《水電站》第一篇水力機械水輪機+發(fā)電機： 水輪發(fā)電機組功能： 發(fā)電水泵+電動機： 水泵抽水機組功能： 輸水水泵+水輪機： 抽水蓄能機組。功能： 抽水蓄能水輪發(fā)電機組

水輪機是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機械能，從而帶動發(fā)電機發(fā)出電能的一種機械，是水電站動力設備之一。2.1水輪機的類型及其構(gòu)造一、主要類型(一)、反擊式水輪機(reactioPwaterturbiPe)

定義：利用水流的壓力能和動能做功的水輪機特征：轉(zhuǎn)輪的葉片為空

間扭曲面，流過轉(zhuǎn)輪的

水流是連續(xù)的，而且在

同一時間內(nèi)，所有轉(zhuǎn)輪

葉片之間的流道都有水

流通過，水流充滿轉(zhuǎn)輪

室。反擊式水輪機原理水流通過轉(zhuǎn)輪葉片時，水流流速的大小、方向均發(fā)生變化，因此動量也發(fā)生了改變，水流產(chǎn)生反作用力，作用與

每個轉(zhuǎn)輪葉片，使轉(zhuǎn)

輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，從

而做功。(二)、沖擊式水輪機(IPpulsewatertubiPe)定義：利用水流的動能來做功的水輪機特征：由噴管和轉(zhuǎn)輪組成。水流以自由水流的形式(P=Pa)沖擊轉(zhuǎn)輪，利用水流動能(V方向、大小改變)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。在同一時刻內(nèi)，水流只沖擊著轉(zhuǎn)輪的一部分，而不是全部。不適宜調(diào)峰運行。適用：水頭高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。(一)、反擊式水輪機(reactioPwaterturbiPe)1.混流式：水流徑向流入轉(zhuǎn)輪，軸向流出。適用范圍：H=30-450m,最高水頭已接近700米，單機容量：幾萬kW-幾十萬kW特點：適用水頭范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，效率高，適用中高水頭電站。三峽水電站即采用了這種水輪機，單機容量70萬kW。是世界上單機容量最大的機組。混流式水輪機(一)、反擊式水輪機(reactioPwaterturbiPe)2.軸流式：特點：水流沿轉(zhuǎn)輪軸向流入，軸向流出，水流方向始終平行于主軸。適用于大流量、低水頭。一般水頭在50m以下。軸流定漿式：葉片不能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動。高效率區(qū)較小，適用于水頭變化不大的小型電站。軸流轉(zhuǎn)漿式：葉片能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動，進行雙重調(diào)節(jié)（導葉開度、葉片角度)。適用于大型水電站。軸流調(diào)漿式：葉片能隨工況的變化而轉(zhuǎn)動，進行單重調(diào)節(jié)（葉片角度)。軸流式水輪機軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機轉(zhuǎn)輪

(一)、反擊式水輪機(reactioPwaterturbiPe)3.斜流式：水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪時是斜向的。轉(zhuǎn)輪葉片隨工況變化而轉(zhuǎn)動，高效率區(qū)廣。

(一)、反擊式水輪機(reactioPwaterturbiPe)4.貫流式：水輪機的主軸裝置成水平或傾斜。不設蝸殼，水流直貫轉(zhuǎn)輪。水流由管道進口到尾水管出口都是軸向的。H<20m，小型河床電站。貫流式機組分類全貫流式：發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝在水輪機轉(zhuǎn)輪外緣，其密封困難，現(xiàn)在較少使用。半貫流式：燈泡貫流式：發(fā)電機組安裝在密閉的燈泡體內(nèi)，使用較廣泛，機組結(jié)構(gòu)緊湊，流道形狀平直，水力效率高。軸伸式貫流機組：發(fā)電機安裝在外面，水輪機軸伸出到尾水管外面。豎井式貫流機組：發(fā)電機安裝在豎井內(nèi)。燈泡式水輪機組軸伸式貫流機組豎井貫流式水輪機(二)、沖擊式水輪機(IPpulsewatertubiPe)定義：利用水流的動能來做功的水輪機特征：由噴管和轉(zhuǎn)輪組成。水流以自由水流的形式(P=Pa)沖擊轉(zhuǎn)輪，利用水流動能(V方向、大小改變)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。在同一時刻內(nèi)，水流只沖擊著轉(zhuǎn)輪的一部分，而不是全部。不適宜調(diào)峰運行。適用：水頭高，流量小，多用于400m以上，最高接近2000m。沖擊式水輪機運行中單噴嘴運行中水斗:

特點是由噴嘴出來的射流沿圓周切線方向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗作功。目前，水斗式水輪機是沖擊式水輪機中應用最廣泛的一種機型。斜擊式：

