水輪機類型和工作參數(shù)

1、文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯.歡迎下載支持第一節(jié)水輪機的主要類型自然界有多種能源，其中有很多式可以開發(fā)利用的，目前已被利用的能源中主要有熱能、水能、風(fēng)能和核能。其中水能是一種最經(jīng)濟的能源，水能的開發(fā)利用已受到越來越多的關(guān)注。我國有著豐富的水力資源，對水能的開發(fā)利用已受到社會的廣泛關(guān)注，對水能最重要的開發(fā)形式就是興建各種各樣的水電站。水輪機作為將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能的一種水力原動機，是水電站中最重要的組成部分。根據(jù)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換水流能量方式的不同，水輪機分成兩大類：反擊式水輪機和沖擊式水輪機。反擊式水輪機包括混流式、軸流式、斜流式和貫流式水輪機；沖擊式水輪機分為水斗式、斜擊式和雙

2、擊式水輪機。一、反擊式水輪機反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)的水流在通過轉(zhuǎn)輪葉片流道時，始終是連續(xù)充滿整個轉(zhuǎn)輪的有壓流動，并在轉(zhuǎn)輪空間曲面型葉片的約束下，連續(xù)不斷地改變流速的大小和方向，從而對轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生一個反作用力，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)水流通過水輪機后，其動能和勢能大部分被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)機械能。1.混流式水輪機如圖1-1所示，水流從四周沿徑向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，然后近似以軸向流出轉(zhuǎn)輪。混流式水輪機應(yīng)用水頭范圍較廣，約為20700m,結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定且效率高，是現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的一種水輪機。圖1-1混流式水輪機1主軸；2葉片；3導(dǎo)葉2軸流式水輪機如圖1-2所示，水流在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間由徑向流動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動，而在轉(zhuǎn)輪區(qū)

3、內(nèi)水流保持軸向流動，軸流式水輪機的應(yīng)用水頭約為380m。軸流式水輪機在中低水頭、大流量水電站中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)其轉(zhuǎn)輪葉片在運行中能否轉(zhuǎn)動，又可分為軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機兩種。軸流定槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片是固定不動的，因而結(jié)構(gòu)簡單、造價較低，但它在偏離設(shè)計工況運行時效率會急劇下降，因此，這種水輪機一般用于水頭較低、出力較小以及水頭變化幅度較小的水電站。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片可以根據(jù)運行工況的改變而轉(zhuǎn)動，從而擴大了高效率區(qū)的范圍，提高了運行的穩(wěn)定性。但是，這種水輪機需要有一個操作葉片轉(zhuǎn)動的機構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價較高，一般用于水頭、出力均有較大變化幅度的大中型水電站。圖1-2軸流式水

4、輪機1導(dǎo)葉；2葉片；3輪轂3斜流式水輪機如圖1-3所示，水流在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)沿著與主軸成某一角度的方向流動。斜流式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片大多做成可轉(zhuǎn)動的形式，具有較寬的高效率區(qū)，適用水頭在軸流式與混流式水輪機之間，約為40200m。它是在50年代初為了提高軸流式水輪機適用水頭而在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機基礎(chǔ)上改進(jìn)提出的新機型，其結(jié)構(gòu)形式及性能特征與軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機類似，但由于其傾斜槳葉操作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，加工工藝要求和造價均較高，所以一般只在大中型水電站中使用，目前這種水輪機應(yīng)用還不普遍。圖1-3斜流式水輪機1蝸殼；2導(dǎo)葉；3轉(zhuǎn)輪葉片；4尾水管4貫流式水輪機貫流式水輪機是一種流道近似為直筒狀的臥軸式水輪機，它

5、不設(shè)引水蝸殼，葉片可做成固定的和可轉(zhuǎn)動的兩種。根據(jù)其發(fā)電機裝置形式的不同，分為全貫流式和半貫流式兩類。全貫流式水輪機（如圖1-4）的發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接安裝在轉(zhuǎn)輪葉片的外緣。它的優(yōu)點是流道平直、過流量大、效率高。但由于轉(zhuǎn)輪葉片外緣的線速度大、周線長，因而旋轉(zhuǎn)密封困難。目前這種機型已很少使用。半貫流式水輪機有軸伸式、豎井式和燈泡式等裝置形式，如圖1-5、圖1-6、圖1-7所示，其中軸伸式和豎井式結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，但效率較低，一般只用于小型水電站。目前廣泛使用的是燈泡貫流式水輪機，其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、效率較高，其發(fā)電機布置在被水繞流的鋼制燈泡體內(nèi)，水輪機與發(fā)電機可直接聯(lián)接，也可通過增速裝置聯(lián)接。圖1

