水轮机复习大纲.doc

水轮机总复习
第一章、绪论
一、 基本概念
1、 水轮机的概念：将水流机械能转换为固体旋转机械能的水力机械称为水轮机。
2、 水力原动机与水力工作机：利用水能做功的水力机械； 把其他能量转变为水能的水力机械，如水泵。
3、 水轮机工作水头：定义：水轮机的工作水头是水轮机进口与出口处单位重量水流的能量差值。水电站的毛水头：考虑上下游的流速。水电站的静水头：上下游水位差。
水电站的净水头：定义上等于毛水头-引水损失；计算时采用静水头-引水损失。
另外，明确进出口断面的含义。
4、 水轮机的型式：冲击与反击；种类：7种，11种。
5、 冲击与反击的定义，区别：水能利用方式、结构、水流系统压力变化、进水方式等。
6、 水轮机的基本结构：过流部件及作用，反击与冲击的区别，那些是必须部件，如冲击式的喷嘴，反击式的尾水管等。
7、 水轮机的工作参数的定义：流量、出力、效率、转速。
8、 水轮机牌号的表示：反击式、水斗式、双击式、斜击式的表示方法，各部分的意义。特别注意冲击式的表示。
9、 水轮机标称直径D1的定义（各类型水轮机）
10、 水轮机过流部件的名称、作用。

二、 基本公式
1、水头定义式、水头计算式、水轮机功率及效率计算式。
三、 基本计算
1． 水轮机功率的计算：P=9.81QHη(KW)
2． 水头的计算：

3、水轮机效率计算：
第二章 水轮机工作原理
一、基本概念
1、转轮中的流动：复合运动：绝对运动=相对运动+牵连运动；
2、轴面、流面的概念：轴面上的流动，轴面速度Vm及其分量；旋转流面上的流动，相对速度W及其分量Wm,Wu。
3、速度三角形：三条边（u ,w,v）其他分量（Vm,Vu）;
4、水轮机工况，最优工况，非最优工况，无撞击进口、法向出口。最优进出口状态。
无撞击进口的含义：相对速度与叶片进口处骨线切线方向一致。法向出口：转轮出口绝对速度V2与圆周方向垂直（Vu2=0）
5、水轮机进出口环量的概念：定义式，由哪些部件形成。
6、叶片排挤系数φ，实质是有效过流面积系数。，排挤系数与叶片厚度、叶片数关系；
7、水轮机效率的几个概念：水力效率、容积效率、机械效率、总效率。
二、基本理论
1、水轮机工作原理：水流通过水轮机流道时，强迫水流的动量矩发生变化，水流把能量传递给转轮。水轮机基本方程式导出的依据。
2、水轮机基本方程式：表达形式3种；意义：能量平衡式；水轮机做功的必要条件：进口环量大于出口环量。
3、水轮机变工况时效率下降的原因分析：水头变化、导叶开度变化；转桨式水轮机的协联关系及高效区宽广原因。
三、基本计算
1、水轮机进出口速度三角形的计算——1：按导叶出口条件计算进口速度三角形，按出口叶片角计算出口速度三角形。

已知轴流式水轮机的参数为D1=0.7m，dh=0.28m，bo=0.28m，Q=2m3/s，n=500r/min，=55°。试求D=0.5的圆柱层上(=25°)的转轮进、出口速度三角形(绘出进、出口速度三角形)。
2、水轮机进出口速度三角形的计算——2：按法向出口和水轮机基本方程式计算进出口速度三角形。

已知ZZ560—LH—1130水轮机的主要参数为：D1=11.3m，dh=0.4D1，H=18.6m，Q=1130m3/s，n=54.6r/min，，假定法向出口，试计算D=10m圆柱层上的进、出口水流速度三角形。
3、速度三角形其他成分的计算。应用三角形几何关系。
第三章 水轮机相似原理
一、基本概念
1、水轮机相似的定义，水轮机相似三条件及其意义：几何相似、运动相似、动力相似（力学）。
2、水轮机工况相似的含义（运动相似-宏观流场相似），相应的力学相似条件：压力与惯性力相似。
3、水轮机的相似律：单位参数分别相等。n11和Q11分别相等。
4、水轮机单位参数：n11、Q11、P11的定义。
5、水轮机比转速：定义式、其他表达式、单位制。特征比转速。比转速的意义：与水轮机性能、几何形状的关系。不同ns的水轮机应用于不同水头的原因（效率、空化、强度）
二、基本理论
1、水轮机相似律的导出：1）按力学相似：惯性力相似——>斯托罗哈数—— >单位转速
压力相似——>欧拉数——>单位流量；2） 按运动相似——>速度三角形相似——>单位转速、 单位流量。
2、 水轮机效率修正： 修正原因：粘性力不相似——摩擦损失不同；不完全几何相似，间隙与表面糙度不同。
3、 修正式的假设条件： 摩擦损失为主、 水力光滑区、圆管损失公式。
4、修正式的适用范围： 最优工况——>扩大到其他工况。
5、 修正方法：固定叶片水轮机： 等值修正；转桨式：按Φ角修正。
四、 基本计算
1、 模型—原型1：给出模型单位流量Q11、单位转速n11、单位出力P11及原型水头H、D1求原型Q,n,P
已知HL220-LJ-46模型水轮机的最优单位转速n110=70r/min,单位流量Q11=1m3/s,单位出力P11=0.89kW,求原型水轮机HL220-LJ-550在H=64m时的转速n,流量Q,出力P。（用一次式）
2、 模型—原型2: 给出模型流量Qm、单位转速n穆m、单位出力Pm及原型水头H、D1求原型Q,n,P
已知模型水轮机HL160-LJ-25的参数为HM=2m, nM=382r/min, QM=53l/s, PM=0.94KW, 求原型水轮机HL160-LJ-210在H=64m时的转速n, 流量Q与出力P各为多少？
注: 可用一次近似式计算
3、 原型—原型：1）同一水轮机水头变化（大坝加高）；2）水头相同，直径不同。
1）某水电站装置HL220—LJ—550水轮机在低填阶段设计水头为H1=49m，n=88.3r/min，Q1=240m3/s，=94%，P1=112MW，现计算将大坝加高，加高后H=56m，求此时水轮机的转速，流量与出力。

