水電站作業(yè)答案及評分標(biāo)準(zhǔn)

1、第一次作業(yè)1. 論述水輪機(jī)的基本類型和分類方法(1) 實(shí)際水流利用條件千差萬別，各種形式的水輪機(jī)可以最大限度的利用水能。 1(2) 水輪機(jī)可按能量利用特征、水流特征、轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特征分類。 1(3) 水輪機(jī)的主要類型可以歸納如下： 4(4) 水輪機(jī)按能量轉(zhuǎn)換特征分為兩類，為反擊式和沖擊式:反擊式水輪機(jī)既利用水流的動(dòng)能也利用水流的勢能；沖擊式水輪機(jī)只利用水流的動(dòng)能。 a.反擊式水輪機(jī)按轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流相對于主軸流動(dòng)方向的不同可分為:混流式（水流輻向進(jìn)，軸向出）;軸流式（水流軸向進(jìn)，軸向出）;斜流式（水流沿著與主軸成某一角度的方向流動(dòng)）;貫流式（機(jī)組在流道中間，周圍過水）。其中:軸流式水輪機(jī)根據(jù)其轉(zhuǎn)輪葉片

2、在運(yùn)行中能否轉(zhuǎn)動(dòng)，可分為:軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式.貫流式水輪機(jī)根據(jù)其發(fā)電機(jī)裝置形式的不同，可分為:全貫流式和半貫流式。b.沖擊式水輪機(jī)按射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式不同可分為:水斗式、斜擊式和雙擊式三種。 2(5) 各種水輪機(jī)的適用水頭不一樣。水斗式水輪機(jī)的適用水頭約為3001700m，混流式水輪機(jī)約為20700m，軸流式水輪機(jī)約為380m，斜流式水輪機(jī)約為40200m，貫流式水輪機(jī)約為125m。 22. 繪出混流式水輪機(jī)的示意圖（沿主軸剖面圖及沿蝸殼中心線平面圖，圖中應(yīng)標(biāo)明其主要部件的名稱）。 圖1 混流式水輪機(jī)沿主軸剖面圖 6 圖2 混流式水輪機(jī)沿蝸殼中心線平面圖 43.比較混流式、軸流式和水斗式水

3、輪機(jī)各主要部件的特征.評分標(biāo)準(zhǔn)： 本題中前四種部件是主要方面，學(xué)生作答只要涵蓋參考答案基本內(nèi)容即可得分，不要求完全一致。水輪機(jī)型號部件名稱混流式軸流式水斗式轉(zhuǎn)輪構(gòu)造特征（占5分，每小點(diǎn)1分。錯(cuò)答不答扣1分，扣完為止）1. 轉(zhuǎn)輪由上冠、葉片、下環(huán)、止漏環(huán)、和泄水錐這五個(gè)部分組成2. 轉(zhuǎn)輪葉片沿圓周均勻分布的固定于上冠和下環(huán)之間的若干個(gè)扭曲面體，斷面形狀為翼形1. 轉(zhuǎn)輪葉片是沿輪轂四周徑向均勻分布的略有扭曲的翼形曲面體，其內(nèi)側(cè)弧線短，曲度和厚度較大，外側(cè)弧線長較薄而平整。2. 定槳式轉(zhuǎn)輪的葉片固定在輪轂上，轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的葉片用球面法蘭與輪轂連接1.由輪盤及沿輪盤圓周均勻分布的斗勺形輪葉（即水斗）組成

4、。輪葉的正面由兩個(gè)半勺形的內(nèi)表面和略帶斜向的出水邊組成，中間由分水刃分開，射流束的中線與分水刃重合。進(jìn)水部件構(gòu)造特征（占1分，每小點(diǎn)0.5分。錯(cuò)答不答扣0.5分，扣完為止）多采用金屬蝸殼，蝸殼包角一般為多采用混凝土蝸殼，蝸殼包角一般為高壓水流通過壓力鋼管經(jīng)噴嘴形成高速射流調(diào)節(jié)流量機(jī)構(gòu)構(gòu)造特征（占2分，每小點(diǎn)0.5分。錯(cuò)答不答扣0.5分，扣完為止）1.通過導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)2.導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由導(dǎo)葉及其操作機(jī)構(gòu)組成通過調(diào)速器調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)與導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)節(jié)流量達(dá)到最優(yōu)工況1. 通過噴嘴和噴針構(gòu)成的針閥來實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)2. 噴嘴前裝有折流板，用來防止突棄負(fù)荷時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)輪飛逸3. 機(jī)殼內(nèi)右下側(cè)設(shè)置了導(dǎo)流板，防止水