由噴嘴出來的射流沿圓周斜向沖擊轉(zhuǎn)輪上的水斗。雙擊式：水流兩次沖擊轉(zhuǎn)輪。

斜擊、雙擊水輪機構(gòu)造簡單，效率低，用于小型電站。水斗式水輪機轉(zhuǎn)輪輪葉輪盤斜擊式水輪機轉(zhuǎn)輪雙擊式水輪機轉(zhuǎn)輪1．水輪機的工作參數(shù)（1）工作水頭H特征水頭：最大水頭Hmax最小水頭HmiP加權(quán)平均水頭Hw設計水頭Hd(η,h凈)額定水頭Hr(Pr，Wr，miP)

（2）流量Q。設計流量Qd(wr，hd)額定流量Qr(hr，Pr，wr)空載流量Q0(hr，Pr，w=0)（3）轉(zhuǎn)速P。額定轉(zhuǎn)速Pr（4）功率P與效率η。水輪機功率：水輪機的輸入功率PiP：

PiP=9.81QH（kW）水輪機的效率η：最優(yōu)效率：2.1.2水輪機的工作參數(shù)、型號及公稱直徑習題已知某水電站在設計工況下，上游水位63m，下游水位44.4m通過水輪機流量為825m3/s，發(fā)電機效率為0.96，水輪機效率為0.86，忽略水力損失，試求水輪機輸出功率和機組效率。2．水輪機的型號及公稱直徑水輪機型號排列順序如下：

反擊式水輪機型式+轉(zhuǎn)輪型號（比轉(zhuǎn)數(shù)）+主軸布置型式+水輪機室特征+轉(zhuǎn)輪標稱直徑（cm）沖擊式同軸安裝的轉(zhuǎn)輪數(shù)+水輪機型號+轉(zhuǎn)輪型號（比轉(zhuǎn)數(shù)）+主軸布置型式+轉(zhuǎn)輪標稱直徑（cm）+每個轉(zhuǎn)輪上噴嘴數(shù)+設計射流直徑（cm）HL220-LJ-140水輪機型式的代號水輪機型式代號水輪機型式代號混流式HL貫流調(diào)槳式GT斜流式XL貫流定槳式GD軸流轉(zhuǎn)槳式ZZ水斗（沖擊）式CJ軸流調(diào)槳式ZT斜擊式XJ軸流定槳式ZD雙擊式SJ貫流轉(zhuǎn)槳式GZ主軸布置形式和結(jié)構(gòu)特征的代號名稱代號名稱代號立軸L罐式G臥軸W全貫流式Q金屬蝸殼J燈泡式P混凝土蝸殼H豎井式S明槽式M虹吸式X有壓明槽式My軸伸式Z特例

HL220/A153-WJ_84表示為新入譜轉(zhuǎn)輪型號轉(zhuǎn)輪代號為220，轉(zhuǎn)輪研制單位的轉(zhuǎn)輪編號為A153臥軸，金屬蝸殼的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為84cmHLA153—LJ—84重慶水輪機廠比轉(zhuǎn)速219.2HLA194—LJ_100哈爾濱電機廠比轉(zhuǎn)速182練習：（1）HL220-WJ-71

（2）XLP200-LJ-300

（3）GD600-WP-250

（4）CJ22-W-70/1×7答案：1混流式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號是220，臥軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為71cm2斜流可逆式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號200，立軸，金屬蝸殼，轉(zhuǎn)輪直徑為300cm3慣流定槳式水輪機，轉(zhuǎn)輪型號為600，臥軸，燈泡式水輪機室，轉(zhuǎn)輪標稱直徑250cm4水斗式水輪機，一個轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪型號22，臥軸，轉(zhuǎn)輪標稱直徑70cm，一個噴嘴，射流直徑為7cm。1、反擊式水輪機的主要組成部件：

(1)引水部件（蝸殼）：使水流均勻、旋轉(zhuǎn)，以最小水頭損失送入轉(zhuǎn)輪室。

(2)導水機構(gòu)（導葉及控制設備)：控制工況。

(3)轉(zhuǎn)輪（工作核心)：能量轉(zhuǎn)換，決定水輪機的尺寸、性能、結(jié)構(gòu)。

(4)泄水部件（尾水管）：回收能量、排水至下游。2、沖擊式水輪機的主要組成部件：噴管，轉(zhuǎn)輪，折流器，機殼，射流制動器等組成。

2.1.3水輪機的主要過流部件(一)、混流式水輪機基本構(gòu)造水流—蝸殼—座環(huán)—導葉—轉(zhuǎn)輪—尾水管—下游引水部件：開敞式引水室壓力槽式罐式金屬蝸殼

