環(huán)境管理_水輪機工作原理

第三章 水輪機工作原理本章教學要求：1 了解水流在反擊式水輪機中的運動規(guī)律；2 熟練掌握水輪機的速度三角形及其作用；3 熟練掌握水輪機的基本方程極其意義；4 掌握水輪機效率的定義；5 掌握水輪機在最優(yōu)工況、非最優(yōu)工況下的運行特點。第一節(jié) 水流在反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪中的運動一、蝸殼中的水流運動反擊式水輪機蝸殼的主要作用是以最小的水力損失把水流引向轉(zhuǎn)輪前的導(dǎo)水機構(gòu)，并使水流能均勻而軸對稱地進入導(dǎo)水機構(gòu)，同時，讓水流具有一定的速度環(huán)量，以提高作用于工作輪上的有效水能及轉(zhuǎn)輪的運行穩(wěn)定性。蝸殼的水力設(shè)計就是以完成蝸殼的上述任務(wù)為前提。而蝸殼中的水流運動規(guī)律又取決于蝸殼的內(nèi)壁輪廊線，故蝸殼內(nèi)壁輪廓線的形狀控制了蝸殼內(nèi)的水流運動規(guī)律。關(guān)于蝸殼中的水流運動規(guī)律，一般認為有兩種形式。根據(jù)設(shè)計者的意圖，設(shè)計出來的蝸殼形狀也稍有不同。這兩種規(guī)律是：1蝸殼斷面的平均速度周向分量為常數(shù)的規(guī)律 （3-1）式中為蝸殼進口斷面的水流速度。2 蝸殼中水流按等速度矩規(guī)律運動。即位于蝸殼內(nèi)任一點水流速度的切向分量與該點距水輪機軸線的半徑的乘積不變。 （3-2）式中 某一點水流速度的圓周分量，見圖3-1所示；研究點距水輪機軸線的半徑。 圖3-1 蝸殼中的水流運動實踐證明，水輪機按“等速度矩規(guī)律”設(shè)計的蝸殼性能較好?！暗人俣染亍币?guī)律對蝸殼中的水流運動作如下假設(shè)：1忽略水流粘性及與管壁的磨擦損失。2蝸殼內(nèi)壁是光滑的，認為蝸殼中的水流運動是無旋流動。3蝸殼中的水流運動是以水輪機軸為對稱的運動。即蝸殼內(nèi)水流速度，壓力等運動要素有：。因此，蝸殼內(nèi)的水流運動為理想液體作軸對稱流動。由式3-2可知，蝸殼中距水輪機軸線半徑相同的各點，其水流切向速度相等；蝸殼中距水輪機軸線半徑不同的點，其切向速度與半徑成反比。蝸殼中各斷面所通過流量變化規(guī)律。為了提高機組的運行穩(wěn)定性，使蝸殼中的水流能均勻地，軸對稱地進入導(dǎo)水機械及轉(zhuǎn)輪，要求通過蝸殼各斷面的流量均勻地減小。設(shè)通過水輪機的全部流量為，則通過蝸殼任一斷面的流量，為： （3-3）式中自蝸殼鼻端至任一蝸殼計算斷面包圍的角度。蝸殼中水流流線的特點。為研究蝸殼中水流流線的特點，假設(shè)蝸殼各斷面高度相等。并且，水流速度沿蝸殼斷面高度方向均勻分布。由圖3-1可知，蝸殼中任一點水流速度，可分解為切向速度和徑向速度。設(shè)該點速度與圓周方向夾角為，則： （3-4）又因水流沿圓周方向均勻進入水輪機導(dǎo)水機構(gòu)和轉(zhuǎn)輪，故： （3-5）式中 計算點距水輪機軸線的距離；蝸殼高度；通過水輪機流量。由式（3-2）、（3-4）、（3-5）可得 （3-6）當水頭和流量一定時，則為常數(shù)。因此，蝸殼內(nèi)的水流流線呈對數(shù)螺線狀。另外，當一定時，即在給定蝸殼中，若流量改變時，蝸殼中任一點水流速度的大小也隨之改變（與均與成正比例變），但的方向始終恒定不變，始終以一個方向進入座環(huán)支柱?？墒窃趯嶋H中，水輪機的蝸殼斷面大多不是等高的。