水輪機(jī)的水力效率最大課件

第一節(jié)相似理論概述

水輪機(jī)的試驗(yàn)研究可分為原型試驗(yàn)和模型試驗(yàn)兩種，如何將模型水輪機(jī)試驗(yàn)所得出的成果應(yīng)用到原型水輪機(jī)上去呢?這就需要研究?jī)蓚€(gè)水輪機(jī)之間的相似理論。

水輪機(jī)在不同工況下運(yùn)行時(shí)，各運(yùn)行參數(shù)(如水頭H、流量Q、轉(zhuǎn)速、出力N、效率及汽蝕系數(shù)等)及這些參數(shù)之間的關(guān)系稱為水輪機(jī)的特性。水輪機(jī)完整的運(yùn)行特性，多采用試驗(yàn)研究和理論分析計(jì)算相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行。

幾何相似是指兩個(gè)水輪機(jī)過(guò)流通道幾何形狀的所有對(duì)應(yīng)角相等，所有對(duì)應(yīng)尺寸成比例，如圖3—1所示，即一、幾何相似此外幾何相似尚應(yīng)包括對(duì)應(yīng)部位的相對(duì)糙度相等，即

運(yùn)動(dòng)相似是指同一輪系的水輪機(jī)，水流在過(guò)流通道中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度方向相同，速度大小成比例。即二、運(yùn)動(dòng)相似

動(dòng)力相似是指同一輪系的水輪機(jī)，水流在過(guò)流部分對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的作用力，如壓力、慣性力、重力、粘性力和摩擦力等同名力的方向相同，力的大小成比例。三、動(dòng)力相似一、水輪機(jī)的相似律在同一輪系的水輪機(jī)之間進(jìn)行參數(shù)換算時(shí)，并不直接應(yīng)用上述相似條件來(lái)表示，而是以工況的相似性來(lái)表示。第二節(jié)水輪機(jī)的相似律、單位參數(shù)和比轉(zhuǎn)速通過(guò)水輪機(jī)的有效流量可按下式計(jì)算：1．流量相似律對(duì)模型水輪機(jī)亦可寫(xiě)出：

上兩式右端均為常數(shù)項(xiàng)，對(duì)同一輪系的水輪機(jī)在速度三角形相似的情況下進(jìn)口流速系數(shù)主要與水流進(jìn)口角有關(guān)，并在忽略了其相對(duì)糙度的影響下，可以認(rèn)為由此可寫(xiě)出：

水流在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處的圓周速度U1可由下式表示：2．轉(zhuǎn)速相似律上式亦可寫(xiě)為：對(duì)模型水輪機(jī)亦可寫(xiě)出：

上兩式右端亦均為常數(shù)項(xiàng)，其中為水流在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處圓周速度系數(shù)，對(duì)同一輪系的水輪機(jī)保持運(yùn)動(dòng)相似時(shí)亦可認(rèn)為則亦可寫(xiě)出：

水輪機(jī)的出力可按下式計(jì)算：3．出力相似律將前述水輪機(jī)流量的關(guān)系式代人上式得：

由前述分析可知，上兩式右端的各常數(shù)項(xiàng)在水輪機(jī)保持幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似的情況下亦分別相等，故二、單位參數(shù)

采用將模型試驗(yàn)的成果都化引為標(biāo)準(zhǔn)情況下的參數(shù)，此參數(shù)稱為單位參數(shù)，或稱為化引參數(shù)。單位參數(shù)有單位流量，用，表示；單位轉(zhuǎn)速，用表示；單位出力，用表示。

水力效率容積效率和機(jī)械效率孔都很難從總效率中劃分出來(lái)，所以在上列相似率的公式中可先假定原型水輪機(jī)的效率總是大于模型水輪機(jī)的效率。