6、-4全貫流式水輪機1轉(zhuǎn)輪葉片；2轉(zhuǎn)輪輪緣；3發(fā)電機轉(zhuǎn)子輪輞；4發(fā)電機定子；5、6支柱；7軸頸；8輪轂；9錐形插入物；10拉緊桿；11導(dǎo)葉；12推力軸承；13導(dǎo)軸承圖1-5軸伸貫流式水輪機1轉(zhuǎn)輪；2水輪機主軸；3尾水管；4齒輪轉(zhuǎn)動機構(gòu)；5發(fā)電機圖1-6燈泡貫流式水輪機1轉(zhuǎn)輪葉片；2導(dǎo)葉；3發(fā)電機定子；4發(fā)電機轉(zhuǎn)子；5燈泡體圖1-7豎井貫流式水輪機貫流式水輪機的適用水頭為125m,適用于低水頭、大流量的水電站。由于其臥軸式布置及流道形式簡單，所以土建工程量少，施工簡便，因而在開發(fā)平原地區(qū)河道和沿海地區(qū)潮汐等水力資源中得到較為廣泛的應(yīng)用。目前我國自行研制的最大的燈泡貫流式水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為5.5m,單

7、機出力為15MW。二、沖擊式水輪機沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪始終處于大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進(jìn)入水輪機之前已轉(zhuǎn)變成高速自由射流，該射流沖擊轉(zhuǎn)輪的部分輪葉，并在輪葉的約束下發(fā)生流速大小和方向的改變，從而將其動能大部分傳遞給輪葉，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。在射流沖擊輪葉的整個過程中，射流內(nèi)的壓力基本不變，近似為大氣壓。沖擊式水輪機按射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式不同可分為水斗式、斜擊式和雙擊式三種。1水斗式水輪機水斗式水輪機，亦稱切擊式水輪機，如圖1-8所示。從噴嘴出來的高速自由射流沿轉(zhuǎn)輪3文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持圓周切線方向垂直沖擊輪葉。這種水輪機適用于高水頭、小流量的水電站，特別是

8、當(dāng)水頭超過400m時，由于結(jié)構(gòu)強度和氣蝕等條件的限制，混流式水輪機已不太適用，則常采用水斗式水輪機。大型水斗式水輪機的應(yīng)用水頭約為3001700m，小型水斗式水輪機的應(yīng)用水頭約為40250m。目前水斗式水輪機的最高水頭已用到1767m（奧地利萊塞克電站），我國天湖水電站的水斗式水輪機設(shè)計水頭為1022.4m。圖1-8水斗式水輪機2.斜擊式水輪機如圖1-9所示，從噴嘴出來的自由射流沿著與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面成一角度的方向，從轉(zhuǎn)輪的一側(cè)進(jìn)入輪葉再從另一側(cè)流出輪葉。與水斗式相比，其過流量較大，但效率較低，因此這種水輪機一般多用于中小型水電站，適用水頭一般為20300m。圖1-9斜擊式轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪；（b）斜擊式轉(zhuǎn)

9、輪進(jìn)水示意圖管帽；2針閥；3一輪葉；3.雙擊式水輪機如圖1-10所示，從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊在轉(zhuǎn)輪葉片上。這種水輪機結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，但效率低、轉(zhuǎn)輪葉片強度差，僅適用于單機出力不超過1000kW的小型水電站，其適用水頭一般為5100m。圖1-10帶有閘板閥門的雙擊式水輪機1工作輪；2噴嘴；3調(diào)節(jié)閘板；4一舵輪；5引水管；6一尾水槽各種類型水輪機及應(yīng)用水頭范圍如表1-1所示。表1-1水輪機類型及應(yīng)用水頭范圍類型型式適應(yīng)水頭范圍（m）反擊式混流式混流式40700混流可逆式80600軸流式軸流轉(zhuǎn)槳式390軸流定槳式350斜流式斜流式40200斜流可逆式40120貫流式貫流轉(zhuǎn)槳式貫流定槳式23