所以，嚴格講，蝸殼中的水流流線并不是等角螺線，蝸殼中任一點的水流速度方向也并非始終不變。二、轉(zhuǎn)輪中的水流運動水流通過水輪機轉(zhuǎn)輪流道時，一方面隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，同時又沿著彎曲的轉(zhuǎn)輪葉片作相對運動。因此，轉(zhuǎn)輪中的水流形成一種復(fù)雜的運動。為了研究這種水流運動，一般采用圓柱坐標系。坐標系統(tǒng)選擇如圖3-2所示。為水輪機軸向方向，為徑向，為圓周方向（切向）。此切向垂直于由徑向及軸向所構(gòu)成的平面。由，組成的平面稱子午平面，因它通過水輪機的軸心線，故又稱為軸平面。圖3-2中陰影部分即為某個軸平面。混流式轉(zhuǎn)輪在某個軸平面上的投影稱為轉(zhuǎn)輪的軸面投影。但此投影與一般制圖上的所謂正投影不同，它是轉(zhuǎn)輪葉片進、出水邊以其相應(yīng)的半徑旋轉(zhuǎn)到某同一軸平面上再投影。對混流式水輪機而言，由于軸平面與轉(zhuǎn)輪上冠，下環(huán)正交，因此，在其軸面投影圖上，上冠，下環(huán)的投影線為實際的輪廓形狀。而葉片進、出水邊在軸面上的投影線保持了真實的徑向尺寸。這是使用軸面投影的優(yōu)點。葉片的軸面投影如圖3-3所示：圖3-2 轉(zhuǎn)輪的圓柱坐標系圖3-3 轉(zhuǎn)輪的軸面投影圖水流在導(dǎo)水機構(gòu)中的流動基本上是沿垂直于水輪機軸心線的徑向方向流動。但當水流離開導(dǎo)葉后，進入轉(zhuǎn)輪前，以及在轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)，兩種機型的水流流動方向有著明顯的不同。這種流動方向的改變，在混流式水輪機中是在轉(zhuǎn)輪葉片流道中完成的。而在軸流式水輪機中，則在轉(zhuǎn)輪葉片流道前基本完成的。因此，混流式水輪機轉(zhuǎn)輪中水流流線是曲線，而在軸流式轉(zhuǎn)輪中的軸面流線則近似為與軸線平行的直線。由這些流線繞軸旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的回轉(zhuǎn)面稱流面?；炝魇睫D(zhuǎn)輪中的水流流面呈花籃形，軸流式則近似為圓柱表面。圖3-4中表示出混流式與軸流式中水流運動的比較。在轉(zhuǎn)輪流道中，從上冠到下環(huán)的范圍內(nèi)有無限多的流面，水流質(zhì)點就在這些流面上運動。如果把某一流面展開，可以得到由一系列葉片組成的流道。分析水流在轉(zhuǎn)輪中的流道就是在這樣的一些展開面上進行的。圖3-4 混流式與軸流式轉(zhuǎn)輪中水流流動比較混流式；軸流式三、水流運動的合成與分解水輪機中某一點的水流運動情況可用該點的速度三角形來描述。速度三角形是流場中同一點的速度與分速度按平行四邊形法則構(gòu)成的向量三角形。轉(zhuǎn)輪進，出口處的速度三角形，是研究水輪機工作過程和進行轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計的工具。輪轉(zhuǎn)中的水流運動是一種復(fù)雜的運動。一方面是水流相對于葉片流動，即相對流動，另一方面是水流隨轉(zhuǎn)輪運動，即圓周運動或牽連運動。轉(zhuǎn)輪中的水流動動可以看成這兩種運動的合成。根據(jù)這個特點可以用下列速度構(gòu)成速度三角形。絕對速度，即在靜止地面上看到的水流速度。相對速度，即隨轉(zhuǎn)輪運動時見到的水流速度。