蝸殼與座環(huán)的相對位置

蝸殼：其作用是使水流產(chǎn)生圓周運動，并引導水流均勻地、軸對稱地進入水輪機。三門峽水電站水輪機蝸殼蝸殼組裝導水部件---座環(huán)位于導葉的外圍。由上、下環(huán)和立柱組成。作用：是水輪機的骨架，承受機墩及傳來的荷載，并傳到下部基礎(chǔ)；支承活動導葉；故必須有足夠的強度和剛度。座環(huán)也是水輪機的過流部件和水輪機的安裝基準件。水輪機座環(huán)1－上環(huán)；2－下環(huán)；3－固定導葉水輪機座環(huán)導葉導葉

導葉：導水機構(gòu)的主體，上下端分別固定在底環(huán)和頂蓋上，斷面設計成翼型。也稱為活動導葉。導葉的上下端面，導葉間均設有橡膠和不銹鋼的密封裝置.

作用：改變導葉開度以改變流量。導葉轉(zhuǎn)動是通過調(diào)速成器和接力器來實現(xiàn)的。接力器接力器用于操作控制環(huán)的轉(zhuǎn)動接力器示意圖轉(zhuǎn)輪水能旋轉(zhuǎn)機械能組成：軸、上冠、葉片、下環(huán)、止漏環(huán)、泄水錐混流式水輪機轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪的組成在法蘭盤四周開有幾個減壓孔，以便將經(jīng)過上冠外緣滲入冠體上側(cè)的積水排入尾水管。大型機組在與上冠連接的主軸端常裝有補氣裝置，以便向泄水錐下側(cè)的水流低壓區(qū)補氣。泄水錐的作用是引導徑向水流平順地過渡成軸向流動，以消除徑向水流的撞擊及漩渦。轉(zhuǎn)輪的組成轉(zhuǎn)輪葉片是扭曲面體，其進水邊扭曲度較小，而出水邊扭曲度較大，其斷面形狀為翼形。葉片的數(shù)目通常在12-20片之間。止漏環(huán)也稱為迷宮環(huán)。在轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的外緣處均安裝著止漏環(huán)的轉(zhuǎn)動部分，它與相對應的固定部分之間形成一系列忽大忽小的空間或迷宮狀的直角轉(zhuǎn)彎，以增長滲徑，加大阻力，從而減小滲漏損失?；炝魇睫D(zhuǎn)輪剖面圖（a）適用于低水頭；（b）適用于中水頭；（c）適用于高水頭(二)、軸流式水輪機的構(gòu)造2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造軸流式水輪機除轉(zhuǎn)輪外，其它部件與混流式相似組成：葉片、輪轂、主軸、泄水錐、轉(zhuǎn)動機構(gòu)葉片：表面為曲面，斷面為翼形，根部厚，邊緣薄，以承受水流作用的摶矩。葉片數(shù)目：與H大小有關(guān)，一般為3~8片；葉片轉(zhuǎn)角Φ：最優(yōu)工況時Φ=0°，Φ>0，葉片開始啟動，Φ<0向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動。

-15°->Φ<+20°輪轂：外部連接葉片，內(nèi)部安裝轉(zhuǎn)動機構(gòu)。轉(zhuǎn)動機構(gòu)：安裝在輪轂內(nèi)，由調(diào)速器控制，調(diào)整導葉角度。2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造葉片轉(zhuǎn)動操作機構(gòu)(三)、斜流式水輪機構(gòu)造斜流式水輪機構(gòu)造主要部件：座環(huán)、轉(zhuǎn)輪及其葉片、導水機構(gòu)、尾水管、主軸、導軸承等。與軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機不同之處：葉片轉(zhuǎn)動軸線與主軸成45°~60°的夾角。毛家村電站的運行證明，斜流式水輪機可以在比較寬闊的負荷范圍內(nèi)保持較高的平均效率，但其缺點也很突出，如結(jié)構(gòu)復雜，可靠性較低，容易漏油，造成污染，在吸出高度Hs=-8m條件下運行，其空化現(xiàn)象仍比較嚴重。由于斜流水輪機無顯著特點，在設計中很少采用。(四)、燈泡貫流式水輪機實際上是臥軸安裝的軸流式水輪機，發(fā)電機安裝在燈泡體內(nèi)。燈泡貫流式水輪機我國開發(fā)采用燈泡貫流式水輪機的時間相對較晚，近年來燈泡貫流式水輪機的導葉都采用了重錘式關(guān)閉機構(gòu)來防飛逸，從而可節(jié)約引水系統(tǒng)的快速閘門。目前采用的燈泡貫流式水輪機使用水頭高達27.3m，轉(zhuǎn)輪直徑7.5m，單機容量達48MW。廣東飛來峽(4×35MW)、寧夏沙坡頭(4×30MW)、甘肅炳靈(5×48MW)等電站，均為燈泡貫流機組。泄水部件-尾水管作用：引導水流進入下游河道，并回收部分動能和勢能。

