水轮机的比转速
比转速是一个说明流量Q
比转速是一个说明流量Q、扬程H、转速n之间关系的一个从相似理论中引出来的综合性参数，相似泵在相似的工况下比转速用下面的公式确定nq=n·pow(Q,0.5)/pow(H,0.75)比转速的最初应用是在水轮机上应用，为使其也能在离心泵中应用，经单位换算后我们得到二者统一的表达式：ns=3.65·n·pow(Q,0.5)/pow(H,0.75)水轮机比转速公式是：ns=(n×p^0.2)÷H^1.25用单位参数表示为：ns=3.13×n11×(Q11×η)^0.2见（水轮机），可认为是1米水头能发出1马力（有的书是千瓦）所对应的转速。
现在好象比转速已经意义不大了，在近代水轮机学科中用单位转速的概念要比用比转速要清晰些。
只要计算单位转速和单位流量就行，这样就能根据模型曲线计算真机了ns(比转速)=3.13n1(单位转速)√[Q1（单位流量）*η（效率）]ns=[ 水轮机转速*√功率（kw）]/H（水头）的1.25次方两个公式任选第2个就是2楼讲的工程上把功率叫出力单位流量转轮（叶轮）公称直径为1m，在1m水头（扬程）下的水力机械过流量，由流量相似关系导出，用Q11表示，单位为m3/s。
单位流量反映不同系列水轮机的过流能力，不同型式的水轮机、水泵水轮机或蓄能泵在不同水头(扬程)下的单位流量有一定限度，它随工作水头(扬程)增高而降低。
随着水轮机设计水平的提高，单位流量数值有提高的趋势，反映水轮机功率增大或直径减小。
轴流式水轮机可通过减小轮毂比、缩小叶栅稠密度、增大叶片扭角和出口扭角；混流式水轮机可通过加大导叶高度、减少转轮叶片数、扩大下环扩散角、减小叶片包角和切割出水边等来提高单位流量。
任何一项提高单位流量的措施都会不同程度地影响水轮机的性能，一般都是结合电站实际，在保证具有较高效率和良好空化性能的前提下，优化提高单位流量。
单位转速_百度百科中文名称：单位转速；英文名称：unitspeed；定义1：水轮机转轮公称直径为1?m，水头为1?m时的转速，符号“n11”。
水轮机的相似理论
第三章水轮机的相似理论及综合特性曲线§3.1 相似理论概述一、几个基本概念1、水轮机特性水轮机在不同工况下运行时，各运行参数(H，Q，n，N，η，б)及这些参数之间的关系，称水轮机的特性。
水轮机设计、制造、选型、最佳运行方案、限制条件。
由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机特性靠理论与实验相结合。
2、模型试验试验研究：原型：尺寸大，试验困难，不经济。
模型：(D: 250～460mm，H：2～6m)快、方便，易测量数据，较准确。
3、相似理论研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确立这些参数之间的换算关系的理论。
二、水轮机相似条件保证模型水轮机与原型水轮机相似，只有符合一定的相似条件(水流运动相似)。
1、几何相似：过流通道几何形状相似(1)、过流通道的对应角相等：βe1＝βe1M ；βe2＝βe2M ；Φ＝ΦM……(2)、对应尺寸成比例：D1/D1M＝b0/b0M＝a0/a0M＝…….(3)、对应部位的相对糙率相等：△/ D1＝△M/D1M几何相似: 大大小小的一套水轮机系列——轮系，同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。
2、运动相似：同一轮系水轮机、工况相似(1)、过流通道的对应点的速度方向相同(2)、过流通道的对应点的速度大小对成比例即速度三角形相似。
3、 动力相似： (压力、惯性力、重力、摩擦力等)同一轮系水轮机，水流对应点所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。
3.2 水轮机的相似定律、单位参数及比转速一、水轮机的相似定律相似定律：建立模型击原型水轮机各个参数(H 、n 、N 、η)之间的关系。
1． 流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的关系。
(a=a M )=SMM M rMM H DQ ηη21CH DQ Sr =ηη2111,,,D H D H M M 均为固定值，Q M 可以测得，若ηrM 、ηsM 、ηr 、ηs 已知，可求出Q 。
2. 转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间的关系。
水轮机专业基础知识问答(附参考答案)
水轮机专业基础知识问答（附参考答案）第一部分简答1什么叫水轮机?答:将水能转变为旋转机械能的水力原动机叫做水轮机。
2简述冲击式水轮机与反击式水轮机的区别。
答:工作原理方面:利用水流的势能与动能做功的水轮机为反击式水轮机;利用水流的动能做功的水轮机为冲击式水轮机；流动特征方面:反击式水轮机转轮流道有压,封闭,全周进水;冲击式水轮机转轮流道无压,开放,部分进水；结构特征方面也显著不同.如转轮的差别,有无喷嘴,尾水管。