5、流隨轉(zhuǎn)輪飛濺到轉(zhuǎn)輪上方或輪葉背面造成附加損失泄水部件構(gòu)造特征（占1分，每小點(diǎn)0.5分。錯(cuò)答不答扣0.5分，扣完為止）由泄水錐和尾水管完成泄水由泄水錐和尾水管完成泄水1. 通過尾水槽泄水、2. 機(jī)殼使作完功的水流流暢地排至下游其它（占1分，只要內(nèi)容不錯(cuò)即可得分，錯(cuò)答不答扣0.5分，扣完為止）通過座環(huán)傳力主要由外圍混凝土支撐機(jī)殼內(nèi)壓力與大氣壓相當(dāng)。機(jī)殼也用來支撐水輪機(jī)軸承。第二次作業(yè)1. 試分析尾水管的工作原理，推導(dǎo)尾水管回收的能量表達(dá)式。 圖1 無尾水管 圖2 有尾水管如圖1所示對于無尾水管的情況： 1-1斷面單位水能 （1-1） 0.5 2-2斷面單位水能 （1-2） 0.5將式1-2代入1-

6、1可得無尾水管水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪從水中所獲得的單位能量為： （1-3） 1如圖2所示對于有尾水管的情況： 2-2斷面單位水能 （1-4） 0.5由2-2斷面至5-5斷面的伯努力方程 （1-5） 0.5從而可得 （1-6） 0.5則裝設(shè)尾水管水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪從水中所獲得的單位能量為 (1-7) 1于是可得尾水管所回收的轉(zhuǎn)輪出口余能 (1-8) 1 比較式1-6和式1-8可得 (1-9) 0.5由式1-9可知，尾水管回收轉(zhuǎn)輪出口水能的途徑是（工作原理）：(1) 使轉(zhuǎn)輪出口斷面壓力降低，形成真空。1(2) 回收轉(zhuǎn)輪出口的能量，增大轉(zhuǎn)輪的利用水頭。1(3) 以動(dòng)力真空的形式回收轉(zhuǎn)輪出口大部分動(dòng)能，以靜力真空形式回收

7、轉(zhuǎn)輪出口高于下游水面的位能。1評分標(biāo)準(zhǔn)：本題重在考察學(xué)生對尾水管工作機(jī)理及相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的認(rèn)識與理解，要求完整的推導(dǎo)和簡潔清晰的描述。本題滿分10分，分3項(xiàng)給分：1. 9式中除1-3、1-7和1-8為每式1分，其余每式0.5分；2. 推導(dǎo)過程描述清晰，邏輯合理給1分；3. 尾水管工作原理基本內(nèi)容有三點(diǎn)，每點(diǎn)1分，錯(cuò)答不答不給分。2.論述氣蝕的成因、類型和防護(hù)措施。答：(1)成因：局部壓力小于氣化壓力。低壓區(qū)產(chǎn)生氣泡，高壓區(qū)氣泡潰滅，高速射流反復(fù)沖擊，使金屬表面產(chǎn)生疲勞剝蝕破壞 2(2)類型：氣蝕的基本類型有翼形氣蝕、間隙氣蝕、局部氣蝕和空腔氣蝕。翼形氣蝕：一般發(fā)生在葉片背面（主要的氣蝕類型，對水

