效率是由水力效率、流量效率、机械效率组成
1.水力损失（headloss及水力效率
蜗壳、导叶、转轮、尾水管一一沿程损失
旋涡、脱流、撞击一一局部损失
H—送也HH
水轮机的水力效率为：
H一100%=」
HH
2.流量损失及流量效率（容积效率）
水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为q,此部分流量不
经过转轮作功，称漏损。
容积效率：
v=Q^Qe
QQ
3.机械损失和机械效率
水轮机的输入功率：
Ne；输出功率：
N=Ne-ANm
机械效率：
n=N/Ne
水轮机的总效率
n=nnn
提咼效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。
n根据模型试验
得到。
二、水轮机的最优工况
水轮机的最优工况是指n最高的工况。
一般情况下，对n起主要作用的是水力损失，流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，在水力损失中撞击和涡流损失最大。
1、叶片进口设计
撞击损失主要发生在转轮叶片进口处。
当0（W1,U）二⑹（叶片进口安放角）时，则为无撞击进口工况，即转轮进口处的水流相对速度的方向与转轮叶片骨线在进口处的切线方向一致。
⑷（b）何
2、叶片出口设计
涡流损失主要发生在转轮叶片出口处。
当V2丄U2时，即a=90°水流平行主轴，Vu2=0,为法向出口，无涡流损失。
同时满足妆=伍1、a=90°V2丄U2）时，进口无撞击，出口无涡损，n最高，称
为水轮机的最优工况。
对高水头水轮机，能量损失主要发生在引水部件内，故最优转轮出口应为法向出口。
对中、低水头水轮机，能量损失主要发生在尾水管和转轮内，一般a略小于90°寸，效率较高，可以避免尾水管内脱流，运行稳定，空蚀性能好。
轴流转浆式、斜流式水轮机在不同工况下，可以进行双调节（导叶开度a。
、叶
片角度（D，一般可使水轮机在较大范围内达到或接近进口无撞击、出口无涡流，具有较宽广的效率区。
水轮机在最优工况运行时，不但效率高，而且稳定性和空蚀性能也好。
因此，在实际运行中，水轮机的运行工况范围均有一定限制。
第四节尾水管的工作原理
20
7X7
r
=■
Lj
V
O
｛时
转轮所获得能量等于转轮进出口之间的能量差：
E二Ei-E2=（Hi•旦）-E2
1.
无尾水管时:
转轮获得能量:
Ea二巳-E2A二已-（战乎）
2g
2g
设尾水管后，转轮所获得能量：
Eb=巳-E2B=已_（-^j：
h2_5）
22
水轮机多获得的能量：
.汨二Eb-Ea二H2•（止也-讣2丿
2g
所以，设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了真空现象，真空
由两部分组成：
⑴静力真空：
H2（落差），也称为吸出高度Hs；
⑵动力真空（转轮出口的部分动能）
3.尾水管的作用
（1）汇集转轮出口水流，排往下游。
⑵当Hs>0时，利用静力真空。
（3）利用动力真空Hd。
4.尾水管的动能恢复系数
尾水管的静力真空Hs取决于水轮机的安装高程，与尾水管的性能无关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（与尾水管尺寸有关），一般用动能恢复系数nw表示：
2222
”、心2…5V52V22V2
2g
w-（-一“2_5）/Hd/—
2g2g
n>0.8时，效果较好；n=0.3〜0.4时，效果较差。
n=1-W（W为尾水管的水力损失系数）
第五节水轮机的空化与空蚀
、水轮机的空蚀
1.空化及空化压力的概念
水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的
水在一定压力下加温引起的汽化为沸腾；
环境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。
在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的空化压力（Pb）
2.水轮机的空蚀
（1）空蚀破坏的机理
由：
P2
1
0（V2
-Z-
2g
可知，当VT-PJ当P=Pb时，水开始汽化一汽泡（水蒸气+空气）一进入高压区（汽泡时蒸气变成水，汽泡内气体稀薄，出现强大真空，汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击）在汽泡内形成很大的微观水击压力
（可达几百大气压）；汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击
大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏—机械破坏，叫疲劳剥蚀。
汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部温度升
高（可达到300C），汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升
高，产生电解作用一化学腐蚀。
（2）水轮机空蚀定义
汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，称水轮机的空蚀。
3.空蚀造成的危害
使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。
增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降
机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。
缩短了机组检修的周期，增加了检修的复杂性。
消耗钢材、延长工期；二、水轮机空蚀类型
翼形（叶片）空蚀：
转轮叶片背面出口处产生的空蚀，与叶片形状、工况有关。
反击式水轮机主要汽蚀形式。
间隙空蚀：
当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生空蚀。
空腔空蚀：
在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带,引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生空蚀破坏，可能造成尾水管振动。
局部空蚀：
在过流部件凹凸不平因脱流而产生的空蚀
尾水管内的真空涡带和水流轨迹
三、防止空蚀的措施
流速和压力是产生空蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。
1.设计制造方面：
合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗汽蚀钢衬（不锈
钢）。
2.工程措施：
合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮
机。
3.运行方面：
避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气
第六节水轮机的空蚀系数、吸出高和安装高程
一、水轮机的空蚀系数
反击式水轮机发生空蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了pvpb的情况，因此
防止汽蚀的措施是限制p的降低，使p^pbo
影响水轮机效率的主要原因是翼型空蚀，所以衡量水轮机汽蚀性能好坏一般是
针对翼型空蚀而言，其标志为空蚀系数。
空蚀系数6是水轮机汽蚀特征的一个标志，6越大，越容易破坏。
叶片上压力最低点
通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点（一般为叶片背面靠
近转轮叶片出口处）K点的压力为:
K点的真空值Hkv:
Hkv=已-匕二Hs（Wk_W2wVl）
772g2g
静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关；
动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明汽蚀性能的
只是动力真空：
1
—hk/H（Wk-W2wV2）
2gH
6称水轮机的汽蚀系数，是动力真空的相对值。
6与叶型、工况有关，Wk大一W2大一6大。
6与尾水管的性能有关，nwTFT,汽蚀性能差。
几何形状相似的水轮机，工况相似，6相同；对任一水轮机在既定工况下,
6也是定值。
6值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行水轮机模型试
验得出血，并认为6=6m
、水轮机的吸出高
为了防止空蚀，必须限制K点的压力，使Pk书B
222
_Hs_；「H
PlPaH（Wk-W2V2_）
YY2g2g
保证水轮机内不发生汽蚀的条件：
Pk>PB
Hs=10.0（；「m「）H或简化为Hs=10.0k=mH
900900-
水轮机吸出高Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度Zk，随工况而
改变，规定如下：
（1）立轴混流式水轮机：
导叶下部底环平面到下游尾水垂直高度
（2）立轴轴流式水轮机：
转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度
（3）卧轴贯流式水轮机：
Hs叶片出口最高点到下游尾水垂直高度
（4）设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正
（5）为保证水轮机在运行中不发生空蚀，对各种工况下Hs进行试验，取其中
较小值。
三、水轮机的安装高程
1.立轴HL:
导叶中心平面高程ZaF^w+Hs+b0/2
2.立轴ZL:
导叶中心平面高程Za=Vw+Hs+xDi
3.卧轴HL和GL:
轴中心高程Za=▽w+Hs-Di/2
注：
Vw:
水电站设计尾水位，选用水电站最低尾水位（一台机级组运行时）
b0:
水轮机导叶高度；D1:
转轮直径
VSit尾水也
®2-27水轮机吸扭高庸和妥装高程示倉IU
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