长沙理工大学水力机械考试题库.docx

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第一章

1、水轮机根据能量转换特征分为哪几类？

反击式水轮机及冲击式水轮机又是如何分类的？

答：

完全利用水流动能工作的水轮机称为冲击式水轮机；同时利用水流动能和势能工作的水轮机称为反击式水轮机。

反击式水轮机按转轮区水流相对于主轴的方向不同又可分为混流式、轴流式（轴流定浆式和轴流转浆式）、斜流式和贯流式水轮机（全贯流式和半贯流式，其中半贯流式又细化为灯泡式、轴伸式和贯流式）；

冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同又可分为水斗式、斜击式和双击式三种。

2、试说明各型水轮机的特点及其应用范围？

答：

反击式水轮机：

（1）混流式水轮机：

水流流经转轮时，以辐向从四周进入转轮而以轴向流出转轮，故称为混流式水轮机。

这种水轮机的适用水头范围为30～700m，由于其适用水头范围广，而且结构简单，运行稳定，效率高，所以是现代应用最广泛的一种水轮机。

（2）轴流式水轮机：

这种水轮机的水流在进入转轮之前，流向已经变得与水轮机主轴中心线平行，因此水流在经过转轮时沿轴向进入而又依轴向流出，所以称为轴流式水轮机。

轴流式水轮机按其叶片在运行中能否转动的情况又分为定桨式和转桨式两种：

轴流定桨式水轮机在运行时其叶片是固定不动的，因而其结构简单，但当水头和流量变化时，其效率相差较大，所以多应用在负荷变化不大，水头和流量比较固定的小型水电站上，其适用水头范围一般为3～50m；轴流转桨式水轮机在运行时转轮的叶片是可以转动的，并和导叶保持一定的协调关系，以适应水头和流量的变化，使水轮机在不同工况下都能保持有较高的效率，因此轴流转桨式水轮机多应用在大中型水电站上，其应用水头范围为3～80m。

（3）斜流式水轮机：

水流流经转轮时倾斜于轴向，故称为斜流式水轮机。

这种水轮机的叶片也是可以转动的，叶片的轴线与主轴轴线斜交，因而与轴流转桨式水轮机相比较就能装置较多的叶片。

适用水头范围有所提高，一般为40～120m。

（4）贯流式水轮机：

当轴流式水轮机的主轴装置成水平或倾斜，而且不设置蜗壳，使水流直贯转轮，这种水轮机称为贯流式水轮机，它是开发低水头水力资源的新型机组。

适用于水头小于20m的情况。

冲击式水轮机：

（1）水斗式水轮机：

其特点是由喷嘴出来的射流沿四周切线方向冲击转轮上的水斗而作功。

适用水头范围为100～2000m。

（2）斜击式水轮机：

其特点是由喷嘴出来的射流，是沿着与转轮平面成某一a角（约为22.5deg;）的方向冲击转轮。

实用水头范围为25～300m。

（3）双击式水轮机：

其特点是由喷嘴出来的射流首先从转轮外缘冲击叶片，接着水流又自内缘再一次冲击叶片。

适用水头范围为5～80m。

注：

斜击式和双击式水轮机构造简单，但效率较低，因而多用于小型水电站。

水斗式水轮机效率高，工作稳定，适用水头范围广，因而是现代最常用的一种冲击式水轮机。

3、水轮机型号由哪几部分组成，各代号的含义？

举两个实例说明！

余下全文

答：

水轮机规定型号由以下三部分组成，各部分之间用一短横线分开：

第一部分是由两个汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，前者代表水轮机型式，后者是转轮型号（用比转速表示）。

