Day 1 — 机械电气

编制说明：本资料依据《水利工程质量检测员资格考试大纲》专业科目4（机械电气），以教材第一篇（水力机械）和第二篇（电气设备）原文顺序进行编排。教材知识点进行了精简归纳，每条知识点标注大纲要求等级【了解】或【掌握】。

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一、水力机械

（一）水力机械质量检测基础

1. 了解

1. 水力机械质量检测的目的和意义：通过对水力机组开展质量检测，可校核加工制造质量，了解运行时电气、机械、水力等特性，合理整定工作参数，为安全、经济运行提供技术资料；也是检验水机理论、计算方法、鉴定制造和安装质量的可靠依据，还可为设计新型水力机组提供技术参考。

1. 水力机械定义及分类：水力机械是以液体（水）为工作介质与能量载体的机械设备。按液体与机械相互作用方式分为容积式（工作介质在可变容积工作腔，力作用主要为静压力）和叶片式（能量转换在连续绕流叶片的介质与叶轮间进行，叶片使介质速度变化）。按功能分为五类：水力原动机（水轮机）、水力工作机（水泵）、可逆式水力机械（水泵水轮机）、液力传动装置、水力推进机械。

1. 水轮机类型及结构特点：

- 反击式（转换位能、压能、动能）：

- 混流式（HL）：水流径向进入、轴向流出，转轮由上冠、下环、叶片组成，水头 $20\sim 700$ m，应用最广泛

- 轴流式（ZD/ZZ）：水流轴向，转轮由转轮体和叶片组成，叶片数较少，叶片轴线与主轴垂直，水头 $3\sim 80$ m

- 斜流式（XL）：叶片轴线倾斜于主轴，叶片数 $8\sim 12$，水头 $40\sim 200$ m

- 贯流式（GD/GZ）：流道近似直筒状卧轴式，不设蜗壳，水头 $1\sim 40$ m

- 冲击式（仅转换动能）：

- 水斗式（CJ）：射流沿切线方向冲击斗叶，水头 $40\sim 2000$ m

- 斜击式（XJ）：射流与转轮平面成约 $22.5^{\circ}$ 方向，水头 $20\sim 300$ m，效率较低

- 双击式（SJ）：水流两次冲击叶片，水头 $5\sim 100$ m，效率低、强度差

1. 水泵类型及结构特点：

- 离心泵：利用离心运动抽水，主要由泵壳、叶轮、泵轴、轴承、密封环、填料函等组成，按吸入方式分单吸/双吸，按叶轮数目分单级/多级

- 轴流泵：液体沿轴线输送，叶轮装 $2\sim 7$ 个叶片，有立式/卧式/斜式/贯流式，叶片可固定或可调

- 混流泵：介于离心泵和轴流泵之间，液体斜向流出，比转速 $300\sim 500$

1. 水泵水轮机类型及结构特点：亦称可逆式水轮机，转轮顺时针旋转为水轮机工况、逆时针为水泵工况，主要用于抽水蓄能电站。类型包括混流式（水头 $100\sim 800$ m，结构简单、应用最多）、斜流式（水头 $30\sim 140$ m，桨叶可调）、贯流式（水头 $3\sim 20$ m）。

1. 水力机械电测基础：电测法即传感器+数据采集和分析系统，其测量系统由传感器→信号调理→数据显示存储→后续数据分析 4 个环节组成。传感器是将被测物理量变换为便于传送和处理的电量（通常为电量）的器件或装置，由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电路组成。

1. 常用检测仪器：

- 超声波探伤仪：A 型显示脉冲反射式，由探伤仪、探头和试块组成

- 千分表：利用精密齿条齿轮机构制成的长度测量工具

- 粗糙度仪：用于测量结构部件表面粗糙度

- 声级计：按频率计权和时间计权测量声压级

- 计算机数据采集系统：由传感器、模拟多路开关、放大器、采样/保持器、A/D 转换器、计算机及外设组成；采样率应满足 $f_s > 2f_{max} + f_{trans}$

