水头H及其特征解析

水轮机的水头（亦称工作水头）是指水轮机进口和出口截面处单位重量的水流能量差，单位为m，如图1-14所示。对反击式水轮机，进口断面取在蜗壳进口处Ⅰ—Ⅰ断面，出口取在尾水管出口Ⅱ—Ⅱ断面。列出水轮机进、出口断面的能量方程，根据水轮机工作水头的定义可写出其基本表达式

图1-14　水电站和水轮机的水头示意图

式中 E——单位重量水体的能量，m；

Z——相对某一基准的位置高度，m；

P——相对压力，N/m2 或Pa；

V——断面平均流速，m/s；

α——断面动能不均匀系数；

γ——水的重度，其值为9810N/m3；

g——重力加速度，9.81m/s2。

式（1-1）中，计算常取αⅠ=αⅡ=1，αV2/2g 称为某截面的水流单位动能，即比动能，其单位为m；P/γ称为某截面的水流单位压力势能，即比压能，其单位为m；Z 称为某截面的水流单位位置势能，即比位能，其单位为m。αV2/2g、P/γ 与Z 的3项之和为某水流截面水的总比能。(www.xing528.com)

水轮机水头H 又称净水头，是水轮机做功的有效水头。上游水库的水流经过进水口拦污栅、闸门和压力水管进入水轮机，水流通过水轮机做功后，由尾水管排至下游，在这一过程中，产生水头损失Δh。上、下游水位差值称为水电站的毛水头Hg，其单位为m。

因而，水轮机的工作水头又可表示为

式中 Hg——水电站毛水头，m；

Δh——水电站引水建筑物中的水力损失，m。

从式（1-2）可知，水轮机的水头随着水电站的上下水位的变化而改变，常用几个特征水头表示水轮机水头的范围。特征水头包括最大水头Hmax、最小水头Hmin、加权平均水头Ha、设计水头Hr 等，这些特征水头由水能计算给出。

（1）最大水头Hmax，是允许水轮机运行的最大净水头。它对水轮机结构的强度设计有决定性的影响。

（2）最小水头Hmin，是保证水轮机安全、稳定运行的最小净水头。

（3）加权平均水头Ha，是在一定期间内（视水库调节性能而定），所有可能出现的水轮机水头的加权平均值，是水轮机在其附近运行时间最长的净水头。

（4）设计水头Hr，是水轮机发出额定出力时所需要的最小净水头。

水轮机的水头，表明水轮机利用水流单位机械能的多少，是水轮机最重要的基本工作参数，其大小直接影响着水电站的开发方式、机组类型以及电站的经济效益等技术经济指标。