第二部分是由水轮机主轴布置型式与进水设备特征的代表符号组成，这些符号也都采用汉语拼音表示。

第三部分是水轮机的标称直径D1（以cm为单位）和其他必要的指标组成。

对水斗式水轮机，型号的第三部分规定按下列方式表示：

水轮机转轮的标称直径/（作用在每一转轮上的喷嘴数目;x;射流直径）

各型水轮机转轮的标称直径规定如下：

对混流式水轮机是指转轮叶片进口边上最大直径；

对斜流式水轮机和轴流式水轮机是指与转轮叶片轴心线相交处的转轮室内径；

对水斗式水轮机是指转轮与射流中心线相切处的节圆直径。

举例如下：

HL220-LJ-550，表示混流式水轮机，转轮型号（比转速）为220，立轴，金属蜗壳，转轮直径为550cm；

ZZ560-LH-800，表示轴流转桨式水轮机，转轮型号为560，立轴，商品混凝土蜗壳，转轮直径为800cm。

4、反击式水轮机引水机构的构造及各部件的作用是什么？

答：

反击式水轮机引水机构主要包括蜗壳以及座环。

蜗壳作用：

使水流以较小的水头损失均匀对称地流入转轮。

座环作用：

加强蜗壳的刚度并传递上部结构力。

座环位于导叶的外围，它是由上、下碟形环和中间若干立柱组成的整体铸钢件。

座环顶部承受着发电机商品混凝土机墩及其传来的荷载，外缘与蜗壳焊接，内缘与顶盖和底环相固定，这样座环在整个水轮机中起着骨架作用，并把所承受的荷载传递到下部基础上去。

5、反击式水轮机导水机构的构造，作用及其工作原理？

答：

反击式水轮机导水机构主要包括导叶及其传动机构（包括转臂、连杆和控制环等）。

导水机构的主要作用是根据机组负荷变化来调节水轮机的流量，以达到改变水轮机输出功率的目的，并引导水流按必须的方向进入转轮，形成一定的速度矩。

导叶均匀分布在转轮的外围，导叶可以随其轴转动，改变导叶的开度a0（相邻两导叶之间可以通过的最大圆柱体直径），就可改变通过水轮机的流量。

导叶的转动是通过其转动机构来实现的，每个导叶轴的上端穿过水轮机的顶盖并用分半键与转臂连成整体，转臂通过连接板，剪断销钉和连杆与控制环相铰接。

当接力器的油压活塞移动时，推拉杆带动控制环转动，使导叶的开度a0亦随之发生变化。

6、试说明混流式水轮机转轮及轴流式水轮机转轮的构造及各组成部分的作用？

答：

（1）混流式水轮机的转轮是由上冠，叶片，下环，止漏环及泄水锥等组成。

上冠：

减小作用在转轮和顶盖之间的轴向水压力。

泄水锥：

用以引导水流顺利地形成轴向流动，以消除水流的撞击和漩涡。

叶片：

随其轴转动，改变通过水轮机的流量。

泄水锥：

使水流受到很大的阻力而不易通过，以达到减小漏水损失的目的。

（2）轴流式水轮机的转轮是由叶片和轮毂组成。

叶片：

像悬臂梁一样承受着水流作用的巨大扭矩，改变水轮机的流量。

轮毂：

叶片的转动机构装在轮毂内，外部连接着叶片，内部安装着叶片的转动机构。

7、试说明冲击式水轮机的构造及其各组成部件的作用？

答：

冲击式水轮机主要由喷管和转轮组成。

来自钢管的高压水流通过喷管端部的喷嘴变为具有高速的自由射流，此时射流内的压力为大气压力，而且在整个工作过程中都不发生变化。

当射流冲击转轮时，从进入到离开转轮的过程中，其速度的大小和方向也都发生变化，因而将其动能传给转轮，并形成旋转力矩使转轮转动。

第二章：

1、水轮机基本方程式的物理意义？

答：

上列方程式说明了单位重量水流的有效出力和水流在转轮进、出口速度矩的改变相平衡，所以水流速度矩的变化是转轮作功的依据。

又是另一种形式的水轮机基本方程式，它明显给出了水轮机有效水头与速度三角形中各项速度之间的关系。

总之，以上几种形式的水轮机基本方程式都给出了单位重量水流的有效出力与转轮进出口水流运动参数之间的关系，它们实质上也都表明了水流能量转换为旋转机械能的平衡关系，可作为转轮和叶片翼型设计的主要依据。

