《水电站》4_水轮机的相似原理及特性曲线

1、浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水水 电电 站站 2009年2月 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 第三章第三章 水轮机的相似原理及特性曲线水轮机的相似原理及特性曲线 第一节第一节 水轮机的相似原理概述水轮机的相似原理概述 一、几个基本概念一、几个基本概念 1、水轮机特性、水轮机特性 水轮机在不同工况下运行时，各运行参数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。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由于水轮机水流条件复杂，研

2、究水轮机的特性需要理论 与实验相结合。与实验相结合。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2、模型试验、模型试验 原型：尺寸大，试验困难，不经济。原型：尺寸大，试验困难，不经济。 模型：模型：(D : 250460mm，H ：26m) 3、相似理论、相似理论 研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确立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。这些参数之间的换算关系的理论。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 二、水轮机相似条件二、水轮机相似条件 1、几何相似：、几何相似： 过流通道几何形状相似过流通道几何形

3、状相似 (1) 过流通道的对应角相等：过流通道的对应角相等：e1e1M ；e2e2M ； M (2) 对应尺寸成比例：对应尺寸成比例：D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M . (3) 对应部位的相对糙率相等：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几何相似的一套水轮机系列轮系。轮系。 同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2、运动相似：、运动相似： (1) 过流通道的对应点的速度方向相同。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

4、度大小对成比例，即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。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同一轮系水轮机，保持运动相似的工作状况 相似工况相似工况 3、动力相似、动力相似 (压力、惯性力、重力、摩擦力等压力、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。力方向相同、大小成比例。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 第二节第二节 水轮机的相似率、单位参数和比转速水轮机的相似率、单位参数和比转速 一、水轮机的相似定律一、水轮机的相似定律 相似定

5、律：相似定律：水轮机在相似工况下运行时，各工作水轮机在相似工况下运行时，各工作 参数参数(H、n、N、)之间的固定关系。之间的固定关系。 建立模型与原型水轮机各个参数之间的关系。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转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间 的关系。的关系。 C H nD H Dn ssMM MM 11 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2、流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的、流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的 关系。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。

6、、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，均为固定值，QM可以测得，若可以测得，若0M、 、 sM、0、j已知，可求出已知，可求出Q。 C HD Q HD Q s sMMM MM 2 1 0 2 1 0 11 ,DHDH MM C HD N HD N jsjMsMMM M 2/32 1 2/32 1 )()( 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 二、单位参数二、单位参数( (在不同轮系之间进行比较在不同轮系之间进行比较) ) 将模型试验结果化成为将模型试验结果化成为D1M=1m，HM=1m标准情标准情 况下的参数况下的参数单位参数，分别用单位参数

7、，分别用 表表 示。示。 假定：假定： (实际上，原型效率大于模型效率，需修正实际上，原型效率大于模型效率，需修正) )( 111 NnQ， sMs M00 jMj M 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1、 单位流量单位流量 2、 单位转速单位转速 3、 单位出力单位出力 HD Q Q 2 1 1 HDQQ 2 11 H nD n 1 1 1 D Hn n 2/32 1 1 HD N N 2/32 11 HDNN 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v通常用通常用Q1，n1 表示水轮机的运行工况。当几表示水轮机的运行工况。当几 何

8、相似，单位流量和单位转速对应相等时，两何相似，单位流量和单位转速对应相等时，两 个水轮机工况相似。个水轮机工况相似。 v对同一轮系水轮机在不同的工况下单位参数分对同一轮系水轮机在不同的工况下单位参数分 别为一常数别为一常数(工况不同，单位参数不同工况不同，单位参数不同)。 v单位参数由模型试验得出单位参数由模型试验得出原形水轮机的参数原形水轮机的参数 (相应工况相应工况)。 v水轮机在最优工况下的单位参数水轮机在最优工况下的单位参数最优单位最优单位 参数，用参数，用(Q10, n10, N10)表示。表示。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 三、水轮机的比转速三

9、、水轮机的比转速 v定义：同一轮系水轮机，当其工作水头定义：同一轮系水轮机，当其工作水头H=1m，出，出 力力N=1kW时，所具有的转速。时，所具有的转速。 v是表示水轮机特征的一个综合参数是表示水轮机特征的一个综合参数(与与D1无关无关)， 能将水轮机的各个参数能将水轮机的各个参数n、H、 N之间的关系综合之间的关系综合 反映出来，代表了水轮机的轮系特征。反映出来，代表了水轮机的轮系特征。 v ns随工况变化，一般按随工况变化，一般按Hr、Ne、ne确定该水轮机确定该水轮机 轮系的特征参数。轮系的特征参数。 ).( 4/5 kWm H Nn n s 4/5 r ee s H Nn n 浙江水