圓周速度，即考察點隨轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動時的線速度，其數(shù)值為：式中 圓周速度（m/s）；考察點所在圓周直徑（m）；水輪機轉(zhuǎn)速（r/min）。若用速度關(guān)系表示，則有： （3-7）構(gòu)成的速度三角形如圖3-5圖3-5 速度三角形在實際應(yīng)用中為了分析的方便又常把絕對速度沿圓周速度方向和垂直于圓周速度的方向正交分解，可得到兩個分速度：1速度的圓周分速度，即絕對速度按正交分解在圓周速度方向的分速度，稱絕對速度圓周分速度。2軸面速度，即絕對速度按正交分解在軸向平面上的分速度，因在軸平面上，故稱為軸面速度。若用速度關(guān)系表示，則有 （3-8）構(gòu)成的速度三角形如圖3-5在轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計時，或當分析水流在轉(zhuǎn)輪中的流動，常常要應(yīng)用到這兩個速度分量，圖3-6表明了速度三角形中各速度的空間相互關(guān)系。圖3-6 各速度的空間關(guān)系為了便于研究方便，又常將位于某點的水流絕對速度用它的三個坐標分量來表示，如圖3-6所示 （3-9）式中 轉(zhuǎn)輪內(nèi)某一點水流絕對速度；該點絕對速度的徑向分量；該點絕對速度的軸向分量；該點絕對速度的圓周分量；該點絕對速度的軸面分量。四、轉(zhuǎn)輪進、出口速度三角形水輪機通過轉(zhuǎn)輪時，轉(zhuǎn)輪獲得能量的大小主要取決于水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪進，出口其運動狀態(tài)的變化，而速度三角形實質(zhì)上表征著水輪機的工作狀態(tài)，因此有必要研究轉(zhuǎn)輪的進出口速度三角形。圖3-7 混流式轉(zhuǎn)輪進、出口速度三角形圖3-7給出了混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的進出口速度三角形，對位于轉(zhuǎn)進水邊某一點的水流速度三角形，可以根據(jù)如下條件求出：1圓周速度 （3-10）式中 進口邊上計算點處的圓周速度（m/s）； 考察點所在圓周直徑（m）；水輪機轉(zhuǎn)速r/min。2軸面速度 （3-11）式中 水輪機過流量；水輪機容積效率；考察點處的過水斷面面積。為了求得通過考察點（如圖3-8的點）的過水斷面面積，可在軸面上作出通過該點與軸面水流線（等）垂直的線段，并以為母線的旋轉(zhuǎn)面積就是，由古魯金定理： （3-12）式中 線段的重心所在圓半徑；線段的長度。 圖3-8 軸面水流的過水斷面在式（3-12）中，若考慮由于葉片厚度對水流的排擠，則實際軸面水流過水斷面面積為： （3-13）式中 轉(zhuǎn)輪葉片進水邊厚度；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)目；為，轉(zhuǎn)輪進口葉片排擠系數(shù)。葉片占據(jù)過水斷面越多，系數(shù)越小。若不考慮葉片排擠，或假設(shè)葉片無限薄時，=1。3絕對速度的方向，即之間的夾角，對應(yīng)用較高水頭的低比轉(zhuǎn)速混流式水輪機而言，轉(zhuǎn)輪葉片進水邊接近導(dǎo)葉出水邊，轉(zhuǎn)輪葉片進口的絕對水流角，可認為近似等于導(dǎo)葉出口水流角；對于中、高比轉(zhuǎn)速，應(yīng)用水頭較低的混流式水輪機和軸流式水輪機，從導(dǎo)葉出口至轉(zhuǎn)輪進口這一區(qū)域，可應(yīng)用動量矩定理，證明其速度矩保持不變，則：式中 導(dǎo)葉出口處水流速度的圓周分量；導(dǎo)葉出水邊所在圓直徑；轉(zhuǎn)輪葉片進水邊計算點處的水流絕對速度的圓周分量；轉(zhuǎn)輪葉片進水邊上計算點所在圓直徑。