水輪機(jī)工作原理(存儲(chǔ)版)
【正文】 發(fā)生撞擊和脫流，其繞流是平順的，水力損失小。一般來(lái)說(shuō)，沖角較小時(shí)，撞擊損失是微小的。此外，使葉片進(jìn)口安放角略小于進(jìn)口水流角，還可以減小整張葉片的彎曲，這也有利于改善水利性能。因此當(dāng)出口環(huán)量越大，即越大，這時(shí)尾水管回收能量的效果就差，尾水管的動(dòng)能利用率就低。但是，對(duì)高水頭混流式水輪機(jī)而言，的存在，對(duì)改善尾水管中的水流情況，雖也有上述的類似作用。對(duì)于形狀和尺寸已確定的水輪機(jī)，這種最優(yōu)工況只會(huì)在某水頭、流量和轉(zhuǎn)速的條件下才能形成。如圖315所示。7．已知軸流式水輪機(jī)下列數(shù)據(jù)：米；米；設(shè)計(jì)流量米3/秒；設(shè)計(jì)水頭米；轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)/分；水力效率，試求在最優(yōu)工況下，米處，圓柱層上轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口速度三角形中的、和、（假設(shè)軸面速度均勻分布，水流法向出口和不計(jì)葉片排擠）8．已知混流式水輪機(jī)機(jī)參數(shù)如下：米，米3/秒，米，轉(zhuǎn)/分，水力效率，試確定葉片進(jìn)口角（假定無(wú)撞擊進(jìn)口和法向出口，且進(jìn)、出口水流均勻，忽略排擠）。（2）流量不變（導(dǎo)葉開(kāi)度不變），水頭減小時(shí)由，方向不變。即上述法向出口水流對(duì)某些水頭范圍的水輪機(jī)，可視為最優(yōu)水流出口，但對(duì)另一些水頭范圍的水輪機(jī)，則不然。但對(duì)中、低水頭水輪機(jī)，引水部件中的水力損失占總能量損失的比重很小，主要損失發(fā)生在尾水管和轉(zhuǎn)輪。尾水管進(jìn)口處水流動(dòng)能是由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和軸面運(yùn)動(dòng)動(dòng)能兩部分組成的，即：顯見(jiàn)，水流的軸面流速與尾水管的半徑平方成反比，而水流旋轉(zhuǎn)圓周速度僅與半徑成反比。若設(shè)計(jì)嚴(yán)格按來(lái)設(shè)計(jì)，則在偏離設(shè)計(jì)工況的大流量區(qū)運(yùn)行時(shí)，（設(shè)計(jì)工況流量），水流進(jìn)口角，如圖313所示，產(chǎn)生對(duì)葉片背面的撞擊，亦稱負(fù)撞擊，這將導(dǎo)致效率急劇下降。圖312 水流的入口情況這樣就會(huì)在葉片進(jìn)口區(qū)出現(xiàn)脫流和旋渦，從而產(chǎn)生撞擊損失。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，討論中忽略葉片對(duì)水流的排擠。3．機(jī)械效率水流傳給轉(zhuǎn)輪的有效出力還不能全部輸出，其中有一部分消耗在各種機(jī)械損失上，如軸承與軸封處的磨擦損失，轉(zhuǎn)輪外表面與周圍水流之間的磨擦損失（稱為輪盤(pán)損失）等。一種是由于水流相對(duì)轉(zhuǎn)輪作加速度運(yùn)動(dòng)而形成的相對(duì)慣性力所引起的水流對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的作用力矩；另一部分是由于水流既作相對(duì)運(yùn)動(dòng)又作牽連運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)相互影響而產(chǎn)生的哥氏慣性力所引起的水流對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的作用力矩。對(duì)于大中型反擊式水輪機(jī)，基本方程式右邊所需的轉(zhuǎn)輪進(jìn)口速度矩均是由水輪機(jī)蝸殼和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)形成。式(323)亦可寫(xiě)作: （324）由式(322)和(324)得： （325）由于，則可得到水輪機(jī)的基本方程式： (326)方程左邊，表示作用于水輪機(jī)工作轉(zhuǎn)輪單位重量水流所具有的有效水能，也就是單位重量水流所傳給轉(zhuǎn)輪的有效能量。在流道進(jìn)口處，經(jīng)時(shí)間后空出的部分為后繼水流充滿，根據(jù)連續(xù)性定理，其質(zhì)量也是。