將上述化引條件和原型與模型水輪機(jī)各項(xiàng)效率分別相等的假定入(3—6)式、(3—7)式及(3—8)式中，便得出相應(yīng)的單位參數(shù)公式如下。對(duì)反擊式水輪機(jī)：對(duì)水斗式水輪機(jī)：1．單位流量2．單位轉(zhuǎn)速3．單位出力它們的都分別相等，因此三、水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速

對(duì)于幾何相似的水輪機(jī)在相似工況下運(yùn)行時(shí)，常數(shù)。時(shí)，用表示，稱為水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速，即：

所以水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的定義是：同一輪系中的水輪機(jī)，當(dāng)其工作水頭時(shí)所具有的轉(zhuǎn)速。當(dāng)出力用馬力表示時(shí)，水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速亦可寫(xiě)為：現(xiàn)代各型水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速范圍如表3—1所示。

我國(guó)頒發(fā)的水輪機(jī)型譜中，對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的型號(hào)就應(yīng)用來(lái)表示(見(jiàn)表4—1～表4—5)，它推薦的設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)水頭之間的關(guān)系為：比轉(zhuǎn)速還可用單位參數(shù)來(lái)表示：

當(dāng)提高水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速時(shí)，其汽蝕系數(shù)亦隨之迅速增大，這種關(guān)系可以下列經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表達(dá)：

對(duì)水斗式水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速，當(dāng)用射流直徑，噴嘴個(gè)數(shù)和轉(zhuǎn)輪直徑表示時(shí)，可得：

比轉(zhuǎn)速對(duì)水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造，選型和運(yùn)行上都有其重大作用，因而它是水輪機(jī)主要代表性參數(shù)之一。

在上節(jié)得出的單位參數(shù)公式(3—9)一(3—11)式，是假定在相似工況下模型水輪機(jī)與原型水輪機(jī)效率相等的條件下得出的，而實(shí)際上兩者的效率是有差別的。因此需要將試驗(yàn)所得出的模型水輪機(jī)效率，考慮其影響因素經(jīng)過(guò)換算以求得原型水輪機(jī)的效率。第三節(jié)水輪機(jī)的效率換算與單位參數(shù)的修正一、水輪機(jī)的效率換算

原型水輪機(jī)的效率總是高于模型水輪機(jī)的效率，一般高出2％以上，對(duì)大型水輪機(jī)可達(dá)7％。

考慮到水輪機(jī)中的水力粘性摩阻損失與圓管相類(lèi)似，所以水輪機(jī)的沿程損失可采用達(dá)西公式計(jì)算，即：

在最優(yōu)工況下，一般把水輪機(jī)過(guò)流通道表面看作是水力光滑的，此時(shí)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而雷諾數(shù)增大時(shí)將會(huì)導(dǎo)致值的減小，其關(guān)系式為：將上述且的表達(dá)式代人(3—20)式，得：

對(duì)同一輪系的模型水輪機(jī)，亦可寫(xiě)出在最優(yōu)工況下的上列關(guān)系式，即：

將上兩式相比，并考慮到與水頭成正比，則得：引入關(guān)系式；其中雷諾數(shù)的表達(dá)式為：

將上述表達(dá)式弓1人(3—21)式，并認(rèn)為水流的溫度相同，則／＝～。由此得：

在最優(yōu)工況下，水輪機(jī)的水力效率最大，也就是水輪機(jī)的總效率最大，故將上式改寫(xiě)為：1963年國(guó)際電工委員會(huì)(1EC)在《水輪機(jī)模型試驗(yàn)的驗(yàn)收規(guī)程》中推薦采用下列效率換算公式：對(duì)混流式水輪機(jī)：對(duì)軸流式水輪機(jī)：

對(duì)于偏離最優(yōu)工況的其他一般工況，若同樣采用上列公式進(jìn)行效率換算時(shí)，所得出的效率偏高，不宜采用。通?？砂聪率竭M(jìn)行換算：