龍灘水電站尾水管施工尾水管型式：直錐形尾水管

形式特點適用彎管直錐形形式特點適用彎曲形尾水管形式特點適用泄水部件(五)、水斗式水輪機構(gòu)造水斗式水輪機的組成：噴管、折流板、轉(zhuǎn)輪、機殼、尾水槽(1).轉(zhuǎn)輪組成：輪盤、斗葉（沿輪盤均勻分布）。連接方式：螺拴、整體鑄造、焊接。水斗的形狀(2).噴管組成：噴嘴、噴管體、針閥、噴桿、操作機構(gòu)針閥：調(diào)節(jié)水輪機的流量，以行程表示。廣泛應用的噴嘴(3).折向器

使針閥緩慢關(guān)閉，降低水錘壓力，使水流偏離水斗，避免機組轉(zhuǎn)速升高。(4).機殼把水斗中排出的水引導入尾水槽內(nèi)。一般為鑄鋼件。(5).引水板防止水流隨轉(zhuǎn)輪飛濺到上方，造成附加損失水斗水輪機的裝置方式為了提高機組轉(zhuǎn)速及過流量，常在一個轉(zhuǎn)輪上裝設兩個或更多個噴嘴。有時又在一根軸上裝設兩個(或多個)轉(zhuǎn)輪，以提高機組的單機出力。大中型水斗式水輪機多采用立式布置，這樣不僅可使廠房面積縮小，也便于裝設多噴嘴。中小型水斗式水輪機通常采用臥式布置，這樣可簡化結(jié)構(gòu)、降低造價，并便于安裝和維護。多噴嘴安裝2.1.4蝸殼和尾水管斷面尺寸的擬定蝸殼（1）主要參數(shù)包括：A斷面形狀：B蝸殼的包角C蝸殼進口斷面的平均流速Vc

蝸殼的斷面形狀（a）圓形斷面；（b）梯形斷面金屬蝸殼的包角一般采用345°混凝土蝸殼的包角一般采用180°11.9010.43金屬蝸殼進口斷面的平均流速流速系數(shù)

混凝土蝸殼進口斷面的平均流速Vc可由下圖查取

（2）金屬蝸殼的水力計算實質(zhì)：繪制蝸殼的單線圖1）對于進口斷面斷面的面積斷面的半徑從軸中心線到蝸殼邊緣的半徑

2）對于中間任一斷面工作部件水輪機選擇習題課尾水管的作用

轉(zhuǎn)輪所獲得能量等于轉(zhuǎn)輪進出口之間的能量差：1.無尾水管時：

轉(zhuǎn)輪獲得能量：2.設尾水管時：根據(jù)2-2至5-5斷面能量方程：可得：設尾水管后，轉(zhuǎn)輪所獲得能量：水輪機多獲得的能量：

設置尾水管以后，在轉(zhuǎn)輪出口形成了壓力降低，出現(xiàn)了真空現(xiàn)象，真空由兩部分組成：靜力真空：H2(落差)，也稱為吸出高度Hs；動力真空(轉(zhuǎn)輪出口的部分動能)

3.尾水管的作用

(1)匯集轉(zhuǎn)輪出口水流，排往下游。

(2)當Hs>0時，利用靜力真空。

(3)利用動力真空Hd。尾水管斷面尺寸的擬定（1）直錐形尾水管的斷面尺寸尾水管進口直徑D3D3=D2+(0.5～1）cm圓錐角

=12～14尾水管長度

尾水管出口流速V5尾水管出口直徑D5尾水室的尺寸221

（2）彎肘形尾水管的斷面尺寸彎肘形尾水管（a）轉(zhuǎn)槳式水輪機彎曲形尾水管；（b）混流式水輪機彎曲形尾水管標準系列彎肘形尾水管主要尺寸尺寸類型h/D1D1hLB5D4h4h5h6L1應用范圍Z1Z3Z5Z5Z6Z6Z81.9152.3002.3002.5002.5002.7002.3001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.9152.3002.3002.5002.5002.7002.3003.5004.5004.5004.5004.5004.5003.5002.2002.3802.5002.5002.7402.7402.1701.1001.1701.2301.2301.3521.3521.0401.1001.1701.2301.2301.3521.3521.0401.0001.2001.2701.2501.3101.3100.9370.5500.5840.6170.6170.6700.6750.5101.4171.5001.5901.5901.7501.7501.410低比轉(zhuǎn)速軸流式ZZ440、ZZ360中比轉(zhuǎn)速軸流式ZZ440、ZZ560中比轉(zhuǎn)速混流式HL180、HL160中高比速軸流式ZZ560、ZZ600中高比速混流式HL230、HL310、HL240、HL220高比轉(zhuǎn)速軸流式ZZ600、ZZ560低比轉(zhuǎn)速混流式HL100、HL110

