《水电站》作业答案及评分标准

第一次作业1.论述水轮机的基本类型和分类方法(1)实际水流利用条件千差万别，各种形式的水轮机可以最大限度的利用水能。1′(2)水轮机可按能量利用特征、水流特征、转轮结构特征分类。1′(3)水轮机的主要类型可以归纳如下：4′(4)水轮机按能量转换特征分为两类，为反击式和冲击式:反击式水轮机既利用水流的动能也利用水流的势能；冲击式水轮机只利用水流的动能。a.反击式水轮机按转轮区内水流相对于主轴流动方向的不同可分为:混流式（水流辐向进，轴向出）;轴流式（水流轴向进，轴向出）;斜流式（水流沿着与主轴成某一角度的方向流动）;贯流式（机组在流道中间，周围过水）。其中:轴流式水轮机根据其转轮叶片在运行中能否转动，可分为:轴流定桨式和轴流转桨式.贯流式水轮机根据其发电机装置形式的不同，可分为:全贯流式和半贯流式。b.冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同可分为:水斗式、斜击式和双击式三种。2′(5)各种水轮机的适用水头不一样。水斗式水轮机的适用水头约为300～1700m，混流式水轮机约为20～700m，轴流式水轮机约为3～80m，斜流式水轮机约为40～200m，贯流式水轮机约为1～25m。2′2.绘出混流式水轮机的示意图（沿主轴剖面图及沿蜗壳中心线平面图，图中应标明其主要部件的名称）。图1混流式水轮机沿主轴剖面图6′图2混流式水轮机沿蜗壳中心线平面图4′3.比较混流式、轴流式和水斗式水轮机各主要部件的特征.评分标准：本题中前四种部件是主要方面，学生作答只要涵盖参考答案基本内容即可得分，不要求完全一致。水轮机型号部件名称混流式轴流式水斗式转轮构造特征（占5分，每小点1分。错答不答扣1分，扣完为止）1.转轮由上冠、叶片、下环、止漏环、和泄水锥这五个部分组成2.转轮叶片沿圆周均匀分布的固定于上冠和下环之间的若干个扭曲面体，断面形状为翼形1.转轮叶片是沿轮毂四周径向均匀分布的略有扭曲的翼形曲面体，其内侧弧线短，曲度和厚度较大，外侧弧线长较薄而平整。2.定桨式转轮的叶片固定在轮毂上，转桨式转轮的叶片用球面法兰与轮毂连接1.由轮盘及沿轮盘圆周均匀分布的斗勺形轮叶（即水斗）组成。轮叶的正面由两个半勺形的内表面和略带斜向的出水边组成，中间由分水刃分开，射流束的中线与分水刃重合。进水部件构造特征（占1分，每小点0.5分。错答不答扣0.5分，扣完为止）多采用金属蜗壳，蜗壳包角一般为0＝345多采用混凝土蜗壳，蜗壳包角一般为0＝180高压水流通过压力钢管经喷嘴形成高速射流调节流量机构构造特征（占2分，每小点0.5分。错答不答扣0.5分，扣完为止）1.通过导水机构进行流量调节2.导水机构由导叶及其操作机构组成通过调速器调节叶片转动与导叶转动来调节流量达到最优工况1.通过喷嘴和喷针构成的针阀来实现流量调节2.喷嘴前装有折流板，用来防止突弃负荷时发生转轮飞逸3.机壳内右下侧设置了导流板，防止水流随转轮飞溅到转轮上方或轮叶背面造成附加损失泄水部件构造特征（占1分，每小点0.5分。错答不答扣0.5分，扣完为止）由泄水锥和尾水管完成泄水由泄水锥和尾水管完成泄水1.通过尾水槽泄水、2.机壳使作完功的水流流畅地排至下游其它（占1分，只要内容不错即可得分，错答不答扣0.5分，扣完为止）通过座环传力主要由外围混凝土支撑机壳内压力与大气压相当。机壳也用来支撑水轮机轴承。第二次作业1.试分析尾水管的工作原理，推导尾水管回收的能量表达式。