水輪機(jī)類型及工作參數(shù)

第一節(jié)水輪機(jī)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(jì)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(jī)作為將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的一種水力原動機(jī)，是水電站中最重要的組成局部。根據(jù)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換水流能量方式的不同，水輪機(jī)分成兩大類：還擊式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)。還擊式水輪機(jī)包括混流式、軸流式、斜流式和貫流式水輪機(jī)；沖擊式水輪機(jī)分為水斗式、斜擊式和雙擊式水輪機(jī)。一、還擊式水輪機(jī)還擊式水輪機(jī)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(jī)后，其動能和勢能大局部被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。1.混流式水輪機(jī)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?；炝魇剿啓C(jī)應(yīng)用水頭范圍較廣，約為20～700m，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定且效率高，是現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的一種水輪機(jī)。圖1-1混流式水輪機(jī)1—主軸；2—葉片；3—導(dǎo)葉2．軸流式水輪機(jī)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)內(nèi)水流保持軸向流動，軸流式水輪機(jī)的應(yīng)用水頭約為3～80m。軸流式水輪機(jī)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(yùn)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(jī)兩種。軸流定槳式水輪機(jī)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(jì)工況運(yùn)行時效率會急劇下降，因此，這種水輪機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片可以根據(jù)運(yùn)行工況的改變而轉(zhuǎn)動，從而擴(kuò)大了高效率區(qū)的范圍，提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性。但是，這種水輪機(jī)需要有一個操作葉片轉(zhuǎn)動的機(jī)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軸流式水輪機(jī)1—導(dǎo)葉；2—葉片；3—輪轂3．斜流式水輪機(jī)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(jī)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(jī)之間，約為40～200m。它是在50年代初為了提高軸流式水輪機(jī)適用水頭而在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)根底上改良提出的新機(jī)型，其結(jié)構(gòu)形式及性能特征與軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)類似，但由于其傾斜槳葉操作機(jī)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(jī)應(yīng)用還不普遍。圖1-3斜流式水輪機(jī)1—蝸殼；2—導(dǎo)葉；3—轉(zhuǎn)輪葉片；4—尾水管4．貫流式水輪機(jī)貫流式水輪機(jī)是一種流道近似為直筒狀的臥軸式水輪機(jī)，它不設(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(jī)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(jī)〔如圖1-4〕的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接安裝在轉(zhuǎn)輪葉片的外緣。它的優(yōu)點(diǎn)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(jī)型已很少使用。半貫流式水輪機(jī)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(hù)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(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、效率較高，其發(fā)電機(jī)布置在被水繞流的鋼制燈泡體內(nèi)，水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)可直接聯(lián)接，也可通過增速裝置聯(lián)接。