2. 掌握

1. 水力机械基本参数：

- 水头/扬程 $H$：进口断面与出口断面之间水流单位能量差（m）

- 流量 $Q$：单位时间内通过过流断面的水流体积（$m^3/s$）

- 转速 $n$：叶轮在单位时间内的旋转次数（r/min）

- 水力功率 $P_h = \gamma Q H = \rho g Q H$

- 水轮机效率 $\eta_t = P_t/P_h$，水泵效率 $\eta_p = P_h/P_p$，能量损失包括水力损失、容积损失、机械损失

专业术语速查：水力机械基本概念与术语见表1.2，涵盖振动、压力、应力、效率、比能、功率等核心概念的定义、符号与单位。

表1.2 水力机械基本概念与术语

术语	定义	符号	单位
振动	机械系统相对于平衡位置随时间的往复变化
绝对振动	振动的参考坐标为惯性坐标或大地(基础)
相对振动	振动的参考坐标为非惯性坐标或另一振动体
绝对压力	相对于以理想真空为基准的流体测量的静压力	$p_{abs}$	Pa
环境压力	周围空气的绝对压力	$p_{amb}$	Pa
表计压力	在同一测量地点和测量时间流体的绝对压力与环境压力之差, $p = p_{abs} - p_{amb}$	p	Pa
压力脉动	在选定时间间隔 $\Delta t$ 内液体压力相对于平均值的往复变化	$\Delta H/H, \tilde{p}$	Pa
应力	单位面积上受到的力	$\sigma$	Pa
应力脉动	在选定时间间隔 $\Delta t$ 内应力相对于平均值的往复变化	$\tilde{\sigma}$	Pa
转速脉动	在选定时间间隔 $\Delta t$ 内转速相对于平均值的往复变化	$\tilde{n}$	rad/s
功率脉动	在选定时间间隔 $\Delta t$ 内功率相对于平均值的往复变化	$\tilde{P}$	W
高压基准断面	性能保证所指定的机器高压侧断面(见图1.15)	$1$
低压基准断面	性能保证所指定的机器低压侧断面(见图1.15)	$2$
高压测量断面	这些断面应尽可能与断面1一致,或其测量值可换算到断面1	$1', 1''\cdots$
低压测量断面	这些断面应尽可能与断面2一致,或其测量值可换算到断面2	$2', 2''\cdots$
温度	热力学温度表示摄氏温度数值时 $\nu = \Theta - 273.15$ 表示温差或温度间隔时 $1^{\circ}C = 1 K$	$\Theta$ $\nu$	K°C
质量流量	单位时间内流过系统中任一断面的水的质量	$\rho Q$	kg/s
体积流量	单位时间内流过系统中任一断面的水的体积	Q	$m^{3}/s$

续表1.2

术语	定义	符号	单位
指数流量	采用差压法测得的相对流量 $Q_i = k \cdot h^n$	$Q_i$	m3/s
平均流速	流量被过流断面A除,即Q/A	v	m/s
比能	任一断面每单位质量的水具有的能量	e	J/kg
机械的水力比能	水轮机高压侧(蜗壳进口)和低压侧(尾水管出口)基准面之间的比能差: $E = \frac{p_{\text{abs1}} - p_{\text{abs2}}}{\bar{\rho}} + \frac{v_1^2 - v_2^2}{2} + \bar{g}(z_1 - z_2)$ 其中: $\bar{\rho} = \frac{\rho_1 + \rho_2}{2}, \bar{g} = \frac{g_1 + g_2}{2}$ 式中:v、z为基准面的流速和高程; $p_{\text{abs1}}$ 、 $p_{\text{abs2}}$ 为高、低压侧压力值	E	J/kg
转轮单位机械能	转轮和主轴法兰传递出的机械功率 $P_m$ 与质量流量( $\rho Q$ )1之比 $E_m = \frac{P_m}{(\rho Q)_1}$	$E_m$	J/kg
水轮机水头/水泵扬程	$H = E/g$	H	m
水力功率	用于生产电能的水力功率(水轮机)或给予水的水力功率(水泵)	$P_h$	W
机器机械功率	由水轮机主轴向发电机提供或由电动机供给水泵主轴的机械功率,其中包括分配给有关轴承的机械损失。水轮机 $P = P_a + P_b + P_c + P_d + P_e + P_f$ 式中: $P_a$ 为在发电机出线端测出的输出功率; $P_b$ 为包括风损在内的发电机机械和电气损失; $P_c$ 为发电机推力轴承损失; $P_d$ 为其他回转部件的损失,如飞轮、齿轮等; $P_e$ 为被驱动辅助机械的功率; $P_f$ 为供给调速器等的功率。水泵 $P = P_a - (P_b + P_c + P_d + P_e) + P_f$ 式中: $P_a$ 为电机输入功率,其他符号同前,但为电动机相应的损失	P	W
转轮机械功率	由转轮与主轴连接法兰处传递出的机械功率水轮机 $P_m = P + P_{\text{Lm}} + P_f$ 水泵 $P_m = P - P_{\text{Lm}} - P_f$	$P_m$	W

续表1.2

术语	定义	符号	单位
水力效率	水轮机转轮输出功率与输入水力功率之比: $\eta_{\mathrm{h}} = \frac{P_{\mathrm{m}}}{P_{\mathrm{h}}} = \frac{E_{\mathrm{m}}}{E \pm \frac{\Delta P_{\mathrm{h}}}{P_{\mathrm{m}}} E_{\mathrm{m}}}$ 水泵输出水力功率与输入泵转轮功率之比: $\eta_{\mathrm{h}} = \frac{P_{\mathrm{h}}}{P_{\mathrm{m}}} = \frac{E \pm \frac{\Delta P_{\mathrm{h}}}{P_{\mathrm{m}}} E_{\mathrm{m}}}{E_{\mathrm{m}}}$	$\eta_{\mathrm{h}}$	—
机械效率	水轮机传递给发电机的轴功率与转轮输出轴功率之比: $\eta_{\mathrm{m}} = \frac{P}{P_{\mathrm{m}}}$ 电动机传递给水泵泵轮的轴功率与水泵轴功率之比: $\eta_{\mathrm{m}} = \frac{P_{\mathrm{m}}}{P}$	$\eta_{\mathrm{m}}$	—
效率	水力效率与机械效率之乘积:水轮机 $\eta = \frac{P}{P_{\mathrm{h}}} = \eta_{\mathrm{h}} \cdot \eta_{\mathrm{m}}$ 水泵 $\eta = \frac{P_{\mathrm{h}}}{P} = \eta_{\mathrm{h}} \cdot \eta_{\mathrm{m}}$	$\eta$	—
相对效率	任意工况点的效率与基准值(效率)之比	$\eta_{\mathrm{ref}}$	—