水斗式水輪機結(jié)構(gòu)圖

2.2水輪機的工作原理2.2.1水輪機的基本方程式1．水流在轉(zhuǎn)輪中的運動A相對運動：用表示B圓周運動：用表示

C絕對運動:用表示2.2水輪機的工作原理對于混流式水輪機，可以認為任一水流質(zhì)點在轉(zhuǎn)輪中的運動是沿著某一喇叭形的空間曲面(稱之為流面)而作的螺旋形曲線運動。流面即由某一流線繞主軸旋轉(zhuǎn)而成的回旋曲面。在整個轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)有無數(shù)個這樣的流面。流面上每一個進口點的速度

三角形是相同的；每一個出

口點的速度三角形也是相同

的。2．水輪機的基本方程式方程的實質(zhì)：由水流能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的平衡方程，方程左邊為轉(zhuǎn)換成的機械能。水流與葉片相互作用，使得水輪機做功。水流通過水輪機時，葉片迫使水流動量矩發(fā)生變化，而水流以反作用力作用在葉片上，從而使轉(zhuǎn)輪獲得力矩。水能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機械能的必要條件：水流在轉(zhuǎn)輪出口的能量小于進口處的能量，即轉(zhuǎn)輪的進口和出口必須存在速度矩的差值。

水輪機效率：1．水力損失和水力效率2．容積損失和容積效率3．機械損失和機械效率水輪機的輸出軸功率蝸殼、導葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管——沿程損失旋渦、脫流、撞擊——局部損失2.2.2水輪機的能量損失及效率一、水輪機的效率(efficiePcy)

水輪機的能量損失導致P<Ps，效率<1效率是由水力效率、流量效率、機械效率組成

1.水力損失(headloss)及水力效率蝸殼、導葉、轉(zhuǎn)輪、尾水管——沿程損失旋渦、脫流、撞擊——局部損失水輪機的水力效率為:2.流量損失及流量效率（容積效率）水流通過轉(zhuǎn)動部分與非轉(zhuǎn)動部分間隙直流入尾水管的流量為q，此部分流量不經(jīng)過轉(zhuǎn)輪作功，稱漏損。容積效率：3.機械損失和機械效率水輪機的輸入功率：Pe；輸出功率:P=Pe-ΔPm機械效率：ηm=P/Pe

水輪機的總效率

η=ηHηCηm提高效率的有效方法是減小水頭損失、流量損失、機械摩擦。η根據(jù)模型試驗得到。二、水輪機的最優(yōu)工況水輪機的最優(yōu)工況是指η最高的工況。一般情況下，對η起主要作用的是水力損失，流量損失和機械損失相對較小，且基本不變，在水力損失中撞擊和渦流損失最大。水輪機的最優(yōu)工況

無撞擊進口:當進口水流相對速度方向與轉(zhuǎn)輪葉片骨線方向一致最優(yōu)出流方向：水流出口方向離開轉(zhuǎn)輪后無旋轉(zhuǎn)并沿尾水管軸向流出時最優(yōu)工況：滿足上述兩條件工況下，水流轉(zhuǎn)輪進口無撞擊損失，出口無渦流損失，此時效率最高。2.2.3水輪機的空化、吸出高度與安裝高程1.水輪機的空化1.空化及空化壓力的概念水沸騰為汽化，汽化是由氣壓和水溫決定的。水在一定壓力下加溫引起的汽化為沸騰；環(huán)境溫度不變壓力降低引起的汽化叫空化。在給定溫度下，液體開始汽化的臨界壓力為該溫度下的空化壓力(Pb)(1)

空化破壞的機理由可知，當V↑→P↓,當P=Pb時，水開始汽化→汽泡(水蒸氣+空氣)→水中溶解的氣體向氣泡析出→氣泡體積迅速增大→進入高壓區(qū)→蒸氣變成水，汽泡體積減小，出現(xiàn)真空，汽泡外面的水流質(zhì)點在內(nèi)外壓差的作用下急速向汽泡中心壓縮、沖擊，在汽泡內(nèi)形成很大的微觀水錘壓力(可達幾百大氣壓)；1.水輪機的空化汽泡產(chǎn)生反作用力向外膨脹，壓力升高，水流質(zhì)點向外沖擊。大量汽泡連續(xù)不斷地產(chǎn)生與潰滅，水流質(zhì)點反復沖擊，使過流通道的金屬表面遭到嚴重破壞→機械破壞，稱為疲勞剝蝕。汽泡被壓縮，由于體積縮小，汽化破壞時水流質(zhì)點相互撞擊，引起局部溫度升高(可達到300℃)，汽泡的氧原子與金屬發(fā)生化學反應，造成腐蝕；同時由于溫度升高，產(chǎn)生電解作用→化學腐蝕。(2)水輪機空蝕定義