圖1-4全貫流式水輪機(jī)1—轉(zhuǎn)輪葉片；2—轉(zhuǎn)輪輪緣；3—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輪輞；4—發(fā)電機(jī)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(jī)1—轉(zhuǎn)輪；2—水輪機(jī)主軸；3—尾水管；4—齒輪轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)；5—發(fā)電機(jī)圖1-6燈泡貫流式水輪機(jī)1—轉(zhuǎn)輪葉片；2—導(dǎo)葉；3—發(fā)電機(jī)定子；4—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子；5—燈泡體圖1-7豎井貫流式水輪機(jī)貫流式水輪機(jī)的適用水頭為1～25m，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(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為5.5m，單機(jī)出力為15MW。二、沖擊式水輪機(jī)沖擊式水輪機(jī)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(jī)之前已轉(zhuǎn)變成高速自由射流，該射流沖擊轉(zhuǎn)輪的局部輪葉，并在輪葉的約束下發(fā)生流速大小和方向的改變，從而將其動能大局部傳遞給輪葉，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)的壓力根本不變，近似為大氣壓。沖擊式水輪機(jī)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(jī)水斗式水輪機(jī)，亦稱切擊式水輪機(jī)，如圖1-8所示。從噴嘴出來的高速自由射流沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向垂直沖擊輪葉。這種水輪機(jī)適用于高水頭、小流量的水電站，特別是當(dāng)水頭超過400m時，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣蝕等條件的限制，混流式水輪機(jī)已不太適用，那么常采用水斗式水輪機(jī)。大型水斗式水輪機(jī)的應(yīng)用水頭約為300～1700m，小型水斗式水輪機(jī)的應(yīng)用水頭約為40～250m。目前水斗式水輪機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)水頭為1022.4m。圖1-8水斗式水輪機(jī)2．斜擊式水輪機(jī)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(jī)一般多用于中小型水電站，適用水頭一般為20～300m。圖1-9斜擊式轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪；(b)斜擊式轉(zhuǎn)輪進(jìn)水示意圖管帽；2—針閥；3—輪葉；3．雙擊式水輪機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，但效率低、轉(zhuǎn)輪葉片強(qiáng)度差，僅適用于單機(jī)出力不超過1000kW的小型水電站，其適用水頭一般為5～100m。圖1-10帶有閘板閥門的雙擊式水輪機(jī)1—工作輪；2—噴嘴；3—調(diào)節(jié)閘板；4—舵輪；5—引水管；6—尾水槽各種類型水輪機(jī)及應(yīng)用水頭范圍如表1-1所示。表1-1水輪機(jī)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40～700混流可逆式80～600軸流式軸流轉(zhuǎn)槳式3～90軸流定槳式3～50斜流式斜流式40～200斜流可逆式40～120貫流式貫流轉(zhuǎn)槳式2～30貫流定槳式?jīng)_擊式水斗式300～1700斜擊式20～300雙擊式5～100第二節(jié)水輪機(jī)的工作參數(shù)水輪機(jī)的工作參數(shù)是表征水流通過水輪機(jī)時水流能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪機(jī)械能過程中的一些特性數(shù)據(jù)。水輪機(jī)的根本工作參數(shù)主要有水頭、流量、出力、效率、轉(zhuǎn)速。一、水頭水輪機(jī)的水頭〔亦稱工作水頭〕是指水輪機(jī)進(jìn)口和出口截面處單位重量的水流能量差，單位為m。對還擊式水輪機(jī)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Ⅱ-Ⅱ斷面。列出水輪機(jī)進(jìn)、出口斷面的能量方程，如圖1-11所示，根據(jù)水輪機(jī)工作水頭的定義可寫出其根本表達(dá)式：圖1-11水電站和水輪機(jī)的水頭示意圖〔1-1〕式中——單位重量水體的能量，m；——相對某一基準(zhǔn)的位置高度，m；——相對壓力，N/m2或Pa；——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；——重力加速度，m/s2。