3简述反击式水轮机的过流部件及其作用。
引水室:作用是引水流进入导水机构。
导水机构:作用是调节水轮机过流量,并使水流能按一定方向进入转轮。
转轮:将水流能量转换为固体旋转机械能量的部件。
尾水管:作用是将水流排下下游,并回收转轮出口的剩余动能。
4简述冲击式水轮机的主要部件喷嘴:水轮机自由射流的形成装置。
喷针:与喷嘴共同完成流量控制(以行程变化喷嘴控制喷嘴出口过流面积)。
转轮:由轮盘和轮盘外周均匀排列的水斗构成的组件,转换水流能量为固体旋转机械能。
折向器:自由射流流程内部件,可遮断射流,以防止转轮飞逸。
5简述我国关于水轮机标准直径的定义。
混流式:转轮叶片进水边上最大直径。
浆叶式(轴流式,斜流式,贯流式):浆叶转动轴线与转轮室相交处直径。
冲击式:射流中心线与转轮相切处节圆直径。
6简述水轮机主要工作参数工作水头H:水轮机的进口和出口处单位重量水流的能量差值。
流量Q:单位时间内通过水轮机的水流体积。
转速n:水轮机转轮单位时间内旋转的次数。
出力P:水轮机轴端输出的功率。
效率η:水轮机的输入与输出功率之比。
7简述水轮机中水流运动的分解水轮机流道内水流空间运动,可用若干个简单运动表示的方法就是其水流运动的分解。
例如转轮中水流运动,为水流质点绝对运动(或绝对速度),为水流质点沿叶片的相对运动(或相对速度),为水流质点随转轮所用的周向牵连运动(或牵连速度).其相应的矢量关系图即为速度三角形。
8简述水轮机工况的概念水轮机的运行状态或运行条件称为水轮机的工况.水轮机的不同工况相应一组不同的工作参数。
高比转速与低比转速水轮机对比
低比转速水轮机的应用场景与适用范围
应用场景
低比转速水轮机适用于水头较高、流量较小的水电站，特别是在水力资源丰富、 地势落差较大的地区。
适用范围
低比转速水轮机适用于水头变化较小、流量变化较大的水电站，特别是在需要 提高水电站运行稳定性的场合。
两者在应用场景和适用范围上的比较
比较
高比转速水轮机适用于低水头、大流量的水电站，而低比转速水轮机适用于高水 头、小流量的水电站。两者在应用场景和适用范围上存在明显的差异。
高比转速与低比转速水轮机 对比
contents
目录
• 概述 • 工作原理与性能特点 • 应用场景与适用范围 • 优缺点分析 • 发展趋势与展望
01
概述
高比转速水轮机定义
高比转速水轮机是指单位流量和单位 转速较大，或者单位功率和单位转速 较小的一类水轮机。
高比转速水轮机通常具有较小的转轮 直径和较高的转速，适用于水头较低、 流量较大的水电站。
高效能与高稳定性
随着技术的不断进步，高比转速水轮机在效率和 稳定性方面取得了显著提升，未来将进一步优化 设计，提高运行效率。
智能化与自动化
随着智能化和自动化技术的广泛应用，高比转速 水轮机的监控、控制和保护系统将更加完善，提 高设备的可靠性和安全性。
环保与节能
随着环保意识的增强，高比转速水轮机在设计和 制造过程中将更加注重环保和节能，降低对环境 的影响。
高比转速水轮机具有较高的效率和单 位流量，但制造成本较高，稳定性较 差；而低比转速水轮机则具有较好的 稳定性和较低的制造成本，但效率和 单位流量较低。
VS
在选择水轮机时，应根据水电站的具 体条件和要求进行综合考虑，以选择 最适合的水轮机类型。
05
称为水轮机的比转速
绘出了
和 的等值线。
一、混流式水轮的模型综合特性曲线
1．等开度线的绘制 2．等效率曲线的绘制
3．5％出力限制线的绘制
5％出力限制线的作用是限制水轮机的工作范 围，使水轮机能够稳定可靠地运行。对水轮机的单 位出力 由(3-11)式可改写为：
4．等汽蚀系数线的绘制
二、轴流定桨式水轮机
轴流定桨式水轮机的叶片是固定的，其
1963年国际电工委员会(1EC)在《水轮机模型 试验的验收规程》中推荐采用下式水轮机：
对于偏离最优工况的其他一般工况，若同样采 用上列公式进行效率换算时，所得出的效率偏高， 不宜采用。通常可按下式进行换算：
混流式水轮机的最优工况只有一个，所以
为常数。而转桨式水轮机，每一个叶片转角尹都有
一、能量试验台的组成
1) 压力水箱： 2) 引水室： 3) 模型水轮机： 4) 尾水槽： 5) 堰槽： 6) 回水槽：
二、试验参数的测量
1) 水头 的测量： 3) 转速 2) 流量 的测量： 4) 功率
的测量： 的测量：
机组转动时，可改变负荷(拉力户)使测功架保 持平衡不动，则此时主轴的主动力矩与制动轮的制
我国颁发的水轮机型谱中，对水轮机转轮的 型号就应用 来表示(见表4—1～表4—5)，它推 荐的设计比转速与设计水头之间的关系为：
比转速 还可用单位参数来表示：
当提高 水轮机的比 转速时，其 汽蚀系数亦 随之迅速增 大，这种关 系可以下列 经验公式来 表达 ：
对水斗式水轮机的比转速，当用射流直 径 ，喷嘴个数 和转轮直径 表示时， 可得：
