水輪機(jī)特性曲線及選擇(第四章)

1、第三章第三章 水輪機(jī)的特性及選擇水輪機(jī)的特性及選擇第一節(jié)第一節(jié) 水輪機(jī)的相似條件水輪機(jī)的相似條件一幾何相似一幾何相似幾何相似是指兩個水輪機(jī)過流通道幾何形狀的所有對應(yīng)角相等，所有對應(yīng)尺寸成比例：e1=e1M；e2=e2M；=M；MMMbbDD000011對于保持幾何相似大大小小的一套水輪機(jī)系列，稱為輪系。二運(yùn)動相似二運(yùn)動相似運(yùn)動相似是指同一輪系的水輪機(jī)，水流在過流通道中對應(yīng)點的速度，在轉(zhuǎn)輪中對應(yīng)點的速度三角形相似。1=1M；1=1M；2=2M ，MMMMVVWWUUVV22111111三動力相似三動力相似動力相似是指同一輪系的水輪機(jī)，水流在過流部分對應(yīng)點上的作用力，如壓力、慣性力、重力、粘性力和

2、摩擦力等同名力的方向相同，力的大小成比例。第二節(jié)第二節(jié) 水輪機(jī)的相似律、單位參水輪機(jī)的相似律、單位參數(shù)和比轉(zhuǎn)速數(shù)和比轉(zhuǎn)速一水輪機(jī)的相似律一水輪機(jī)的相似律1 1流量相似律流量相似律CHDQHDQsrsMMMrMM21212 2轉(zhuǎn)速相似律轉(zhuǎn)速相似律ssMMMMHnDHDn113 3出力相似律出力相似律CHDNHDNjsjMMsMMM2/3212/321二單位參數(shù)二單位參數(shù)1 1問題提出：問題提出：各實驗研究單位進(jìn)行水輪機(jī)模型實驗時，使用的模型直徑D1M和裝置水頭HM不一樣，得出的模型參數(shù)不統(tǒng)一，不便于應(yīng)用，也不便于在不同輪系之間進(jìn)行比較和評定它們的特性。水輪機(jī)的水力效率，容積效率和機(jī)械效率都很難從

3、總效率中劃分出來，相似律公式得不出精確的結(jié)果，同時原型水輪機(jī)的總效率事先也不知道。 為解決實驗使用D1M，HM的不一樣造成的應(yīng)用不便，通常采用模型實驗的成果都化引為D1M=1m，HM=1m標(biāo)準(zhǔn)情況下的參數(shù)，此參數(shù)稱為單位參數(shù)。單位參數(shù)有單位流量Q1，單位轉(zhuǎn)速n1、單位出力N1。因原型水輪機(jī)效率不知道，所以先假定s=sM，r=rM，j=jM，=M，實際上原型水輪機(jī)的效率總是大于模型水輪機(jī)的效率，故應(yīng)予以修正。 3 3單位參數(shù)的計算單位參數(shù)的計算將化引條件D1M=1m，HM=1m和原型與模型水輪機(jī)各項效率分別相等的假定代入相似律公式，得到單位參數(shù)公式：HDQQ211HnDn1111DHnn2/32

4、11HDNN或HDQQ211或或2/3211HDNN說明說明：常用Q1，n1表示水輪機(jī)的運(yùn)行工況，若同一輪系水輪機(jī)在某一工況下Q1，n1相同，則此工況相似。單位參數(shù)對同一輪系的水輪機(jī)，在不同的相似工況下分別為一常數(shù)。單位參數(shù)的概念很重要，在水輪機(jī)的設(shè)計和選擇中有重要的作用，水輪機(jī)特性曲線用單位參數(shù)整理的，可用它確定原型水輪機(jī)參數(shù)。三水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速三水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速1.1.比轉(zhuǎn)速的定義：比轉(zhuǎn)速的定義： 用單位參數(shù)n1、N1的計算公式消去D1后得：4/511HNnNn對幾何相似的水輪機(jī)在相似工況下，n1、N1分別相等，即n1N1=常數(shù)。當(dāng)N1=1KW時，n1用ns表示，稱為水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速，即4/5)

5、(HKWNnnsN用馬力單位時，ns也可表示為 4/5)(857. 0HKWNnns2 2n ns s的應(yīng)用的應(yīng)用按ns的不同劃分水輪機(jī)的類型用于水輪機(jī)選型時的比較，一般H、N一定時，希望選ns高的，但ns高容易產(chǎn)生汽蝕破壞，應(yīng)全面考慮，不單純求高ns 。 n1、Q1、ns是水輪機(jī)相似與否的判別數(shù)a兩個水輪機(jī)若符合相似條件工況又相似n1、Q1、ns應(yīng)分別相等。b. 可利用模型的單位參數(shù)計算原型水輪機(jī)的n、N、Q等參數(shù)。本節(jié)小結(jié)：本節(jié)小結(jié)：1水輪機(jī)的相似律從理論推出原、模型參數(shù)間的關(guān)系。2經(jīng)假設(shè)原、模型效率相等后，將相似律公式引化為單位參數(shù)，用單位參數(shù)反映水輪機(jī)特性。3比轉(zhuǎn)速ns是反映水輪機(jī)特性