2、水轮机最优工况条件？

为什么最优工况条件下效率最高？

答：

（1）当水轮机同时满足beta;1=beta;e1和beta;2=90deg;的工况下工作时，则水流在转轮进口无撞击损失、出口无涡流损失，此时水轮机的效率最高，所以将这一工况称为水轮机的最优工况。

（2）水轮机的运行工况是经常变动的，当在最优工况运行时，除效率最高外，而且运行稳定，汽蚀性能好。

当偏离最优工况时，效率下降，汽蚀亦随之加剧，甚至会使水轮机的工作遭受破坏，因此必须对水轮机的运行工况加以限制。

3、尾水管的功用有哪些？

动力真空和静力真空是如何形成的？

答：

（1）尾水管的功用：

A、汇集转轮出口的水流，并引导水流排至下游；

B、当Hs0时，以静力真空的方式使水轮机完全利用了这一高度所具有的势能；

C、以动力真空的方式使水轮机回收并利用了转轮出口水流的大部分动能。

（2）在设有尾水管后，转轮出口处形成了压力降低，出现了真空现象，此真空值由两部分组成：

一部分由落差H2形成，称为静力真空，H2也称为吸出高。

另一部分是由尾水管进、出口动能差和扣除水头损失所形成，称为动力真空，它是通过圆锥形尾水管对水流的扩散作用而形成的。

4、水轮机的空化与空蚀是如何形成的？

空蚀有哪些类型？

答：

（1）当压力低于汽化压力时水就空化，而放出大量的汽泡。

这种汽泡在溃灭过程中，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汽蚀破坏作用的现象，称为水轮机的汽蚀（也称为水轮机的空蚀）。

（2）翼型汽蚀、间隙汽蚀、空腔汽蚀、局部汽蚀。

5、水轮机安装高程是指什么高程？

答：

对立轴混流式和轴流式水轮机是指导叶中心平面高程；对卧轴混流式和贯流式水轮机是指主轴中心线高程。

第三章：

1、水轮机的相似条件和相似定律是什么？

研究目的是什么？

答：

相似条件：

主要是指其中的水流运动保持相似，包括几何相似、运动相似和动力相似。

相似定律：

如果两个水轮机的工况相似，则转轮中对应点的水流速度三角形应是相似的，这种相似常以该工况下的水头、流量、转速、出力和效率之间的关系来表示，这些参数之间的固定关系称之为水轮机的相似律（包括流量相似率、转速相似率和出力相似率）。

研究目的：

研究相似水轮机运行参数之间存在的相似规律，并确立这些参数之间换算关系的理论称为水轮机的相似理论，根据这一理论就可以把从模型试验所得出的数据换算到原型水轮机上去，从而得出原型水轮机的特性参数以及这些参数之间的关系。