对第二节所得出的单位参数 和
也必
须加以修正。
如前所述，当忽略容积损失和机械损失，并以 水力效率 作为总效率 时，则可将(3—6)式及 (3—7)式改写为：
水轮机组运行参数
机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。
1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。
1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。
1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。
高清图文+水轮机的相似原理、单位参数、比转速及特性曲线
(二) 特性曲线：各参数之间的关系曲线 (1) 线性特性曲线：反映2~3个参数之间的关系曲线 (2) 综合特性曲线：表示多个参数之间的关系，能较
完整地描述水轮机各运行工况的特性。
当H和N一定时，ns越高，汽蚀系数越大，增加厂 房开挖。
比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数 目减少。
水轮机的特性曲线及其绘制
ٛ 一、水轮机参数及特性曲线 (一) 水轮机参数：参数关系反映水轮机特性。 (1) 结构参数：转轮直径D1，导叶高度b0，导叶开度 a0，叶片转角Φ (2) 工作参数：H、Q、n 、Hs
参数n、H、 N之间的关系综合反映出来，代表了水轮机的轮系
特征。
ns随工况变化,一般按H设、N额、n额确定该水轮机轮系的特征参 数。
ns
ne N e
H
5/4 r
讨论：
相似水轮机，工况相似，ns相同，不同的ns ，反 映不同轮系水轮机特征。
当H一定时： ns ↑→N↑→n↑。机组尺寸缩小， 投资减少，因此提高比转速可以降低造价。
3、相似理论 研究相似水轮机之间存在的相似规律，
并确立这些参数之间的换算关系的理论。
二、水轮机相似条件
1、几何相似： 过流通道几何形状相似
(1) 过流通道的对应角相等：βe1＝βe1M ；βe2＝ βe2M ；Φ＝Φ M……
(2) 对应尺寸成比例：D1/D1M＝b0/b0M＝a0/a0M＝…….
(3) 对应部位的相对糙率相等：△/ D1＝△M/D1M 几何相似的大大小小的一套水轮机系列——轮系 同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。
→
M D 1M
水轮机比转速的物理意义
水轮机比转速的物理意义1. 水轮机比转速的物理意义啊，就好比是衡量一个运动员速度的指标呀！比如说跑步，不同的人跑同样的距离速度可不一样。
水轮机也是这样，比转速能告诉我们它在特定条件下的运行效率呢！2. 你想想看，水轮机比转速不就像是汽车的马力一样重要嘛！比如一辆高性能跑车和一辆普通轿车，马力不同表现就不同呀。
水轮机的比转速也决定了它的性能优劣呢！3. 水轮机比转速的意义，哎呀，那简直就是区分高手和普通选手的标志呀！就像篮球比赛里，厉害的球员和一般球员的差别那么明显。
比转速高的水轮机就是厉害的那一个呀！4. 水轮机比转速，这可太关键啦！就如同判断一个歌手唱歌好不好听的标准一样。
有的歌手能震撼全场，有的就很普通，比转速就是水轮机的这种关键指标呀！5. 你说水轮机比转速的物理意义是什么？那不就像是区分学霸和学渣的考试分数嘛！学霸分数高，水轮机比转速高也代表着更优秀呀！6. 水轮机比转速的意义，这可太重要咯！好比是评价一道菜好不好吃的标准呢。
有的菜让人回味无穷，比转速高的水轮机也能让人眼前一亮呀！7. 水轮机比转速呀，那简直就是衡量一个手机性能好坏的参数一样！好手机运行快，高比转速的水轮机工作起来也超厉害的呢！8. 水轮机比转速的物理意义到底是啥呢？这不就像区分好演员和差演员的演技嘛！好演员能打动人心，高比转速的水轮机也能高效工作呀！9. 水轮机比转速，这可真的很有说道呀！就如同判断一幅画美不美的标准一样。
有的画让人惊叹，比转速高的水轮机也让人赞叹不已呀！10. 哎呀呀，水轮机比转速的物理意义太重要啦！就像衡量一个人聪明不聪明的标准一样。
聪明的人做事厉害，高比转速的水轮机工作起来也超棒呀！总之，水轮机比转速是非常重要的一个指标，它能直观地反映出水轮机的性能和特点，对于水轮机的选择和应用有着至关重要的作用。
水轮机的比转速
第三节 水轮机的比转速一、水轮机比转速的概念水轮机的单位参数111111,,PQ n 只能分别从不同的方面反映水轮机的性能。
为了找到一个能综合反映水轮机性能的单位参数，提出了比转速的概念。
由式（3-14）、式（3-16）消去1Q 可得4/51111/H NP n P n =。
对于同一系列水轮机，在相似工况下其1111Pn 和均为常数，因此，常数=1111P n ，这个常数就称为水轮机的比转速，常用s n 表示，即45H Pn n s = （3-26）式（3-26）中，n 以r/min 计；H 以m 计；P 以kw 计。