6、又一重要參數(shù)，可作為區(qū)別不同類型水輪機(jī)的參數(shù)。第三節(jié)第三節(jié) 水輪機(jī)的效率換算與單位水輪機(jī)的效率換算與單位參數(shù)的修正參數(shù)的修正一水輪機(jī)的效率換算一水輪機(jī)的效率換算1 1換算原因換算原因：模型水輪機(jī)與原型水輪機(jī)效率是不相等的，主要因為兩者的直徑和水頭相差較大，原型水輪機(jī)的相對糙度和相對粘性力小得多，相對水力損失也小得多，所以原型水輪機(jī)的效率總高于模型水輪機(jī)，一般高出2%以上，大型水輪機(jī)可達(dá)7%。2 2換算方法：換算方法：在水輪機(jī)總中，水力效率是主要的，容積效率和機(jī)械效率所占分量很小，為簡化，可忽略容積效率和機(jī)械效率，認(rèn)為=s。水力效率中的水力損失中有局部損失與沿程損失，局部損失難以計算，所以研究水

7、輪機(jī)在最優(yōu)工況下的水力損失，此時局部撞擊和渦流損失不存在，只考慮沿程損失。利用沿程損失公式推導(dǎo)，可由模型最優(yōu)工況下的效率推算出模型最優(yōu)工況下的效率。511maxmax11DDMM對HL式：對ZL式： 10511maxmax7 . 03 . 0(11HHDDMMM3 3一般工況點的效率換算一般工況點的效率換算=M+ 、M為原、模型在一般工況點的效率 ：最高效率點的效率修正值=max-Mmax4 4最優(yōu)工況點說明：最優(yōu)工況點說明：混流式水輪機(jī)的最優(yōu)工況只有一個，所以為常數(shù)，而轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，每一個葉片轉(zhuǎn)角都有一個最優(yōu)工況，因此其效率修正值應(yīng)對每個不同的葉片轉(zhuǎn)角采用相應(yīng)的效率修正值，=max -Mma

8、x第三節(jié)第三節(jié) 水輪機(jī)特性曲線水輪機(jī)特性曲線 模型綜合特性曲線模型綜合特性曲線一混流式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線一混流式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線1 1 繪制方法繪制方法等開度線的繪制：等效率曲線的繪制：5%5%出力限制線出力限制線a a曲線解釋：5%出力限制線的作用是限制水輪機(jī)的工作范圍，使水輪機(jī)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。b.b.曲線繪制:等汽蝕系數(shù)線的繪制：等汽蝕系數(shù)線的繪制： 上述繪制出的四組曲線構(gòu)成了水輪機(jī)的模型綜合特性曲線，前三組反映了水輪機(jī)的能量特性，后一組反映了水輪機(jī)的汽蝕特性。2 2模型綜合特性曲線特點：模型綜合特性曲線特點：等效率曲線的形狀近似于橢圓，但其長軸與短軸的長度相差不大，說明

9、當(dāng)水輪機(jī)的工作水頭與流量變化時，其效率變化相差不大。3 3最優(yōu)工況點與限制工況最優(yōu)工況點與限制工況最優(yōu)工況：在綜合特性曲線最內(nèi)圈等效率曲線中面積的幾何中心點，效率為內(nèi)圈效率加1%，該點為此水輪機(jī)模型的最優(yōu)工況。限制工況：以最優(yōu)工況的n10為常數(shù)作平行于Q1軸的平行線與5%出力限制線交點為此水輪機(jī)的限制工況。三三. .軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的模型綜合特軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線性曲線1 1繪制方法繪制方法：在一張n1、Q1坐標(biāo)場里繪制出各角模型綜合特性曲線（其與軸流式水輪機(jī)的模型綜合特性曲線一樣）。將各角下的相應(yīng)等效率曲線分別用外包絡(luò)線將其包切，得到轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的等效率線。2 2模型綜合特性曲

