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第三章 水轮机工作原理

本章教学要求：

1． 了解水流在反击式水轮机中的运动规律；

2． 熟练掌握水轮机的速度三角形及其作用；

3． 熟练掌握水轮机的基本方程极其意义；

4． 掌握水轮机效率的定义；

5． 掌握水轮机在最优工况、非最优工况下的运行特点。

第一节 水流在反击式水轮机转轮中的运动

一、蜗壳中的水流运动

反击式水轮机蜗壳的主要作用是以最小的水力损失把水流引向转轮前的导水机构，并使水流能均匀而轴对称地进入导水机构，同时，让水流具有一定的速度环量，以提高作用于工作轮上的有效水能及转轮的运行稳定性。蜗壳的水力设计就是以完成蜗壳的上述任务为前提。而蜗壳中的水流运动规律又取决于蜗壳的内壁轮廊线，故蜗壳内壁轮廓线的形状控制了蜗壳内的水流运动规律。

关于蜗壳中的水流运动规律，一般认为有两种形式。根据设计者的意图，设计出来的蜗壳形状也稍有不同。这两种规律是：

1．蜗壳断面的平均速度周向分量Vu均为常数的规律

Vu均 0 常数 （3-1） 式中0为蜗壳进口断面的水流速度。

2． 蜗壳中水流按等速度矩规律运动。即位于蜗壳内任一点水流速度的切向分量Vu与该点距水轮机轴线的半径r的乘积不变。

Vu r 常数 C （3-2）

式中 Vu——某一点水流速度的圆周分量，见图3-1所示；

r——研究点距水轮机轴线的半径。

图3-1 蜗壳中的水流运动

实践证明，水轮机按“等速度矩规律”设计的蜗壳性能较好。“等速度矩”规律对蜗壳中的水流运动作如下假设：

1．忽略水流粘性及与管壁的磨擦损失。

2．蜗壳内壁是光滑的，认为蜗壳中的水流运动是无旋流动。

3．蜗壳中的水流运动是以水轮机轴为对称的运动。即蜗壳内水流速度V，压力P等运动要素有： V P 0, 0。

因此，蜗壳内的水流运动为理想液体作轴对称流动。

由式3-2可知，蜗壳中距水轮机轴线半径相同的各点，其水流切向速度Vu相等；蜗壳中距水轮机轴线半径不同的点，其切向速度Vu与半径r成反比。

蜗壳中各断面所通过流量变化规律。为了提高机组的运行稳定性，使蜗壳中的水流能均匀地，轴对称地进入导水机械及转轮，要求通过蜗壳各断面的流量均匀地减小。 设通过水轮机的全部流量为Q，则通过蜗壳任一断面的流量Qi，为：