10、0沖擊式水斗式3001700斜擊式20300雙擊式5100第二節(jié)水輪機的工作參數(shù)水輪機的工作參數(shù)是表征水流通過水輪機時水流能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪機械能過程中的一些特性數(shù)據(jù)。水輪機的基本工作參數(shù)主要有水頭H、流量Q、出力P、效率、轉(zhuǎn)速n。、水頭H水輪機的水頭（亦稱工作水頭）是指水輪機進(jìn)口和出口截面處單位重量的水流能量差，單位為mt對反擊式水輪機進(jìn)口斷面取在蝸殼進(jìn)口處I-I斷面，出口取在尾水管出口n-n斷面。列出水輪機進(jìn)、出口斷面的能量方程，如圖1-11所示，根據(jù)水輪機工作水頭的定義可寫出其基本表達(dá)式：圖1-11水電站和水輪機的水頭示意圖H Ei EniV22gZnPnnV n2(1-1 )9式中E單位重

11、量水體的能量，m;Z相對某一基準(zhǔn)的位置高度，muP相對壓力，N/m2或Pa;V斷面平均流速，m/s;斷面動能不均勻系數(shù)；水的重度，其值為9810N/m3;g重力加速度，m/s2。式（1-1 ）中，計算常取1 n 1,V2/2g稱為某截面的水流單位動能，即比動m）; Z稱為某截面的水流單位能（m）；P稱為某截面的水流單位壓力勢能，即比壓能（位置勢能，即比位能（m。V2/2g、p/與z的三項之和為某水流截面水的總比能。水輪機水頭H又稱凈水頭，是水輪機做功的有效水頭。上游水庫的水流經(jīng)過進(jìn)水口攔污柵、閘門和壓力水管進(jìn)入水輪機，水流通過水輪機做功后，由尾水管排至下游。上、下游水位差值稱為水電站的毛水頭H

12、g,其單位為m=水輪機的工作水頭又可表示為(1-2)式中Hg水電站毛水頭，m;h水電站引水建筑物中的水力損失，m=從式（1-2）可知，水輪機的水頭隨著水電站的上下水位的變化而改變，常用取幾個特水頭Ha、設(shè)計水頭H等，這些特征水頭由水能計算給出。征水頭表示水輪機水頭的范圍。特征水頭包括最大水頭H max、最小水頭 H min、加權(quán)平均1 .最大水頭Hmax,是允許水輪機運行的最大凈水頭。它對水輪機結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計有決性的影響。2 .最小水頭Hmin,是保證水輪機安全、穩(wěn)定運行的最小凈水頭。3 .加權(quán)平均水頭Ha,是在一定期間內(nèi)（視水庫調(diào)節(jié)性能而定），所有可能出現(xiàn)的水輪機水頭的加權(quán)平均值，是水輪機在

13、其附近運行時間最長的凈水頭。4 .設(shè)計水頭H是水輪機發(fā)出額定出力時所需要的最小凈水頭。水輪機的水頭，表明水輪機利用水流單位機械能的多少，是水輪機最重要的基本工作參數(shù)，其大小直接影響著水電站的開發(fā)方式、機組類型以及電站的經(jīng)濟效益等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。一泌且Q水輪機的流量是單位時間內(nèi)通過水輪機某一既定過流斷面的水流體積，常用符號Q表示，常用的單位為m3/s。在設(shè)計水頭下，水輪機以額定轉(zhuǎn)速、額定出力運行時所對應(yīng)的水流量稱為設(shè)計流量Q,它是水輪機發(fā)出額定出力時所需要的最大流量。三、轉(zhuǎn)速n水輪機的轉(zhuǎn)速是水輪機轉(zhuǎn)輪在單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，常用符號n表示，常用單位為r/min。四、出力P與效率水輪機出力是水輪機

14、軸端輸出的功率，常用符號P表示，常用單位kW水輪機的輸入功率為單位時間內(nèi)通過水輪機的水流的總能量，即水流的出力，常用符號Pn表示，則PnQH 9.81QH (KW)由于水流通過水輪機時存在一定的能量損耗，所以水輪機出力(1-3)P總是小于水流出力 Pn 。水輪機的輸入和輸出功率之比稱為水輪機的效率，用符號Pt表不。tPn(1-4)由于水輪機在工作過程中存在能量損耗，故水輪機的效率t 1o由此，水輪機的出力可寫成P Pn t 9.81QH t (KW/水輪機將水能轉(zhuǎn)化為水輪機軸端的出力，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩(1-5)M用來克服發(fā)電機的阻抗力矩，并以角速度旋轉(zhuǎn)。水輪機出力 P、旋轉(zhuǎn)力矩 M和角速度之間有以

