第2章水轮机的工作原理.pptVIP

第二章 水轮机的工作原理　 2.1 水流在反击式水轮机中的运动 2.2 水轮机工作的基本方程式 2.3 水轮机的效率及最优工况 2.4 尾水管的工作原理 2.5 水轮机的汽蚀 2.6 水轮机汽蚀系数、吸出高和安装高程 2.7 水斗式水轮机的工作原理 2.1 水流在反击式水轮机中的运动 　　这里着重研究水流在反击式水轮机中稳定工况下的运动，故做如下基本假设： 　　1、水流在稳定工况下运动，即水轮机的H、Q、N、n恒定； 　　2、认为水流在蜗壳、导水机构、尾水管中的流动，以及在转轮中相对转轮叶片的运动也属于恒定运动，不随时间变化。 　　而水流实际上是一种复杂的空间流动。 　　水流流经水轮机转轮时，H、Q在不断变化，由于叶片形状为空间扭曲面，叶道形状复杂，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动，所以其流动是一种复杂的空间流动。 　　为了分析上方便，对旋转叶片式水轮机中的水流运动，常用圆柱坐标系（r、z、φ）来描述，r轴是沿着垂直于水轮机轴线的半径方向；z轴和水轮机轴线一致； 一、混流式水轮机转轮中的水流运动 　　水流：①由幅向流动→轴向流动 　　水流流经转轮可近似地认为是沿着 无数个喇叭形回转流面上的流动。首先 忽略水的粘性，认为这些流面之间互不干扰，并假设转轮由无限多、无限薄叶片组成。 　　②由上假设 → 转轮水流是均匀、轴对称的。 　　即同一圆周上各水流质点的压力和速度相等、方向相同，叶片正反面的压力差和流速差为零。 　　 叶片翼形断面的中心线称为骨线，在上述假定后，翼形就成为无厚的骨线，且流线与骨线重合。 　　现取一中间流面，并在流面上取一流线进行分析。水流质点沿如图流线a-0-1-2流动。将流线与叶片相割的流面展开，即得出翼形断面图，叶片翼形断面的骨线与圆周切线的夹角在进口和出口处分别用βe1、 βe2表示，称为叶片的进口安放角和出口安放角。 水流进入转轮后的运动分析： 　　水流质点进入转轮后，一面沿叶片流动，一面随着转轮的转动而旋转，构成一种复合运动。 　　水流运动是空间三元流，其运动规律用速度三角形表达，满足如下矢量关系： 　　　　　　　　　　　　　　（2-1） 　　—水流绝对流速(相对于地球)； 　　—水流随转轮旋转的牵连流速(圆周速度，方 向与圆周相切) ； 　　—水流沿叶片流动的相对流速 (与叶片相切) 　　其中　　与　　之间的夹角用β表示，称为相对速度W的方向角；　与　　之间的夹角用α表示，称为绝对速度V 的方向角。 二、轴流式水轮机转轮中的水流运动 　　水流：轴向流进、流出转轮，故水流运动可假定为以主轴中心为轴线的圆柱面流动。同样忽略水的粘性，认为各圆柱层面水流运动不互相干扰，可得　　＝0，在轴面内只有轴向速度，因此在每个圆柱面上任一点的速度三角形矢量关系式 中有：　　　　　　　　　　，轴面速度： 　　 　　这样，转轮中任一点 的速度即可由轴向和沿圆 周向两个速度分量确定。 　　将水流运动的圆柱面与叶片相割的层面展开，便可以得到一个平面叶栅的绕流图，在叶栅上亦可绘制出转轮进、出口速度三角形以进行水流对转轮工作的分析，其中　　 2.2 水轮机工作的基本方程式 　　反击式水轮机：压力水流→空间扭曲叶片→　 改变→水流给叶片以反击作用力→转轮旋转作功。 　　为了进一步从理论上分析水流能量在水轮机转轮中转变为旋转机械能的实质，可应用动量矩定律来说明。 一、动量矩定理 　　即：单位时间内水流质量对水轮机主轴动量矩的变化，应等于作用在该质量水流上的全部外力对同一轴的力矩总和。 　　由于进入转轮中的水流被认为是均匀对称的入流，因此可取整个转轮的流态来进行分析。水流质量的动量矩与水流的速度成正比，转轮中水流的绝对速度可分解为三个正交分量，即　　　　，　　　　　　　　　　　通过轴心，　　又与主轴平行，两者都不对主轴产生速度矩，因此根据动量矩定律得出： 　　式中：m－dt时间内通过水轮机转轮的水体质量，当进入转轮的有效流量为　　(参加能量转换的流量)时，则　　　　　　　； 　　 　　r－半径； 　　　　－作用在水体质量m上所有外力对主轴力矩的总和。 　　由前面假设已知，水轮机稳定工作时，转轮中的水流运动认为是恒定流动，则速度矩　　不随时间变化；又根据水流连续定律，进入转轮和流出转轮的流量不变，均为有效流量　　。　　 因此单位时间内水流流进转轮外缘的动量矩为：　　　；流离转轮内缘的动量矩为：　　　　　。 所以在单位时间内质量水流动量矩的增加应等于其转轮出口与进口间的动量矩之差，即： 　　分析可能作用在水流质量上有哪些外力 ： 　　（1）转轮叶片的作用力：此作用力迫使水流改变其运动的方向与流速的大小，因而对水流产生作用