大工14秋《水电站建筑物》辅导4

1、大连理工大学网络教育学院水电站建筑物辅导资料四主 题：第三章 水轮机的动力特性和选型13节学习时间：2014年10月20日10月26日内 容：我们这周主要学习第一大部分水力机械第三章13节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对水轮机相似理论、特性曲线、反击式水轮机选择等相关知识的理解。一、学习要求1. 掌握水轮机相似理论及比转速，了解二次近似相似公式；2. 了解水轮机的模型试验，掌握水轮机特性曲线的绘制；3. 掌握反击式水轮机的选择方法。二、主要内容重要知识点：水轮机相似理论及比转速；水轮机特性曲线；反击式水轮机的选择。第三章 水轮机的动力特性和选型第一节 水轮机的相似理论和比转速1.

2、 水轮机特性 水轮机在不同工况下运行时，各运行参数(H，Q，n，N，)及这些参数之间的关系，称水轮机的特性。2. 模型试验原型：尺寸大，试验困难，不经济。模型：加工速度快、方便，易测量数据，较准确。还可方案比较。3. 相似理论研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确立这些参数间换算关系的理论。（一）水轮机相似条件（熟记三个相似，掌握每个相似内容）保证模型水轮机与原型水轮机相似，必须满足以下三个相似条件：1. 几何相似：原模型水轮机的过流通道几何形状相似，各对应部分尺寸互成比例。（1）对应尺寸成比例：；（2）过流通道的对应角相等：；（3）对应部位的相对糙率相等：；只有同一轮系的水轮机才能建立几何相

3、似关系。2. 运动相似：原模型水轮机进出口速度三角形相似，对应各点的绝对速度、相对速度和圆周速度方向相同，大小互成比例。（1）,； ,；（2）；。运动相似时必须是几何相似，但几何相似的水轮机不一定是运动相似，因为水轮机有不同的运行工况。3. 动力相似：原、模型水轮机各水流对应点所受的同名力(压力、惯性力、重力、摩擦力等)方向相同、大小成比例，且边界条件相同。严格满足几何相似和运动相似的，必然存在动力相似。因为几何相似是运动相似和动力相似的前提条件，因此可以把原、模型水轮机看作同一轮系的两台水轮机。在模型试验时，要同时满足上面三个相似关系是很困难的，因此一般要忽略一些次要因素，得出近似关系式，在

4、有模型转换到原型时，在进行必要的修正。（二）一次近似相似公式（重点掌握三个方程式的参数关系，常见选择题）所谓一次近似相似公式是指在假定原型、模型水轮机效率相等（）条件下，得到的他们之间工作性能转换关系的近似公式。（条件应熟记）1. 转速方程式(第一相似定律) 转速方程式说明，两台水轮机相似，转速与转轮内直径成反比，与水头的平方根成正比。2. 流量方程式(第二相似定律) 流量方程式表明，两台水轮机相似，则流量与转轮直径平方成正比，与水头平方根成正比。 3. 出力方程式(第三相似定律) 表明：两个水轮机相似，出力与转轮直径的平方成正比，与水头的3/2方成正比。变换一下形式得：上述三个方程式是在假定

5、的条件下得到的，但实际上，通常略大于因此，称上述三个公式为第一次近似相似公式 。（三）单位参数1. 单位参数的定义（重要名词解释）在同一轮系的水轮机中，通常以直径D1=1m，在水头H=1m条件下工作的水轮机作为比较的统一标准。在上面的推导中我们得到了3个参数：，这3个参数在数值上分别等于直径D1=1m，在水头H=1m条件下工作时的转速n，流量Q和出力N。我们称这3个参数为单位转速、单位流量和单位出力。2. 从上面的式子可以看出：（1）当、一定时，、随工况(,)的改变而改变，即有一种工况，就有一套单位参数，所以，、又称为工作状态参数。 （2）当、一定时，越大则越大；越大则越大。提高转速，可以减小

6、发电机磁极对数，降低发电机造价；而提高流量可以增加水轮机出力。 所以在、一定时，具有较大的和的水轮机轮系是优越的。和为衡量水轮机技术水平高低的指标。 3. 水轮机单位参数的用途：（1）选择水轮机；（2）绘制水轮机综合特性曲线。把水轮机单位参数公式进行一下变换得：，从上面的公式可知，通过模型试验得到模型的某一工况下的、和，即可得到原型的、和。（掌握参数公式换算）（四）水轮机效率的修正和二次近似相似公式 1. 效率修正 效率修正值的大小与水轮机尺寸有关系，由于影响因素复杂，到目前，尚无完备的计算方法。一般采用国际电工委员会推荐的公式。国际电工委员会公式的假定：（1）不考虑容积效率和机械效率在原、模

