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1、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：尽可能减少水力损失以提高水轮机效率；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,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。,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
2、,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,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：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。轴对称流：认为水
3、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,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
4、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。,（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
5、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,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ABCD部分的动量矩没有变化，因而流道的动量矩变化就等于BBCC部分的动量矩减去AADD部分的动量矩，即,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,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
6、起的。下面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；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,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 转轮旋转角速度。,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
7、基本方程式，也称水轮机欧拉方程。,水轮机基本方程式的其它表达形式：考虑到环量，则方程亦可用环量的形式表示为,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：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。,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
8、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。,水流作用于叶片的力矩、水轮机基本方程式和效率,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。,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
9、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。,、,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：,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
10、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
11、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。,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。,水轮机有效流量 容积效率,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
12、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。,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9899。,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。,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
13、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。,水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论,水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论,
14、发生撞击时就会出现脱流和漩涡区，从而产生撞击损失。,水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论,水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论,2、最优水流出口 不同水头下的反击式水轮机对最优水流出口的要求略有不同。对高水头水轮机，最理想的转轮出流是法向出口；而对中、低水头混流式水轮机及轴流式水轮机，转轮的略具正环量的水流出口是有利的。,水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论,法向出口 当从转轮流出的水流是沿着轴面流动且无旋时（），称为法向出口，此时出口水流角，出口速度三角形为直角三角形。,优点：最小，可减小进入尾水管中的水流速度（因，当Q一定时，也一定，则当出口水流角 时，最小），减小水力损失（减
15、小尾水管摩擦损失和出口动能损失）。,尾水管进口轴面水流（）的动能可通过尾水管回收一大半，而旋转水流（）的动能却绝大部分不能回收而丢失了。在法向出口时，尾水管进口旋转动能为零，尾水管对水流剩余动能的利用最充分，尾水管出口水流动能损失最小。,水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论,略具正环量的水流出口 当转轮出口水流略具正环量时，出口水流角 略小于900，略大于零，此时的 方向与转轮转动的方向一致。此出流与法向出口相比，对中、低水头混流式水轮机及轴流式水轮机，反而能减少水力损失，改善水轮机的效率及汽蚀性能。,原因：具微量正向旋转的水流，在水流自身的离心力作用下，将紧贴尾水管的管壁流动，因而不易发
16、生脱流及滞水区，从而减少尾水管的能量损失；由于转轮进、出口环量的增大（），相应使转轮进、出口水流相对流速、减少，从而也能降低转轮中的水力损失。,水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论,水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论,水轮机变工况转轮进、出口速度三角形的讨论,二、水轮机变工况下的转轮进、出口速度三角形 如前所述，水轮机在转轮无撞击进口和法向（或略具正环量）出口的条件下水力损失最小，水力效率最高。对于形状和尺寸均已确定的水轮机，最优工况只会在某个水头、流量和转速的条件下出现。但水轮机在实际运行中，水头、流量总是变化的，不可避免地要偏离最优工况。,轴流转桨式水轮机：转轮叶片随着工况的改变而转动到相应的角度，使转轮进口处比较接近无撞击和出口比较接近最优出流，因而可以在相当广阔的水头和流量变化范围内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。,