15、下關(guān)系式M2n(1-6)60式中一一水輪機旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s;M水輪機主軸輸出的旋轉(zhuǎn)力矩，Nlm;n水輪機轉(zhuǎn)速，r/min。第三節(jié)水輪機的空化系數(shù)與吸由高度一、水輪機的空化系數(shù)衡量水輪機性能好壞有兩個重要參數(shù)，一個參數(shù)是效率，表示能量性能，另一個參數(shù)是空化系數(shù)，表示空化性能。所以，一個好的水輪機轉(zhuǎn)輪必須同時具備良好的能量性能和空化性能，即既要效率高，能充分利用水能，又要空化系數(shù)小，使水輪機在運行中不易發(fā)生汽蝕破壞。本節(jié)將分析和推導(dǎo)葉片不發(fā)生空化的條件和表征水輪機空化性能的空化系數(shù)。圖4-6為一水輪機流道示意圖，設(shè)最低壓力點為K點，其壓力為Pk,2點為葉片出口邊上的點，壓力為P2,a點為下游

16、水面上的點，Pa為下游水面上的壓力，若下游為開敞式的，則Pa為大氣壓力。列出K點和2點水流相對運動的伯努力立程式PKW2ul也W2u1(4-2)Zk+g+2g_2g=Z2+g+2g_2g+hk2式中hk2一一由K到2點的水頭損失。由于K點和2點非常接近，故可近似地認(rèn)為uKu2 ,則上式為PkP2W22 W：2g +22 ZK)+hk2(4-3)為了求出2點的壓力，可取葉片出口處 方程式2點與下游斷面a點間水流絕對運動的伯努力P2V22PaVa2Z2+ g +2g = g +2g +h2(4-4)式中h2由2點到a點的水頭損失，由于出口流速很小可以認(rèn)為0,則上式可寫成將式（4-5）代入式（4-3

17、）可得P2Pag +Z2= g +Za + h2V；2g(4-5)PkPa(Zkza)(Vg222WkW22ghk a)(4-6)式中 hk a = hk 2 + hk a ,則K點的真空值為PvPaPkZk22z V22 Wk Z a (二-2gw22hk a)(4-7)由式（4-7）可知，K點的真空由兩部分組成:圖4-6翼型空化條件分析動力真空值由于水輪機的轉(zhuǎn)輪和尾水管所形成，它與水輪機各流速水頭、轉(zhuǎn)輪葉片和尾水管幾何形狀有關(guān)，即與水輪機結(jié)構(gòu)及運行工況有關(guān)。2.2.2.靜力真空。靜力真空HSZkZa又稱為吸出高度，它與水輪機安裝高程有關(guān)。取決于轉(zhuǎn)輪相對于下游水面的裝置高度，而與水輪機型式無

18、關(guān)。Pv將式（4-6）方程式兩端同時減去g和各除以水頭H后可得Pk RgH22W W222gH或)W2g)(4-8)V22w式中 2ghk aw一尾水管的恢復(fù)系數(shù)。w2 WV2w2gH2gH(4-9)pag(4-10)稱為水輪機空化系數(shù)；p為水電站空化系數(shù)。則式（4-8）可寫成PkPvgH（4-11）由式（4-9）可知，是動力真空的相對值，是一個無因次量，該值與水輪機工作輪翼型的幾何形態(tài)、水輪機工況和尾水管性能有關(guān)。對某一幾何形狀既定的水輪機（包括尾水管相似，在既定的某一工況下，其值是定值。對于幾何形狀相似的水輪機（包括尾水管相nDnii似），根據(jù)相似理論在相似工況點（V，H相等）速度三角相似

