水电站精品ppt－4——水轮机的相似原理及特性曲线.ppt

1、水 电 站,2009年11月,第三章 水轮机的相似原理及特性曲线,第一节 水轮机的相似原理概述 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。 由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机的特性需要理论与实验相结合。,2、模型试验 原型：尺寸大，试验困难，不经济。 模型：(D : 250460mm，H ：26m) 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,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)

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： (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。 同一轮系水轮机，保持运动相似的工作状况相似工况 3、动力相似 (压力、惯性力、重力、摩擦力等) 同一轮系水轮机，水流对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。,第二节 水轮机的相似率、单位参数和比转速,一、水轮机的相似定律 相似定律：水轮机在相似工况下运行时，各工作参数(H、n、N、)之

3、间的固定关系。 建立模型与原型水轮机各个参数之间的关系。 1、 转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间的关系。,2、流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的关系。(a=aM) 3、出力相似律即原型和模型水轮机出力之间的关系。 均为固定值，QM可以测得，若0M、sM、0、j已知，可求出Q。,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，原型效率大于模型效率，需修正),1、 单位流量 2、 单位转速 3、 单位出力,通常用Q1，n1 表示水轮机的运行工况。当几何相似，单位流量和单位转速对应相等时，两

4、个水轮机工况相似。 对同一轮系水轮机在不同的工况下单位参数分别为一常数(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)。 水轮机在最优工况下的单位参数最优单位参数，用(Q10, n10, N10)表示。,三、水轮机的比转速,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。 是表示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。 ns随工况变化，一般按Hr、Ne、ne确定该水轮机轮系的特征参数。,水轮机牌号中的转轮型号，即是比转速。 不同的轮系，有不同的比转速。目前

5、，各种类型的水轮机比转速的大致范围为： 贯流式：ns=600-1000 轴流式：ns=200-850 斜流式：ns=150-350 混流式：ns=50-300 水斗式：ns=10-35(单喷嘴),不同比转速的转轮形状,讨论： 相似水轮机，工况相似，ns相同。不同的ns ，反映不同轮系水轮机特征。 当H一定时： ns Nn。机组尺寸缩小，投资减少，因此提高比转速可以降低造价。 当H和N一定时，ns越高，空蚀系数越大，需要增加厂房开挖。 比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数目减少。,第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正,一、效率换算经验公式 前面的单位参数公式是假定在相似工况下，=M

6、，但实际上M(约2%7%)。 其原因是： 其中/D为相对粗糙度,第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正,二、水轮机效率换算经验公式 1、最优工况下的效率修正 采用1963年国际电工委员会推荐的公式： 混流： 轴流：,2、一般工况 HL、ZD： ZZ ： 注意：轴流式水轮机，每个叶片转角都对应一个最优工况。 三、单位参数的修正 最优工况时： 其他工况时：,第四节 水轮机的主要综合特性曲线,一、水轮机模型试验简介 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、空蚀特性等。 任务：水轮机模型试验是按一定比例将原形水轮机缩小为模型水轮机，并采用较低的模型水头HM和较小

7、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。 类型：能量试验、空蚀试验、飞逸试验、轴向水推力试验等。,综合特性曲线是多参数之间的关系曲线。 以(n1,Q1)为坐标场，绘制、a0、等值线。 首先计算各个工况点: (1) 等开度线绘制 (2) 等效率线绘制 (3) 5%出力限制线绘制 (4) 等汽蚀线绘制,二、水轮机的主要综合特性曲线,混流式水轮机的模型综合特性曲线,轴流转浆式水轮机的模型综合特性曲线,ZZ440模型综合曲线,轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线,冲击式水轮机的模型综合特性曲线,第三节 水轮机运转特性曲线的绘制,研究目的：进一步分析比较原

8、型水轮机各方案之间的能量特性，指导水轮机的安全运行。 综合反映原型水轮机H、N、Hs等参数之间的关系曲线 组成：N为横座标，H为纵座标，绘有=f(H,N) Hs=f(H,N), 出力限制线。反映能量特性、空蚀特性、运行限制范围。 绘制方法：根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。,水轮机运转特性曲线,等效率线,等吸出高度线,一、HL水轮机运转特性曲线,等效率线=f(H,N) 在Hmax ,Hmin之间，取46个特征H，其中要包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，绘制每个水头下的=f(N) 效率修正； 单位转速和单位流量的修正； 运转特性曲线的计算；,5%出力限制线,等效率曲线计算表,为了保证

9、绘制运转综合特性曲线的精确性，在H、N网格上至少绘出三个水头，其中包括Hmax、Hmin和Hr(或Hav)。对每一个水头，计算出对应的n1。 在轮系综合特性曲线上绘制n1的水平线，并查出其与等效率线交点的坐标(M, Q1)； 计算出原型水轮机的效率； 按照公式N=9.81Q1D12H3/2计算水轮机的出力； (5) 辅助曲线的绘制：以效率为纵坐标，出力N为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条工作特性曲线。见图1。,图1 图2,(6) 运转综合特性曲线的绘制 以水头为纵坐标，出力为横坐标，绘出坐标系。见图2。 在图2上绘出几个特征水头的水平线。 在图1上选取几个整数效率值，画出水平线，与辅助

10、曲线形成一些交点。 将上面结点的坐标绘在图2上。 将相同效率数值的点用曲线相连。就绘成了水轮机运转综合特性曲线的等效率曲线。,出力限制线的绘制 Hr是N= Nr时的最小水头，当HHr时，水轮机限制在N= Nr内；A（Nr ，Hr） 当HHr时，水轮机则受到5%出力限制线的限制，对限制线上各点分别计算，得出B(Hmin, Nmin)，连接A和B，即为HHr时的出力限制线。,2. 出力限制线的绘制,根据表中三个水头下所得到的出力，可以在运转综合特性曲线上绘出三个点。连接着三个点即可得到斜向阴影线。 在高水头下，水轮机的出力受发电机最大限制出力的限制，作竖向阴影线N=Nf。 整个出力限制线由两部分组

11、成：N=Nf的竖直线段和三个水头下的斜向阴影线。这两条直线的交点即为机组的最终设计水头Hr。,(1) 根据前面等效率曲线计算表的结果作不同水头下Q1= f(N)的辅助曲线。 (2) 在相应的模型综合特性曲线 上，作各水头下n1的水平线，它与汽蚀系数线相交于许多点，记下各点(，Q1)，列入表，由Hr曲线查得，见下页图 (3) 由Q1可在N=f(Q1)辅助曲线上查得相应的N值，并记入表。 由公式计算出不同时的Hs。 在表内计算N、 +、Hs(由图查出),3. 等吸出高度线的绘制,(6) 在Hs=f(N)上，作Hs=C线，交点(H, N)，在HN内绘出即可。 等吸出高度线给出了水轮机在其工作范围内，各运行工况下的最大允许吸出高度，以便进行方案比较，确定水轮机的安装高程。,空蚀系数的修正曲线,P52. 图2-16,等吸出高度曲线计算表,二、轴流转浆式水轮机运转特性曲线,有不同的转角，所以进行效率修正时，应按不同的转角计算效率修正值。即在综合特性曲线上的n1水平线，选取与等线相交处的M和Q1。 出力限制线的绘制。当HHr时，水轮机出力受发电机额定出力的限制，为垂直线。当HHr时，水轮机的出力受最大过水能力的限制，即导叶最大开度的限制。 等吸出高曲线的绘制