第三章水轮机的相似理论及综合特性曲线

1、第三章  水轮机的相似理论及综合特性曲线§3.1  相似理论概述一、几个基本概念1、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。水轮机设计、制造、选型、最佳运行方案、限制条件。由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机特性靠理论与实验相结合。2、模型试验试验研究：   原型：尺寸大，试验困难，不经济。             模型：(D: 250460mm，H：26m)快、方

2、便，易测量数据，较准确。3、相似理论研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确立这些参数之间的换算关系的理论。二、水轮机相似条件保证模型水轮机与原型水轮机相似，只有符合一定的相似条件(水流运动相似)。1、 几何相似： 过流通道几何形状相似   (1)、过流通道的对应角相等：e1e1M ；e2e2M ；M(2)、对应尺寸成比例：D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M.(3)、对应部位的相对糙率相等：/ D1M/D1M    几何相似: 大大小小的一套水轮机系列轮系，同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。2、 运动相似： 同一轮系水轮机、工况相似&

3、#160;    (1)、过流通道的对应点的速度方向相同(2)、过流通道的对应点的速度大小对成比例 即速度三角形相似。3、 动力相似： (压力、惯性力、重力、摩擦力等)同一轮系水轮机，水流对应点所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。3.2 水轮机的相似定律、单位参数及比转速一、水轮机的相似定律相似定律：建立模型击原型水轮机各个参数(H、n、N、)之间的关系。1 流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的关系。(a=aM)           

4、;    均为固定值，QM可以测得，若rM、sM、r、s已知，可求出Q。2. 转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间的关系。         3. 出力相似律：即原型和模型水轮机出力之间的关系。        二、单位参数(在不同轮系之间进行比较)将模型试验结果化成为D1M=1m，HM=1m标准情况下的参数单位参数，分别用表示。假定：，(实际上，原型效率模型效率，需修正)1 单位流量：   

5、60;      (m3/s)2 单位转速：             (r/min)3 单位出力：         (KW)单位参数对同一轮系水轮机在不同的相似工况下分别为一常数(工况不同，单位参数不同)。单位参数由模型试验得出原形水轮机的参数(相应工况)。冲击式水轮机的单位参数：     

6、0;                          通常用，表示水轮机的运行工况。当几何相似，对应相等时，两个水轮机工况相似。(略去效率、吸出高度和汽蚀系数的影响)三、水轮机的比转速(Specific speed)1、 定义：同一轮系水轮机，当其工作水头H=1m，出力N=1KW时，所具有的转速。2、 公式：(m.kW)3、 意义：(1)  表示

7、水轮机特征的一个综合参数(与D1无关)，能将水轮机的各个参数n、H、 N之间的关系综合反映出来，代表了水轮机的轮系特征。(2)  工况相似时，=常数，即不随工况变化。(3)  一般按H设、N额、n额确定该水轮机轮系的特征参数。                             

8、60;                            (m.kW) 特征参数水轮机型谱规定    ZL：                 &#

9、160;               HL：    用单位参数表示：   (m.kW)水斗式水轮机：        (m.kW)4、            讨论：        (1)、相似

10、水轮机，工况相似，相同，不同的，反映不同轮系水轮机特征。(2)、当H一定时：Q1,n1Nn。机组尺寸缩小，投资减少，因此提高比转速可以降低造价。(3)、当水头和处理一定时，ns越高，汽蚀系数越大，增加厂房开挖。(4)、比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数目减少。§3.3 水轮机的效率换算与单位参数修正一、      水轮机效率换算上节的单位参数公式是在假定相似工况下，实际上(2%7%)，因此要把转换为。的原因：  。一般只考虑水力效率代，且只考虑最优工况下的水力损失(只有沿程损失)。1、  &

11、#160;         最优工况下的效率修正           m1/4 或1/5ZD、HL：     ZZ：          通过模型试验确定，代入上式即可求出原形水轮机效率。2、        &#

12、160;   一般工况      式中：为最高效率点效率修正值。，为制造工艺误差。(1)   HL、ZD：  ，(2)   ZZ         ，(3)   水斗式：   当：，不做修正。二、单位参数的修正(不同，也要加以修正)只考虑s时(即用s代替)：  1 最优工况时：       

13、             2 其他工况时：                                       

14、                   一般不作的修正，当时，忽略不计。§3.5 水轮机的模型试验一、模型试验的目的、任务及类型1、目的任务   目的：保证水轮机在工作范围内高效率、稳定运行 研究水轮机在各种工况下的能量特性、汽蚀特性等 必须依靠水轮机模型试验(因水流在转轮中的运动相当复杂，理论分析困难，只有在最优工况下，作些假定后才能进行)任务：水轮机模型试验是按一定比例将原形水轮机缩小

15、为模型水轮机，并采用较低的模型水头HM和较小的QM 进行试验，测出各工况下的工作参数，然后通过相似公式换算和修正得出该轮系的综合参数。2、具体事项1)、D1M：250  350  460mm； HM：26m； QM：2030L/s2000L/s2)、实际电站正常运行： n=ne  不变，H、Q随N、水库调节变化改变了水轮机工况；模型试验中工况改变：(变化HM较复杂)，一般取HM=C，改变nM和QM。3、类型能量试验、汽蚀试验、飞逸试验、轴向水推力试验等。二、能量试验的任务1、测定模型水轮机在各种工况下的运行效率M，通过测量nM、NM、QM、HM四个基本参数，绘制水

16、轮机综合特性曲线和运转特性曲线。2、 能量试验台的组成：压力水箱(相当上游水库)，引水室(引水、进水设备)，明槽或压力管道，模型水轮机，尾水槽(尾水渠)，堰槽(测流量)，回水槽(循环用水，用泵打入压力水箱)3、 试验参数的测量(1)、HM： HM为压力水箱和尾水槽水位差，用毛水头代替工作水头。(2)、QM： 通过测堰顶水头，(3)、nM： 机械转速表，由电子脉冲器、光电测速仪(4)、： 模型水轮机轴输出功率，通过测动力矩M=P.L          NM =M=PL nM/9549.3 (kW) 

17、;  =2nM4、 试验方法(1)、HM=const；(2)、选择一定的导叶开度a0M，改变负荷P，使M改变，测量各工况下(nM、NM、QM、HM)，计算                                     &

18、#160;                         §水轮机模型综合特性曲线一、      水轮机参数及特性曲线1、水轮机参数：参数关系反映水轮机特性。(1)、结构参数：转轮直径D1，导叶高度b0，导叶开度a0，叶片转角(2)、工作参数：H、Q、n 、Hs(3)、综合参数：，轴功率N、2、特性曲线：各参数之间的关系曲线(