《水電站》4_水輪機(jī)的相似原理及特性曲線

1、浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 水水 電電 站站 2009年2月 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 第三章第三章 水輪機(jī)的相似原理及特性曲線水輪機(jī)的相似原理及特性曲線 第一節(jié)第一節(jié) 水輪機(jī)的相似原理概述水輪機(jī)的相似原理概述 一、幾個基本概念一、幾個基本概念 1、水輪機(jī)特性、水輪機(jī)特性 水輪機(jī)在不同工況下運(yùn)行時，各運(yùn)行參數(shù)水輪機(jī)在不同工況下運(yùn)行時，各運(yùn)行參數(shù)(H，Q，n，N， ，)及這些參數(shù)之間的關(guān)系，稱水輪機(jī)的特性。及這些參數(shù)之間的關(guān)系，稱水輪機(jī)的特性。 由于水輪機(jī)水流條件復(fù)雜，研究水輪機(jī)的特性需要理論由于水輪機(jī)水流條件復(fù)雜，研

2、究水輪機(jī)的特性需要理論 與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 2、模型試驗(yàn)、模型試驗(yàn) 原型：尺寸大，試驗(yàn)困難，不經(jīng)濟(jì)。原型：尺寸大，試驗(yàn)困難，不經(jīng)濟(jì)。 模型：模型：(D : 250460mm，H ：26m) 3、相似理論、相似理論 研究相似水輪機(jī)之間存在的相似規(guī)律，并確立研究相似水輪機(jī)之間存在的相似規(guī)律，并確立 這些參數(shù)之間的換算關(guān)系的理論。這些參數(shù)之間的換算關(guān)系的理論。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 二、水輪機(jī)相似條件二、水輪機(jī)相似條件 1、幾何相似：、幾何相似： 過流通道幾何形狀相似過流通道幾何形

3、狀相似 (1) 過流通道的對應(yīng)角相等：過流通道的對應(yīng)角相等：e1e1M ；e2e2M ； M (2) 對應(yīng)尺寸成比例：對應(yīng)尺寸成比例：D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M . (3) 對應(yīng)部位的相對糙率相等：對應(yīng)部位的相對糙率相等：/ D1M/D1M 幾何相似的一套水輪機(jī)系列幾何相似的一套水輪機(jī)系列輪系。輪系。 同一輪系的水輪機(jī)才能建立運(yùn)動相似和動力相似。同一輪系的水輪機(jī)才能建立運(yùn)動相似和動力相似。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 2、運(yùn)動相似：、運(yùn)動相似： (1) 過流通道的對應(yīng)點(diǎn)的速度方向相同。過流通道的對應(yīng)點(diǎn)的速度方向相同。 (2) 過流通道的對應(yīng)點(diǎn)的速

4、度大小對成比例，即過流通道的對應(yīng)點(diǎn)的速度大小對成比例，即 速度三角形相似。速度三角形相似。 同一輪系水輪機(jī)，保持運(yùn)動相似的工作狀況同一輪系水輪機(jī)，保持運(yùn)動相似的工作狀況 相似工況相似工況 3、動力相似、動力相似 (壓力、慣性力、重力、摩擦力等壓力、慣性力、重力、摩擦力等) 同一輪系水輪機(jī)，水流對應(yīng)點(diǎn)所受的同名作用同一輪系水輪機(jī)，水流對應(yīng)點(diǎn)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。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 第二節(jié)第二節(jié) 水輪機(jī)的相似率、單位參數(shù)和比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的相似率、單位參數(shù)和比轉(zhuǎn)速 一、水輪機(jī)的相似定律一、水輪機(jī)的相似定律 相似定

5、律：相似定律：水輪機(jī)在相似工況下運(yùn)行時，各工作水輪機(jī)在相似工況下運(yùn)行時，各工作 參數(shù)參數(shù)(H、n、N、)之間的固定關(guān)系。之間的固定關(guān)系。 建立模型與原型水輪機(jī)各個參數(shù)之間的關(guān)系。建立模型與原型水輪機(jī)各個參數(shù)之間的關(guān)系。 1、 轉(zhuǎn)速相似律：即原型和模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)速之間轉(zhuǎn)速相似律：即原型和模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)速之間 的關(guān)系。的關(guān)系。 C H nD H Dn ssMM MM 11 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 2、流量相似律：幾何相似、相似工況下流量之間的、流量相似律：幾何相似、相似工況下流量之間的 關(guān)系。關(guān)系。(a=aM) 3、出力相似律即原型和模型水輪機(jī)出力之間的關(guān)系。