8、輪機(jī)影響最大）；間隙氣蝕：水流通過某些間隙或小通道時(shí)，局部速度升高而壓力降低所產(chǎn)生的氣蝕；局部氣蝕：過流表面某些地方凸凹不平因脫流而產(chǎn)生的氣蝕；空腔氣蝕：偏離最優(yōu)工況時(shí)，在轉(zhuǎn)輪出口、尾水管進(jìn)口處由于圓周分量引起的一種非軸對稱的真空渦帶； 4(3)防護(hù)措施：水輪機(jī)氣蝕的防護(hù)可從水輪機(jī)制造、運(yùn)行維護(hù)、工程措施等方面著手。設(shè)計(jì)制造：采用合理的翼型以盡可能使葉片背面壓力分布均勻，并縮小低壓區(qū)范圍。運(yùn)行維護(hù)：擬定合理的水電站運(yùn)行方式，盡可能避免在氣蝕嚴(yán)重的工況區(qū)運(yùn)行。工程措施：選擇合理的水輪機(jī)安裝高程，確保葉道內(nèi)最低壓力不低于氣化壓力。 4評分標(biāo)準(zhǔn)：第一問2分，余下兩問各4分，只有標(biāo)題而無闡述得一半分。

9、3.說明水輪機(jī)允許吸出高的影響因素，以及不同機(jī)組安裝高程的確定方法。 答：1、影響因素： (3-1 ) 式中: 指水輪機(jī)安裝位置的大氣壓；指氣化壓力，其值與通過水輪機(jī)的水流的溫度和水質(zhì)有關(guān)；：水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行的氣蝕參數(shù)， 實(shí)際應(yīng)用時(shí)常寫為： (3-2)或 (3-3)式中 :是水輪安裝位置的海拔高程，在初始計(jì)算時(shí)可取為下游平均水位的海拔高程；是模型氣蝕參數(shù)，各種工況的值可從該型號水輪機(jī)的模型綜合特性曲線中查取；是氣蝕系數(shù)的修正值，可根據(jù)設(shè)計(jì)水頭由圖查?。皇菤馕g系數(shù)的安全系數(shù)，一般可取=1.11.35；指水輪機(jī)水頭，一般可取為設(shè)計(jì)水頭。 42、不同機(jī)組安裝高程的確定方法： 立軸混流式：安裝高程為導(dǎo)葉

10、中心線位置， (3-4)是設(shè)計(jì)尾水位，m；是導(dǎo)葉高度，m； 立軸軸流式：安裝高程為導(dǎo)葉中心線位置， (3-5)是轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑，m；x是軸流式水輪機(jī)的高度系數(shù)，m；臥軸反擊式水輪機(jī)：安裝高程為主軸中心線位置， (3-6)水斗式水輪機(jī)：立軸：安裝高程為噴嘴中心線位置， (3-7)臥軸：安裝高程為主軸中心線位置， (3-8)是最高尾水位，m。 6（評分標(biāo)準(zhǔn)：第一問4分，第二問6分，公式錯(cuò)誤和解釋不詳細(xì)酌情扣分。）1、分析機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉工況，或機(jī)組增負(fù)荷導(dǎo)葉開啟工況，在設(shè)上下游調(diào)壓室的引水系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生哪些水利過渡過程，相應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程如何？（請配合示意圖說明）答：機(jī)組甩負(fù)荷后會(huì)發(fā)生多種過渡過程

11、。機(jī)組甩負(fù)荷后會(huì)發(fā)生：導(dǎo)葉關(guān)閉、機(jī)組流量減小到0、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升、蝸殼壓力上升、尾水管壓力下降、上游調(diào)壓室水位上升、下游調(diào)壓室水位下降等現(xiàn)象。 （3）過渡過程:由一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的中間的非恒定過程水力過渡過程：1. 壓力管道水錘壓力變化過程2. 尾水管水錘壓力變化過程3. 調(diào)壓室水位變化過程 （4）機(jī)械過渡過程：1. 機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過程2. 調(diào)速器動(dòng)作過程（各示意圖按順序如下排列） （4）（評分規(guī)則：第一問在機(jī)組增負(fù)荷導(dǎo)葉開啟工況下，其發(fā)生的現(xiàn)象與之相反，只需答一種工況下即可，6個(gè)圖，每個(gè)1分，）2、試推倒簡單管閥門在某開度下的水錘反射系數(shù)，并簡要說明閥門反射系數(shù)對間接水錘類型的影響。