試求轉(zhuǎn)輪進(jìn)口速度三角形的、和。因而在轉(zhuǎn)輪出口處的相對(duì)速度方向與葉片方向不完全一致，即出流角與葉片出口安放角總是有些差別。另外，利用導(dǎo)葉出口速度三角形，如圖39可確定圖39 軸流式轉(zhuǎn)輪的進(jìn)、出口速度三角形因此 （314）式中 ——水輪機(jī)過(guò)流量；——導(dǎo)葉高度；——導(dǎo)葉出口水流角。四、轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形水輪機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)輪時(shí)，轉(zhuǎn)輪獲得能量的大小主要取決于水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)，出口其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，而速度三角形實(shí)質(zhì)上表征著水輪機(jī)的工作狀態(tài)，因此有必要研究轉(zhuǎn)輪的進(jìn)出口速度三角形。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)可以用下列速度構(gòu)成速度三角形。如果把某一流面展開(kāi)，可以得到由一系列葉片組成的流道。但當(dāng)水流離開(kāi)導(dǎo)葉后，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前，以及在轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)，兩種機(jī)型的水流流動(dòng)方向有著明顯的不同。由，組成的平面稱子午平面，因它通過(guò)水輪機(jī)的軸心線，故又稱為軸平面?？墒窃趯?shí)際中，水輪機(jī)的蝸殼斷面大多不是等高的。蝸殼中水流流線的特點(diǎn)。2．蝸殼內(nèi)壁是光滑的，認(rèn)為蝸殼中的水流運(yùn)動(dòng)是無(wú)旋流動(dòng)。關(guān)于蝸殼中的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，一般認(rèn)為有兩種形式。而蝸殼中的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律又取決于蝸殼的內(nèi)壁輪廊線，故蝸殼內(nèi)壁輪廓線的形狀控制了蝸殼內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律?！暗人俣染亍币?guī)律對(duì)蝸殼中的水流運(yùn)動(dòng)作如下假設(shè)：1．忽略水流粘性及與管壁的磨擦損失。設(shè)通過(guò)水輪機(jī)的全部流量為，則通過(guò)蝸殼任一斷面的流量，為： （33）式中——自蝸殼鼻端至任一蝸殼計(jì)算斷面包圍的角度。另外，當(dāng)一定時(shí)，即在給定蝸殼中，若流量改變時(shí)，蝸殼中任一點(diǎn)水流速度的大小也隨之改變（與均與成正比例變），但的方向始終恒定不變，始終以一個(gè)方向進(jìn)入座環(huán)支柱。此切向垂直于由徑向及軸向所構(gòu)成的平面。葉片的軸面投影如圖33所示：圖32 轉(zhuǎn)輪的圓柱坐標(biāo)系圖33 轉(zhuǎn)輪的軸面投影圖水流在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的流動(dòng)基本上是沿垂直于水輪機(jī)軸心線的徑向方向流動(dòng)。在轉(zhuǎn)輪流道中，從上冠到下環(huán)的范圍內(nèi)有無(wú)限多的流面，水流質(zhì)點(diǎn)就在這些流面上運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)輪中的水流動(dòng)動(dòng)可以看成這兩種運(yùn)動(dòng)的合成。圖36 各速度的空間關(guān)系為了便于研究方便，又常將位于某點(diǎn)的水流絕對(duì)速度用它的三個(gè)坐標(biāo)分量來(lái)表示，如圖36所示 （39）式中 ——轉(zhuǎn)輪內(nèi)某一點(diǎn)水流絕對(duì)速度；——該點(diǎn)絕對(duì)速度的徑向分量；——該點(diǎn)絕對(duì)速度的軸向分量；——該點(diǎn)絕對(duì)速度
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