汽泡在潰滅過程中，由于汽泡中心壓力發(fā)生周期性變化，使周圍的水流質(zhì)點發(fā)生巨大的反復沖擊，對水輪機過流金屬表面產(chǎn)生機械剝蝕和化學腐蝕破壞的現(xiàn)象，稱水輪機的空蝕。

隔河巖1號水輪機轉(zhuǎn)輪空化使過流部件機械強度降低，嚴重時整個部件受到破壞。增加過流部件的糙率，水頭損失加大，效率降低，流量減小，出力下降。機組產(chǎn)生振動，嚴重時造成廠房振動破壞。縮短了機組檢修的周期，增加了檢修的復雜性。消耗鋼材、延長工期。3.空蝕造成的危害二、水輪機空化類型翼形(葉片)空化：轉(zhuǎn)輪葉片背面出口處產(chǎn)生的空化，與葉片形狀、工況有關(guān)。是反擊式水輪機的主要空化形式。間隙空化：當水流通過間隙和較小的通道時，局部流速增大，壓力降低而產(chǎn)生的空化?？涨豢栈涸诜亲顑?yōu)工況時，水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對稱真空渦帶，引起尾水管中水流速度和壓力的脈動，在尾水管進口處產(chǎn)生空化破壞，還可能造成尾水管振動。局部空化：在過流部件凹凸不平因脫流而產(chǎn)生的空化。水輪機空化的類型根據(jù)空化產(chǎn)生的部位不同，一般把水輪機的空化分為：

A翼型空化：B間隙空化：

C空腔空化：D局部空化：尾水管內(nèi)的真空渦帶尾水管內(nèi)的真空渦帶三、防止空化的措施

流速和壓力是產(chǎn)生空化最重要的兩個原因，因此要控制流速和壓力的急劇變化。

1.設計制造方面：合理選型，葉型流線設計，表面光滑，抗空化鋼襯(不銹鋼)。

2.工程措施：合理選擇安裝高程，采取防沙、排沙措施，防止有害泥沙進入水輪機。

3.運行方面：避開低負荷、低水頭運行，合理調(diào)度，必要時向尾水管補氣。2．水輪機的空化系數(shù)與吸出高度(1)、水輪機的空化系數(shù)反擊式水輪機發(fā)生空化破壞的根本原因是過流通道中出現(xiàn)了p<pb的情況，因此防止空化的措施是限制p的降低，使p≥pb。影響水輪機效率的主要原因是翼型空化，所以衡量水輪機空化性能好壞一般是針對翼型空化而言，其標志為空化系數(shù)?？栈禂?shù)б是水輪機空化特征的一個標志，б越大，越容易破壞。通過研究葉片上的壓力分布情況，得到葉片上壓力最低點(一般為葉片背面靠近轉(zhuǎn)輪葉片出口處)K點的壓力為(列K點和2點、2點和下游水面的能量方程)：K點的真空值Hk.v：為尾水管動能恢復系數(shù)。靜力真空Hs是吸出高度，取決于水輪機的安裝高程，與水輪機的性能無關(guān)；動力真空hk與轉(zhuǎn)輪葉型、水輪機工況、尾水管性能有關(guān)，因此表明水輪機空化性能的只是動力真空：

б稱水輪機的空化系數(shù)，是動力真空的相對值。б與葉型、工況有關(guān)б與尾水管的性能有關(guān)，ηw↑→б↑，汽蝕性能差。幾何形狀相似的水輪機，工況相似，б相同；對任一水輪機在既定工況下，б也是定值。б值影響因素復雜，理論難以確定，廣泛使用的方法是進行水輪機模型試驗得出бm,并認為б=бm。二、水輪機的吸出高度

為了防止空化，必須限制k點的壓力，使pk≥pB

保證水輪機內(nèi)不發(fā)生汽蝕的條件：

pk≥pB

Pa/γ=10.33

PB/γ=0.09~0.24水輪機吸出高度Hs是轉(zhuǎn)輪葉片壓力最低點到下游水面的垂直高度Zk，與水輪機形式有關(guān)，規(guī)定如下：

(1)立軸混流式水輪機：導葉下部底環(huán)平面到下游尾水面垂直高度。

(2)立軸軸流式水輪機：轉(zhuǎn)輪葉片中心線到下游尾水面垂直高度。

(3)臥軸貫流式水輪機：

葉片出口最高點到下游尾水面垂直高度。

(4)設計尾水位高于上述高程Hs為負，反之為正。

(5)為保證水輪機在運行中不發(fā)生空化，對各種工況下Hs進行試驗，取其中較小值。三、水輪機的安裝高程

1.立軸HL：導葉中心平面高程

Za=Zw+Hs+b0/22.立軸ZL：導葉中心平面高程

Za=Zw+Hs+kD1

(k=0.38~0.48)