12、答：水錘的反射系數(shù)：反射波與入射波的比值：基本方程：式中，和分別表示沿正負(fù)方向傳播的壓力波。對于水斗式水輪機(jī)，其噴嘴的出流規(guī)律為：，當(dāng)時(shí)，可近似地取 。在入射波未到達(dá)的時(shí)刻，。代入得：依據(jù)基本方程得： （10）間接水錘共分為兩類：第一相水錘，極限水錘。1. 第一相水錘： 根據(jù)閥門的反射系數(shù)公式，當(dāng)時(shí)，為正，水錘波在閥門處的反射是不變號的。2. 極限水錘：根據(jù)閥門的反射系數(shù)公式，當(dāng)時(shí)，為負(fù)，水錘波在閥門處的反射是變號的。 （4）（評分規(guī)則： 第一問推導(dǎo)過程需完整，不完整者酌情扣分）3、請論述解決調(diào)保矛盾的主要措施及適用條件。答：解決調(diào)保矛盾的措施：調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)先，工程措施最后 （2）措施一：優(yōu)化導(dǎo)

13、葉調(diào)節(jié)規(guī)律（折線規(guī)律）。高水頭電站，導(dǎo)葉先慢后快關(guān)閉，對減小水錘有利，對機(jī)組轉(zhuǎn)速上升不利；低水頭電站，導(dǎo)葉先快后慢關(guān)閉，對減小水錘有利，同時(shí)對減小機(jī)組轉(zhuǎn)速上升有利；通常保證轉(zhuǎn)速上升率略小于規(guī)范要求的前提下，盡量延長導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間以減小水錘。 （4）措施二：適當(dāng)增大機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2。GD2增大可減小轉(zhuǎn)速上升，從而為延長導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間以減小水錘創(chuàng)造條件；（3）措施三：改變管道長度和尺寸?？赡艿那闆r下盡量減小管道長度；在經(jīng)濟(jì)效益允許情況下，適當(dāng)加大管徑以減小流速； （3）措施四：采用壓力管道分流速措施。小型水電站設(shè)減壓閥或爆破膜；（3）措施五：設(shè)置調(diào)壓室。大中型設(shè)調(diào)壓室，以減小壓力管道長度。 （3）（

14、評分規(guī)則：措施不完整者按條扣分，解答不詳細(xì)者扣一半分）1. 簡述調(diào)壓室的功用、工作原理，以及上下游調(diào)壓室設(shè)置條件的不同之處。15a.調(diào)壓室的功用可以歸納為以下三點(diǎn)：（1）利用擴(kuò)大的斷面和自由水面反射水錘波，基本上避免壓力管道中的水錘波進(jìn)入引水道。2（2）將引水系統(tǒng)分成引水隧洞和壓力管道，縮短了壓力管道的長度，從而減小壓力管道和廠房過流部分的水錘壓力。2（3）改善機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行條件和系統(tǒng)供電質(zhì)量。1b.調(diào)壓室的工作原理： 當(dāng)電站丟棄全負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)引用流量變?yōu)榱?，壓力管道的水流?jīng)過一個(gè)短暫的時(shí)間后就停止流動(dòng)。引水道中水流由于慣性作用繼續(xù)流向調(diào)壓室，引起調(diào)壓室水位上升，使引水道兩端水位差隨

15、之減小，因而其中流速也逐漸減慢。水位繼續(xù)升高直至引水道流速減為零，此時(shí)調(diào)壓室水位達(dá)到最高點(diǎn)。由于調(diào)壓室和水庫的水位差作用，水流開始倒流，調(diào)壓室水位開始下降，直至引水道流速減為零。水體如此往復(fù)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)換。由于存在阻力，水體能量被逐漸消耗，因此波動(dòng)逐漸衰減，最后調(diào)壓室水位穩(wěn)定在水庫水位。3當(dāng)水電站增加負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)引用流量加大，引水道中的水流由于慣性作用不能立即滿足負(fù)荷變化的需要。水流流出調(diào)壓室，調(diào)壓室水位下降，室?guī)扉g形成新的水位差使引水道水流加速流向調(diào)壓室。當(dāng)調(diào)壓室中水位達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，引水道流量等于水輪機(jī)流量。由于室?guī)鞙p水位差較大，引水道流量繼續(xù)增加，因而調(diào)壓室水位又開始回升，直