2、什么是水轮机的轮系、单位参数和比转速？

比转速和转速、机组尺寸、气蚀系数有什么关系？

答：

几何相似是指两个水轮机过流通道几何形状的所有对应角相等，所有对应尺寸成比例。

对于保持有上述几何相似大大小小的一套水轮机系列，简称为轮系。

通常采用将模型试验的成果都化引为D1M=1m，HM=1m标准情况下的参数，此参数称为单位参数（单位参数有单位流量，单位流量和单位出力）。

同一轮系中的水轮机，当其工作水头H=1m、出力N=1kw时所具有的的转速称为比转速。

关系：

在一定水头下，提高比转速时，水轮机的转速增大，这可缩小机组尺寸，减轻机组重量和降低水电站的投资。

但当提高水轮机的比转速时，其气蚀系数亦随之迅速增大，而增大了的汽蚀系数将会增大厂房的开挖深度或减小水轮机的寿命。

所以选择水轮机时，其合理的比转速应通过动能经济比较确定。

3、水轮机的参数和特性曲线有哪些？

模型综合特性曲线的作用及其组成？

答：

（1）水轮机的参数包括结构参数、工作参数和综合参数。

结构参数有转轮直径D1、导叶高度b0、导叶开度a0和叶片转角等；

工作参数有水头H、流量Q、转速n和吸出高Hs等；

综合参数有单位转速、单位流量、轴功率、效率和汽蚀系数等。

水轮机的特性曲线包括线性特性曲线和综合特性曲线两大类。

（2）作用：

模型水轮机的综合特性曲线就给出了模型水轮机在所有运行工况下导叶开度a0、效率、汽蚀系数等的变化规律，亦即表示出模型水轮机的能量特性和汽蚀特性。

组成：

等开度线、等效率线、5%出力限制线和等汽蚀系数线。

第四章：

1、水轮机选型设计中应遵循哪些原则？

工作的具体内容有哪些？

答：

水轮机的选择，在确定水轮机的型号和有关参数时，应结合枢纽布置、工期安排以及水

轮机的制造、运输、安装和运行维护等方面的因素，列出可能的水轮机待选方案，进行各方案之间的动能经济比较和综合分析，力求选出技术上先进可靠，经济上合理的水轮机。

工作的具体内容：

（1）选择水轮机发电机组的台数和单机容量；

（2）选择水轮机的型号及装置方式；

（3）确定水轮机转轮的直径及转速；

（4）确定水轮机的吸出高度及安装高程；

（5）绘制水轮机的运转特性曲线；

（6）确定蜗壳及尾水管的型式及主要尺寸；

（7）选择调速器及油压装置；

（8）选择水轮机发电机的型号并估算其各部尺寸和有关数据。

2、机组台数的确定需要考虑哪些主要问题？

答：

（1）机组台数与机电设备制造的关系；

（2）机组台数与水电站投资的关系；

（3）机组台数与水电站运行效率的关系；

（4）机组台数与水电站运行维护工作的关系。

3、水轮机机型如何确定？

答：

水轮机的型号选择是在已知机组容量和各种特征水头的情况下进行的，一般常用下列两种方法选择：

（1）根据水轮机的系列型谱选择；

（2）采用套用机组。

4、试阐述用模型综合特性曲线选择水轮机主要参数的具体步骤？

答：

反击式水轮机主要参数的选择：

（1）选择转轮直径

（2）效率修正值的计算；

（3）选择转速；

（4）工作范围的验算；

（5）吸出高的计算。

水斗式水轮机主要参数的选择：

（1）转轮直径；

（2）射流直径；

（3）喷嘴直径；

（4）转速；

（5）水斗数目。

5、水轮机选型设计中进行各待选方案的分析比较主要包括哪些内容？

答：

模型转轮参数：

推荐使用的水头范围、最优单位转速、最优单位流量、限制工况单位流量、最高效率、设计工况汽蚀系数。

原型水轮机参数：

工作水头范围、转轮直径、转速、最高效率、额定出力、最大引用流量、吸出高。

6、蜗壳水力计算的目的？

金属蜗壳与商品混凝土蜗壳水力计算有什么区别？

原因是什么？

答：

目的：

进行蜗壳各中间断面的计算，选择出合适的蜗壳。

7、尾水管有哪些类型？

各适用于什么条件？

答：

（1）直锥型尾水管：

直锥型尾水管一般用钢板制成，其结构简单性能良好，在各部尺寸选得合宜时，其动能恢复系数可达0.8~0.85。

它仅适用于小型水轮机，因为大中型水轮机如果采用L/D3=3~4时，会形成很深的开挖，这是很不经济的。

（2）弯锥型尾水管：

对小型卧轴混流式水轮机，为了布置上的方便多采用弯锥型尾水管。

（3）弯肘型尾水管：

对大中型水轮机，为了减少尾水管的开挖深度，均都采用弯肘型尾水管。