19、，則各速度的相對值相等。在相似工況點，尾水管恢復(fù)系數(shù)亦相等，所以相等。由此可知，是反映水輪機空化的一個相似準(zhǔn)則。由式（4-10）可知，當(dāng)下游水面為大氣壓力時，電站空化系數(shù)p僅取決于轉(zhuǎn)輪相對于下游水面的相對高度，p僅表示離開空化起始點的表征值。由式（4-11）可知，當(dāng)K點壓力Pk降至相應(yīng)溫度的汽化壓力Pv時，則水輪機的空化處于臨界狀態(tài)，此時p;當(dāng)p時，則工作輪中最低壓力點的壓力PkPv,工作輪中不會發(fā)生空化；當(dāng)p時，則工作輪中最低壓力點pkpv,工作輪中將發(fā)生空化。通過以上分析可知，通過選擇適當(dāng)?shù)腍S值來保證水輪在無空化的條件下運行。二、水輪機的吸出高度1.吸出高度的計算公式水輪機在某一工況下，

20、其最低壓力點K處的動力真空值是一定的，但其靜力真空HS卻與水輪機的裝置高程有關(guān)，因此，可通過選擇合適的吸出高度HS來控制K點的真空值，以達(dá)到避免空化和空蝕的目的。為了避免在轉(zhuǎn)輪葉片上的空化，必須使K點壓力大于水流的飽和汽化壓力，即將上式代入式（4-11）得將上式整理后得PaPvHS-HS(4-12)ggPa式中g(shù)水輪機安裝位置的大氣壓?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)海平面的平均大氣壓為10.33mH2O,在海撥高程3000米以內(nèi)，每升高900m大氣壓降低1mH2O,因此當(dāng)水輪機安裝位置的海撥Pa-10.33高程為m時，有g(shù)900(mH2O)Pvg相應(yīng)于平均水溫下的汽化壓力。考慮到水電站壓力管道中的水溫一般為520

21、cP,0.090.24對于含量較小的清水質(zhì)，可取g(mH2O);一水輪機實際運行的空化系數(shù)，值通常由模型試驗獲取，但考慮到水輪機模型空化試驗的誤差及模型與原型之間尺寸不同的影響，對模型空化系數(shù)m作修正，取m或Km在實際應(yīng)用時，常將式(4-12)簡寫成Hs10.0(m)H900(4-13)Hs10.0KmH或900(4-14)式中一水輪機安裝位置的海撥高程，在初始計算中可取為下游平均水位的海撥高程；m一模型空化系數(shù)，各種工況的m值可從該型號水輪機的模型綜合特性曲線中查取；一空化系數(shù)的修正值，可根據(jù)設(shè)計水頭Hr由圖4-7中查取；H水輪機水頭，一般取為設(shè)計水頭Hr。軸流式水輪機還應(yīng)用最小水頭Hmin

22、,混流式水輪機還應(yīng)用最大水頭Hmax及對應(yīng)工況的m進(jìn)行校核計算；K一水輪機的空化安全系數(shù)，根據(jù)技術(shù)規(guī)范，對于轉(zhuǎn)槳式水輪機，取K1.1；對混流式水輪機，可采用表4-3中的數(shù)據(jù)。表4-3水輪機水頭與空化安全系數(shù)K關(guān)系水頭HH(m)30100100250250以上安全系數(shù)K1.151.201當(dāng)然，吸出高度HS值的最后確定，還必須考慮基建條件，投資大小和運行條件等進(jìn)行方案的技術(shù)經(jīng)濟比較。如水中含砂量大，為了避免空蝕和泥沙磨損的相互影響和聯(lián)合作用，吸出高度Hs值應(yīng)取得安全一些。圖4-7空化系數(shù)修正值與水頭H的關(guān)系曲線2.吸出高度的規(guī)定水輪機的吸出高度HS的準(zhǔn)確定義是從葉片背面壓力最低點K到下游水面的垂直

23、高度。但是K點的位置在實際計算時很難確定，而且在不同工況時K點的位置亦有所變動。因此在工程上為了便于統(tǒng)一，對不同類型和不同裝置形式的水輪機吸出高度HS作如下規(guī)定(參見圖4-8)。圖4-8各種不同型式水輪機的吸出高度(a)軸流式；(b)混流式；(c)斜流式；(d)臥式反擊式(1)軸流式水輪機的HS是下游水面至轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)中心線的距離。(2)混流式水輪機的HS是下游水面至導(dǎo)水機構(gòu)的下環(huán)平面的距離。(3)斜流式水輪機的HS是下游水面至轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面交點的距離(4)臥式反擊式水輪機的Hs是下游水面至轉(zhuǎn)輪葉片最高點的距離。HS為正值表示轉(zhuǎn)輪位于下游水面之上；若為負(fù)值，則表示轉(zhuǎn)輪位于下游水

