水轮机的特性曲线

关于水轮机的特性曲线第一章

绪论

第二章

水轮机的工作原理

第三章

水轮机的相似理论与模型试验

第四章

水轮机的空化与空蚀

第五章

反击式水轮机的结构

第六章

冲击式与贯流式水轮机

第七章

水轮机的特性曲线与选型设计

第八章

水轮机的运行与检修

第2页,共75页，2024年2月25日，星期天

第一节水轮机特性曲线第二节水轮机选型设计

第七章

水轮机特性曲线与选型设计第3页,共75页，2024年2月25日，星期天第一节水轮机特性曲线

贵州天生桥水电站第4页,共75页，2024年2月25日，星期天一、水轮机特性曲线的类型

二、水轮机线性特性曲线

三、水轮机模型综合特性曲线

四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制第5页,共75页，2024年2月25日，星期天一、水轮机特性曲线的类型水轮机的特性曲线用于表达水轮机不同工况下对水流的能量转换、空化等方面的水力性能、力特性及其他性能。目前主要通过模型试验，将各种水轮机的性能参数整理并绘制成不同形式的曲线，即获得水轮机的特性曲线图。特性曲线的作用：利用水轮机特性曲线来分析水轮机的特性，从而在水电站设计中选择水轮机的基本参数，并确定合理的运行方式。第6页,共75页，2024年2月25日，星期天一、水轮机特性曲线的类型1.线性特性曲线：反映2个参数之间关系的曲线。几何参数（转轮直径、导叶或盆栽开度、桨叶转角）工作参数（水头、流量、转速、效率、出力、空蚀系数、吸出高度；单位转速、单位流量、单位出力、单位轴向水推力）（1）转速特性曲线（2）工作特性曲线（3）水头特性曲线常用的是反映出力与效率间的工作特性曲线。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。（1）模型综合特性曲线（2）运转综合特性曲线第7页,共75页，2024年2月25日，星期天模型综合特性曲线：以单位参数n11、Q11为纵、横坐标轴的综合特性曲线。运转综合特性曲线：以工作参数H、P为纵、横坐标轴的的综合特性曲线。第8页,共75页，2024年2月25日，星期天二、水轮机线性特性曲线1.转速特性曲线：表示水轮机在导水叶开度、叶片转角和水头为某常数时，其他参数与转速之间的关系。包括：转速与流量的关系曲线转速与出力的关系曲线转速与效率的关系曲线由水轮机转速特性曲线可以看出水轮机在不同转速时的流量、出力与效率，还可以看出水轮机在某开度时的最高效率、最大出力及水轮机的飞逸转速。

第9页,共75页，2024年2月25日，星期天

n~Q曲线n~P曲线n~η曲线第10页,共75页，2024年2月25日，星期天转速特性曲线的比较：1、低比转速水轮机的效率对转速的变化比较敏感，在偏离额定转速时，水轮机的效率下降较快；而高比转速水轮机则下降较慢。2、低比转速的混流式水轮机，其飞逸转速为额定转速的160％左右；而高比转速的轴流式水轮机则高达2.6～3.0倍的额定转速。3、高比速水轮机的流量随转速的增加而增加；而低比速的水轮机流量随转速变化趋势则相反；中等水轮机流量则几乎不随转速变化。第11页,共75页，2024年2月25日，星期天

图8-2各类型水轮机转速特性的比较第12页,共75页，2024年2月25日，星期天二、水轮机线性特性曲线2.工作特性曲线：水电站的水轮机通常在固定的转速下运转，水头的变化也较缓慢，但机组负荷则是经常变化的。工作特性曲线：表示水轮机工作在固定的转速和水头下的特性曲线。包括：出力工作特性曲线流量工作特性曲线开度工作特性曲线第13页,共75页，2024年2月25日，星期天

