水电站基本知识学习教案.pptx

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1、会计学1水电站基本知识水电站基本知识第一页，共44页。二、恒定二、恒定二、恒定二、恒定(hngdng)(hngdng)流状态流状态流状态流状态n n 水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管中的流动假定是恒定流。n n水流在转轮内的流动相对(xingdu)于转轮旋转坐标而言，也假定是恒定流。n n水流在转轮中的运动非常复杂，上述假定可以简化分析。第2页/共44页第二页，共44页。三、水流运动是空间三、水流运动是空间三、水流运动是空间三、水流运动是空间(kngjin)(kngjin)三元流三元流三元流三元流水流运动规律用速度三角形表达 水流绝对流速（相对于

2、地球）水流流动的牵连流速 水流沿叶片流动的相对流速 用速度三角形分析水流运动的方法(fngf)是研究转轮流速场的重要方法(fngf)。第3页/共44页第三页，共44页。n n对于混流式水轮机，可以认为任一水流质点在转轮中的运动是沿着某一喇叭形的空间曲面(称之为流面)而作的螺旋形曲线运动。n n流面即由某一流线绕主轴旋转(xunzhun)而成的回旋曲面。在整个转轮流道内有无数个这样的流面。n n流面上每一个进口点的速度三角形是相同的；每一个出口点的速度三角形也是相同的。第4页/共44页第四页，共44页。n n根据恒定流假定(jidng)可知，任一水流质点在转轮进口的运动状态及其流动到转轮出口的运

3、动状态可由同一时刻该流面上任意进、出口点的速度三角形表示。第5页/共44页第五页，共44页。速度与分速度的空间矢量速度与分速度的空间矢量速度与分速度的空间矢量速度与分速度的空间矢量(sh(sh ling)ling)关系关系关系关系第6页/共44页第六页，共44页。第二节第二节 水轮机工作水轮机工作(gngzu)(gngzu)的基本方程的基本方程式式 一、动量矩定理 单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。即：其中M为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。该式表达了水轮机中水流能量转换(zhunhun)为旋转机械能的平衡关系。第7页/共44页第七页，共

4、44页。二、水轮机的基本二、水轮机的基本二、水轮机的基本二、水轮机的基本(jbn)(jbn)方程方程方程方程在稳定工况下(n、Q、H均不变)，转轮内的水流运动时假定为恒定流，因此转轮的出力(ch l)为：所以，水轮机的基本方程为：该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。第8页/共44页第八页，共44页。uu方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程，方程左边为转换成的机械能。uu水流与叶片相互作用，使得(sh de)水轮机做功。水流通过水轮机时，叶片迫使水流动量矩发生变化，而水流以反作用力作用在叶片上，从而使转轮获得力矩。uu水能转变为旋转机械能的必要条件：水流在转轮出口的能量小于进口处的

5、能量，即转轮的进口和出口必须存在速度矩的差值。三、基本三、基本三、基本三、基本(jbn)(jbn)方程的物理意义方程的物理意义方程的物理意义方程的物理意义第9页/共44页第九页，共44页。第三节第三节 水轮机的效率水轮机的效率(xio l)及最优工况及最优工况 一、水轮机的效率(efficiency)水轮机的能量损失导致N Ns，效率0时，利用静力真空。(3)利用动力真空Hd。第22页/共44页第二十二页，共44页。尾水管的动能尾水管的动能尾水管的动能尾水管的动能(dngnng)(dngnng)(dngnng)(dngnng)恢复系数恢复系数恢复系数恢复系数 尾水管的静力真空Hs取决于水轮机的

6、安装(nzhung)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w表示w 0.8 时，效果时，效果(xiogu)较好；较好；w 0.30.4时，效果时，效果(xiogu)较差。较差。第23页/共44页第二十三页，共44页。第五节第五节 水轮机的空化水轮机的空化与空蚀与空蚀第24页/共44页第二十四页，共44页。一、水轮机的空蚀一、水轮机的空蚀一、水轮机的空蚀一、水轮机的空蚀1.空化及空化压力的概念水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。水在一定压力下加温引起(ynq)的汽化为沸腾；环境温度不变压力降低引起(ynq)的汽化叫空化。在给

7、定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的空化压力(Pb)第25页/共44页第二十五页，共44页。2.水轮机的空蚀(1)空蚀破坏的机理由 可知，当VP,当P=Pb时，水开始汽化汽泡(水蒸气+空气(kngq)水中溶解的气体向气泡析出气泡体积迅速增大进入高压区蒸气变成水，汽泡体积减小，出现真空，汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击，在汽泡内形成很大的微观水锤压力(可达几百大气压)；第26页/共44页第二十六页，共44页。n n汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。n n大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏 机械破

8、坏，称为(chn wi)疲劳剥蚀。n n汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部温度升高(可达到300)，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用化学腐蚀。第27页/共44页第二十七页，共44页。(2)(2)水轮机空蚀定义水轮机空蚀定义水轮机空蚀定义水轮机空蚀定义(dngy)(dngy)汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流(shuli)质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，称水轮机的空蚀。隔河岩隔河岩1号水轮机转轮号水轮机转轮(zhun ln)空蚀空蚀第28页/共44页第二十

9、八页，共44页。n n使过流部件机械强度降低，严重时整个部件受到破坏。n n增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。n n机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。n n缩短(sudun)了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。消耗钢材、延长工期。3.3.空蚀造成空蚀造成空蚀造成空蚀造成(zo chn(zo chn)的危害的危害的危害的危害第29页/共44页第二十九页，共44页。二、水轮机空蚀类型二、水轮机空蚀类型二、水轮机空蚀类型二、水轮机空蚀类型(lixng)(lixng)(lixng)(lixng)n n翼形翼形(叶片叶片)空蚀：转轮叶片背面出口处产生的空蚀，空蚀：转轮