从上式可见，比转速s n 是一个与1D 无关的综合单位参数，它表示同一系列水轮机在=H 1m ，=P 1kw 时的转速。
如果将H D Q Q D H n n HQ P 2111111,81.9===和η代入式（3-26），可导出s n 的另外两个公式。
4313.3H Q n n s η= （3-27）η111113.3Q n n s = （3-28）另外，如果在式（3-26）中P 定义为马力，对应比转速s n (用马力计算)与上述s n (用千瓦计算)的换算关系为：s n (用马力计算)s p n H KW P n H h P n 67)(67)(4545===(用千瓦计算) （3-29） 将比转速表达式作适当变换，可写成以下公式：434565.381.967H Q n H HQ n n s ηη==（3-30）用单位参数表示为： η111165.3Q n n s = （3-31）由式（3-26）~式（3-28）可见，s n 综合反映了水轮机工作参数P Q H n 或,,之间的关系，也反映了单位参数111111,Q Pn 或之间的关系，因此，s n 是一个重要的综合参数，它代表同一系列水轮机在相似工况下运行的综合性能。
目前国内大多采用比转速s n 作为水轮机系列分类的依据。
但由于s n 随工况变化而变化，所以通常规定采用设计工况或最优工况下的比转速作为水轮机分类的特征参数。
水轮机复习题200题
水轮机复习题（200题）一、问答题：1、混流式水轮机的结构，按水流流径的路径主要有几部分组成？答：混流式水轮机的结构，按水流流径的路径主要有引水机构、导水机构、转动机构、泄水机构四大部分组成。
2、引水机构的主要作用是什么？答：压力钢管引进的水流首先进入水轮机室，主要作用是使引进的水流以尽可能小的水头损失且较均匀地从四周进入水轮机的转轮。
3、导水机构的主要作用是什么？答导水机构的主要作用是调节进入转轮的流量，以适应负荷变化的需要；当发电机负荷减少时，要求水轮机的进入流量相应减少，这时关水导叶开度，减少流量，反之当负荷增大时，打开导叶开度加大流量。
停机时，导叶全部关闭，将水流截断。
当机组发生故障而紧急停机时，导叶可迅速关闭。
一般在5-10s内导叶可从全部开启状态至全关闭状态。
4、座环的作用是什么？答：座环是水轮机的承重部件。
水轮机的轴向推力，发电机的重量及座环上混凝土的重量，均由座环承受。
座环是水轮机零部件安装中的重量基准面。
座环由上环、下环、固定导叶组成。
固定导叶的断面为机翼型，以减少水流阻力。
固定导叶的叶片数为活动导叶的1/2。
水流通过蜗壳经固定导叶活动导叶按辐向均匀地进入转轮。
5、转轮由几部分组成，叶片是什么形状？答：转轮由叶片、上冠、下环和泄水锥组成，泄水锥装在上冠的中心下方。
用来引导水流，避免水流经叶片流出后相互撞击，减少水力损失，提高水轮机效率。
转轮叶片安置在上冠和下环之间，按圆周均匀分布。
叶片是一个三向的空间扭曲面。
上部较直，扭曲较小，而下部扭曲较大。
转轮叶片数目通常为14-15片，我厂是14片。
6、尾水管的作用主要是什么？答：尾水管的作用主要是①将转轮出口的水流引向下游。
②利用下游水位至转轮出口处所形成的静力真空（吸出高度值）。
③利用转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的附加动力真空，使动能恢复并加以利用。
7、立式混流式水轮机从作用和安装上划分，它由那几部分组成？答：①埋设部分，包括尾水管里衬、基础环、座环、蜗壳和机坑里衬；②转动部分包括主轴、转轮和它们的附件。
水电站(问答题标准答案版)
水电站复习思考题（1）复习思考题（水轮机部分）（一）1.水电站的功能是什么，有哪些主要类型？2.水电站的装机容量如何计算？3.水电站的主要参数有哪些（H、Q N N装、P设、N保），说明它们的含义？4.我国水能资源的特点是什么？5.水力发电有什么优越性？复习思考题（水轮机部分）（二）1.水轮机是如何分为两大类的？组成反击式水轮机的四大部件是什么？水轮机根据转轮内的水流运动和转轮转换水能形式的不同可分为反击式和冲击式水轮机两大类。
组成反击式水轮机的四大部件是：引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件2.反击式和冲击式水轮机各是如何调节流量的？反击式水轮机：水流在转轮空间曲面形叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向。
冲击式水轮机：轮叶的约束下发生流速的大小和方向的改变，将其大部分的动能传递给轮叶，驱动转轮旋转。
3.什么是同步转速，同步转速与发电机的磁极对数有什么关系?尾水管的作用是什么?同步转速：电机转子转速与定子的旋转磁场转速相同（同步）。