、出力工作特性曲线流量工作特性曲线开度工作特性曲线第14页,共75页，2024年2月25日，星期天工作特性曲线的特点：（1）当功率为零时，流量不为零，此处的流量称为空载流量，对应的导叶开度称空载开度。这时的流量很小，水流作用于转轮的力矩仅够克服阻力而维持转轮以额定转速旋转，没有输出功率。（2）效率最高点对应的流量为最优流量。（3）功率曲线最高点处的功率，称为极限功率，对应的流量称为极限流量。（4）5%出力储备（见下图）（5）工作水轮机工作特性的比较（见下图）三种工作特性曲线可以相互转换，将一种形式变换成任何其他一种形式。第15页,共75页，2024年2月25日，星期天

、1：高比速轴流转浆式2：中比速混流式

3：低比速冲击式4：高比速轴流定桨式第16页,共75页，2024年2月25日，星期天

从上述分析，可得出下列结论：（1）凡转轮叶片固定不动的各种型式的水轮机，比转速越高，效率曲线越陡，偏离没计工况时效率下降越快。如轴流定桨式水轮机效率下降最大，不宜应用在出力变化较大的水电站。（2）各种型式的水轮机最高效率并不在最大出力处，所以通常尽可能使水轮机不在最大出力下工作。（3）轴流转桨式和水斗式水轮机，因效率变化较平稳，故均可应用于负荷变化较大的水电站。轴流转桨式水轮机的工作持性曲线是由不同轮叶装置角度φ的定桨式水轮机效率特性曲线的员高效率点组成的。具体情况参见下图。第17页,共75页，2024年2月25日，星期天

、第18页,共75页，2024年2月25日，星期天二、水轮机线性特性曲线3.水头特性曲线：水头在比较长的的时期内，可能发生较显著的变化：（1）在低水头的径流式水电站，可能由于洪水期或电站在大负荷工况下运行时流量的增多而使下游水位升高，或者由于防洪需要而必须降低上游水位，导致水头降低；（2）在高水头水电站，上游库水位可能发生较大变化；（3）在具有长引水管道的水电站，流量变化时使得引水损失发生变化。水头特性曲线：表示水轮机在转速、导水叶开度为某常数时，其流量、出力、效率与水头之间的关系。包括：水头流量特性曲线、水头功率特性曲线、水头效率特性曲线第19页,共75页，2024年2月25日，星期天

