水轮机的特性曲线.ppt

1、第5章 水轮机的特性曲线,第一节 特性曲线的类型 第二节水轮机模型综合特性曲线绘制 第三节水轮机运转综合特性曲线绘制 第四节 水轮机飞逸特性 第五节 水轮机的轴向水推力,水轮机的内特性与外特性,水轮机内特性 水轮机内部流场：转轮内部流速、压力分布，边界层内流动，空化位置及强度。 水轮机外特性 水轮机所表达的性能：效率、过流量、空蚀、振动等。,关于水轮机性能的概括,水轮机只有一个最优工况，一般对应无撞击进口和法向出口。偏离设计工况时，不管水头变化还是负荷（导叶开度变化），水轮机效率都会降低。 水轮机的性能与比转速有密切关系。不同nS的水轮机，有不同的流量特性、效率特性与空化特性不同。 混流式、定

2、桨式水轮机叶片角度不能调整，工况变化的适应性差；转桨式水轮机可与水头、导叶开度双协联，有宽广的高效区。 水轮机的空化特性与水轮机的nS有关，同时与水轮机的工况有关，一般在最优工况附近空化系数较小，大流量时空化系数大，小流量和低水头时，由于偏离设计工况而产生脱流，空化往往也会很严重。 固定叶片水轮机在部分负荷时存在一个振动区，是由于空腔空化所造成，振动区一般在40%55%开度范围。,水轮机特性曲线的意义,水轮机特性曲线与水轮机特性之间的关系 水轮机特性曲线是水轮机的“心电图”，它通过一些外在的现象以图形方式表述了水轮机的特性。当一个人心脏有问题时，可以从他的心电图上反映出来。同样，当一个水轮机有

3、问题时，可以从它的特性曲线上反映出来。 1）不同类型的水轮机，不同的水轮机，其特性曲线不同。 2）水轮机不同工况下，水轮机的特性不同，其特性曲线不同。 3）水轮机各种性能之间是有内在联系的，水轮机特性曲线上的各种曲线，也有密切的内在联系。 4）水轮机特性曲线是进行水轮机选型设计，指导水轮机运行的重要工具。,第一节 水轮机特性曲线的类型,特性曲线表达形式： 线性特性曲线：表达水轮机某2个参数之间关系的曲线：例如：Q=f（ao）、Q 11=f（n11） 综合特性曲线：表达水轮机多参数之间相互关系的曲线：例如： 特性曲线表达对象： 模型特性曲线：表达模型水轮机特性的曲线，常以单位参数为变量。如：P1

4、1=f（Q11，n11） 运转特性曲线：表达原型水轮机运转特性的曲线，以原型参数为变量。如：P=f（H，Q）,一、水轮机线性特性曲线工作特性、转速特性、水头特性,1、工作特性曲线：表示水轮机工作在固定的转速n下的特性而绘制的曲线。在H、P、Q、 中任何一个为自变量的特性曲线。有开度特性、出力特性，流量特性。,空载,P,Q,空载,空载,a,出力特性,流量特性,开度特性,出力特性: 1）开度增大流量增大、出力增大，接近最大出力时，曲线变陡。开度增大好多流量和出力才增加一点2）空载开度下，出力为零，流量为空载流量。,空载Q 空载ao,流量特性：1）开度增大，流量增大；2）小于空载流量时出力效率均为零

5、。,空载流量,Q,开度特性：1）开度增大流量增大；曲线越大越缓2小于空载开度时效率出力均为零；3）开度最大时，出力不一定最大。出力最大效率不一定最大,空载开度,2.转速特性曲线 水轮机的导水叶开度和水头H为某常数时，水轮机的流量Q、出力P及效率 与转速n之间的关系。偏离最优转速时，出力、效率降低。,根号H=nD Q=D方 根号H P=D方H32,2.转速特性曲线：各开度下均存在一个最优转速，小于或大于最优转速，出力与效率都会降低。,n,n,0 50 100 150 200 250 300 350,3、水头特性曲线,流量随着水头的增高而增大,出力随着水头的增高而增大,出力效率为零,水轮机在转速n