另外，利用導(dǎo)葉出口速度三角形，如圖3-9可確定圖3-9 軸流式轉(zhuǎn)輪的進、出口速度三角形因此 （3-14）式中 水輪機過流量；導(dǎo)葉高度；導(dǎo)葉出口水流角。根據(jù)上述三個條件即可作出轉(zhuǎn)輪進口某點的速度三角形。利用此速度三角形，可求得其它的一些速度量值，如?；炝魇睫D(zhuǎn)輪出口速度三角形也可根據(jù)下列三個條件作出：1圓周速度 （3-15）式中轉(zhuǎn)輪葉片出水邊某計算點所在圓直徑。2軸面速度 （3-16）或 （3-17）式中 轉(zhuǎn)輪出口葉片排擠系數(shù)；轉(zhuǎn)輪葉片出水邊計算點的過水斷面面積，計算方法同。3相對速度的方向，即與-的夾角。這是按葉片無限薄假定出發(fā)的，這個夾角等于葉片出口部分骨線與圓周切線的夾角。實際上葉片是有限數(shù)目的，在葉片流道中水流因自身慣性，只有緊貼葉片的水流質(zhì)點才符合上述假設(shè)，而其余部分的水流并不按照葉片扭曲方向改變運動方向。因而在轉(zhuǎn)輪出口處的相對速度方向與葉片方向不完全一致，即出流角與葉片出口安放角總是有些差別。作出轉(zhuǎn)輪出口速度三角形，就可以求出、。軸流式水輪機進，出口某點處的水流速度三角形，常采用下列假定：1在轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)，水流速度的徑向分量很小，可忽略，因而水流質(zhì)點系沿圓柱層流動，轉(zhuǎn)輪區(qū)域的與轉(zhuǎn)輪軸線平行，則有2軸面速度均勻分布，位于不同半徑各圓柱面上的軸面流速均相等，則： （3-18）式中 轉(zhuǎn)輪標稱直徑（圖3-9a）；轉(zhuǎn)輪輪轂直徑。3轉(zhuǎn)輪進、出口水流的大小，因軸流式轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流上速特點，故位于同一流線上進，出口兩點水流圓周速度有 （3-19）式中 位于同一流面上的轉(zhuǎn)輪進，出口計算點所在圓直徑（即該圓柱流面直徑）。4的大小，的方向（），采用與混流式轉(zhuǎn)輪相同的分析方法確定。 （葉片出口安放角）這樣，即可求出軸流式轉(zhuǎn)輪進、出口某一點的速度三角形。圖3-9是直徑為的圓柱面（流面）展開和按上述已知條件作出的轉(zhuǎn)輪進、出口速度三角形。例題1已知混流式水輪機的下列數(shù)據(jù)：m,m,m3/s,r/min,導(dǎo)葉出口部分與圓周切線夾角。試求轉(zhuǎn)輪進口速度三角形的、和。解：m/sm/s因，故水輪機進水邊軸面投影與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)軸線平行并比較靠近導(dǎo)葉，可取由此 m/sm/s m/s 2.已知軸輪式水輪機的下列數(shù)據(jù)（參看圖3-9）：m,m,m,m/s,r/min,。試求m的圓柱層上（其中）轉(zhuǎn)輪進、出口速度三角形中的、和、（不考慮葉片排擠，轉(zhuǎn)輪進口無撞擊）。