16、至達(dá)到最高點(diǎn)。調(diào)壓室水位上下波動(dòng)，由于能量的消耗，波動(dòng)逐漸衰減，最后達(dá)到穩(wěn)定水位。3c.上游調(diào)壓室設(shè)置條件是由與水錘相對升壓成正比的壓力水道水流慣性時(shí)間常數(shù)決定。式中和分別為壓力管道長度和平均流速；為設(shè)計(jì)水頭。2下游調(diào)壓室的設(shè)置條件是以尾水管內(nèi)不產(chǎn)生液柱分離為前提（即尾水管進(jìn)口處最大真空度不超過8m）。式中為尾水道長度；為導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間；為恒定運(yùn)行時(shí)尾水道中的平均流速；為尾水管進(jìn)口流速；為水輪機(jī)安裝高程；水輪機(jī)吸出高度。22. 簡述并繪圖表達(dá)上游調(diào)壓室（或下游調(diào)壓室）的最大涌波過程線、最小涌波過程線。（注意工況和水位的選?。?5上游調(diào)壓室的最大涌波過程線對應(yīng)甩全負(fù)荷工況，調(diào)壓室初始水位比庫水位低

17、（引水道水頭損失值），終了水位與庫水位齊平。1電站丟棄全負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)引用流量變?yōu)榱?，壓力管道的水流?jīng)過一個(gè)短暫的時(shí)間后就停止流動(dòng)。引水道中水流由于慣性作用繼續(xù)流向調(diào)壓室，引起調(diào)壓室水位上升，使引水道兩端水位差隨之減小，因而其中流速也逐漸減慢。水位繼續(xù)升高直至引水道流速減為零，此時(shí)調(diào)壓室水位達(dá)到最高點(diǎn)。由于調(diào)壓室和水庫的水位差作用，水流開始倒流，調(diào)壓室水位開始下降，直至引水道流速減為零。水體如此往復(fù)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)換。由于存在阻力，水體能量被逐漸消耗，因此波動(dòng)逐漸衰減，最后調(diào)壓室水位穩(wěn)定在水庫水位。1.5如下圖所示。5上游調(diào)壓室的最小涌波過程線對應(yīng)增負(fù)荷工況，調(diào)壓室初始水位與庫水位齊平

18、或略低（空載流量），終了水位比庫水位低。1當(dāng)水電站增加負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)引用流量加大，引水道中的水流由于慣性作用不能立即滿足負(fù)荷變化的需要。水流流出調(diào)壓室，調(diào)壓室水位下降，室?guī)扉g形成新的水位差使引水道水流加速流向調(diào)壓室。當(dāng)調(diào)壓室中水位達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，引水道流量等于水輪機(jī)流量。由于室?guī)鞙p水位差較大，引水道流量繼續(xù)增加，因而調(diào)壓室水位又開始回升，直至達(dá)到最高點(diǎn)。調(diào)壓室水位上下波動(dòng)，由于能量的消耗，波動(dòng)逐漸衰減，最后達(dá)到穩(wěn)定水位。1.5如下圖所示。53. 請分別推導(dǎo)上游調(diào)壓室和下游調(diào)壓室的基本方程。（注意預(yù)先定義參數(shù)方向）20a. 上游調(diào)壓室基本方程推導(dǎo)8.5 1.5以上游庫水位為基準(zhǔn)的調(diào)壓室水位向下為正

19、，引水道流速以流向調(diào)壓室為正。1根據(jù)水流連續(xù)性定理，水輪機(jī)在任何時(shí)刻所需要的流量由兩部分組成：引水道流量和調(diào)壓室流出的流量。由此得水流的連續(xù)方程式中 引水道斷面積和流速；調(diào)壓室斷面積；調(diào)壓室水位離開上游靜水位的距離；水輪機(jī)引用流量。 2在引水道內(nèi)為非恒定流的情況下，如果不考慮引水道和水的彈性變形及調(diào)壓室中的水體慣性，根據(jù)牛頓第二定律，引水道中水體質(zhì)量與其加速度的乘積等于該水體所受的力，即由此得出水流的動(dòng)力方程式中 引水道長度；引水道水頭損失； 2調(diào)壓室的微小水位波動(dòng)將引起水輪機(jī)水頭的變化，從而引起水輪機(jī)出力的變化，而機(jī)組的負(fù)荷不變，因此調(diào)速器必須隨著水頭的變化相應(yīng)地改變水輪機(jī)的流量，以適應(yīng)負(fù)荷不變的要求。如調(diào)壓室水位發(fā)生一微小變化