10、专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v水轮机牌号中的转轮型号，即是比转速。水轮机牌号中的转轮型号，即是比转速。 v不同的轮系，有不同的比转速。目前，各种类型不同的轮系，有不同的比转速。目前，各种类型 的水轮机比转速的大致范围为：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) 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 不同比转速的转轮形状不同比转速的转轮形状 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站h

11、ttp:/ 讨论：讨论： v相似水轮机，工况相似，相似水轮机，工况相似，ns相同。不同的相同。不同的ns ，反，反 映不同轮系水轮机特征。映不同轮系水轮机特征。 v当当H一定时：一定时： ns Nn。机组尺寸缩小，投。机组尺寸缩小，投 资减少，因此资减少，因此提高比转速可以降低造价提高比转速可以降低造价。 v当当H和和N一定时，一定时，ns越高，空蚀系数越大越高，空蚀系数越大，需要，需要 增加厂房开挖。增加厂房开挖。 v比转速增加，单位流量增加，比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片增大，叶片 数目减少。数目减少。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 第三

12、节第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正水轮机的效率换算与单位参数修正 一、效率换算经验公式一、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，前面的单位参数公式是假定在相似工况下， =M，但实际上，但实际上M(约约2%7%)。 其原因是：其原因是： 其中其中/D为相对粗糙度为相对粗糙度 11 ,DDHH MM 11 DD M M M wMw H h H h 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 第三节第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正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二、水轮机效率换算经验公式 1、最优工况下的效率修正、最优工况

13、下的效率修正 采用采用1963年国际电工委员会推荐的公式：年国际电工委员会推荐的公式： 混流：混流： 轴流：轴流： 5 1 1 maxmax )1(1 D D M M )()( 7 . 03 . 0)1 (1 10/15/1 1 1 maxmax H H D D MM M 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2、一般工况、一般工况 vHL、ZD： vZZ ： v注意：轴流式水轮机，每个叶片转角都对应一注意：轴流式水轮机，每个叶片转角都对应一 个最优工况。个最优工况。 三、单位参数的修正三、单位参数的修正 v 最优工况时：最优工况时： v其他工况时：其他工况时： M

14、maxmaxM maxmaxM M max max 1010 M M QQ max max 1010 M M nn 111 QQQ M 111 nnn M M QQQ 10101 M nnn 10101 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 第四节第四节 水轮机的主要综合特性曲线水轮机的主要综合特性曲线 一、水轮机模型试验简介一、水轮机模型试验简介 v目的：目的：保证水轮机在工作范围内高效率、稳定运行。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。研究水轮机在各种工况下的能量特性、空蚀特性等。 v任务：任务：水轮机模型试验是

15、按一定比例将原形水轮机缩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小为模型水轮机，并采用较低的模型水头HM和较小和较小 的的QM 进行试验，测出各工况下的工作参数，然后通进行试验，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。过相似公式换算和修正得出该轮系的综合参数。 v类型类型：能量试验、空蚀试验、飞逸试验、轴向水推力：能量试验、空蚀试验、飞逸试验、轴向水推力 试验等。试验等。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 综合特性曲线是多参数之间的关系曲线。综合特性曲线是多参数之间的关系曲线。 以以(n1,

16、Q1)为坐标场，绘制为坐标场，绘制、a0、等值线。等值线。 首先计算各个工况点首先计算各个工况点: (1) 等开度线绘制等开度线绘制 (2) 等效率线绘制等效率线绘制 (3) 5%出力限制线绘制出力限制线绘制 (4) 等汽蚀线绘制等汽蚀线绘制 M MM H Dn n 1 1 MM M HD Q Q 1 1 MM M sM M M HQ N N N 81. 9 二、水轮机的主要综合特性曲线二、水轮机的主要综合特性曲线 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 混流式水轮机的模型综合特性曲线混流式水轮机的模型综合特性曲线 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站

17、http:/ 轴流转浆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模型综合曲线模型综合曲线 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 轴流定浆式水轮机轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线的模型综合特性曲线 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 冲击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 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 作业作业 v 水轮机的相似条件和相似定律是什么？研究目的是水轮机的相似条件和相似定律是什么？研究目的是 什么？什么？ v 什么是水轮机的轮系、单位参数和比转速