同步转速与发电机的磁极对数无关。
尾水管的作用：①将通过水轮机的水流泄向下游；②转轮装置在下游水位之上时，能利用转轮出口与下游水位之间的势能H2;③回收利用转轮出口的大部分动能4.水轮机的型号如何规定？效率怎样计算?根据我国“水轮机型号编制规则”规定，水轮机的型号由三部分组成，每一部分用短横线“一”隔开。
第一部分由汉语拼音字母与阿拉伯数字组成，其中拼音字母表示水轮机型式。
第二部分由两个汉语拼音字母组成，分别表示水轮机主轴布置形式和引水室的特征；第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其它必要的数据。
水轮机的效率：水轮机出力（输出功率）与水流出力（输入功率）之比。
？=P/Pw5.什么是比转速?表示当工作水头H=1m、发出功率N=1kw时，水轮机所具有的转速n称为水轮机的比转速。
复习思考题（水轮机部分）（三）1.解释水轮机效率的组成，三种效率之间的关系如何？什么是水轮机的最优工况？水力效率 n s、容积效率n v、机械效率n j。
泵的比转速
泵的比转速比转速是在相似定律的基础上导出的一个包括流量、扬程和转数在内的综合特征数,它是计算泵结构参数的基础。
水轮机、动力式泵和通风机等透平机械常用的一个重要参数，又称比转速。
比转数的概念最早在研究水轮机时引用，以后又广泛应用于动力式泵和通风机。
由于各国采用的计量单位不同，比转数定义和计算得到的比转数值也不相同。
[比转数的定义]表示中国对比转数的定义。
表中为转速（转／分）;为流量（米／秒）；N为功率（千瓦）；H为水轮机的水头或泵的扬程（米）;为全压（帕）。
①水轮机的比转数在数值上等于几何相似的水轮机在1米水头下发出1千瓦功率时的转速。
几何相似是指两机器通流部分所有对应尺寸之比为常数，对应角度相等。
②泵的比转数在数值上等于几何相似的泵在流量为0.075米／秒、扬程达1米时的转数。
③通风机的比转数在数值上等于几何相似的通风机在全压为1帕,流量为1米／秒时的转速。
比转数并不具有转速的物理概念，它是由相似条件得出的一个综合性参数，但它本身不是相似准则。
保持相似的两台机器，比转数相等；然而两机器比转数相等却不一定相似。
比转数随运行工况而变，一般所指的机器比转数是按最高效率点或额定工况点的参数计算的。
比转数可以作为机器分类、系列化和相似设计的依据。
比转数小反映机器的流量小，全压(或扬程、水头)高；反之,比转数大则机器的流量大,全压（或扬程、水头）低。
前者适合离心式,后者适合轴流式,混流式（斜流式）介于两者之间，所以可用比转数大小划分机器类型。
在设计机器时先按给定的参数计算比转数，再根据比转数大小决定机器类型。
比转数大小也反映叶轮的形状。
[比转数与叶轮形状的关系]为不同类型泵的比转数与叶轮形状的关系。
比转数越大叶轮外径就越小，而宽度越大。
反之，比转数越小，则叶轮外径越大，宽度越小。
在一定流量和全压（或扬程、水头）下，比转数与机器转速成正比。
提高转速可减小叶轮外径，增加宽度；而降低转速，则须增加叶轮外径，减小宽度。
第3章_水轮机的相似理论及模型综合特性曲线
（3-7）
n1
nD1 H
(3-10)
★几点说明：
①通常用 Q1 ，n1 表示水轮机的运行工况。 当几何相似，单位流量和单位转速对应相等 时，两个水轮机工况相似。
但此为在忽略了两者之间效率上的差别，忽 略了通流部件（蜗壳、尾水管）的异形影响，以 及忽略了吸出高和汽蚀影响下得出来的，所以它 们之间的工况相似只能认为是近似相似的。
N 9.81QH 9.81aKV1
2gHs
sin 1D12
1 r
Hs r j
（1）
(1)式可改写为：
N D12 (Hs )3/ 2 j
9.81aK v1
2g sin 1
（2）
同样，对模型水轮机有：
NM D12M (HMsM )3/ 2 jM
9.81a MK v1M
2g sin 1M
（3）
3、 出力相似律 由前（1）式和（2）式整理有：
ns
ne Ne Hr5/4
也有采用最优工况下的比转速作为代表的。
★国内外大都采用比转速进行水轮机的分类，
如表3-1。
每个水轮机都有一个特征比转速，此值是在 设计工况下取得的，用来恒量水轮机的性能。
★我国颁发的水轮机型谱中，对水轮机的转 轮型号就应用ns来表示，它推荐的设计比转速与 设计水头之间的关系为：
3.2 水轮机的相似律、单位参数和比转速
一、水轮机的相似率
同一轮系的水轮机之间进行参数换算时，并不 直接应用前面讲过的相似条件来表示，而是以工况 的相似性来表示。
相似定律：两个水轮机的工况相似，则转轮中 对应点的速度三角形应是相似的，这种相似常以该 工况下的H、Q、n、N、η之间的关系来表示，这些 参数之间的固定关系称为相似律，或相似公式。
水泵水轮机型式及比转速选择
水泵水轮机型式及比转速选择作者：福建省水利水电勘测设计研究院陈绍钢摘要：长泰抽水蓄能电站装机1 800 MW，最大动扬程896 m，如采用单级混流可逆水泵水轮机并按统计公式计算其水泵比转速为27.59 m．m3／s，显然偏低。
