水輪機(jī)工作原理(參考版)
2024-08-15 02:34本頁面
【正文】 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（假定無撞擊進(jìn)口和法向出口，且進(jìn)、出口水流均勻，忽略排擠）。這種槳葉與導(dǎo)葉之間實(shí)現(xiàn)了最有利配合的工況稱為協(xié)聯(lián)工況。圖315 偏離最優(yōu)工況后轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形的變化H不變，Q變小；Q不變，H變小為了能使水輪機(jī)在非最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)仍能盡量維持最優(yōu)工況時(shí)的進(jìn)、出口水流條件，卡普蘭最早提出將固定的轉(zhuǎn)輪葉片改為可以環(huán)繞葉片軸線轉(zhuǎn)動(dòng)某一定角度范圍的可動(dòng)葉片，亦即今天的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，其顯著特點(diǎn)是轉(zhuǎn)輪葉片隨著工況的改變而自動(dòng)地轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的某一角度，使轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口處比較接近無撞擊和出口處比較接近最優(yōu)出流，因而能夠在相當(dāng)廣闊的水頭和流量變化范圍內(nèi)獲得高效率和保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。如圖315所示。（2）流量不變（導(dǎo)葉開度不變），水頭減小時(shí)由，方向不變。便可作出水頭不變，流量減小后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口速度三角形。（1）水頭不變，流量減?。▽?dǎo)葉開度減小時(shí)）下面討論中，凡右上角帶“/”的參數(shù)均為工況變化后的參數(shù)。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。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。從上面分析結(jié)果看，對(duì)高水頭水輪機(jī)而言，轉(zhuǎn)輪出口水流呈法向是十分有利的。因此，是得不償失的。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。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。因而不易發(fā)生脫流及滯水區(qū)，這樣可減少尾水管中的能量損失，同時(shí)由于轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口環(huán)量的增大，相應(yīng)使轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口水流相對(duì)速度減小，從而也能降低轉(zhuǎn)輪中的水力損失。由公式可知，若轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量C2增大，則要求轉(zhuǎn)輪進(jìn)口環(huán)量也相應(yīng)增大。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。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，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。圖314 轉(zhuǎn)輪水流法向出口上面是從理論公式上推導(dǎo)出當(dāng)出口絕對(duì)水流角時(shí)，即時(shí)，有最大值，我們把轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量用表示，下面我們具體分析一下的大小將產(chǎn)生的三方面影響。由圖314可知，當(dāng)=0，出口絕對(duì)水流角，則出口水流絕對(duì)速度垂直于該點(diǎn)圓周速度。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。若設(shè)計(jì)嚴(yán)格按來設(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。水輪機(jī)葉片一般都是采用機(jī)翼型，葉片前緣是圓頭，這種翼型在進(jìn)口水流對(duì)葉片正面撞擊不大時(shí)，水力撞擊損失是很小的。通常取。一般來說，沖角較小時(shí)，撞擊損失是微小的。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。而水流相對(duì)速度與圓周切線方向（即該點(diǎn)水流圓周速度）的夾角，稱為水流進(jìn)口角，以表示。如圖312。此時(shí)，水流角等于葉片進(jìn)口安放角，水流對(duì)葉片不發(fā)生撞擊和脫流，其繞流是平順的，水力損失小。為了簡便起見，討論中忽略葉片對(duì)水流的排擠。水輪機(jī)在最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)中的水力損失最小，而水力損失大小又主要決定于轉(zhuǎn)輪的進(jìn)口水流角。水輪機(jī)可以在不同的工況下運(yùn)行，其中效率最高的工況稱為最優(yōu)工況。二、水輪機(jī)的最優(yōu)工況水輪機(jī)在運(yùn)行過程中，由于外界條件（水頭負(fù)荷）的變化，使水輪機(jī)的水頭、流量、出力等參數(shù)總是不斷地隨之變化。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（稱為輪盤損失）等。容積效率等于進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的有效流量與進(jìn)入水輪機(jī)的流量之比2．水力效率單位重量水流通過水輪機(jī)時(shí)的能量減值不能全部轉(zhuǎn)換成固體機(jī)械能向外輸出，其中有一部分消耗于克服各種水力阻力（如沿程磨擦阻力和漩渦、脫流引起的局部阻力）而形成的水頭損失。水輪機(jī)內(nèi)的能量損失可分為容積損失，水力損失和機(jī)械損失三種，這些損失分別用容積效率，水力效率和機(jī)械效率來衡量。解：由式（326） m第三節(jié) 水輪機(jī)效率與最優(yōu)工況一、水輪機(jī)中的能量平衡及水力效率水輪機(jī)和其它所有運(yùn)動(dòng)機(jī)械一樣，存在著能量損失，故輸出功率小于輸入功率（即效率1）。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。水流對(duì)葉片的作用力在這里就不作具體分析了。另外，由基本方程知，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后，速度從轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的減小到出口的時(shí)，每單位重量的水流傳給轉(zhuǎn)輪的能量為，并使轉(zhuǎn)輪以角速度旋轉(zhuǎn)。水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，使速度矩減小。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。水流對(duì)轉(zhuǎn)輪做功的必要條件是當(dāng)它通過轉(zhuǎn)輪時(shí)，其速度矩或環(huán)量發(fā)生變化。由水輪機(jī)的基本方程式可見水流對(duì)轉(zhuǎn)輪作用的有效能
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