水头流量特性曲线水头效率特性曲线水头功率特性曲线第20页,共75页，2024年2月25日，星期天

、

图8-5各类水轮机水头特性的比较第21页,共75页，2024年2月25日，星期天水头特性曲线的比较：1、对于反击式水轮机，高比速水轮机在偏离最优水头时效率下降比低比速水轮机缓慢。2、低比速水轮机的相对空载水头值要比高比速水轮机大得多，这说明高比转速对于水头变化的适应性优于低比转速水轮机。各效率曲线与横坐标的交点所对应的水头即各水轮机的相对空载水头值。第22页,共75页，2024年2月25日，星期天三、水轮机模型综合特性曲线概念：水轮机模型综合特性曲线是指以单位转速和单位流量为纵、横坐标而绘制的若干组等值曲线，这些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能。在图中常绘出下列等值线：①等效率线：曲线上各点的效率相等。②导叶（或喷针）等开度线：曲线上各点的开度相等。③等空化系数线：曲线上各点的空化系数相等。④混流式、轴流定桨式水轮机的出力限制线：⑤转桨式水轮机转轮叶片等转角线：曲线上各点的转角相等。第23页,共75页，2024年2月25日，星期天三、水轮机模型综合特性曲线（一）混流式水轮机模型综合特性曲线第24页,共75页，2024年2月25日，星期天等效率线上各点的效率均等于某常数，这说明等效率线上的各点尽管工况不同，但水轮机中的诸损失之和相等。等开度线则表示模型水轮机导水叶开度为某常数时水轮机的单位流量随单位转速的改变而发生变化的特性。等空化系数线表示水轮机各工况下空化系数的等值线，等空化系数线上各点尽管工况不同，其空化系数却相同。的。出力限制线：混流式水轮机模型综合特性曲线上通常标有5%出力限制线，它是某单位转速下水轮机的出力达到该单位转速下最大出力的95%时各工况点的连线。第25页,共75页，2024年2月25日，星期天绘制出力限制线的目的是考虑到水轮机在最大出力下运行时，不可能按正常规律实现功率的调节，而且，在超过95%最大功率运行时，效率随流量的增加而降低，且效率降低的幅度超过流量增加的幅度，因此水轮机的出力反而减小了，从而使调速器对水轮机的调节可能失去稳定。为了避开这些情况，并使水轮机具有一定的出力储备，因此，将水轮机限制在最大出力的95%(有时取97%)范围内运行。第26页,共75页，2024年2月25日，星期天三、水轮机模型综合特性曲线（二）轴流定浆式水轮机模型综合特性曲线第27页,共75页，2024年2月25日，星期天因转轮叶片固定不动，出力仅与导叶开度有关，所以轴流定桨式水轮机模型综合特性曲线的绘制方法与混流式相同。但也有两点不同：1、轴流定桨式曲线沿n11坐标轴的方向伸长，而沿Q11坐标铀的方向压缩，达就说明定桨式水轮机的高效率区域很窄小，当出力变动时效率会急剧地降低。因此，轴流定桨式水轮机仅在满负荷运行时比较有利2、因轴流定桨式水轮机效率曲线较陡，如出力储备量太大，将会严重地影响水轮机的额定出力，为此一般采用3％的出力储备。第28页,共75页，2024年2月25日，星期天三、水轮机模型综合特性曲线（三）轴流转浆式水轮机模型综合特性曲线轴流定桨式水轮模型综合特性曲线的特点：1、因具有导叶和桨叶转角双重调节的特点，在综合特性曲线上任一工况点，不仅要表明它的导叶开度线，而且还要表明转轮叶片的转角线。2、另外，因转桨式水轮机，仅在转角和导叶开度极大的情况下，即流量极大的情况下，出力才开始降低，而此时空蚀系数很大，一般不允许在这种工况下运行。所以，转桨式水轮机的出力限制仅受允许的空蚀系数限制，在因中不画出限制线。第29页,共75页，2024年2月25日，星期天三、水轮机模型综合特性曲线（三）轴流转浆式水轮机模型综合特性曲线第30页,共75页，2024年2月25日，星期天等效率线是水轮机在协联方式下工作时的效率等值线。它是水轮机在不同叶片角下水轮机等效率线（轴流定桨）的外包络线。等叶片转角线连接转桨式水轮机的等效率曲线与某个转角下轴流流定桨式水轮机的等效率线的切点，就得到该转角下的等转角线。等转角线是通过该转角下等效率线的中心区域。所以，该线代表在某一转角下各种不同开度时的最优工况。等开度线是将各转角下轴流定桨式水轮机的等导叶开度线与等转角线的交点连成的曲线。等开度线代表在某导叶开度下各种不同转角时的最优工况，故等开度线与等转角线的交点，就是对应转角和开度的最优协联工况点，使效率达到最高值。。第31页,共75页，2024年2月25日，星期天第32页,共75页，2024年2月25日，星期天三、水轮机模型综合特性曲线（四）冲击式式水轮机模型综合特性曲线第33页,共75页，2024年2月25日，星期天冲击式水轮机的模型综合特性曲线的特点：1、由等效率线与等开度线组成。2、等开度线是与Q11坐标轴垂直的直线。因为冲击式水轮机的过流量与水轮机的转速无关，仅与喷嘴的开度有关。3、一般不标出力限制线。因为冲击式水轮机一般对负荷变化的适应性较好，等效率曲线扁而宽，在相当大的开度下仍不会出现单位流量增加而出力减小的情况。4、不标注等空化系数线。冲击式水轮机也有空蚀破坏现象，但其空化机理与反击式水轮机不同，很难用空化系数的形式表达冲击式水轮机的空化性能。第34页,共75页，2024年2月25日，星期天各种类型水轮机模型综合特性曲线范围的比较：第35页,共75页，2024年2月25日，星期天模型综合特性曲线的重要意义：水轮机模型综合特性曲线．综合表达了水轮机的各种主要性能，如n11、Q11、σ、η等能量和汽蚀特性。在综合特性曲线上的每一点代表了水轮机的一个工况，能全面地反映出水轮机在该工况点运行时的能量和汽蚀特性。因此，从模型综合特性曲线上可以判别当Q11（或n11）变化时水轮机效率变化的快慢，最高效率区范围的大小，过流能力的高低，以及它的汽蚀性能好坏。第36页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制概念：运转综合特性曲线是在转轮直径D1和转速n为常数时，以水头H和出力P为纵、横坐标而绘制的几组等值线。在图中常绘出下列等值线：①等效率η线：曲线上各点的效率相等。②吸出高度Hs线：曲线上各点的吸出高度相等。③出力限制线：有两类5%（3%）出力限制线：水轮机受运行稳定影响的出力限制发电机出力限制线：水轮机受发电机容量运行的出力限制④有时还绘有导叶等开度a0线：曲线上各点开度相等⑤有时还绘有桨叶等转角φ线：曲线上各点转角相等第37页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线第38页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制水轮机运转综合特性曲线可由模型综合特性曲线来绘制，但应提供以下基本资料：1）水轮机牌号2）水头范围：