2） 某电站的水头为H=24m,该电站装置两种同系列但尺寸不同的水轮机，其中一种水轮机的型号为HL220－LJ－200,转速n1=150r/min, Q1=32m3/s, P1=18600kw, 在同样水头下 ，求另一种水轮机HL220－LJ－100的转速n2 、流量Q2与出力P2(假定两水轮机效率相同，工况相似)。（注：可按一次近似式计算）
解：根据一次近似公式有：：
H1=H2=24m, D11=200cm=2m, D12=100cm=1m,由此：；
3）某电站装置一台HL220-LJ-250水轮机，额定工况下n=166.6r/min，出力20MW，若电站扩建另一台出力为80MW的水轮机，转轮型号仍为HL220，按与前水轮机相似工况条件(水头不变)，扩建水轮机的转轮直径与转速应为多少？
解：

4、 水轮机效率修正：混流、转桨。
5、 水轮机比转速的计算：
五、 基本公式
1、 单位转速、单位流量、单位出力表达式（一次近似、二次近似）
2、 效率修正式：混流、轴流转桨。
3、 单位参数修正式。
4、 比转速计算式。

第四章 水轮机空化
一、基本概念
1、水轮机空化的特征：外部表现。
2、水流空化与空蚀的定义；
3、空化与沸腾的异同点；
4、空化核的概念、存在型式；
5、几种空化的类型：翼型空化、间隙空化、局部空化、空腔空化；
6、水轮机空化系数、装置空化系数、吸出高度的定义；各参数的意义；
例如空化系数：是水轮机转轮形成的动态真空的相对值，式子右边第一项是叶片绕流，叶片上流速分布不均匀形成的动态真空，第二项是尾水管形成的动态真空。
7 水轮机理论吸出高度的定义：叶片压力最低点到下游水面的几何高程（+，-）
8、工程吸出高度的规定；不同水轮机不同，立式、卧式不同；
9、吸出高度计算式各项的意义：；计算吸出高时空化系数修正的原因：1）不完全力学相似；2）能量法的因素；3）空化的尺寸效应、水头效应，4）留安全余量；
二、基本理论
1、水流空化的机理：内因、外因；
2、空化的发生、发育与溃灭；
3、空蚀的发生机制及破坏特征；
4、空化与水轮机工况的关系；空化与安装高的关系。
5、空腔空化发生的原因与防止方法；
6、水轮机空化的类型与发生部位：翼型空化、间隙空化、局部空化的易发部位。
7、水轮机允许吸出高度的确定：保证叶片压力最低点的压力大于汽化压力。
8、空蚀的破坏特征（蜂窝状，无金属光泽），与泥沙磨损的区别；
9、尾水管补气装置
10、水轮机飞逸的概念，飞逸时的能量平衡；
11、 水轮机轴向水推力的产生原因，计算方法，用途；
12、 防治水轮机空化的措施：设计、运行、材料、表面防护等；
三、基本计算
1、吸出高度的计算
2、空化发生与否的判断：1）比较运行吸出高度与实际吸出高度；2）比较空化系数与装置空化系数。
某水电站装置的混流式水轮机安装高程为450m，水轮机的空化系数为0.13(原型)，水轮机工作水头为48m，若此时尾水位为446m，试判断水轮机是否会发生空化。(导叶高度bo=2m)
解：水轮机允许吸出高度：Hsj=10-450/900-0.13*48=3.26m
水轮机实际吸出高度：
3、水轮机安装高程计算：
HL160—LJ—520水轮机在设计工况下的空化系数为0.075，水轮机设计水头Hr为120m，若设计尾水位为450m，且水轮机导叶相对高，试确定水轮机的安装高程。
四、基本公式
1、空化系数表达式：各项意义；
2、装置空化系数表达式：
3、吸出高计算式；Hs=10-E/900-(σ+Δσ)H
3、安装高计算式：
第五章 混流式水轮机
一、概念基本
1、混流式水轮机的特点：1）流动特点径向流入轴向流出；2）结构特点：由上冠、叶片、下环组成，强度高；3）性能特点，叶片不可调，偏离设计工况效率降低。
4）应用特点：比转速范围广40~350(m.kW) ,应用于30~700m水头。
2、混流式水轮机转轮的接构：上冠、叶片、下环、泄水锥、上下止漏环、减压板。
3、空化与振动：30~55%负荷存在振动区（空腔空化）；