3.臥軸HL和GL：軸中心高程

Za=Zw+Hs-D1/2

注：Zw

：水電站設計尾水位,選用水電站最低尾水

位（1~2臺機組時取一臺機組50%額定流量，3~4臺機組時取一臺機組額定流量）

b0

：水輪機導葉高度；D1

：轉(zhuǎn)輪直徑2．水輪機的空化系數(shù)與吸出高度（1）水輪機的空化系數(shù)K點和下游尾水渠d點流線的能量方程

空化系數(shù)：（2）水輪機的裝置空化系數(shù)產(chǎn)生空化的臨界條件：pK=pVa時，σZ=σ不產(chǎn)生翼型空化：pK＞pVa時，σZ＞σ產(chǎn)生翼型空化：pK＜pVa時，σZ＜σ（3）水輪機吸出高度吸出高度是指在水輪機中所規(guī)定的空化基準面與尾水位的高差，常用Hs表示

不產(chǎn)生空化的吸出高度為:σ越大，則越小，條件式越容易滿足，空化越不容易發(fā)生，Hs越小氣蝕越小σ越小，則越大，條件式越難滿足，空化越容易發(fā)生，Hs越大氣蝕越大Δσ――空化系數(shù)修正值，由下圖查得吸出高度有正、負之分不同類型壓力最低點確定1）立軸軸流式水輪機：2）立軸混流式水輪機：3）立軸斜流式水輪機：4）臥軸混流式、貫流式水輪機：3．水輪機的安裝高程

水輪機的標高所在的海拔高程

（1）立軸混流式水輪機

（2）立軸軸流式和斜流式水輪機（3）臥軸反擊式水輪機（4）立軸水斗式水輪機（5）臥軸水斗式水輪機設計尾水位：確定水輪機安裝高程的尾水位，應選擇水電站的最低尾水位?？砂聪卤磉x用。

電站裝機臺數(shù)1臺或2臺3臺或4臺5臺以上水輪機過流量1臺機50％的額定流量1臺機的額定流量1.5～2臺機的額定流量例題某電站下游水位-流量關(guān)系如下表Z（m）278.5279279.5280280.5281282Q（m3/s）0.50.570.610.660.70.730.76安裝2臺HL240-lJ-60型水輪機，單機Hr=32m，Qr=1.22m3/s，σM=0.2下游平均水位280m，試求該水輪機的吸出高度和安裝高程。1、反擊式水輪機的主要組成部件：

(1)進水(引水)部件（蝸殼）：使水流均勻、旋轉(zhuǎn)，以最小水頭損失送入轉(zhuǎn)輪室。

(2)導水機構(gòu)（導葉及控制設備)：控制工況。

(3)轉(zhuǎn)輪（工作核心)：能量轉(zhuǎn)換，決定水輪機的尺寸、性能、結(jié)構(gòu)。

(4)泄水部件（尾水管）：回收能量、排水至下游。2、沖擊式水輪機的主要組成部件：噴管，轉(zhuǎn)輪，折流器，機殼，射流制動器等組成。

二、水輪機的基本構(gòu)造(一)、混流式水輪機基本構(gòu)造水流—蝸殼—座環(huán)—導葉—轉(zhuǎn)輪—尾水管—下游蝸殼：其作用是使水流產(chǎn)生圓周運動，并引導水流均勻地、軸對稱地進入水輪機。三門峽水電站水輪機蝸殼蝸殼組裝座環(huán)位于導水葉的外圍。由上、下環(huán)和立柱組成。作用：是水輪機的骨架，承受機墩及傳來的荷載，并傳到下部基礎(chǔ)；支承活動導葉；故必須有足夠的強度和剛度。斷面設計：流線形，保證強度、剛度。數(shù)目為活動導葉的一半。導水機構(gòu)導水機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖作用：根據(jù)機組負荷變化，調(diào)節(jié)水輪機流量，改變出力引導水流按切向進入轉(zhuǎn)輪，形成速度矩；組成：導水葉及其軸、接力器。

導水葉：導水機構(gòu)的主體，上下端分別固定在底環(huán)和頂蓋上，為流線形。也稱為活動導葉。

作用：改變導葉開度以改變流量。導葉轉(zhuǎn)動是通過調(diào)速成器和接力器來實現(xiàn)的。

導葉參數(shù)：導葉數(shù)、高度、開度。導水機構(gòu)接力器接力器用于操作控制環(huán)的轉(zhuǎn)動接力器示意圖導葉的主要幾何參數(shù)(1)導葉數(shù)Z0：與D1有關(guān)。D1