最大水头Hmax、最小水头Hmin、额定水头Hr3）额定转速nr4）水轮机额定出力Pr5）发电机额定出力Pg6）水轮机模型综合特性曲线7）水轮机的海拔高程▼第39页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制（一）混流式水轮机综合特性曲线的绘制1、等效率曲线的绘制（1）计算A、求原型水轮机最优工况效率和效率修正量第40页,共75页，2024年2月25日，星期天B、求水轮机的最优单位转速和单位转速修正值当时，n11可不作修正。C、在最小水头和最大水头范围内进行分段，一般可取4~5个水头，其中包括Hmax、Hr和Hmin，并分别计算各水头对应应的单位转速n11。

第41页,共75页，2024年2月25日，星期天D、求各选取水头相应的模型单位转速。F、在模型综合特性曲线图上作各n11M的水平线，得到与模型综合特性曲线等效率曲线交点的坐标值Q11M和ηM。因单位流量一般不需修正，所以Q11=Q11M

。

G、求原型水轮机效率H、求原型水轮机的出力为便于计算，可列下表计算：

第42页,共75页，2024年2月25日，星期天第43页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制（一）混流式水轮机综合特性曲线的绘制1、等效率曲线的绘制（2）绘制等效率曲线由工作特性曲线绘制而成，绘图时可放在工作特性曲线下面，并取比例相同的横坐标。①根据表8-1的数据对不同水头绘制工作特性曲线②在工作水头范围内绘出所取各水头的水平线。③在工作特性曲线上，将η取整百分数的效率值绘制水平线，使其与各水头的工作特性曲线相交得出各点的H、P值，并将它点画在H~P坐标图上。④再将同一效率下的各点连成光滑的曲线，即为某个η值的等效率曲线。第44页,共75页，2024年2月25日，星期天

第45页,共75页，2024年2月25日，星期天（2）绘制⑤确定等效率曲线拐点：在图8-18（b）中η=91%的曲线上，等效率曲线有一个拐点A，为了绘出拐点:可根据工作特性曲线中各水头下的最高效率值ηT0及出力P0作出ηT0~H曲线及P0~H曲线，见图8-19;需要确定某效率线（例如其效率为ηA

）的拐点时，可根据效率值从两图上分别查出拐点所对应的水头与出力。第46页,共75页，2024年2月25日，星期天

第47页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制（一）混流式水轮机综合特性曲线的绘制2、出力限制线的绘制（1）发电机出力限制线。当水头H＞Hr时，水轮机出力受到发电机出力的限制。发电机的额定出力与水头无关，在一定的功率因数下，它的额定出力为常数，因此在运转综合特性曲线图上为一垂直线。（2）水轮机5%出力限制线。当H≤Hr时，水轮机的出力受5%出力限制线的限制。通常根据模型综合特性曲线上的5%处理限制线来绘制。第48页,共75页，2024年2月25日，星期天