混流式水輪機(jī)的最優(yōu)工況只有一個(gè)，所以為常數(shù)。而轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，每一個(gè)葉片轉(zhuǎn)角尹都有一個(gè)最優(yōu)工況，因此其效率修正值應(yīng)對(duì)每個(gè)不同的葉片轉(zhuǎn)角甲采用相應(yīng)的效率修正值，可由下式求得：

在該角的其他一般工況下，水輪機(jī)的效率亦可由該工況下的模型效率與上述的厶求得，即

對(duì)水斗式水輪機(jī)，合理的直徑為化并不顯著，因此可不作修正，即認(rèn)為。

如前所述，當(dāng)忽略容積損失和機(jī)械損失，并以水力效率作為總效率時(shí)，則可將(3—6)式及(3—7)式改寫(xiě)為：二、單位參數(shù)的修正

考慮到原型水輪機(jī)與模型水輪機(jī)效率不同的影響，對(duì)第二節(jié)所得出的單位參數(shù)和也必須加以修正。

在最優(yōu)工況時(shí)，模型與原型水輪機(jī)的最高效率分別為，單位流量分別用表示，單位轉(zhuǎn)速分別用。表示，則上兩式可寫(xiě)為：由此可以得出和的修正值為：

由此修正值，便可求得原型水輪機(jī)在其他工況下的單位流量和單位轉(zhuǎn)速：第四節(jié)水輪機(jī)的模型試驗(yàn)

水輪機(jī)模型的能量試驗(yàn)主要是測(cè)定模型水輪機(jī)在各種工況下的運(yùn)行效率，進(jìn)行這種試驗(yàn)的裝置稱為水輪機(jī)的能量試驗(yàn)臺(tái)。水輪機(jī)模型實(shí)驗(yàn)的模擬情況

１）按一定比例將原形水輪機(jī)縮小為模型水輪機(jī)，其直徑一般取D1m=250、350、460mm。２）采用較低的模型水頭，其實(shí)驗(yàn)水頭取Hm=2~6m。３）采用較小的模型流量，其實(shí)驗(yàn)流量取Qm=20~30L/S４）測(cè)定各工況下的工作參數(shù)；５）通過(guò)向斯公式換算和修正得出該論２系的綜合參數(shù)．６）實(shí)驗(yàn)中固定Ｈｍ，改變轉(zhuǎn)速Ｎｍ和流量Ｑｍ．水輪機(jī)模型實(shí)驗(yàn)的任務(wù)１）測(cè)定能量特性２）測(cè)定汽蝕特性３）測(cè)定飛逸特性４）測(cè)定軸向水動(dòng)力５）測(cè)定過(guò)流部件的力特性1)壓力水箱：一、能量試驗(yàn)臺(tái)的組成2)引水室：3)模型水輪機(jī)：4)尾水槽：

5)堰槽：

6)回水槽：二、試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量1)水頭的測(cè)量：2)流量的測(cè)量：3)轉(zhuǎn)速的測(cè)量：4)功率的測(cè)量：

機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可改變負(fù)荷(拉力戶)使測(cè)功架保持平衡不動(dòng)，則此時(shí)主軸的主動(dòng)力矩與制動(dòng)輪的制動(dòng)力矩(亦即摩擦力矩)相平衡。則制動(dòng)力矩M為：

再由當(dāng)時(shí)測(cè)得的轉(zhuǎn)速便可計(jì)算出模型水輪機(jī)的軸功率為：

圖3—5所示的電磁測(cè)功器是采用一特制的直流發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子裝在主軸頂端，定子固定在滾珠軸承上，當(dāng)主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，并與定子磁場(chǎng)作用，吸住并迫使定子一起旋轉(zhuǎn)，此時(shí)可調(diào)節(jié)制動(dòng)力戶使定子處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)，可將制動(dòng)力戶和半徑上，以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速nM代入(3—35)式便可求得水輪機(jī)的軸功NM。

