б与尾水管的性能有关，ηw↑→б↑ 几何形状相似的水轮机，工况相似，б相同；对任一水轮机在既定工况下，б也是定值 б值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm47,第四节 水轮机的吸出高度和安装高程,一、水轮机的吸出高度,,,,保证水轮机内不发生气蚀的条件： pk≥ pB,,48,水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度Zk，随工况而改变，规定如下： (1) 立轴混流式水轮机： 导叶下部底环平面到下游尾水垂直高度 (2) 立轴轴流式水轮机： 转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度 (3) 卧轴贯流式水轮机： Hs 叶片出口最高点到下游尾水垂直高度 (4) 设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正 (5) 为保证水轮机在运行中不发生汽蚀，对各种工况下Hs 进行试验，取其中较小值。

49,,,50,1. 立轴HL：导叶中心平面高程 Za=▽w+Hs+b0/2 2. 立轴ZL：导叶中心平面高程 Za=▽w+Hs+xD1 3. 卧轴HL和GL：轴中心高程 Za=▽w+Hs-D1/2 注： ▽w ：水电站设计尾水位, 选用水电站最低尾水位（一 台机级组满负荷运行时） b0 ： 水轮机导叶高度； D1 ： 转轮直径,二、水轮机的安装高程,。