解：m/sm/sm/sm/sm/sm/sm/sm/s第二節(jié) 水輪機的基本方程與應(yīng)用一、水輪機的基本方程水輪機的轉(zhuǎn)輪是將水流的能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)機械能，那么是如何轉(zhuǎn)化的呢？學習了下面的水輪機基本方程以后，我們這個疑問就會得到很好的回答。水輪機基本方程式可用動量矩定理導(dǎo)出。當質(zhì)量為以速度運動時，其動量是，若質(zhì)量至軸的距離為半徑，而所在處的速度與半徑的圓周切線之夾角為，則質(zhì)量對軸的動量矩等于或，如圖3-10，根據(jù)動量矩定理，單位時間內(nèi)水流質(zhì)量對定軸的動量矩變化等于作用在該質(zhì)量上的全部外力對定軸的力矩和，即 （3-20）式中外力矩 ?，F(xiàn)考慮水流通過轉(zhuǎn)輪時的動量矩變化。圖3-10 質(zhì)量m的動量矩如圖3-11，在時刻，水流質(zhì)量充滿轉(zhuǎn)輪流道微元，經(jīng)過時間后，該部分質(zhì)量運動至，此時部分水流從流道中流出，其質(zhì)量為為進入轉(zhuǎn)輪流道微元的流量。在流道進口處，經(jīng)時間后空出的部分為后繼水流充滿，根據(jù)連續(xù)性定理，其質(zhì)量也是。在時間內(nèi)將轉(zhuǎn)輪中的水流運動看成是穩(wěn)定流動，則部分的動量矩沒變化，而流道元的動量矩變化就等于部分的動量矩減去部分的動量矩，即假定在整個轉(zhuǎn)輪進出口處與，分別為常數(shù)，則整個轉(zhuǎn)輪流道水流質(zhì)量總的動量矩變化為：亦即： 式中 水輪機有效過流量，即通過轉(zhuǎn)輪流道流量；轉(zhuǎn)輪出口處水流速度圓周分量；轉(zhuǎn)輪進口處水流速度圓周分量。上述的水流動量矩變化是dt時段內(nèi)作用在水流上的外力對水輪機旋轉(zhuǎn)軸線的力矩引起的。下面三種外力并不產(chǎn)生這種力矩。1重力：因重力的合力與軸線重合式相交；2上冠、下環(huán)的內(nèi)表面對水流壓力：因這些表面為旋轉(zhuǎn)面，故壓力與軸線重合；3轉(zhuǎn)輪外的水流在轉(zhuǎn)輪進、出口處對所考慮水流的壓力，因這兩部分水流在轉(zhuǎn)輪進、出口處的接觸面可看作是旋轉(zhuǎn)面，故壓力與軸線相交。圖3-11 水流通過轉(zhuǎn)輪時的動量矩變化可見，水流通過轉(zhuǎn)輪時動量矩變化僅由轉(zhuǎn)輪葉片的作用力引起，即由此 （3-21）而水流對轉(zhuǎn)輪葉片的作用力矩 （3-22）為水流作用于轉(zhuǎn)輪上的力矩，故它與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)角速度的乘積，就是單位時間內(nèi)水流傳給轉(zhuǎn)輪的能量。換句話說，也就是作用于轉(zhuǎn)輪上的水流所具有的有效功率，則： （3-23）式中， 水輪機過流量；水輪機容積損失；水輪機工作水頭；水輪機中的水力損失，即包括水流流經(jīng)蝸殼，導(dǎo)水機構(gòu)，轉(zhuǎn)輪及尾水管時所產(chǎn)生的水力損失總和；水輪機有效過流量，即通過轉(zhuǎn)輪流道流量；水輪機有效工作水頭，。式中，水輪機的水力效率。式(3-23)亦可寫作: （3-24）由式(3-22)和(3-24)得： （3-25）由于，則可得到水輪機的基本方程式： (3-26)方程左邊，表示作用于水輪機工作轉(zhuǎn)輪單位重量水流所具有的有效水能，也就是單位重量水流所傳給轉(zhuǎn)輪的有效能量。