当采用2级水泵水轮机时水泵比转速可达37.3 m．m3／s，此时机组的效率可进步、尺寸减小、土建投资也可减少。
2级可调导叶混流可逆水泵水轮机比不可调导叶的机组出力可进步15%；水泵起动时可封闭导叶，起动功率只有最大功率的15%，而不可调导叶的将达65%～70%。
长泰抽水蓄能电站经综合比较初步推荐2级可调导叶混流可逆式水泵水轮机，单机容量300 MW。
该种机组目前国内外尚无实例。
在建的韩国一抽水蓄能电站，水头816 m，装机4台，单机容量为250 MW，选用2级可调导叶混流式可逆机组，将于2001年投产。
关键词：水泵水轮机；比转速；超高水头；长泰抽水蓄能电站1工程概况长泰抽水蓄能电站位于福建省漳州市长泰县陈港镇，距漳州市35 km，上库位于吴田山顶部，下库利用已建活盘水库，上、下库水平间隔3 887 m，高差871 m，电站一期装机600 MW，二期再装机1 200 MW。
2单机容量选择电站装机规模大，若采用单机容量200 MW，则总装机需9台，一般情况台数多设备多土建投资也大。
目前国内制造高水头大容量的抽水蓄能机组尚有困难，主机设备需从国外引进，这种水头高、单机容量大于300 MW的机组在国外也较少，故一期工程初拟单机容量300 MW，装机2台。
3机组机型选择电站一期净水头为849～880 m，动扬程871～882 m，最大动扬程与最小净水头之比为882／849＝1.039；二期工程最大动扬程与最小净水头之比为869／847＝1.058。
根据电站净水头和动扬程的变幅，初拟机型为单转速混流可逆式水泵水轮机。
采用2级水泵水轮机可以减少转轮沉没深度，可采用较高的比转速以获得较高的效率。
9_水轮机转轮设计
2、轮毂比（转轮体球面直径与转轮直径之比 ）
3、叶栅稠密度（转轮叶栅翼型的弦长l与栅距t之比 值l /t）
l / t对s影响： / t ，l l ，叶片面积大，单位面 积负荷 ，s 。
4、转轮叶片数Z1、包角θ：
轴面投影
叶 片 圆 柱 截 面
L2
L1
L1
L2
水平投影
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅱ Ⅲ
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
第四节 转轮基本参数的确定
一、混流式水轮机
混流式水轮机，其转轮基本上由 上冠、下环、叶片、上下止漏装 置，泄水锥和减压装置组成，
1.减压装置；2、6—止漏环；3—上冠；4—叶片；5—泄水锥；7—下环
1、导叶相对高度b0/D1
5、转轮的叶片数
转轮叶片数的多少对水力性能和强度有显著的影响， 随比转速的不同叶片数在9~21的范围内。
混流式转轮的叶片数与比转速的关系
叶片数不同时的
6、泄水锥
泄水锥的作用是引导经叶片流道流出的水流迅速而顺畅 的向下渲泄，防止水流相互撞击，以减少水力损失，提高 水轮机效率。其外形呈倒锥体。它的结构型式有铸造和钢 板焊接两种。里面空心，下面开口，以便排除通过止漏环 的漏水及橡胶导轴承的润滑水（有的转轮将泄水孔开在泄 水锥的外侧），还作为主轴的中心补气和有的转轮的顶盖 补气通道之用。
8、根据 值及圆柱面直径、叶片数、包角可确定叶片栅 节距 并计算翼型实际长度 按强度对所选翼型骨线参数、 厚度分布规律对翼型加厚，并确定叶片转轴位置及叶片安放 角 把翼型安放到设计位置。 9、重复上述计算，对各圆柱面计算。绘制各圆 柱面上的翼型。由这些翼型组成叶片。
二、绘制叶片木模图
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
水轮机的比转速
第三节 水轮机的比转速一、水轮机比转速的概念水轮机的单位参数111111,,PQ n 只能分别从不同的方面反映水轮机的性能..为了找到一个能综合反映水轮机性能的单位参数;提出了比转速的概念..由式3-14、式3-16消去1Q 可得4/51111/H NP n P n =..对于同一系列水轮机;在相似工况下其1111Pn 和均为常数;因此;常数=1111P n ;这个常数就称为水轮机的比转速;常用s n 表示;即45H Pn n s = 3-26式3-26中;n 以r/min 计；H 以m 计；P 以kw 计..从上式可见;比转速s n 是一个与1D 无关的综合单位参数;它表示同一系列水轮机在=H 1m;=P 1kw 时的转速.. 如果将H D Q Q D H n n HQ P 2111111,81.9===和η代入式3-26;可导出s n 的另外两个公式.. 