6、、导水叶开度为某常数时，其出力P、流量Q及效率与水头H之间的关系,空载水头,二、 水轮机模型综合特性曲线 水轮机模型综合特性曲线的特点：1）通过模型试验而获得的水轮机特性（外特性）；2）综合表示水轮机能量指标、空化性能等；3）以单位流量、单位转速为坐标系的标准表达形式。在以n11、Q11为纵、横坐标轴的直角坐标系中同时绘出等效率线、 ， 等开度线 以及等空化系数线 ，对于转桨式水轮机还绘出等叶片转角线，这些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能，故称之为水轮机的主要综合特性曲线。这种主要综合特性曲线一般由模型实验的方法获得，因此，又称之为模型综合特性曲线。,1.混流式水轮机模型综合特性曲线

7、由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。,混流式水轮机模型综合特性曲线 由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。,2、轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线,等叶片转角线,14 18 22 26,0.5 0.6 0.7,等开度线,n11,Q11,转桨式水轮机模型特性曲线 转桨式水轮机模型综合特性曲线上标有等效率线、等开度线、等叶片转角线、等空化系数线。由等线与等线可以找出导水开度与叶片转角的最佳协联方式。,3、冲击式水轮机模型综合特性曲线 冲击式水轮机模型综合特性曲线由等效率线（常数）与等开度线（喷针行程S常数）组成。 冲击式水轮机的过流量与水轮机的转速无关，仅与喷嘴

8、的开度有关，它的等开度线是与Q11坐标轴垂直的直线。,n11,Q11,11 13 15 17 19 21,88% 86% 84%82%,等开度线,等效率线,4、不同类型水轮机特性曲线的比较,冲击式,低比速 混流式,中高比速混流式,轴流转 桨式,n11,Q11,比转速升高,第二节水轮机模型特性曲线的绘制,一、混流式水轮机模型综合特性曲线绘制 1、等开度线的绘制 水轮机能量实验通常是在固定H和固定ao 下，通过控制水轮机转矩去调节水轮机的转速n，从而测得同一导叶开度下一系列工况点的性能参数。按照各实验工况点的水头 H 、流量Q及转速n，用相似率公式可以求出各工况点的Q11和n11，将各工况点绘到图

9、上如图所示的坐标系，用光滑曲线将各点连接，即得到模型水轮机的等开度线。 导叶开度：a0=；实验水头,2、等开度线绘制,2、等效率线的绘制-=f(n11)曲线,n11,ao=18,等效率线的绘制,n11,Q11,等效率线的绘制步骤, 根据模型实验所获得的数据，计算出各工况点的效率与单位转速，绘出各导叶开度下的曲线，每个开度有一条曲线。 在曲线图上以某常数作一直线，与各开度下的曲线相交，得交点b1、b1、b2、b2，找出各交点相对应的n11与Q11。 以n11为横坐标，以Q11为纵坐标绘一直角坐标系，并在其中绘出各导叶开度的等开度线，将中所得到的各交点按其n11 、 Q11值绘到坐标图中相应的等开

10、度线上，将各点连成光滑曲线，即得到相应于所取得效率值的一条等效率曲线。,等效率线的绘制,n11(r/min),Q11(L/s),4、 出力限制线的绘制 绘制出力限制线的目的： 1）为了防止水轮机出现反调节； 2）留有一定余量； 3）保证水轮机负荷调节的线性度。,p11,P11max P11max95%,Q11*,Q11*,n11,Q11,n11=C,n11=C,5、等空化系数线绘制,n11=75,n11=70,n11=65,n11=60,75 70 65 60,n11,Q11,2.转桨式模型综合特性曲线绘制原理,把叶片角固定在某一角度，按定桨方式运行，并绘制该=常数时的模型特性曲线。 转桨式水

11、轮机的特性曲线实质是各个固定角线特性曲线的综合。 用取包络线或等值线的方式绘制绘制转桨式水轮机的特性曲线。,转桨式模型综合特性曲线绘制原理_1,n11,Q11,转桨式模型综合特性曲线绘制原理-1,n11,Q11,转桨式模型综合特性曲线绘制原理-2等效率线绘制-各角下等效率线的包络线,n11,Q11,转桨式模型综合特性曲线绘制原理-3等开度线绘制,n11,Q11,ao=10,ao=20,ao=30,ao=30,ao=20,ao=10,ao=10,ao=20,ao=30,ao=10,ao=20,ao=30,轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线,等叶片转角线,14 18 22 26,0.5 0.6 0.