式〔1-1〕中，計(jì)算常取稱為某截面的水流單位動能，即比動能〔m〕；稱為某截面的水流單位壓力勢能，即比壓能〔m〕；稱為某截面的水流單位位置勢能，即比位能〔m〕。、與的三項(xiàng)之和為某水流截面水的總比能。水輪機(jī)水頭又稱凈水頭，是水輪機(jī)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(jī)，水流通過水輪機(jī)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，其單位為m。水輪機(jī)的工作水頭又可表示為〔1-2〕式中——水電站毛水頭，m；——水電站引水建筑物中的水力損失，m。從式〔1-2〕可知，水輪機(jī)的水頭隨著水電站的上下水位的變化而改變，常用取幾個特征水頭表示水輪機(jī)水頭的范圍。特征水頭包括最大水頭、最小水頭、加權(quán)平均水頭、設(shè)計(jì)水頭等，這些特征水頭由水能計(jì)算給出。1．最大水頭，是允許水輪機(jī)運(yùn)行的最大凈水頭。它對水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)有決性的影響。2．最小水頭，是保證水輪機(jī)平安、穩(wěn)定運(yùn)行的最小凈水頭。3．加權(quán)平均水頭，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(jī)水頭的加權(quán)平均值，是水輪機(jī)在其附近運(yùn)行時間最長的凈水頭。4.設(shè)計(jì)水頭，是水輪機(jī)發(fā)出額定出力時所需要的最小凈水頭。水輪機(jī)的水頭，說明水輪機(jī)利用水流單位機(jī)械能的多少，是水輪機(jī)最重要的根本工作參數(shù)，其大小直接影響著水電站的開發(fā)方式、機(jī)組類型以及電站的經(jīng)濟(jì)效益等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。二、流量水輪機(jī)的流量是單位時間內(nèi)通過水輪機(jī)某一既定過流斷面的水流體積，常用符號表示，常用的單位為m3/s。在設(shè)計(jì)水頭下，水輪機(jī)以額定轉(zhuǎn)速、額定出力運(yùn)行時所對應(yīng)的水流量稱為設(shè)計(jì)流量，它是水輪機(jī)發(fā)出額定出力時所需要的最大流量。三、轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在單位時間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，常用符號表示，常用單位為r/min。四、出力與效率水輪機(jī)出力是水輪機(jī)軸端輸出的功率，常用符號表示，常用單位kW。水輪機(jī)的輸入功率為單位時間內(nèi)通過水輪機(jī)的水流的總能量，即水流的出力，常用符號表示，那么(KW)〔1-3〕由于水流通過水輪機(jī)時存在一定的能量損耗，所以水輪機(jī)出力總是小于水流出力。水輪機(jī)的輸入和輸出功率之比稱為水輪機(jī)的效率，用符號表示。〔1-4〕由于水輪機(jī)在工作過程中存在能量損耗，故水輪機(jī)的效率<1。由此，水輪機(jī)的出力可寫成〔KW〕〔1-5〕水輪機(jī)將水能轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)軸端的出力，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩用來克服發(fā)電機(jī)的阻抗力矩，并以角速度旋轉(zhuǎn)。水輪機(jī)出力、旋轉(zhuǎn)力矩和角速度之間有以下關(guān)系式〔1-6〕式中——水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；——水輪機(jī)主軸輸出的旋轉(zhuǎn)力矩，N·m；——水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。第三節(jié)水輪機(jī)的空化系數(shù)與吸出高度一、水輪機(jī)的空化系數(shù)衡量水輪機(jī)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(jī)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(jī)在運(yùn)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(jī)空化性能的空化系數(shù)。圖4-6為一水輪機(jī)流道示意圖，設(shè)最低壓力點(diǎn)為點(diǎn)，其壓力為,2點(diǎn)為葉片出口邊上的點(diǎn)，壓力為，點(diǎn)為下游水面上的點(diǎn)，為下游水面上的壓力，假設(shè)下游為開敞式的，那么為大氣壓力。列出點(diǎn)和2點(diǎn)水流相對運(yùn)動的伯努力立程式++-=++-+〔4-2〕式中——由到2點(diǎn)的水頭損失。