24、面之下，其絕對值常稱為淹沒深度。3.吸出高度與安裝高程的關(guān)系對于立軸反擊式水輪機安裝高程是指導(dǎo)葉中心高程；對于臥式水輪機是指主軸中心高程,不同裝置方式的水輪機安裝高程(見圖4-9)的計算方法如下：圖4-9水輪機安裝高程示意圖(1) 立軸混流式水輪機HSbo(4-15)式中w一尾水位，m;b一導(dǎo)葉高度，m。(2) 立軸軸流式水輪機(4-16)wHSXD1式中D1轉(zhuǎn)輪直徑，m;X一軸流式水輪機結(jié)構(gòu)高度系數(shù)，取0.41。(3) 臥式反擊式水輪機w HsDi(4-17)確定水輪機安裝高程的尾水位通常稱為設(shè)計尾水位。設(shè)計尾水位可根據(jù)水輪機的過流量文檔來源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支

25、持從下游水位與流量關(guān)系曲線中查得。一般情況下水輪機的過流量可按電站裝機臺數(shù)參見表4-4用。表4-4確定設(shè)計尾水位的水輪機過流量第五節(jié)水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線及其繪制一.水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線水輪機在水電站中運行時，是在額定轉(zhuǎn)速n下工作的。但是，當(dāng)功率P和水頭H變化時，流量Q、效率和空化系數(shù)隨之發(fā)生變化。在水輪機轉(zhuǎn)速不變的情況下，其各主要S35789 9Q 9】龔(MW)15工作參數(shù)之間的關(guān)系，可概括地表達(dá)在水輪機的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上。原型水輪機的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線是轉(zhuǎn)輪直徑Di和轉(zhuǎn)速n為常數(shù)時，以水頭H、出力P為縱、橫坐標(biāo)作出的等效率線f（P，H）、等吸出高度線Hs=f（P，H）以及出力限制線。圖

26、6-19為某混流式水輪機的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線。圖6-19混流式水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線水輪機的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線一般由模型綜合特性曲線換算而來。由水輪機相似律可知，當(dāng)水輪機的D1、n為常數(shù)時，具有下列關(guān)系存在。Hf(nii)(%2(6-8)(6-9)(6-10)(6-11)niM15_2Pf(Q11)9.81Q11H.D1Hs_f()10E/900()H根據(jù)上述關(guān)系，可以把Q11n11為坐標(biāo)系的模型綜合特性曲線換算為以PH為坐標(biāo)系的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線。水輪機型式不同，特性曲線的換算方法也不盡相同，下面介紹混流式水輪機和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制方法。二.混流式水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制圖

27、6-20混流式水輪機等效率線的直接換算混流式水輪機的效率修正采用等值修正法，即水輪機所有工況點的效率換算均采用同一修正值(6-12)(6-13)_maxMOM式中：max原型水輪機最高效率;MO模型水輪機最高效率。這樣，混流式水輪機模型綜合特性曲線的同一等效率線上的點換算到原型水輪機的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線上時，仍是同一條等效率線上的點。根據(jù)此原理，可以把模型等效率曲線直接換算為原型的等效率線。當(dāng)已知工作水頭范圍HminHmax時，可在此水頭范圍之間取若干個水頭值Hi,并分別計算出各水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11,在圖6-20所示的模型綜合特性曲線上以各n11i值作水平線與模型的某等效率線相交于一系列點，

28、將各交點的M換算為，同時計算出各點的P,把各點描繪到PH坐標(biāo)系中并連成光滑曲線即得到原型水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的等效率線。在實際繪制運轉(zhuǎn)綜合曲線時，為了作圖方便，常采用下面的方法。圖6-21等效率線的繪制在水輪機工作水頭范圍(HminHmax)內(nèi)，取若干間隔均勻的水頭(一般取45個，包才Hmin?Hr,Hmax在內(nèi))，計算各水頭所對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11M,以各n11M值在模型綜合特性曲線上作水平線與其等效率線相交得一系列交點，根據(jù)交點處的Q11、M計算出原型水輪機的效率與出力P,然后，作出各水頭下的=f(P)曲線，如圖6-21(a)所示。在曲線=f(P)上以某效率(例如=91%)作水平線與各=f