6、、出力相似律即原型和模型水輪機(jī)出力之間的關(guān)系。 均為固定值，均為固定值，QM可以測得，若可以測得，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 )()( 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 二、單位參數(shù)二、單位參數(shù)( (在不同輪系之間進(jìn)行比較在不同輪系之間進(jìn)行比較) ) 將模型試驗(yàn)結(jié)果化成為將模型試驗(yàn)結(jié)果化成為D1M=1m，HM=1m標(biāo)準(zhǔn)情標(biāo)準(zhǔn)情 況下的參數(shù)況下的參數(shù)單位參數(shù)，分別用單位參數(shù)

7、，分別用 表表 示。示。 假定：假定： (實(shí)際上，原型效率大于模型效率，需修正實(shí)際上，原型效率大于模型效率，需修正) )( 111 NnQ， sMs M00 jMj M 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 1、 單位流量單位流量 2、 單位轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)速 3、 單位出力單位出力 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 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ v通常用通常用Q1，n1 表示水輪機(jī)的運(yùn)行工況。當(dāng)幾表示水輪機(jī)的運(yùn)行工況。當(dāng)幾 何

8、相似，單位流量和單位轉(zhuǎn)速對應(yīng)相等時，兩何相似，單位流量和單位轉(zhuǎn)速對應(yīng)相等時，兩 個水輪機(jī)工況相似。個水輪機(jī)工況相似。 v對同一輪系水輪機(jī)在不同的工況下單位參數(shù)分對同一輪系水輪機(jī)在不同的工況下單位參數(shù)分 別為一常數(shù)別為一常數(shù)(工況不同，單位參數(shù)不同工況不同，單位參數(shù)不同)。 v單位參數(shù)由模型試驗(yàn)得出單位參數(shù)由模型試驗(yàn)得出原形水輪機(jī)的參數(shù)原形水輪機(jī)的參數(shù) (相應(yīng)工況相應(yīng)工況)。 v水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的單位參數(shù)水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的單位參數(shù)最優(yōu)單位最優(yōu)單位 參數(shù)，用參數(shù)，用(Q10, n10, N10)表示。表示。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 三、水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速三

9、、水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速 v定義：同一輪系水輪機(jī)，當(dāng)其工作水頭定義：同一輪系水輪機(jī)，當(dāng)其工作水頭H=1m，出，出 力力N=1kW時，所具有的轉(zhuǎn)速。時，所具有的轉(zhuǎn)速。 v是表示水輪機(jī)特征的一個綜合參數(shù)是表示水輪機(jī)特征的一個綜合參數(shù)(與與D1無關(guān)無關(guān))， 能將水輪機(jī)的各個參數(shù)能將水輪機(jī)的各個參數(shù)n、H、 N之間的關(guān)系綜合之間的關(guān)系綜合 反映出來，代表了水輪機(jī)的輪系特征。反映出來，代表了水輪機(jī)的輪系特征。 v ns隨工況變化，一般按隨工況變化，一般按Hr、Ne、ne確定該水輪機(jī)確定該水輪機(jī) 輪系的特征參數(shù)。輪系的特征參數(shù)。 ).( 4/5 kWm H Nn n s 4/5 r ee s H Nn n 浙江水

10、專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ v水輪機(jī)牌號中的轉(zhuǎn)輪型號，即是比轉(zhuǎn)速。水輪機(jī)牌號中的轉(zhuǎn)輪型號，即是比轉(zhuǎn)速。 v不同的輪系，有不同的比轉(zhuǎn)速。目前，各種類型不同的輪系，有不同的比轉(zhuǎn)速。目前，各種類型 的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的大致范圍為：的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的大致范圍為： 貫流式：ns=600-1000 軸流式：ns=200-850 斜流式：ns=150-350 混流式：ns=50-300 水斗式：ns=10-35(單噴嘴) 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 不同比轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)輪形狀不同比轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)輪形狀 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站h

11、ttp:/ 討論：討論： v相似水輪機(jī)，工況相似，相似水輪機(jī)，工況相似，ns相同。不同的相同。不同的ns ，反，反 映不同輪系水輪機(jī)特征。映不同輪系水輪機(jī)特征。 v當(dāng)當(dāng)H一定時：一定時： ns Nn。機(jī)組尺寸縮小，投。機(jī)組尺寸縮小，投 資減少，因此資減少，因此提高比轉(zhuǎn)速可以降低造價提高比轉(zhuǎn)速可以降低造價。 v當(dāng)當(dāng)H和和N一定時，一定時，ns越高，空蝕系數(shù)越大越高，空蝕系數(shù)越大，需要，需要 增加廠房開挖。增加廠房開挖。 v比轉(zhuǎn)速增加，單位流量增加，比轉(zhuǎn)速增加，單位流量增加，b0/D1增大，葉片增大，葉片 數(shù)目減少。數(shù)目減少。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 第三