方程右邊，則表示轉(zhuǎn)輪進、出口處水流速度矩的變化（即水流本身運動狀態(tài)的變化）。因此，水輪機基本方程式給出了水輪機能量參數(shù)與運動參數(shù)的關(guān)系。此外，方程還經(jīng)常用環(huán)量的形式表示，即 （3-27）式中 轉(zhuǎn)輪進口處的水流速度環(huán)量，；轉(zhuǎn)輪出口處的水流速度環(huán)量，。由水輪機的基本方程式可見水流對轉(zhuǎn)輪作用的有效能量，是靠轉(zhuǎn)輪進、出口必要的速度矩或環(huán)量差來保證的。顯然就不能利用水流能量做功。水流對轉(zhuǎn)輪做功的必要條件是當它通過轉(zhuǎn)輪時，其速度矩或環(huán)量發(fā)生變化。如轉(zhuǎn)輪進、出口速度矩變化得不充分，則水流對轉(zhuǎn)輪作用力矩就要減少，水流的能量就得不到充分利用，表現(xiàn)為很低效率。對于大中型反擊式水輪機，基本方程式右邊所需的轉(zhuǎn)輪進口速度矩均是由水輪機蝸殼和導(dǎo)水機構(gòu)形成。對于無蝸殼或?qū)畽C構(gòu)的水輪機，進口水流速度環(huán)量只有靠轉(zhuǎn)輪本身形成。水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片時，使速度矩減小。至轉(zhuǎn)輪出口，使速度矩減為，故轉(zhuǎn)輪葉片的合理形狀保證了水流速度矩的減小。另外，由基本方程知，水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪后，速度從轉(zhuǎn)輪進口的減小到出口的時，每單位重量的水流傳給轉(zhuǎn)輪的能量為，并使轉(zhuǎn)輪以角速度旋轉(zhuǎn)。因此，為使水輪機具有較高效率，要求轉(zhuǎn)輪葉片具有合理的形狀。水流對葉片的作用力在這里就不作具體分析了。由研究表明，水流對轉(zhuǎn)輪葉片的作用力矩由兩部分組成。一種是由于水流相對轉(zhuǎn)輪作加速度運動而形成的相對慣性力所引起的水流對轉(zhuǎn)輪葉片的作用力矩；另一部分是由于水流既作相對運動又作牽連運動，這兩種運動相互影響而產(chǎn)生的哥氏慣性力所引起的水流對轉(zhuǎn)輪葉片的作用力矩。例題1.按本章第一節(jié)例1的數(shù)據(jù)，若轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)交點處的直徑m,該處的軸面速度m/s,為滿足m的條件，葉片出口部分在m處的安放角應(yīng)為多少（采用無限簿葉假定估算）解：m/s由式（3-26） m/s2.按本章第一節(jié)例題2的數(shù)據(jù)，試求的圓柱層上的轉(zhuǎn)輪所利用的。解：由式（3-26） m第三節(jié) 水輪機效率與最優(yōu)工況一、水輪機中的能量平衡及水力效率水輪機和其它所有運動機械一樣，存在著能量損失，故輸出功率小于輸入功率（即效率1）。若水輪機的水流輸入功率為，水輪機的輸出功率為（又稱水輪機軸功率，即水輪機所能傳給發(fā)電機的功率），則式中 水輪機的功率損失。水輪機內(nèi)的能量損失可分為容積損失，水力損失和機械損失三種，這些損失分別用容積效率，水力效率和機械效率來衡量。1容積效率進入水輪機的流量并未全部進入轉(zhuǎn)輪做功，其中有一小部分流量從水輪機的旋轉(zhuǎn)部分與固定部分之間的空隙（如混流式水輪機的止漏環(huán)間隙和軸流式水輪機槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙）損失了。