10、叶片背面出口处产生的空蚀，与叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空与叶片形状、工况有关。是反击式水轮机的主要空蚀形式。蚀形式。n n间隙空蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部间隙空蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生的空蚀。流速增大，压力降低而产生的空蚀。n n空腔空蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生空腔空蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度度(sd)(sd)和压力的脉动，在尾水管进口处产生空蚀和压力的脉动，在尾水管进口处产生空蚀破坏，还可能造成尾水管振动。破坏，还可

11、能造成尾水管振动。n n局部空蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空局部空蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀。蚀。第30页/共44页第三十页，共44页。尾水管内的真空尾水管内的真空(zhnkng)涡带涡带第31页/共44页第三十一页，共44页。尾水管内的真空尾水管内的真空(zhnkng)涡带涡带第32页/共44页第三十二页，共44页。三、防止三、防止三、防止三、防止(fngzh)(fngzh)(fngzh)(fngzh)空蚀的措施空蚀的措施空蚀的措施空蚀的措施 流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因(yunyn)，因此要控制流速和压力的急剧变化。1.设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表

12、面光滑，抗空蚀钢衬(不锈钢)。2.工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙进入水轮机。3.运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时向尾水管补气。第33页/共44页第三十三页，共44页。第六节第六节第六节第六节 水轮机的空蚀系数、吸出高和安装水轮机的空蚀系数、吸出高和安装水轮机的空蚀系数、吸出高和安装水轮机的空蚀系数、吸出高和安装(nzhung)(nzhung)(nzhung)(nzhung)高高高高程程程程一、水轮机的空蚀系数反击式水轮机发生空蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了ppb的情况(qngkung)，因此防止空蚀的措施是限制p的降低，使ppb。影响水轮机效

13、率的主要原因是翼型空蚀，所以衡量水轮机空蚀性能好坏一般是针对翼型空蚀而言，其标志为空蚀系数。空蚀系数是水轮机空蚀特征的一个标志，越大，越容易破坏。第34页/共44页第三十四页，共44页。叶片叶片(ypin)上压力最低点上压力最低点第35页/共44页第三十五页，共44页。通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点(一般一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K)K点的压力为点的压力为(列列K K点和点和2 2点、点、2 2点点和下游水面和下游水面(shu min)(shu min)的能量方程的能量方程)：K K点的真

14、空值点的真空值Hk.vHk.v：为尾水管动能恢复系数。为尾水管动能恢复系数。第36页/共44页第三十六页，共44页。n n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(wgun)；n n动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明水轮机空蚀性能的只是动力真空：n n 第37页/共44页第三十七页，共44页。n n称水轮机的空蚀系数，是动力真空的相对值。n n与叶型、工况有关，Wk大W2大大。n n与尾水管的性能有关，w，汽蚀性能差。n n几何形状相似的水轮机，工况相似，相同；对任一水轮机在既定(j dn)工况下，也是定值。n n值影响因素复杂，理论难以确定

15、，广泛使用的方法是进行水轮机模型试验得出m,并认为=m。第38页/共44页第三十八页，共44页。二、水轮机的吸出高二、水轮机的吸出高二、水轮机的吸出高二、水轮机的吸出高 为了防止空蚀，必须为了防止空蚀，必须(bx)(bx)限制限制k k点的压力，使点的压力，使pkpBpkpB 保证保证(bozhng)水轮机内不发生汽蚀的条件：水轮机内不发生汽蚀的条件：pk pB Pa/=10.33 PB/=0.090.24第39页/共44页第三十九页，共44页。n n水轮机吸出高水轮机吸出高HsHs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度直高度ZkZk，与水轮机形式有关，规定

16、如下：，与水轮机形式有关，规定如下：n n (1)(1)立轴混流式水轮机：立轴混流式水轮机：n n 导叶下部底环平面到下游尾水面垂直高度。导叶下部底环平面到下游尾水面垂直高度。n n (2)(2)立轴轴流式水轮机：立轴轴流式水轮机：n n 转轮叶片轴线到下游尾水面垂直高度。转轮叶片轴线到下游尾水面垂直高度。n n (3)(3)卧轴贯流式水轮机：卧轴贯流式水轮机：n n 叶片出口最高点到下游尾水面垂直高度。叶片出口最高点到下游尾水面垂直高度。n n (4)(4)设计尾水位高于上述高程设计尾水位高于上述高程HsHs为负，反之为负，反之(f(f nzh)nzh)为为正。正。n n (5)(5)为保证

17、水轮机在运行中不发生空蚀，对各种工况下为保证水轮机在运行中不发生空蚀，对各种工况下Hs Hs 进行试验，取其中较小值。进行试验，取其中较小值。第40页/共44页第四十页，共44页。三、水轮机的安装三、水轮机的安装三、水轮机的安装三、水轮机的安装(nzhung)(nzhung)高程高程高程高程 第41页/共44页第四十一页，共44页。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 (x=0.380.48)3.卧轴HL和GL：轴中心高程 Za=w+Hs-D1/2 注：w：水电站设计(shj)尾水位,选用水电站最低尾水 位（12台机组时取一台机组50%额定流量，34台机组时取一台机组额定流量）b0：水轮机导叶高度；D1 ：转轮直径第42页/共44页第四十二页，共44页。第43页/共44页第四十三页，共44页。浙江(zh jin)水专国家精品课程水电站http:/