图1无尾水管图2有尾水管如图1所示对于无尾水管的情况：1-1断面单位水能11PEH（1-1）0.5′2-2断面单位水能222222APVEHg（1-2）0.5′将式1-2代入1-1可得无尾水管水轮机转轮从水中所获得的单位能量为：2221212()2AAVEEEHHg（1-3）1′如图2所示对于有尾水管的情况：2-2断面单位水能2222222BPVEHg（1-4）0.5′由2-2断面至5-5断面的伯努力方程225522222522PVPVHhgg（1-5）0.5′从而可得2255222225()22PVPVHhgg（1-6）0.5′则装设尾水管水轮机转轮从水中所获得的单位能量为25512125()2BBVEEEHhg(1-7)1′于是可得尾水管所回收的转轮出口余能225522225()22BAVVEEEHhgg(1-8)1′比较式1-6和式1-8可得2PPE(1-9)0.5′由式1-9可知，尾水管回收转轮出口水能的途径是（工作原理）：(1)使转轮出口断面压力降低，形成真空。1′(2)回收转轮出口的能量，增大转轮的利用水头。1′(3)以动力真空的形式回收转轮出口大部分动能，以静力真空形式回收转轮出口高于下游水面的位能。1′评分标准：本题重在考察学生对尾水管工作机理及相应数学模型的认识与理解，要求完整的推导和简洁清晰的描述。本题满分10分，分3项给分：1.9式中除1-3、1-7和1-8为每式1分，其余每式0.5分；2.推导过程描述清晰，逻辑合理给1分；3.尾水管工作原理基本内容有三点，每点1分，错答不答不给分。2.论述气蚀的成因、类型和防护措施。答：(1)成因：局部压力小于气化压力。低压区产生气泡，高压区气泡溃灭，高速射流反复冲击，使金属表面产生疲劳剥蚀破坏2′(2)类型：气蚀的基本类型有翼形气蚀、间隙气蚀、局部气蚀和空腔气蚀。翼形气蚀：一般发生在叶片背面（主要的气蚀类型，对水轮机影响最大）；间隙气蚀：水流通过某些间隙或小通道时，局部速度升高而压力降低所产生的气蚀；局部气蚀：过流表面某些地方凸凹不平因脱流而产生的气蚀；空腔气蚀：偏离最优工况时，在转轮出口、尾水管进口处由于圆周分量引起的一种非轴对称的真空涡带；4′(3)防护措施：水轮机气蚀的防护可从水轮机制造、运行维护、工程措施等方面着手。设计制造：采用合理的翼型以尽可能使叶片背面压力分布均匀，并缩小低压区范围。运行维护：拟定合理的水电站运行方式，尽可能避免在气蚀严重的工况区运行。工程措施：选择合理的水轮机安装高程，确保叶道内最低压力不低于气化压力。4′评分标准：第一问2分，余下两问各4分，只有标题而无阐述得一半分。3.说明水轮机允许吸出高的影响因素，以及不同机组安装高程的确定方法。答：1、影响因素：SHaBppH(3-1)式中:ap指水轮机安装位置的大气压；Bp指气化压力，其值与通过水轮机的水流的温度和水质有关；δ：水轮机实际运行的气蚀参数，实际应用时常写为：m10.0900sHH（）(3-2)或m10K900sHH(3-3)式中:▽是水轮安装位置的海拔高程，在初始计算时可取为下游平均水位的海拔高程；m是模型气蚀参数，各种工况的m值可从该型号水轮机的模型综合特性曲线中查取；是气蚀系数的修正值，可根据设计水头rH由图查取；K是气蚀系数的安全系数，一般可取K=1.1~1.35；H指水轮机水头，一般可取为设计水头rH。4′2、不同机组安装高程的确定方法：○1立轴混流式：安装高程为导叶中心线位置，s0Z/2wsHb(3-4)w是设计尾水位，m；0b是导叶高度，m；○2立轴轴流式：安装高程为导叶中心线位置，s1ZwsHxD(3-5)1D是转轮标称直径，m；x是轴流式水轮机的高度系数，m；○3卧轴反击式水轮机：安装高程为主轴中心线位置，s1Z/2wsHD(3-6)○4水斗式水轮机：立轴：安装高程为喷嘴中心线位置，Zswmph(3-7)卧轴：安装高程为主轴中心线位置，1/2swmpZhD(3-8)wm是最高尾水位，m。6′（评分标准：第一问4分，第二问6分，公式错误和解释不详细酌情扣分。）HPHP0HPHP01、分析机组甩负荷导叶关闭工况，或机组增负荷导叶开启工况，在设上下游调压室的引水系统中会产生哪些水利过渡过程，相应机组转速变化过程如何？