12、節(jié)第三節(jié) 水輪機(jī)的效率換算與單位參數(shù)修正水輪機(jī)的效率換算與單位參數(shù)修正 一、效率換算經(jīng)驗(yàn)公式一、效率換算經(jīng)驗(yàn)公式 前面的單位參數(shù)公式是假定在相似工況下，前面的單位參數(shù)公式是假定在相似工況下， =M，但實(shí)際上，但實(shí)際上M(約約2%7%)。 其原因是：其原因是： 其中其中/D為相對粗糙度為相對粗糙度 11 ,DDHH MM 11 DD M M M wMw H h H h 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 第三節(jié)第三節(jié) 水輪機(jī)的效率換算與單位參數(shù)修正水輪機(jī)的效率換算與單位參數(shù)修正 二、水輪機(jī)效率換算經(jīng)驗(yàn)公式二、水輪機(jī)效率換算經(jīng)驗(yàn)公式 1、最優(yōu)工況下的效率修正、最優(yōu)工況

13、下的效率修正 采用采用1963年國際電工委員會推薦的公式：年國際電工委員會推薦的公式： 混流：混流： 軸流：軸流： 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 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 2、一般工況、一般工況 vHL、ZD： vZZ ： v注意：軸流式水輪機(jī)，每個葉片轉(zhuǎn)角都對應(yīng)一注意：軸流式水輪機(jī)，每個葉片轉(zhuǎn)角都對應(yīng)一 個最優(yōu)工況。個最優(yōu)工況。 三、單位參數(shù)的修正三、單位參數(shù)的修正 v 最優(yōu)工況時：最優(yōu)工況時： v其他工況時：其他工況時： 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 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 第四節(jié)第四節(jié) 水輪機(jī)的主要綜合特性曲線水輪機(jī)的主要綜合特性曲線 一、水輪機(jī)模型試驗(yàn)簡介一、水輪機(jī)模型試驗(yàn)簡介 v目的：目的：保證水輪機(jī)在工作范圍內(nèi)高效率、穩(wěn)定運(yùn)行。保證水輪機(jī)在工作范圍內(nèi)高效率、穩(wěn)定運(yùn)行。 研究水輪機(jī)在各種工況下的能量特性、空蝕特性等。研究水輪機(jī)在各種工況下的能量特性、空蝕特性等。 v任務(wù)：任務(wù)：水輪機(jī)模型試驗(yàn)是

15、按一定比例將原形水輪機(jī)縮水輪機(jī)模型試驗(yàn)是按一定比例將原形水輪機(jī)縮 小為模型水輪機(jī)，并采用較低的模型水頭小為模型水輪機(jī)，并采用較低的模型水頭HM和較小和較小 的的QM 進(jìn)行試驗(yàn)，測出各工況下的工作參數(shù)，然后通進(jìn)行試驗(yàn)，測出各工況下的工作參數(shù)，然后通 過相似公式換算和修正得出該輪系的綜合參數(shù)。過相似公式換算和修正得出該輪系的綜合參數(shù)。 v類型類型：能量試驗(yàn)、空蝕試驗(yàn)、飛逸試驗(yàn)、軸向水推力：能量試驗(yàn)、空蝕試驗(yàn)、飛逸試驗(yàn)、軸向水推力 試驗(yàn)等。試驗(yàn)等。 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 綜合特性曲線是多參數(shù)之間的關(guān)系曲線。綜合特性曲線是多參數(shù)之間的關(guān)系曲線。 以以(n1,

16、Q1)為坐標(biāo)場，繪制為坐標(biāo)場，繪制、a0、等值線。等值線。 首先計算各個工況點(diǎn)首先計算各個工況點(diǎn): (1) 等開度線繪制等開度線繪制 (2) 等效率線繪制等效率線繪制 (3) 5%出力限制線繪制出力限制線繪制 (4) 等汽蝕線繪制等汽蝕線繪制 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、水輪機(jī)的主要綜合特性曲線二、水輪機(jī)的主要綜合特性曲線 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 混流式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線混流式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站

17、http:/ 軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線 ZZ440模型綜合曲線模型綜合曲線 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 軸流定漿式水輪機(jī)軸流定漿式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線的模型綜合特性曲線 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 沖擊式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線沖擊式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線 浙江水專國家精品課程浙江水專國家精品課程水電站水電站http:/ 作業(yè)作業(yè) v 水輪機(jī)的相似條件和相似定律是什么？研究目的是水輪機(jī)的相似條件和相似定律是什么？研究目的是 什么？什么？ v 什么是水輪機(jī)的輪系、單位參數(shù)和比轉(zhuǎn)速