发电机与水轮机出力限制线的交点所对应的水头，即为水轮机设计水头。第49页,共75页，2024年2月25日，星期天出力限制线进行绘制方法：（1）由水轮机的最小水头Hmin与额定水头Hr分别计算出相应的模型单位转速n11B与n11A。（2）在模型综合特性曲线上，根据n11B查出5%出力限制线上的单位流量Q11B和效率ηB，计算出水轮机出力：将点（Hr

、Pr）点（Hmin

、Pmin

）在图上连成一条斜线，即为水轮机出力限制线。具体计算可在等效率曲线计算表出力限制线一栏中进行。第50页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制（一）混流式水轮机综合特性曲线的绘制3、等吸出高度线的绘制等吸出高度线表达水轮机在各运行工况的最大允许吸出高度Hs，等Hs线是根据模型综合特性曲线的等σ线换算而求得的，计算与绘制等线的步骤如下：（1）根据表8-1中Q11及其对应的P的数据绘制辅助曲线

P=f（Q11）。第51页,共75页，2024年2月25日，星期天（2）计算各水头相应的单位转速n11M，在模型综合特性曲线上过各n11M作水平线与各等σ线相交，记下各交点的σ、Q11M值。计算各σ对应的吸出高度在从P=f（Q11）辅助图中，查出各Q11对应的出力P。（3）根据各工况点的Hs、P，绘出各水头下的Hs=f（P）曲线，如下图所示。第52页,共75页，2024年2月25日，星期天第53页,共75页，2024年2月25日，星期天（4）在Hs=f（P）曲线图上取某Hs值（例Hs=-3.0m）作水平线与各Hs=f（P）曲线相交，记下各交点的水头H及出力P，将这些点（H、P）绘制H~P坐标系内，并用光滑曲线连接即为某Hs的等吸出高度线，如下图所示。上述过程可列表计算：第54页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制（二）轴流转浆式水轮机综合特性曲线的绘制绘制特点：转桨式水轮机运转综合特性曲线的绘制原理与混流式水轮机基本相同，但由于转桨式水轮机具有双重调节机构，可在协联方式运行，水轮机的效率修正采用非等值修正法，一般同一叶片转角取同一修正值，因此，绘制运转综合特性曲线中的某些方面与混流式水轮机有所差别。第55页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制（二）轴流转浆式水轮机综合特性曲线的绘制1、等效率线的绘制（1）对转轮叶片的每一个转角求出一个效率修正值。若各角下模型水轮机的最高效率为，原型水轮机各角下的最高效率为，则第56页,共75页，2024年2月25日，星期天（2）在Hmin~Hmax间取若干水头，计算各水头对应的n11M，过各n11M作水平线与转桨式水轮机模型综合特性曲线的各等线相交，找出各交点的Q11、ηM，其中ηM由内插确定。然后计算各点水轮机效率及出力根据计算结果绘出各水头下的曲线及各水头下的Q11=f（P）辅助曲线。然后绘制等效率线，方法同混流式水轮机。等效率线计算可采用表8-3。第57页,共75页，2024年2月25日，星期天第58页,共75页，2024年2月25日，星期天四、水轮机运转综合特性曲线及其绘制（二）轴流转浆式水轮机综合特性曲线的绘制2、出力限制线的绘制转桨式水轮机模型综合特性曲线上不标5％出力限制线，但其出力限制受以下因素的影响：当H＞Hr时，轴流转桨式水轮机最大出力受发电机额定容量的限制。当H≤Hr时，水轮机出力受最大过水能力和空蚀的限制，即受水轮机导叶最大开度a0max的限制。出力限制线的绘制也通常采用简化法。第59页,共75页，2024年2月25日，星期天

模型综合特性曲线

运转综合特性曲线第60页,共75页，2024年2月25日，星期天（1）由水轮机的最小水头Hmin与额定水头Hr分别计算出相应的模型单位转速n11B与n11A。（2）确定导叶的最大开度a0max由Hr的工作