（请配合示意图说明）答：机组甩负荷后会发生多种过渡过程。机组甩负荷后会发生：导叶关闭、机组流量减小到0、机组转速上升、蜗壳压力上升、尾水管压力下降、上游调压室水位上升、下游调压室水位下降等现象。（3＇）过渡过程:由一个稳定状态到另一个稳定状态的中间的非恒定过程水力过渡过程：1.压力管道水锤压力变化过程2.尾水管水锤压力变化过程3.调压室水位变化过程（4＇）机械过渡过程：1.机组转速变化过程2.调速器动作过程（各示意图按顺序如下排列）（4＇）（评分规则：第一问在机组增负荷导叶开启工况下，其发生的现象与之相反，只需答一种工况下即可，6个图，每个1分，）2、试推倒简单管阀门在某开度下的水锤反射系数，并简要说明阀门反射系数对间接水锤类型的影响。答：水锤的反射系数：反射波与入射波的比值：11Frf基本方程：式中，和分别表示沿正负方向传播的压力波。对于水斗式水轮机，其喷嘴的出流规律为：1，当0.5时，可近似地取(1/2)。在入射波未到达的时刻，0000,。代入得：依据基本方程得：01()()22→0()()→00(1)(1)→11r（10＇）间接水锤共分为两类：第一相水锤，极限水锤。1.第一相水锤：根据阀门的反射系数公式，当01时，r为正，水锤波在阀门处的反射是不变号的。2.极限水锤：根据阀门的反射系数公式，当01时，r为负，水锤波在阀门处的反射是变号的。（4＇）（评分规则：第一问推导过程需完整，不完整者酌情扣分）3、请论述解决调保矛盾的主要措施及适用条件。HSHS0HSHS0Z1Z1答：解决调保矛盾的措施：调节规律优先，工程措施最后（2＇）措施一：优化导叶调节规律（折线规律）。高水头电站，导叶先慢后快关闭，对减小水锤有利，对机组转速上升不利；低水头电站，导叶先快后慢关闭，对减小水锤有利，同时对减小机组转速上升有利；通常保证转速上升率略小于规范要求的前提下，尽量延长导叶关闭时间以减小水锤。（4＇）措施二：适当增大机组转动惯量GD2。GD2增大可减小转速上升，从而为延长导叶关闭时间以减小水锤创造条件；（3＇）措施三：改变管道长度和尺寸。可能的情况下尽量减小管道长度；在经济效益允许情况下，适当加大管径以减小流速；（3＇）措施四：采用压力管道分流速措施。小型水电站设减压阀或爆破膜；（3＇）措施五：设置调压室。大中型设调压室，以减小压力管道长度。（3＇）（评分规则：措施不完整者按条扣分，解答不详细者扣一半分）1.简述调压室的功用、工作原理，以及上下游调压室设置条件的不同之处。15′a.调压室的功用可以归纳为以下三点：（1）利用扩大的断面和自由水面反射水锤波，基本上避免压力管道中的水锤波进入引水道。2′（2）将引水系统分成引水隧洞和压力管道，缩短了压力管道的长度，从而减小压力管道和厂房过流部分的水锤压力。2′（3）改善机组在负荷变化时的运行条件和系统供电质量。1′b.调压室的工作原理：当电站丢弃全负荷时，水轮机引用流量变为零，压力管道的水流经过一个短暂的时间后就停止流动。引水道中水流由于惯性作用继续流向调压室，引起调压室水位上升，使引水道两端水位差随之减小，因而其中流速也逐渐减慢。水位继续升高直至引水道流速减为零，此时调压室水位达到最高点。由于调压室和水库的水位差作用，水流开始倒流，调压室水位开始下降，直至引水道流速减为零。水体如此往复波动，实现动能和势能的转换。由于存在阻力，水体能量被逐渐消耗，因此波动逐渐衰减，最后调压室水位稳定在水库水位。3′当水电站增加负荷时，水轮机引用流量加大，引水道中的水流由于惯性作用不能立即满足负荷变化的需要。水流流出调压室，调压室水位下降，室库间形成新的水位差使引水道水流加速流向调压室。当调压室中水位达到最低点时，引水道流量等于水轮机流量。由于室库减水位差较大，引水道流量继续增加，因而调压室水位又开始回升，直至达到最高点。调压室水位上下波动，由于能量的消耗，波动逐渐衰减，最后达到稳定水位。3′c.