由于點(diǎn)和2點(diǎn)非常接近，故可近似地認(rèn)為，那么上式為=+++〔4-3〕為了求出2點(diǎn)的壓力，可取葉片出口處2點(diǎn)與下游斷面點(diǎn)間水流絕對運(yùn)動的伯努力方程式++=++〔4-4〕式中—由2點(diǎn)到點(diǎn)的水頭損失，由于出口流速很小可以認(rèn)為，那么上式可寫成+=++〔4-5〕將式〔4-5〕代入式〔4-3〕可得=〔4-6〕式中=+，那么K點(diǎn)的真空值為=〔4-7〕由式〔4-7〕可知，點(diǎn)的真空由兩局部組成：１．１．動力真空圖4-6翼型空化條件分析動力真空值由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和尾水管所形成，它與水輪機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況有關(guān)。２．２．靜力真空。靜力真空又稱為吸出高度，它與水輪機(jī)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(jī)型式無關(guān)。將式〔4-6〕方程式兩端同時減去和各除以水頭后可得〔4-8〕式中，—尾水管的恢復(fù)系數(shù)。令〔4-9〕〔4-10〕稱為水輪機(jī)空化系數(shù)；為水電站空化系數(shù)。那么式〔4-8〕可寫成〔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(jī)工作輪翼型的幾何形態(tài)、水輪機(jī)工況和尾水管性能有關(guān)。對某一幾何形狀既定的水輪機(jī)〔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(jī)〔包括尾水管相似〕，根據(jù)相似理論在相似工況點(diǎn)〔相等〕速度三角相似，那么各速度的相對值相等。在相似工況點(diǎn)，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(jī)空化的一個相似準(zhǔn)那么。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)僅取決于轉(zhuǎn)輪相對于下游水面的相對高度，僅表示離開空化起始點(diǎn)的表征值。由式〔4-11〕可知，當(dāng)點(diǎn)壓力降至相應(yīng)溫度的汽化壓力時，那么水輪機(jī)的空化處于臨界狀態(tài)，此時；當(dāng)時，那么工作輪中最低壓力點(diǎn)的壓力，工作輪中不會發(fā)生空化；當(dāng)時，那么工作輪中最低壓力點(diǎn)，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)闹祦肀ＷC水輪在無空化的條件下運(yùn)行。二、水輪機(jī)的吸出高度１．吸出高度的計(jì)算公式水輪機(jī)在某一工況下，其最低壓力點(diǎn)處的動力真空值是一定的，但其靜力真空卻與水輪機(jī)的裝置高程有關(guān)，因此，可通過選擇適宜的吸出高度來控制點(diǎn)的真空值，以到達(dá)防止空化和空蝕的目的。為了防止在轉(zhuǎn)輪葉片上的空化，必須使點(diǎn)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〔4-12〕式中—水輪機(jī)安裝位置的大氣壓。考慮到標(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(jī)安裝位置的海撥高程為▽m時，有〔mH2O〕—相應(yīng)于平均水溫下的汽化壓力?？紤]到水電站壓力管道中的水溫一般為5~20℃對于含量較小的清水質(zhì)，可取〔mH2O〕；—水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行的空化系數(shù)，值通常由模型試驗(yàn)獲取，但考慮到水輪機(jī)模型空化試驗(yàn)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)作修正，取或在實(shí)際應(yīng)用時，常將式〔4-12〕簡寫成〔4-13〕或〔4-14〕式中—水輪機(jī)安裝位置的海撥高程，在初始計(jì)算中可取為下游平均水位的海撥高程；—模型空化系數(shù)，各種工況的值可從該型號水輪機(jī)的模型綜合特性曲線中查取；—空化系數(shù)的修正值，可根據(jù)設(shè)計(jì)水頭由圖4-7中查取；—水輪機(jī)水頭，一般取為設(shè)計(jì)水頭。軸流式水輪機(jī)還應(yīng)用最小水頭，混流式水輪機(jī)還應(yīng)用最大水頭及對應(yīng)工況的進(jìn)行校核計(jì)算；—水輪機(jī)的空化平安系數(shù)，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，?。粚炝魇剿啓C(jī)，可采用表4-3中的數(shù)據(jù)。表4-3水輪機(jī)水頭與空化平安系數(shù)關(guān)系水頭H(m)30~100100~250250以上平安系數(shù)1.151.201當(dāng)然，吸出高度值的最后確定，還必須考慮基建條件，投資大小和運(yùn)行條件等進(jìn)行方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比擬。如水中含砂量大，為了防止空蝕和泥沙磨損的相互影響和聯(lián)合作用，吸出高度值應(yīng)取得平安一些。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(jī)的吸出高度的準(zhǔn)確定義是從葉片反面壓力最低點(diǎn)到下游水面的垂直高度。