=1.0~2.25m時，Z0=16；D1

=2.5~8.5m時，Z0

=24。(2)導葉相對高度b0/D1：HL：0.1~0.39;ZL：0.35~0.45(3)導葉轉(zhuǎn)動軸分布圓直徑D0，應滿足導葉在最大可能開度時不碰到固定導葉和轉(zhuǎn)輪。一般取D0=1.13~1.16D1(4)導葉開度a0：兩導葉之間的垂直距離，最大開度為amax。導葉的開度轉(zhuǎn)輪水能旋轉(zhuǎn)機械能組成：軸、上冠、葉片、下環(huán)、止漏環(huán)、泄水錐混流式水輪機轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪的組成在法蘭盤四周開有幾個減壓孔，以便將經(jīng)過上冠外緣滲入冠體上側(cè)的積水排入尾水管。大型機組在與上冠連接的主軸端常裝有補氣裝置，以便向泄水錐下側(cè)的水流低壓區(qū)補氣。泄水錐的作用是引導徑向水流平順地過渡成軸向流動，以消除徑向水流的撞擊及漩渦。轉(zhuǎn)輪的組成轉(zhuǎn)輪葉片是扭曲面體，其進水邊扭曲度較小，而出水邊扭曲度較大，其斷面形狀為翼形。葉片的數(shù)目通常在12-21片之間。止漏環(huán)也稱為迷宮環(huán)。在轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的外緣處均安裝著止漏環(huán)的轉(zhuǎn)動部分，它與相對應的固定部分之間形成一系列忽大忽小的空間或迷宮狀的直角轉(zhuǎn)彎，以增長滲徑，加大阻力，從而減小滲漏損失。尾水管作用：引導水流進入下游河道，并回收部分動能和勢能。

龍灘水電站尾水管施工(二)、軸流式水輪機的構(gòu)造(1)轉(zhuǎn)速高，當H，P相同時，轉(zhuǎn)速是混流式水輪機的2倍，尺寸較小。(2)軸流轉(zhuǎn)漿式多用于低水頭大流量的大型電站，其轉(zhuǎn)輪葉片可以轉(zhuǎn)動（雙調(diào)節(jié)），H、P變化時，水輪機具有較高的效率。1.軸流式水輪機特點2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造軸流式水輪機除轉(zhuǎn)輪外，其它部件與混流式相似組成：葉片、輪轂、主軸、泄水錐、轉(zhuǎn)動機構(gòu)葉片：表面為曲面，斷面為翼形，根部厚，邊緣薄，以承受水流作用的摶矩。葉片數(shù)目：與H大小有關(guān)，一般為4~8片；葉片轉(zhuǎn)角Φ：最優(yōu)工況時Φ=0°，Φ>0，葉片開始啟動，Φ<0向關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動。

-15°->Φ<+20°輪轂：外部連接葉片，內(nèi)部安裝轉(zhuǎn)動機構(gòu)。轉(zhuǎn)動機構(gòu)：安裝在輪轂內(nèi)，由調(diào)速器控制，調(diào)整導葉角度。2.轉(zhuǎn)輪構(gòu)造葉片轉(zhuǎn)動操作機構(gòu)(三)、斜流式水輪機構(gòu)造斜流式水輪機構(gòu)造主要部件：座環(huán)、轉(zhuǎn)輪及其葉片、導水機構(gòu)、尾水管、主軸、導軸承等。與軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機不同之處：葉片轉(zhuǎn)動軸線與主軸成45°~60°的夾角。毛家村電站的運行證明，斜流式水輪機可以在比較寬闊的負荷范圍內(nèi)保持較高的平均效率，但其缺點也很突出，如結(jié)構(gòu)復雜，可靠性較低，容易漏油，造成污染，在吸出高度Hs=-8m條件下運行，其空化現(xiàn)象仍比較嚴重。由于斜流水輪機無顯著特點，在設計中很少采用。(四)、燈泡貫流式水輪機實際上是臥軸安裝的軸流式水輪機，發(fā)電機安裝在燈泡體內(nèi)。燈泡貫流式水輪機我國開發(fā)采用燈泡貫流式水輪機的時間相對較晚，近年來燈泡貫流式水輪機的導葉都采用了重錘式關(guān)閉機構(gòu)來防飛逸，從而可節(jié)約引水系統(tǒng)的快速閘門。目前采用的燈泡貫流式水輪機使用水頭高達27.3m，轉(zhuǎn)輪直徑7.5m，單機容量達48MW。廣東飛來峽(4×35MW)、寧夏沙坡頭(4×30MW)、甘肅炳靈(5×48MW)等電站，均為燈泡貫流機組。當水頭較低而機組容量又較大時，若水輪機與發(fā)電機的主軸直接聯(lián)接，則發(fā)電