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(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：e1=e1M；e2=e2M；=M；MMMbbDD000011對(duì)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(dòng)相似二運(yùn)動(dòng)相似運(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，在轉(zhuǎn)輪中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度三角形相似。1=1M；1=1M；2=2M ，MMMMVVWWUUVV22111111三動(dòng)力相似三動(dòng)力相似動(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

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(wèn)題提出：?jiǎn)栴}提出：各實(shí)驗(yàn)研究單位進(jìn)行水輪機(jī)模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(píng)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(lái)，相似律公式得不出精確的結(jié)果，同時(shí)原型水輪機(jī)的總效率事先也不知道。 為解決實(shí)驗(yàn)使用D1M，HM的不一樣造成的應(yīng)用不便，通常采用模型實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)算單位參數(shù)的計(jì)算將化引條件D1M=1m，HM=1m和原型與模型水輪機(jī)各項(xiàng)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(shuō)明說(shuō)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(duì)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(jì)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(jì)算公式消去D1后得：4/511HNnNn對(duì)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(shí)，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(shí)，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(lèi)型用于水輪機(jī)選型時(shí)的比較，一般H、N一定時(shí)，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(gè)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(jì)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(lèi)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?yàn)閮烧叩闹睆胶退^相差較大，原型水輪機(jī)的相對(duì)糙度和相對(duì)粘性力小得多，相對(duì)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(jiǎn)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(jì)算，所以研究水

7、輪機(jī)在最優(yōu)工況下的水力損失，此時(shí)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(duì)HL式：對(duì)ZL式： 10511maxmax7 . 03 . 0(11HHDDMMM3 3一般工況點(diǎn)的效率換算一般工況點(diǎn)的效率換算=M+ 、M為原、模型在一般工況點(diǎn)的效率 ：最高效率點(diǎn)的效率修正值=max-Mmax4 4最優(yōu)工況點(diǎn)說(shuō)明：最優(yōu)工況點(diǎn)說(shuō)明：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)漿式水輪機(jī)，每一個(gè)葉片轉(zhuǎn)角都有一個(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(kāi)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(diǎn)：模型綜合特性曲線特點(diǎn)：等效率曲線的形狀近似于橢圓，但其長(zhǎng)軸與短軸的長(zhǎng)度相差不大，說(shuō)明

9、當(dāng)水輪機(jī)的工作水頭與流量變化時(shí)，其效率變化相差不大。3 3最優(yōu)工況點(diǎn)與限制工況最優(yōu)工況點(diǎn)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(diǎn)，效率為內(nèi)圈效率加1%，該點(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)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(diǎn)模型綜合特性曲線特點(diǎn)： 圖上除等效率線，等開(kāi)度線和等汽蝕系數(shù)線外，還有等轉(zhuǎn)角線。沒(méi)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(lái)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(shí)，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(diǎn)，記下各點(diǎn)的M和Q1值，根據(jù)及計(jì)算各點(diǎn)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(diǎn)曲線特點(diǎn)曲線不過(guò)原點(diǎn)。（因?yàn)楫?dāng)效率為0的空載時(shí)，仍需克服摩擦等消耗功率）效率不隨出力增加而無(wú)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?；炝魇剿啓C(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(diǎn)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(jì)算表等效率曲線計(jì)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(diǎn)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(shí)，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(wú)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(shí)，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(duì)應(yīng)的水輪機(jī)出力Nmin、Nr，將A點(diǎn)（Hr、Nr）點(diǎn)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(jì)算可在等效率曲線計(jì)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(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水頭，即為水輪機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)算Hs與繪制等線的步驟如下：

14、1）計(jì)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(guò)各n1M作水平線與各等線相交，記下各交點(diǎn)的、Q1、M值。2）根據(jù)吸出高度計(jì)算式計(jì)算各點(diǎn)Hs，并計(jì)算各點(diǎn)出力N。3）根據(jù)各工況點(diǎn)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(diǎn)的水頭H及出力N，將這些點(diǎn)（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(jiàn)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(jì)的內(nèi)容及基本資料二水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的內(nèi)容及基本資料1 1水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的內(nèi)容水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的內(nèi)容（1）確定單機(jī)容量及機(jī)組臺(tái)數(shù)；（2）確定機(jī)型和裝置形式；（3）確定水輪機(jī)的功率、