但是點(diǎn)的位置在實(shí)際計(jì)算時很難確定，而且在不同工況時點(diǎn)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(jī)吸出高度作如下規(guī)定〔參見圖4-8〕。圖4-8各種不同型式水輪機(jī)的吸出高度軸流式；混流式；斜流式；臥式還擊式〔1〕軸流式水輪機(jī)的是下游水面至轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)中心線的距離?！?〕混流式水輪機(jī)的是下游水面至導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的下環(huán)平面的距離?！?〕斜流式水輪機(jī)的是下游水面至轉(zhuǎn)輪葉片旋轉(zhuǎn)軸線與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)外表交點(diǎn)的距離〔4〕臥式還擊式水輪機(jī)的是下游水面至轉(zhuǎn)輪葉片最高點(diǎn)的距離。為正值表示轉(zhuǎn)輪位于下游水面之上；假設(shè)為負(fù)值，那么表示轉(zhuǎn)輪位于下游水面之下，其絕對值常稱為淹沒深度。３．吸出高度與安裝高程的關(guān)系對于立軸還擊式水輪機(jī)安裝高程是指導(dǎo)葉中心高程；對于臥式水輪機(jī)是指主軸中心高程，不同裝置方式的水輪機(jī)安裝高程〔見圖4-9〕的計(jì)算方法如下：圖4-9水輪機(jī)安裝高程示意圖立軸混流式水輪機(jī)〔4-15〕式中—尾水位，m；—導(dǎo)葉高度，m。立軸軸流式水輪機(jī)〔4-16〕式中—轉(zhuǎn)輪直徑，m；X—軸流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)高度系數(shù)，取0.41。臥式還擊式水輪機(jī)〔4-17〕確定水輪機(jī)安裝高程的尾水位通常稱為設(shè)計(jì)尾水位。設(shè)計(jì)尾水位可根據(jù)水輪機(jī)的過流量從下游水位與流量關(guān)系曲線中查得。一般情況下水輪機(jī)的過流量可按電站裝機(jī)臺數(shù)參見表4-4用。表4-4確定設(shè)計(jì)尾水位的水輪機(jī)過流量第五節(jié)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線及其繪制一．水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線水輪機(jī)在水電站中運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，其各主要工作參數(shù)之間的關(guān)系，可概括地表達(dá)在水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線上。原型水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線是轉(zhuǎn)輪直徑D1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、等吸出高度線=以及出力限制線。圖6-19為某混流式水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線。圖6-19混流式水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線水輪機(jī)的運(yùn)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(jī)相似律可知，當(dāng)水輪機(jī)的、n為常數(shù)時，具有以下關(guān)系存在?！?-8〕〔6-9〕〔6-10〕=〔6-11〕根據(jù)上述關(guān)系，可以把~為坐標(biāo)系的模型綜合特性曲線換算為以P~H為坐標(biāo)系的運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線。水輪機(jī)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(jī)和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制方法。二．混流式水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制1．等效率曲線的繪制圖6-20混流式水輪機(jī)等效率線的直接換算混流式水輪機(jī)的效率修正采用等值修正法，即水輪機(jī)所有工況點(diǎn)的效率換算均采用同一修正值=〔6-12〕〔6-13〕式中：——原型水輪機(jī)最高效率；——模型水輪機(jī)最高效率。這樣，混流式水輪機(jī)模型綜合特性曲線的同一等效率線上的點(diǎn)換算到原型水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線上時，仍是同一條等效率線上的點(diǎn)。