4313.3H Q n n s η= 3-27η111113.3Q n n s = 3-28另外;如果在式3-26中P 定义为马力;对应比转速s n 用马力计算与上述s n 用千瓦计算的换算关系为：s n 用马力计算s p n H KW P n H h P n 67)(67)(4545===用千瓦计算 3-29 将比转速表达式作适当变换;可写成以下公式：434565.381.967H Q n H HQ n n s ηη== 3-30用单位参数表示为： η111165.3Q n n s = 3-31由式3-26~式3-28可见;s n 综合反映了水轮机工作参数P Q H n 或,,之间的关系;也反映了单位参数111111,Q Pn 或之间的关系;因此;s n 是一个重要的综合参数;它代表同一系列水轮机在相似工况下运行的综合性能..目前国内大多采用比转速s n 作为水轮机系列分类的依据..但由于s n 随工况变化而变化;所以通常规定采用设计工况或最优工况下的比转速作为水轮机分类的特征参数..现代各型水轮机的比转速范围约为：水斗式70~10=s n ；混流式350~60=s n ；斜流式,900~400;450~200==s s n n 轴流式1100~600=s n 贯流式..随着新技术、新工艺、新材料的不断发展和应用;各型水轮机的比转速值也正在不断地提高..出现这种趋势的原因可从以下两方面得以说明：1.由式3-26可见;当H n ,一定时;提高s n ;对于相同尺寸的水轮机;可提高其出力;或者可采用较小尺寸的水轮机发出相同的出力..2.当P H ,一定时;提高s n 可增大n ;从而可使发电机外形尺寸减小..同时可使机组零部件的受力减小;即可减小零部件的尺寸..总之;提高比转速s n 对提高机组动能效益及降低机组造价和厂房土建投资都具有重要的意义..二、比转速与水轮机的关系1.比转速与水轮机性能水轮机性能一般是指水轮机能量;空化等水力性能..根据统计资料;取水轮机额定工况的空化系数σ和该工况的比转速之间的关系如图3-2所示..图中绘出了不同形式的水轮机可能偏差的范围..对于这样额定工况即满负荷时空化系数σ的平均值可按经验公式绘出：20000)30(8.1+=s n σ 3-32式3-32指出;随着比转速增加;空化系数增加..在高水头的电站中;如采用比转速高的水轮机;即使保证了机器的强度条件;还要有较大的淹没深度;这显然增加了厂房的开挖和土建投资..因此;从材料强度和抗空化性能影响厂房投资条件着眼;在一定的水头段只能采用对应合适比转速的水轮机..图3-2 满负荷时空化系数与比转速的关系2.比转速与水轮机几何参数比转速与水轮机的几何参数;可从水轮机转轮几何形状和使用条件来说明..不同型号的水轮机;具有不同的比转速..由上述分析可知;水轮机的s n 越高;则11Q 越大..在一定的流速下;其所需过流断面的面积越大;要求导叶的相对高度10/D b 大如图3-3所示;转轮叶片数少;因此比转速将直接影响转轮的几何形状..图3-3 不同比转速的反击式水轮机转轮水轮机比转速与转轮几何形状之间大致有如下的变化规律..水轮机导叶相对高度与比转速的近似关系：混流式 sn D b 00065.01.010+≈ 3-33轴流式 s n D b /47.2144.010-≈ 3-34转轮进、出口直径比21D D 随比转速s n 的增加而减小..21D D 对不同比转速具有一个水力性能最优的比值;其近似关系s n D D 00038.096.0121+= 3-35近代在水电工程中不断提高同一类型水轮机的应用水头..或者说;对于已确定的水头;倾向于选用更高比转速的水轮机..例如;在世界范围内从60~80年代;混流式水轮机应用比转速提高了17%;轴流转桨式水轮机提高了15%;冲击式水轮机提高了9%;这种倾向的原因是使用高比转速水轮机能带来经济效益..因为从水轮机本身看来;随着比转速的提高;在相同出力与水头条件下;能够缩减水轮机的尺寸;这样;能降低水轮机的成本及节约动力厂房的投资..或者;对既定的水轮机尺寸;在相等水头条件下;提高比转速能够增加水轮机的出力..对于发电机;由于水轮机比转速提高则提高了发电机转速;从而可以用较小的磁极数;也缩小发电机的尺寸;从而导致电机成本的降低..因此无论从动能或经济的观点;提高水轮机的比转速都是有利的..。
水轮机空化安全系数与比转速
又由于 V2 = K 2
Q =R 则 V !2gH ， π D2 4 2
2
RV =
2
4K 2Q 2 πD 2 !2gH
（5 ）
式中， （5 ） ， K 2 为速度不均匀系数 . 将上述 D2 和 Q2 表达式代入 式
4K 2 ・ RV = πK 2 !2g
2
N γ Hη N " !H ! nγ Hη $
2
（8 ）
同理可得 （2 ）
3 /3 wK = K w n 2 s !2gH
K
Ru =
2
πD2n 60 !2gH
（9 ） （10 ）
、 式 （8 ） 和式 （9 ） 代入式 （1 ） ， 并整理得 将式 （7 ）
2 2 /3 4 /3 （K w σ= -K 2 n4 w +η w K V ） s = K0n s
H s 值来达到 .