10、線特點模型綜合特性曲線特點： 圖上除等效率線，等開度線和等汽蝕系數(shù)線外，還有等轉(zhuǎn)角線。沒有出力限制線（存在，但該線上不僅效率偏低，汽蝕系數(shù)甚大，所以不作為限制條件。目前主要按來選擇限制工況）。有比較寬廣的效率工作區(qū)，所以軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)適合于水頭和流量變化范圍較大的情況下工作。 工作特性曲線與運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線工作特性曲線與運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線一概述一概述 二水輪機(jī)工作特性曲線的繪制二水輪機(jī)工作特性曲線的繪制1 1曲線繪制：曲線繪制：當(dāng)水頭H一定時，一定，則以此為常數(shù)在模型綜合特性曲線上作平線，記下與效率曲線的各交點，記下各點的M和Q1值，根據(jù)及計算各點的效率與出力N，并依此繪出f（N）工作特性曲線。 2

11、2曲線特點曲線特點曲線不過原點。（因為當(dāng)效率為0的空載時，仍需克服摩擦等消耗功率）效率不隨出力增加而無限制增大，有極值。3 3各型式水輪機(jī)工作特性曲線的比較各型式水輪機(jī)工作特性曲線的比較軸流定漿式水輪機(jī)的工作特性曲線：陡峭，高效率范圍窄。軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的工作特性曲線：高效率范圍較寬廣，效率變化較平穩(wěn)?；炝魇剿啓C(jī)的工作特性曲線：效率最高，效率變化平穩(wěn)情況較軸流轉(zhuǎn)漿式差。水斗式水輪機(jī)的工作特性曲線：效率較低，但效率變化較平穩(wěn)。三水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制三水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制包涵等效率曲線、出力限制線和等吸出高度線，其分別綜合表示水輪機(jī)的能量特性、汽蝕特性和運(yùn)行限制范圍。混流式水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性

12、曲線混流式水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線（1）等效率曲線的繪制等效率曲線是指在某一效率值的曲線上任一點的運(yùn)行工況水輪機(jī)的效率相等。表表5-3 等效率曲線計算表等效率曲線計算表11 1121 .5119 .8 1Mn DnnHPDHQ HminH=Hr=Hmax=n1Q11N在5%出力限制線上2）繪制：圖5-20確定等效率線拐點的輔助曲線（）機(jī)組出力限制線的繪制機(jī)組出力限制線，由發(fā)電機(jī)額定出力和水輪機(jī)出力限制線兩部分組成。1）發(fā)電機(jī)出力限制線。當(dāng)水頭HHr時，水輪機(jī)出力受到發(fā)電機(jī)出力的限制。發(fā)電機(jī)的額定出力與水頭無關(guān)，在一定的功率因數(shù)下，它的額定出力為常數(shù)，因此在運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線圖上為一垂直線，如圖5-21

13、所示：2）水輪機(jī)出力限制線。當(dāng)HHr時，水輪機(jī)的出力受5%出力限制線的限制?；炝魇剿啓C(jī)的出力限制線，通常根據(jù)模型綜合特性曲線上的5%出力限制線進(jìn)行繪制。繪制方法一般是求出與Hmin和Hr相對應(yīng)的水輪機(jī)出力Nmin、Nr，將A點（Hr、Nr）點B（Hmin、Nmin）在圖5-21上連成一條斜線，即為水輪機(jī)出力限制線。具體計算可在等效率曲線計算表5-3出力限制線一欄中進(jìn)行。發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)出力限制線的交點所對應(yīng)的水頭，即為水輪機(jī)設(shè)計水頭。（）等吸出高度線的繪制等吸出高度線表達(dá)水輪機(jī)在各運(yùn)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Hs與繪制等線的步驟如下：

14、1）計算各水頭相應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n1M，在模型綜合特性曲線上過各n1M作水平線與各等線相交，記下各交點的、Q1、M值。2）根據(jù)吸出高度計算式計算各點Hs，并計算各點出力N。3）根據(jù)各工況點的Hs、N，繪出各水頭下的曲線，如圖5-22（a）所示。4）在曲線圖上取某Hs值（例Hs=-3.0m）作水平線與各曲線相交，記下各交點的水頭H及出力N，將這些點（N、H）繪制NH坐標(biāo)系內(nèi)，并用光滑曲線連接即為某Hs的等吸出高度線，見圖5-22。圖5-22等吸出高度線的繪制第四節(jié)第四節(jié) 水輪機(jī)的選擇水輪機(jī)的選擇一概述一概述二水輪機(jī)選型設(shè)計的內(nèi)容及基本資料二水輪機(jī)選型設(shè)計的內(nèi)容及基本資料1 1水輪機(jī)選型設(shè)計的內(nèi)容水輪機(jī)選型設(shè)計的內(nèi)容（1）確定單機(jī)容量及機(jī)組臺數(shù)；（2）確定機(jī)型和裝置形式；（3）確定水輪機(jī)的功率、