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)工作水頭范圍~時，可在此水頭范圍之間取假設(shè)干個水頭值，并分別計(jì)算出各水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，在圖6-20所示的模型綜合特性曲線上以各值作水平線與模型的某等效率線相交于一系列點(diǎn)，將各交點(diǎn)的換算為，同時計(jì)算出各點(diǎn)的P，把各點(diǎn)描繪到P~H坐標(biāo)系中并連成光滑曲線即得到原型水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的等效率線。在實(shí)際繪制運(yùn)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⑴在水輪機(jī)工作水頭范圍(~)內(nèi)，取假設(shè)干間隔均勻的水頭〔一般取4~5個，包括，，在內(nèi)〕，計(jì)算各水頭所對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，以各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(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)處的、計(jì)算出原型水輪機(jī)的效率與出力P，然后，作出各水頭下的=曲線，如圖6-21(a)所示。⑵在曲線=上以某效率〔例如=91%〕作水平線與各=曲線相交，找出各交點(diǎn)的H、P值。⑶作P~H坐標(biāo)系，并在其中繪出計(jì)算中所選水頭值的水平線，將〔2〕中得到的各交點(diǎn)按其H、P值點(diǎn)到P~H坐標(biāo)系中，連接各點(diǎn)即得到某效率值的等效率線，如圖6-21〔b〕所示。等效率線計(jì)算時，可按表6-1的格式進(jìn)行。表6-1等效率曲線計(jì)算==H==

出力限制線上

為了找到每條等效率曲線的拐點(diǎn)，例如圖6-21〔b〕中的A點(diǎn)，需要確定拐點(diǎn)所對應(yīng)的水頭與出力，為此，可根據(jù)計(jì)算表中各水頭H所對應(yīng)的最高效率點(diǎn)的效率值及出力作出~H曲線[見圖6-22〔a〕]及~H曲線[見圖6-22〔b〕]，需要確定某效率線〔例如其效率為〕的拐點(diǎn)時，可根據(jù)效率值從兩圖上分別查出拐點(diǎn)所對應(yīng)的水頭與出力。圖6-22確定等效率線拐點(diǎn)的輔助曲線〔a〕~H曲線；〔b〕~H曲線2．出力限制線的繪制原型水輪機(jī)的出力限制線表示水輪機(jī)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(jī)與發(fā)電機(jī)配套的情況下，水輪機(jī)的出力受發(fā)電機(jī)額定出力的限制。因此，實(shí)際的出力限制線以設(shè)計(jì)水頭為界分為兩局部。在與之間，水輪機(jī)出力受發(fā)電機(jī)額定容量的限制，是一條的垂直線。在~之間，水輪機(jī)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假設(shè)干點(diǎn)，根據(jù)各點(diǎn)的效率、單位流量經(jīng)相似計(jì)算求出對應(yīng)點(diǎn)的水頭H與出力P，將這些點(diǎn)繪到P~H坐標(biāo)中并連成光滑曲線即得到~范圍內(nèi)的出力限制線。為了計(jì)算簡便，有時只選兩個水頭〔例與〕，分別計(jì)算出它們的最大允許出力和，然后過〔，〕和〔，〕兩點(diǎn)連一直線，以此作為H<時的出力限制線，見圖6-23。圖6-23原型水輪機(jī)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(jī)在各運(yùn)行工況的最大允許吸出高度，等線是根據(jù)模型綜合特性曲線的等線換算而求得的，計(jì)算與繪制等線的步驟如下：⑴計(jì)算各水頭相應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，在模型綜合特性曲線上過各作水平線與各等線相交，記下各交點(diǎn)的、及值。⑵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P。⑶根據(jù)各工況點(diǎn)的，P，繪出各水頭下的=曲線，如圖6-24〔a〕所示。⑷在=曲線圖上取某值〔例=-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P，將這些點(diǎn)〔P，H〕繪到P~H坐標(biāo)系內(nèi)，并用光滑曲線連接即為某值的等吸出高度線，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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制原理與混流式水輪機(jī)根本相同，但由于轉(zhuǎn)槳式具有雙重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可在協(xié)聯(lián)方式下運(yùn)行，水輪機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線中的某些方面與混流式水輪機(jī)有所差異。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制方法如下。1．等效率線的繪制⑴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〕Δ。假設(shè)各角下模型水輪機(jī)的