7、型中差别：，；（2）不考虑转轮进口撞击损失和出口涡流损失，只考虑管流损失。基于以上假定，国际电工委员会的公式适用于最优工况。效率修正值为：对混流水轮机（穆迪公式）：对轴流（定桨）水轮机（胡顿公式）：最优工况时采用上面两个式子，对于一般工况：，h 是效率最高点修正值。2. 二次近似公式上述效率修正时，也采用了一些假定。通常称经过效率修正后的公式成为二次近似相似公式： ，用单位参数表示为： ，通常实际计算中，仍采用一次近似相似公式： ，式中：单位转速修正值。 单位转速修正值。<3%时，可以不用修正。而通常很小，不需要修正。此时，可用模型的和代替原型的和。（以上一次二次近似公式和参数求解为计算

8、题常见知识点）（五）水轮机的比转速 当原型水轮机与模型水轮机满足相似条件时，单位转速、单位流量和单位出力都是常数。（常通过单位参数计算水轮机各基本参数），可以得到：，称为比转速。由于：；分析以上公式可以发现：（常见选择题）1. 与工况有关，是、和，的综合参数； 2. 在、一定时，、越大，此轮系越优越；3. 随着，导致和，引起导叶高度增大，叶片数下降，降低叶片强度，因此水头不宜过高。所以高比转速水轮机适用于低水头，大流量情况。 第二节 水轮机的模型试验和特性曲线（一）模型试验概述和轮系综合特性曲线 1. 意义 原型水轮机尺寸大，工期长，投资大；模型尺寸小，工期短，造价低，便于方案比较。2. 基本

9、任务 对于生产厂家：生产新型产品，提高效率，减小气蚀；对于设计部门：水轮机的合理选型；对于运行单位：拟定合理的运行方式，确保机组经济、可靠运行。 3. 方法和内容 主要方法有两种： （1）对于某一水轮机(、一定)，通过改变、改变工况，得到效率特性曲线和气蚀特性曲线。 缺点：试验中要改变水头，试验装置过于复杂。现在一般不采用该方法。 （2）对于某一轮系水轮机(一定)做模型试验，通过改变和改变工况，从而得到水轮机的效率关系曲线和气蚀系数关系曲线。（二）水轮机特性曲线（重要知识点，三个曲线名词解释和曲线包含内容）水轮机的特性曲线表示水轮机各参数间关系的曲线叫做水轮机的特性曲线。可分为线性特性曲线和综

10、合特性曲线：线性特性曲线：反映23个参数之间的关系曲线 综合特性曲线：表示多个参数之间的关系，能较完整地描述水轮机各运行工况的特性。1. 轮系综合特性曲线 混流式水轮机轮系综合特性曲线中包括：等开度曲线；等效率曲线；5%出力限制线；等汽蚀系数曲线。轴流式水轮机轮系综合特性曲线中的等开度曲线；等效率曲线；等转角曲线（轮叶）；等汽蚀系数曲线。2. 水轮机工作特性曲线和运转综合特性曲线 水轮机工作特性曲线：水轮机在已定的直径和转速下，在某一水头下运行时出力和效率的关系。运转特性曲线：综合反映某一水轮机在各种运行工况下，水头H、出力N、效率和吸出高度Hs等参数之间的关系的曲线。其以水头H为纵坐标，出力

11、N为横坐标。第三节 反击式水轮机的选择（一）反击式水轮机选择的意义和原则1. 水轮机选择的意义水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。2. 原则 （1）充分考虑电站特点（水文水能、电力系统技术条件，电站总体布置)； （2）有利于降低电站投资、运行费、缩短工期，提前发电；（3）提高水电站总效率，多发电；（4）便于管理、检修、维护，运行安全可靠，设备经久耐用；（5）优先考虑套用机组。3. 主要内容 （1）机组台数Z的选择；（2）机型的选择；（3）主要参数D