三、綜合參數(shù)的計(jì)算單位轉(zhuǎn)速單位流量模型水輪機(jī)的水流輸入功率為：則模型水輪機(jī)的效率為：

將測(cè)得的全部工況點(diǎn)的參數(shù)和計(jì)算得的綜合參數(shù)均依次列入下列能量試驗(yàn)記錄表3—2中。第五節(jié)水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速和軸向力一、反擊式水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速

當(dāng)水流能量與轉(zhuǎn)速升高時(shí)的機(jī)械摩擦損失能量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到某一穩(wěn)定的最大值，這個(gè)最大的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速稱為水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速，用表示。

水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速的數(shù)值亦可通過(guò)模型試驗(yàn)求得：

在設(shè)計(jì)中主要選取最大單位飛逸轉(zhuǎn)速值以計(jì)算原型水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速，即

表3—3中給出了部分水輪機(jī)采用的值。對(duì)ZZ600和ZZ460，分子、分母分別表示協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)破壞、完好時(shí)的最高單位飛逸轉(zhuǎn)速。

在初步計(jì)算中，如沒(méi)有值時(shí)，水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速亦可按飛逸系數(shù)和額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算，即對(duì)混流式水輪機(jī)對(duì)保持協(xié)聯(lián)關(guān)系的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)對(duì)協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)二、反擊式水輪機(jī)的軸向力

1．轉(zhuǎn)輪的軸向水推力

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的軸向水推力(用表示)是水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪所引起的軸向力，它包括水流對(duì)轉(zhuǎn)輪作功時(shí)產(chǎn)生的推力；在上冠、下環(huán)處因水壓力產(chǎn)生的推力；以及轉(zhuǎn)輪的上浮力等。值一般可按下式進(jìn)行估算：

對(duì)軸流式水輪機(jī)，值亦可由表3-4依轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)查?。粚?duì)混流式水輪機(jī)，由表3-5查取轉(zhuǎn)輪的重量可按下式進(jìn)行估算2．轉(zhuǎn)輪和主軸的重量

對(duì)軸流式水輪機(jī)：或?qū)炝魇剿啓C(jī)：水輪機(jī)總的軸向力

為：三、水斗式水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速和軸向力當(dāng)機(jī)組發(fā)生飛逸時(shí)其飛逸轉(zhuǎn)速可按下式估算：水頭Ｈ流量Q轉(zhuǎn)速n吸出高Hs單位轉(zhuǎn)速單位流量軸功率N效率汽蝕系數(shù)第六節(jié)水輪機(jī)的模型綜合特性曲線結(jié)構(gòu)參數(shù)工作參數(shù)轉(zhuǎn)輪直徑Ｄ１導(dǎo)葉高度Ｂｏ導(dǎo)葉開(kāi)度葉片轉(zhuǎn)角綜合參數(shù)水輪機(jī)參數(shù)線性特性曲線綜合特性曲線水輪機(jī)特性曲線

水輪機(jī)的模型綜合特性曲線是由模型試驗(yàn)資料繪制而成的，如圖3-7所示。它是以單位轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)，以單位流量為橫坐標(biāo)，并在坐標(biāo)場(chǎng)里繪出了和的等值線。一、混流式水輪的模型綜合特性曲線1．等開(kāi)度線的繪制2．等效率曲線的繪制3．5％出力限制線的繪制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)定可靠地運(yùn)行。對(duì)水輪機(jī)的單位出力由(3-11)式可改寫(xiě)為：4．等汽蝕系數(shù)線的繪制二、軸流定槳式水輪機(jī)

軸流定槳式水輪機(jī)的葉片是固定的，其葉片的裝置角是不變的。這種水輪機(jī)在某一葉片裝置角的情況下，其模型試驗(yàn)與模型綜合特性曲線的繪制與混流式水輪機(jī)完全一樣。圖3-9為ZD760型水輪機(jī)在葉片裝置角分別為