12、7,等开度线,n11,Q11,第三节水轮机运转综合特性曲线,原型水轮机的运转综合特性曲线是转轮直径和转速为常数时，以水头H、出力P为纵横坐标作出的等效率线、等吸出高度线以及出力限制线。,模型综合特性曲线原型运转综合n11 H ；m ； Q11P ；HS,一、混流式水轮机运转特性曲线换算原理,n11,Q11,H,P,Q11P,混流式水轮机运转综合特性曲线绘制,等效率线绘制：水轮机各工况的效率 出力限制线绘制：水轮机各水头下的允许出力 等吸出高度线绘制：水轮机各工况下的允许吸出高度,等效率线绘制,p,H,P,H1,H2,H3,H1,H2,H3,2.出力限制线绘制大于等于设计水头：出力为额定出力小于

13、设计水头：由水轮机出力限制线换算,(Hmin),(Hr),(Hmax),A,B,n11,Q11,H,Pr,Hmax,Hr,Hmin,B,A,.等吸出高度线绘制由空化系数线换算，方法同等效率线。,(H),n11,Q11,H,Pr,Pr,H,二、转桨式水轮机运转特性曲线换算与绘制取n11=常数线与等角线的交点作计算点，计算交点效率、出力，绘制f(p)曲线,等叶片转角线,0.5 0.6 0.7,n11,Q11,等效率线绘制）计算各角的效率修正值： （）o()- Mo() o()=1-1- Mo()(0.3+0.7 )对各工况点进行效率修正，同一转角用同一修正值。并计算各点的出力。获得各水头下f(P)

14、关系曲线）以f(P)关系曲线为基础绘制等效率线，方法同混流式水轮机等效率线的绘制,出力限制线绘制转桨式水轮机模型综合特性曲线上不标出力限制线，但其最大出力受空化的限制。在确定了水轮机的额定工况后，通常把通过额定工况点的等开度线作为水轮机的出力限制线。在确定为出力限制线的等开度线上取一系列工况点，记下各工况点的n11、Q11，由相似计算公式计算出各点对应的水头及出力，将这些点绘在坐标系中，连接各点即得到原型水轮机的出力限制线。,轴流转桨式水轮机模型出力限制,等叶片转角线,14 18 22 26,0.5 0.6 0.7,等开度线,n11,Q11,设计单位流量,出力限制线,第四节 水轮机飞逸特性,如

15、果突然甩负荷，且调速机构失灵、导水机构又不能及时关闭时，由于输出的电磁力矩为零，因而输入的水流能量除了少部分消耗于机械损失外，其余大部分使机组转速急剧增高，并将达某一最大转速，这时的运行工况称为飞逸工况，这时的最大转速称为飞逸转速。,水轮机飞逸转速的大小与水轮机的飞逸特性有关，而飞逸特性一般用单位飞逸转速表示。,一、飞逸特性,第四节 水轮机飞逸特性,第四节 水轮机飞逸特性,第四节 水轮机飞逸特性,二、飞逸转速的确定,一般说来，在同一水头下，导叶全开时飞逸转速最高。对转桨式水轮机，当导叶开度及桨角转角的协联关系破坏，并且在导叶全开同时桨叶转角愈小，飞逸转速愈大。,1.由单位飞逸转速计算,2.由飞逸系数计算,取1.72.0（HL）或2.42.6（ZZ协联破坏） 2.02.2 （ZZ协联保持）,第四节 水轮机飞逸特性,三、防飞逸的措施,1.设置快速闸