12、1和n的选择；（4）计算水轮机的吸出高度Hs。4. 水轮机选择的基本资料（1）水轮机产品技术资料：系列型谱、厂家产品目录、轮系综合特性曲线。（2）水电站技术资料：河流梯级开发方案、水库的调节性能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件。（3）水文情况：特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。（4）水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年运行费等。（二）水轮机台数的选择（常见选择题和简答题）选择机组台数时应综合以下几方面考虑：（1）机组台数与设备制造、运输及安装的关系。Z，N单，安装运输方便，但耗费材料多，加工量大，造价较高，一般都希望选用较大容

13、量的机组，减少机组台数。（2）机组台数与工程建设费用的关系 (工程量、安装维护、结线、运输)。在大多数情况下，机组台数增多将增加工程建设费用。（3）机组台数与电站运行效率的关系。机组台数Z较多时，水电站的平均效率较高，但台数Z达到一定数目，效率不再增加。（4）机组台数与运行、维护的关系。Z较多，水电站运行灵活，易于调度。但运行、维护和检修的工作量及费用随Z增大而增大，所以不宜选择过多的机组台数。（5）机组台数与电气主接线的关系。现行水电站电气主接线采用扩大单元方式较多，故机组台数为偶数有利。由于运行方式机动性和厂用电可靠性的要求，全厂机组台数一般不宜少于两台。综上所述，一般应采用较大的N单，较

14、少的台数Z，但一般至少应选2台，少数情况下可选1台。中大型电站一般选46台，根据机组制造水平和装机容量也可以选用更多的台数。（三）水轮机型号的选择选择型号的依据： ，特征水头（Hmax、Hmin、Havg和Hr）。一般按下面几种方法选择： 1. 根据水轮机系列型谱选择机型。按水电站水头，从型谱参数表中选出合适的水轮机，如果两种型号都适合，则均列为比较方案。 2. 根据水轮机适用范围综合图选择机型 根据特征水头H及单机容量N在水轮机适用范围综合图上选择水轮机型号。3. 套用机组 根据国内正在设计、施工或已经运行的水电站资料，在设计水头接近，经济技术指标相当的情况下，可以优先套用已经生产国的机组，

15、这样可以节省设计工作量，缩短工期，使电站提前投入运行。（四）水轮机转轮主要参数D1和n的选定（掌握选定步骤和方法，设计常用）所选择的D1，n应满足在额定水头Hr下发出水轮机的额定出力，并在加权平均水头时效率最高。 1. 利用轮系适用范围图初选D1和n（中小型）；2. 利用轮系综合特性图选择D1和n。（1）选择D1根据上面公式计算D1，选取接近标准直径的直径值。（2）选择n 由公式计算n，选取与电机标准周期转速最接近的转速作为机组额定转速。（3）修正模型参数 对模型的效率进行修正，计算、，从而获得原型水轮机的效率，单位转速和单位流量。（4）检验所选D1和n是否合适 校核设计水头时的最大出力 根据

16、所选的D1和n，计算出力N，要求所得出力不得小于单机额定出力，如小于，则加大转轮直径D1。 粗略校核水轮机运行区域的工作效率 选定D1和n后，根据相似关系分别求出与Hmax和Hmin对应的单位转速： 将最大和最小单位转速，画在轮系综合特性曲线上，看是否包含高效区，是则说明D1和n值合理，否则需要修改D1和n值。（五）计算水轮机的吸出高度Hs（常见于设计和计算题）H分取Hmax、Hmin和Hr，分取Hmax、Hmin和Hr对应的与5%出力限制线交点处对应的，按右图查取。求出三个Hs，取最小值作为该水轮机的吸出高度。三、本周课程内容典型例题（一）选择题1、在一次近似相似公式中，由转速方程式可知，相

17、似水轮机在相似工况下，转速与转轮直径（ ）。A平方成正比 B平方成反比C成正比 D成反比答案：D2、下列有关运转综合特性曲线坐标的说法中，正确的是（ ）。A以气蚀系数为纵坐标，以出力为横坐标 B以出力为纵坐标，以水头为横坐标C以水头为纵坐标，以出力为横坐标 D出力为纵坐标，以气蚀系数为横坐标答案：C（二）填空题1、保证模型水轮机与原型水轮机相似，必须满足_、_、_三个相似条件。答案：几何相似、运动相似、动力相似2、混流式水轮机轮系综合特性曲线中包括_、_、_、_。答案：等开度曲线、等效率曲线、5%出力限制线、等汽蚀系数曲线（三）重要名词解释总结几何相似、运动相似、动力相似、单位转速、单位流量和单位出力、轮系综合特性曲线、水轮机工作