容積效率等于進入轉(zhuǎn)輪的有效流量與進入水輪機的流量之比2水力效率單位重量水流通過水輪機時的能量減值不能全部轉(zhuǎn)換成固體機械能向外輸出，其中有一部分消耗于克服各種水力阻力（如沿程磨擦阻力和漩渦、脫流引起的局部阻力）而形成的水頭損失。水力效率是相應(yīng)于有效水頭的出力（水流有效出力）和相應(yīng)于水輪機水頭的出力之比水流從水輪機尾水管流出時的速度水頭（稱為出口損失）也包括在水力損失之內(nèi)。3機械效率水流傳給轉(zhuǎn)輪的有效出力還不能全部輸出，其中有一部分消耗在各種機械損失上，如軸承與軸封處的磨擦損失，轉(zhuǎn)輪外表面與周圍水流之間的磨擦損失（稱為輪盤損失）等。機械效率；等于水輪機出力與水流有效出力之比水輪機效率，即等于水輪機容積效率0,水力效率，及機械效率的乘積。二、水輪機的最優(yōu)工況水輪機在運行過程中，由于外界條件（水頭負荷）的變化，使水輪機的水頭、流量、出力等參數(shù)總是不斷地隨之變化。因此，其流道中的水流流態(tài)也是不斷地改變。水輪機可以在不同的工況下運行，其中效率最高的工況稱為最優(yōu)工況。在此種工況下，進口水流相對速度與葉片（中線）相切以及轉(zhuǎn)輪出口水流呈法向。水輪機在最優(yōu)工況運行時，水輪機中的水力損失最小，而水力損失大小又主要決定于轉(zhuǎn)輪的進口水流角。下面分析這兩個基本條件及其影響。為了簡便起見，討論中忽略葉片對水流的排擠。1無撞擊進口當轉(zhuǎn)輪進口水流相對速度的方向與葉片剖面中線在進口處的切線方向一致時，稱無撞擊進口。此時，水流角等于葉片進口安放角，水流對葉片不發(fā)生撞擊和脫流，其繞流是平順的，水力損失小。所謂葉片中線是指由葉片剖面型線內(nèi)切圓心連線構(gòu)成的曲線，又稱骨線。如圖3-12。葉片進口安放角是指進口葉片中線與該點圓周切線的夾角。而水流相對速度與圓周切線方向（即該點水流圓周速度-）的夾角，稱為水流進口角，以表示。如果轉(zhuǎn)輪進口的水流相對速度與該點葉片中線的切線方向不一致，則會形成水流沖角，（圖3-12、），沖角可分正負。圖3-12 水流的入口情況這樣就會在葉片進口區(qū)出現(xiàn)脫流和旋渦，從而產(chǎn)生撞擊損失。在有撞擊進口的情況下，將出現(xiàn)撞擊分量，撞擊損失可用的大小來估量。一般來說，沖角較小時，撞擊損失是微小的?？紤]到這一情況，在實際設(shè)計中，一般使進口安放角比進口角略小，如圖3-13所示。通常取。圖3-13 葉片進口沖角圖采用一定的正沖角是考慮到提高水輪機在偏離最優(yōu)工況的大流量區(qū)的水力性能，因水輪機較長在該區(qū)域運行。水輪機葉片一般都是采用機翼型，葉片前緣是圓頭，這種翼型在進口水流對葉片正面撞擊不大時，水力撞擊損失是很小的。但若對葉片背面，即使撞擊不大，也會導(dǎo)致水流在葉片正面出現(xiàn)脫流，使流道中流態(tài)變壞，大大增加水力損失。若設(shè)計嚴格按來設(shè)計，則在偏離設(shè)計工況的大流量區(qū)運行時，（設(shè)計工況流量），水流進口角，如圖3-13所示，產(chǎn)生對葉片背面的撞擊，亦稱負撞擊，這將導(dǎo)致效率急劇下降。因此，在實際時對設(shè)計工況采用不大的正沖角，這樣，水輪機在設(shè)計工況下的水力效率雖有微小下降，但卻顯著地改善了大流量工況區(qū)的水力性能。此外，使葉片進口安放角略小于進口水流角，還可以減小整張葉片的彎曲，這也有利于改善水利性能。2.