水电站课件第3章

1、第三章 水轮机的特性及选型第一节 水轮机的相似原理及单位参数 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，研究水轮机特性靠理论与实验相结合。 2、模型试验 原型：尺寸大，试验困难，不经济。 模型：制作快、费用低、试验方便、易于保证量测精度。 (D : 250500mm，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、转轮直径不同的水轮机所形成的系列轮系 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，水流对应点所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。 三、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、)之间的固定关系。

3、 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VM、HM、V、H已知，可求出Q。 四、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标准条件下的参数单位参数，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 、 ，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，两个水轮机工况相似。对同

4、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型水轮机的参数(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 表示。第二节 水轮机的效率换算与单位参数修正 单位参数公式是在假定相似工况下 ，实际上 (2%7%)，其原因是： 1、最优工况下的效率修正 混流： 轴流： 2、一般工况 HL、ZD： ZZ ： 二、单位参数的修正 最优工况时： 其他工况时： 第三节 水轮机的比转速(Specific speed)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。表示水轮机特征的一个综合参数（与D1无关），能将水轮

5、机的各个参数n、H、 N之间的关系综合反映出来，代表了同一轮系水轮机在相似工况下运行的综合性能。 ns随工况变化，一般按H设、N额、n额确定该水轮机轮系的特征参数。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，汽蚀系数越大，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。第五节 水轮机的特性曲线及其绘制一、水轮机参数及特性曲线 (一) 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

6、 (2) 工作参数：H、Q、n 、Hs (3) 综合参数： ，轴功率N、 (二) 特性曲线：各参数之间的关系曲线 (1) 线性特性曲线：反映23个参数之间的关系曲线。 (2) 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。 第六节 水轮机选型设计 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。 根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行 。一、水轮机选型设计的内容及基本资料(1) 确定机组台数及单机容量(2) 选择水轮机型式（型号）及装置方式(3) 确定水轮机转轮直径D1、n、

7、Hs、Za；Z0、d0(4) 绘制水轮机运转特性曲线(5) 估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择(6) 根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。 有关资料：(1) 水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。 (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(Qmax、Qmin、Qa

8、v、Hmax、Hmin、Hr、Hav) 、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、机组台数及单机容量的选择 已知总装机容量(=Z0N单)，N单不同，D1、n 、Hs、均不同 1、机组台数与机电设备制造的关系 N总一定，Z0多N单尺寸（D1）小制造运输容易造价高（单位千瓦耗材多、制造量大）。 所以一般选用较大的N单。2、机组台数与电站投资的关系Z0多单位千瓦投资阀门、调速、管道、辅设、电气等增加厂房尺寸增加。N单D1尾水管高度低开挖少投资少。3、机组台数与运行效率的关系：Z0多平均效率提高(1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台数

9、，使水轮机在较长时间内以最优工况运行，其平均效率也比较高。(2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运行效率。(3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好，可以选用较少的机组。 4、机组台数与电站运行维护工作的关系台数多，运行灵活，事故影响小，但同时增加了事故的几率，也增加了管理人员、提高了运行费，所以不宜采用过多的台数。总之，一般应采用较大的N单，较少的台数，但一般至少应选2台，少数情况下可选1台。中型电站一般选46台，大型电站一般选68台，根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共2

10、1台，装机271.5万千瓦；三峡水电站装机2670=1820万千瓦。 三、水轮机型号确定依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根据水轮机系列型谱选择 型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接查系列型谱，确定水轮机的型号。如果两种型号均可采用，应进行方案比较。 2、 采用套用机组 根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、N单适当，经济技术指标相近时，有限套用已经生产国的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。 四、反击式水轮机主要参数的确定 确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数： 转轮直径D1，

11、转速n、吸出高Hs。 D1、n应该满足：在Hr下，发出Nr；在Hav时，最高。 吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。 (一)水轮机系列应用范围图 1、以H为横座标，N单为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。 2、根据Hr、Nr 范围D1，n 。 3、水轮机吸出高度的确定Hs：根据hsH的关系曲线确定。 由Hr hs， Hs hs900 这种方法比较简单，但精度不够，多用于小型水电站的初步设计 (二)按综合特性曲线选择1、D1的确定(1) Nr(水轮机额定出力) Nr= Nff (2) H=Hr计算。(3)：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定时，一般先取=M+(=23%)，求得

12、D1后再修正。(4) 在N= Nr时，取限制工况下的 ，并查出限制工况的M HL水轮机由5%出力限制线得到，ZL水轮机由汽蚀条件得到，或限制HS反推z，以防止开挖过多。 z为水轮机装置的汽蚀系数。 2、的修正计算 求得D1后，再查附表得出Mmax，换算得出max。 =max-Mmax-1-2 1=1%2%(表示工艺水平)，2=1%3%(表示异形部件) =M+，与假定出入太大，应重新计算。 3、转速的选择 用最优单位转速 ，水头H=HaV。 转速n随工况而变，要选发电机转速相近的标准同步转速。 4、工作范围的验算 求出水轮机的参数D1、n后，在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围，检验是否包括了高效率区，以验证D1、n的合理性。 方法：根据Nr、D1、Hr求出Q1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n1min和n1max，在综合特性曲线上以Q1max、n1min和n1max作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围 。5