插图：水力机械典型示意图

1. 水力机械基本方程（欧拉方程）：

$$H\eta_s = \frac{1}{g}(u_1 V_{U1} - u_2 V_{U2}) = \frac{\omega}{g}(V_{U1} r_1 - V_{U2} r_2)$$

• $H$ —— 水头/扬程（m）
• $\eta_s$ —— 水力效率
• $g$ —— 重力加速度（m/s²）
• $u_1$、$u_2$ —— 叶片进、出口圆周速度（m/s）
• $V_{U1}$、$V_{U2}$ —— 进、出口绝对速度周向分量（m/s）
• $\omega$ —— 角速度（rad/s）
• $r_1$、$r_2$ —— 进、出口半径（m）

动叶片与流体交换的能量与叶片进出口速度矩差及角速度有关。径流/混流式：工作机 $r_2 > r_1$（离心流动），原动机 $r_1 > r_2$（向心流动）；轴流式 $r_1 = r_2$，能量转换取决于周向速度增减。

1. 水轮机特性曲线：

- 线性特性曲线（3 个常数参数固定）：工作特性曲线（固定 $H$、$n$）、转速特性曲线（固定 $H$、$a_0$）、水头特性曲线（固定 $n$、$a_0$）

- 综合特性曲线（2 个常数参数固定）：

- 模型综合特性曲线：以 $n_{11}$、$Q_{11}$ 为坐标，含等效率线、等开度线、等空化系数线、$5\%$ 功率限制线、等压力脉动线、飞逸特性曲线

- 运转综合特性曲线：以 $H$、$P$ 为坐标，含等效率线、等吸出高度线、功率限制线

插图：水轮机特性曲线

1. 水泵特性曲线：

- 工作特性曲线（$n=const$）：$H-q_v$ 曲线（低 $n_s$ 离心泵呈驼峰，高 $n_s$ 轴流泵可能出现不稳定）、$P-q_v$ 曲线、$\eta-q_v$ 曲线、$[\Delta h]-q_v$ 汽蚀特性曲线

- 综合特性曲线：以 $H$、$q_v$ 为坐标，标出不同转速下的等效率线

- 泵基本参数还包括汽蚀余量 NPSH（净正吸头），$P_e = H q_m g = \rho g q_v H$，$\eta = P_e/P$

插图：泵的特性曲线

1. 质量流量与体积流量关系：$q_m = \rho q_v$（$\rho$ 为液体密度，常温清水 $\rho = 1000\ kg/m^3$）

1. 水力机械质量检测的内容：

- 设备投运前：结构部件材料性能检测（力学性能、探伤、残余应力）、结构部件尺寸检测（几何尺寸、型线、形位公差、粗糙度）、机组安装过程关键检测（轴线、导轴承轴瓦间隙、定转子圆度）、机组启动调试试验

- 设备投运后：效率试验、过渡过程试验、稳定性试验、力特性试验、空蚀与磨损试验、机组启动试验

1. 检测参数：流量、流速、水头（扬程）、水位、压力、压差、真空度、压力脉动、空蚀及磨损、温度、效率、转速、振动位移/速度/加速度、噪声、形位公差、粗糙度、硬度、振动频率、材料力学性能等。

1. 常用传感器分类：

- 按被测物理量：位移、速度、加速度、力、温度等传感器

- 按物理原理：机械式、电气式、辐射式、流体式

- 按信号变换特征：物性型（利用材料物理性质变化）、结构型（通过结构参数变化实现信号转换）

- 按与被测量关系：能量转换型（无源）、能量控制型（有源）

- 按输出量性质：模拟式、数字式

1. 传感器基本特性：

- 静态特性：测量范围（最小到最大输入量范围）、量程（上下限代数差）、精度 $S = \Delta/y_{FS} \times 100\%$、线性度 $\gamma_L = \pm \Delta L_{max}/y_{FS} \times 100\%$、灵敏度 $k = \Delta y/\Delta x$、分辨率、迟滞、零点漂移

- 动态特性：传感器对随时间变化的输入量的响应特性

1. 传感器选用原则：

- 测量对象与测量环境（量程、体积、接触/非接触、信号引出方式）

- 灵敏度（线性范围内越高越好，但需高信噪比，有方向性）

- 频率响应特性（允许频率范围内不失真，延迟越小越好）

- 线性范围（越宽量程越大，非线性误差较小的可近似为线性）

- 稳定性（环境适应能力强）

- 精度（根据测量目的和经济性选择）