最優(yōu)出口根據(jù)水輪機基本方程式，水輪機的水力效率可表示為上式中，若是=0，則（水力效率最大值），顯然，只有可能使。由圖3-14可知，當=0，出口絕對水流角，則出口水流絕對速度垂直于該點圓周速度。此時，轉(zhuǎn)輪出口水流無旋轉(zhuǎn)，這樣的水流出口稱為法向出口。圖3-14 轉(zhuǎn)輪水流法向出口上面是從理論公式上推導(dǎo)出當出口絕對水流角時，即時，有最大值，我們把轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量用表示，下面我們具體分析一下的大小將產(chǎn)生的三方面影響。（1）對尾水管能量利用的影響：當轉(zhuǎn)輪出口水流的環(huán)量愈大，則水流沿軸面流動旋轉(zhuǎn)愈大，即進入尾水管的水流旋轉(zhuǎn)愈劇烈。尾水管進口處水流動能是由旋轉(zhuǎn)運動動能和軸面運動動能兩部分組成的，即：顯見，水流的軸面流速與尾水管的半徑平方成反比，而水流旋轉(zhuǎn)圓周速度僅與半徑成反比。當水流沿尾水管流動時，的衰減速度遠比快，說明尾水管能更有效的利用軸面運動動能。因此當出口環(huán)量越大，即越大，這時尾水管回收能量的效果就差，尾水管的動能利用率就低。（2）對進口水流的影響。由公式可知，若轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量C2增大，則要求轉(zhuǎn)輪進口環(huán)量也相應(yīng)增大。對由中、低混流式水輪機和軸流式水輪機而言，由于的存大，使位于擴散形尾水管中的水流在自身的離心力作用下，能緊貼尾水管的管壁流動。因而不易發(fā)生脫流及滯水區(qū)，這樣可減少尾水管中的能量損失，同時由于轉(zhuǎn)輪進、出口環(huán)量的增大，相應(yīng)使轉(zhuǎn)輪進、出口水流相對速度減小，從而也能降低轉(zhuǎn)輪中的水力損失。當然，這會導(dǎo)致引水部件中的水力損失增加。但對中、低水頭水輪機，引水部件中的水力損失占總能量損失的比重很小，主要損失發(fā)生在尾水管和轉(zhuǎn)輪。因此，對于中、低水頭混流式水輪機和軸流式水輪機而言，轉(zhuǎn)輪的出口略具一個不大是有益。但是，對高水頭混流式水輪機而言，的存在，對改善尾水管中的水流情況，雖也有上述的類似作用。但和也要相應(yīng)增大，導(dǎo)致引水部件和導(dǎo)水機構(gòu)中水力損失的增大，而該類水輪機，其引水部件和導(dǎo)水機構(gòu)中的水力損失占水輪機水力損失的比重較大。因此，是得不償失的。所以對高水頭水輪機，當轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量=0，即出口水流呈法向時，法向出流是最有利的，它能使水輪機中總的水力損失最小。從上面分析結(jié)果看，對高水頭水輪機而言，轉(zhuǎn)輪出口水流呈法向是十分有利的。但在此須指出，各種水頭下的反擊式水輪對轉(zhuǎn)輪出口的要求是不一樣的。即上述法向出口水流對某些水頭范圍的水輪機，可視為最優(yōu)水流出口，但對另一些水頭范圍的水輪機，則不然。3水輪機的非最優(yōu)工況如上所述，水輪機在水流無撞擊進入轉(zhuǎn)輪和法向（或略具正環(huán)量）出口條件下水力損失小，水力效率最高。對于形狀和尺寸已確定的水輪機，這種最優(yōu)工況只會在某水頭、流量和轉(zhuǎn)速的條件下才能形成。但水輪機在實際運行中，水頭、流量總是變化的，不可避免地要偏離最優(yōu)工況，下面分析流量，水頭變化時對水輪機水力性能的影響。（1）水頭不變，流