29、(P)曲線相交，找出各交點的H、P值。作PH坐標(biāo)系，并在其中繪出計算中所選水頭值的水平線，將(2)中得到的各交點按其H、P值點到PH坐標(biāo)系中，連接各點即得到某效率值的等效率線，如圖6-21(b)所示。等效率線計算時，可按表6-1的格式進(jìn)行。表6-1等效率曲線計算Hmax_Hr=H=Hmin=出力限制線上為了找到每條等效率曲線的拐點，例如圖6-21(b)中的A點，需要確定拐點所對應(yīng)的水頭Ha與出力Pa,為此，可根據(jù)計算表中各水頭H所對應(yīng)的最高效率點的效率值T0及出力P0作出T0線（例如其效率為A）的拐點時，可根據(jù)效率值從兩圖上分別查出拐點所對應(yīng)的水頭HA與出力PAO圖6-22確定等效率線拐點的輔

30、助曲線（a）T0H曲線；（b）P0H曲線2 .出力限制線的繪制原型水輪機的出力限制線表示水輪機在不同水頭下可以發(fā)出或允許發(fā)出的最大出力，在水輪機與發(fā)電機配套的情況下，水輪機的出力受發(fā)電機額定出力的限制。因此，實際的出力限制線以設(shè)計水頭Hr為界分為兩部分。在Hmax與H之間，水輪機出力受發(fā)電機額定容量的限制，是一條PPr的垂直線。在HrHmin之間，水輪機的出力限制線一般由模型綜合特性曲線的5%出力限制線換算而得到，通常在模型綜合特性曲線的出力限制線上取若干點，根據(jù)各點的效率、單位流量經(jīng)相似計算求出對應(yīng)點的水頭H與出力P,將這些點繪到PH坐標(biāo)中并連成光滑曲線即得到HminHr范圍內(nèi)的出力限制線。

31、為了計算簡便，有時只選兩個水頭（例Hr與Hmin），分別計算出它們的最大允許出力P和所，然后過（H，R）和（Hmin,Pmin）兩點連一直線，以此作為HHr時的出力限制線，見圖6-23。圖6-23原型水輪機出力限制線3 .等吸出高度線的繪制等吸出高度線表達(dá)水輪機在各運行工況的最大允許吸出高度Hs,等Hs線是根據(jù)模型綜合特性曲線的等線換算而求得的，計算與繪制等Hs線的步驟如下：計算各水頭相應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11M,在模型綜合特性曲線上過各n11M作水平線與各等線相交，記下各交點的、Q11及M值。根據(jù)吸出高度計算式Hs10E/900()計算各點Hs,并計算各點出力P。根據(jù)各工況點的 Hs, P,繪出各

32、水頭下的 Hs= f(P)曲線，如圖6-24 (a)所示。在Hs=f(P)曲線圖上取某Hs值(例Hs=-3.0m)作水平線與各Hs=f(P)曲線相交，記下各交點的水頭H及出力P,將這些點(P,H)繪到PH坐標(biāo)系內(nèi)，并用光滑曲線連接即為某Hs值的等吸出高度線，見圖6-24(b)。圖6-24等吸出高度線的繪制三、轉(zhuǎn)槳式水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制轉(zhuǎn)槳式水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制原理與混流式水輪機基本相同，但由于轉(zhuǎn)槳式具有雙重調(diào)節(jié)機構(gòu)，可在協(xié)聯(lián)方式下運行，水輪機的效率修正采用非等值修正法，一般同一葉片轉(zhuǎn)角取同一修正值，因此，繪制運轉(zhuǎn)綜合特性曲線中的某些方面與混流式水輪機有所差別。轉(zhuǎn)槳式水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制方法如下。1.等效率線的繪制對轉(zhuǎn)輪葉片的每一個安放角求出一個效率修正值(表6-2) A模型水輪機的最高效率為1 1T0 ( ) _M0()，原型水輪機各角下的最高效率為1 /10M0( ) 0.3 0.7. D1M :DitHt()T0 ( ) _ M 0 ()()。若各角下T0(),則(6-14)(6-15)文檔來