4、混流式水轮机的引水室：>40m ,金属蜗壳，包角3450。
5、导水机构的作用：调节流量、改变环量、开关水轮机。
6、导叶开度的几个概念：导叶开度、相对开度、最大开度、最优开度。
7、混流式转轮设计理论一元理论、二元理论。
8、尾水管动能恢复系数、尾水管损失、尾水管损失系数、尾水管相对损失；
9、导叶三种不同形状断面：正曲率、负曲率、对称；作用、应用。
10、与半蜗壳相配合 的导水机构用对称形导叶，原因：蜗壳中流动不均匀，有须增环量、有须减环量，折衷用对称形。
10、不同比转速水轮机出口动能的大小及尾水管相对损失的大小。
11、尾水管的类型|：直锥、弯肘、喇叭
12、弯肘尾水管的组成：直锥段、肘管段、水平扩散段；
二、基本理论
1、蜗壳流动规律：有势，轴对称均匀流入，速度分布：Vu,Vr;
2、蜗壳水力计算的理论依据；
3、蜗壳包角大小与流态的关系；
4、金属蜗壳的断面形状：圆、椭圆，原因；
5、金属蜗壳与碟形边座环联接的原因；
6、一元理论的特点，二元理论的特点。写出相应表达式，如：二元理论轴面流网特点：；
7、尾水管恢复转轮出口动能的原理；
8、导水机构调节流量原理；水轮机流量调节方程，可调节流量的参数：导水机构参数、水轮机工作参数；水轮机流量调节的三种途径：导水机构高度、导叶出口角、叶片角度、双调（导叶开度与叶片角）；
9、导水机构的水力损失：与导水机构几何参数的关系，与工况的关系，与水轮机比转速的关系（低比速水轮机导水机构损失大于高比速水轮机）；
10 、尾水管参数选择的原则：考虑恢复系数、空腔空化，深度选择时，高比速选大值、定桨选大值。
三、基本计算
1、尾水管恢复系数计算：某水轮机转轮出口平均流速V2=6m/s，尾水管出口流速V5=1.25m/s，水轮机工作水头H=10m，若尾水管内的水力损失为0.5m水头，求尾水管的相对水力损失与恢复系数。
2、导叶开度的计算：
第六章 轴流式水轮机
一、基本概念
1、轴流式水轮机的结构特点：转轮如螺旋桨、叶片断面空气动力翼型、叶片可做成可调。
2、性能特点：单位流量大，过流能力强，单位转速高，转速高，比转速高，空化系数大。
3、混凝土蜗壳断面形状：四种形式，优缺点（水力性能、对机组水平、平面尺寸的影响、对设备布置及开挖量的影响。
4、砼蜗壳包角的选择，包角的影响（水力性能、对机组水平尺寸）；
5、砼蜗壳中水流的特点：蜗形与非蜗形部不均匀；
6、轴流式转轮中水流运动的特点：Vm=f(r) 分布规律，数学表达式；
7、轴流式转轮ns与流道参数间的关系（bo/D1,dh/D1,叶片数、l/t）;
8、圆柱无关性假设的条件、结论：Vr<<Vz; u1=u2,Vm1=Vm2; 展开为平面直列翼栅；
9、轴流转桨式的协联关系；
10、转桨式水轮机设计中的环量分布规律：略带正环量出口；
11、l/t的含义：翼型弦长l/节踞t
二、基本理论
1、升力法设计轴流式转轮的基本原理：叶片翼型绕流产生升力推带转轮旋转做功，与水流态通过叶片时作的有效功率相平衡，导出流动参数与翼栅参数间的关系，作为叶片设计的基础。
2、混凝土蜗壳设计的理论基础：有势、均匀流入。
3、翼栅l/t与水轮机性能的关系：能量、空化。
4、转桨式水轮机飞逸特性的分析，保持协联时飞逸转速低的原因：
三、基本计算
轴流式水轮机轴向水推力的计算、飞逸转速的计算
第九章：特性曲线与选型
一、基本概念
1、水轮机特性曲线种类：按数学特征：线性、综合；按对象：模型、原型；
2、模型综合特性曲线与原型特性曲线的表示方法：坐标系，曲线构成；
3、不同水轮机特性曲线的比较：参数大小、等开度线、等效率线；
4、出力限制线的意义；
5、转桨式水轮机模型曲线为什么没有处理限制线？
6、选型设计时不同水轮机额定工况点确定的方法；
7、为什么不用最优工况作额定工况；
8、计算D1和n 分别用什么水头？
9、比转速的估算依据：经验+ 设计制造水平。

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