当 用 Kσ 表 示 空 化 安 全 系 数 时 ， 即 K σ =σy / σ >1. 吸 出 高 度
H s 可写成 H s =10- ▽ -K σ σ H 900
引入空化安全系数 K σ 是基于下列原因来考虑的 . 在进行水轮机工况模拟时， 由于试验条件的局限， 实际上不 能完全满足原、 模型水轮机中水流的动力相似条件， 所以必须考 虑比尺效应 . 水轮机空化系数 σ 是由模型试验确定的， σ 的取值是根据 空 化 开 始 明 显 影 响 水 轮 机 能 量 参 数 时 确 定 的. 但 事 实 上 ， 在试 验曲线上这一临界点往往难于确切地确定 . 由于原型与模型水轮机制造工艺的偏差，使它们的过流部 件常常不能精确地几何相似 . 特别是原型水轮机在对空蚀区进 行补焊后， 局部翼形偏差增大及表面糙度增加 . 原型水轮机所处的环境条件，如大气压力的变化及水温变 化引起的饱和汽化压力的变化，这些变化的幅值甚至可能达到 （11 ）
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第三节 水轮机的比转速
一、水轮机比转速的概念
水轮机的单位参数111111,,P
Q n 只能分别从不同的方面反映水轮机的性能。
为了找到一个能综合反映水轮机性能的单位参数，提出了比转速的概念。
由式（3-14）、式（3-16）消去1Q 可得4/51111/H NP n P n =。
对于同一系列水轮机，
在相似工况下其1111P
n 和均为常数，因此，常数=1111P n ，这个常数就称为水轮机的比转速，常用s n 表示，即
45H P
n n s = （3-26）
式（3-26）中，n 以r/min 计；H 以m 计；P 以kw 计。
从上式可见，比转速s n 是一个与1D 无关的综合单位参数，它表示同一系列水轮机在=H 1m ，=P 1kw 时的转速。
如果将H D Q Q D H n n HQ P 2111111,81.9===和η代入式（3-26），可导出s n 的另
外两个公式。
4313.3H Q n n s η
= （3-27）
η111113.3Q n n s = （3-28）
另外，如果在式（3-26）中P 定义为马力，对应比转速s n (用马力计算)与上述s n (用千瓦计算)的换算关系为：
s n (用马力计算)s p n H KW P n H h P n 67)(67)(4545===(用千瓦计算) （3-29） 将比转速表达式作适当变换，可写成以下公式：
434565.381.967H Q n H HQ n n s ηη==
（3-30）
用单位参数表示为： η111165.3Q n n s = （3-31）
由式（3-26）~式（3-28）可见，s n 综合反映了水轮机工作参数P Q H n 或,,之间的关
系，也反映了单位参数111111,Q P
n 或之间的关系，因此，s n 是一个重要的综合参数，它代表同一系列水轮机在相似工况下运行的综合性能。
目前国内大多采用比转速s n 作为水轮机系列分类的依据。
但由于s n 随工况变化而变化，所以通常规定采用设计工况或最优工况下的比转速作为水轮机分类的特征参数。
现代各型水轮机的比转速范围约为：水斗式
70~10=s n ；混流式350~60=s n ；斜流式
,900~400;450~200==s s n n 轴流式1100~600=s n 贯流式。
随着新技术、新工艺、新材料的不断发展和应用，各型水轮机的比转速值也正在不断地提高。
出现这种趋势的原因可从以下两方面得以说明：
1.由式（3-26）可见，当H n ,一定时，提高s n ，对于相同尺寸的水轮机，可提高其出力，或者可采用较小尺寸的水轮机发出相同的出力。
2.当P H ,一定时，提高s n 可增大n ，从而可使发电机外形尺寸减小。
同时可使机组零部件的受力减小，即可减小零部件的尺寸。
总之，提高比转速s n 对提高机组动能效益及降低机组造价和厂房土建投资都具有重要的意义。
二、比转速与水轮机的关系
1.比转速与水轮机性能
水轮机性能一般是指水轮机能量，空化等水力性能。
根据统计资料，取水轮机额定工况的空化系数σ和该工况的比转速之间的关系如图3-2所示。
图中绘出了不同形式的水轮机可能偏差的范围。
对于这样额定工况（即满负荷）时空化系数σ的平均值可按经验公式绘出：
20000)30(8
.1+=s n σ （3-32）
式（3-32）指出，随着比转速增加，空化系数增加。
在高水头的电站中，如采用比转速高的水轮机，即使保证了机器的强度条件，还要有较大的淹没深度，这显然增加了厂房的开挖和土建投资。
因此，从材料强度和抗空化性能（影响厂房投资）条件着眼，在一定的水头段只能采用对应合适比转速的水轮机。
图3-2 满负荷时空化系数与比转速的关系
2.比转速与水轮机几何参数
比转速与水轮机的几何参数，可从水轮机转轮几何形状和使用条件来说明。
不同型号的水轮机，具有不同的比转速。
由上述分析可知，水轮机的s n 越高，则11Q 越大。
在一定的流速下，其所需过流断面的面积越大，要求导叶的相对高度10/D b 大（如图3-3所示），转轮叶片数少，因此比转速将直接影响转轮的几何形状。
图3-3 不同比转速的反击式水轮机转轮
水轮机比转速与转轮几何形状之间大致有如下的变化规律。
水轮机导叶相对高度与比转速的近似关系：
混流式 s
n D b 00065.01.010+≈ （3-33）
轴流式 s n D b /47.2144.010-≈ （3-34）
转轮进、出口直径比21D D 随比转速s n 的增加而减小。
21D D 对不同比转速具有一个水力性能最优的比值，其近似关系
s n D D 00038.096.0121+= （3-35）
近代在水电工程中不断提高同一类型水轮机的应用水头。
或者说，对于已确定的水头，倾向于选用更高比转速的水轮机。
例如，在世界范围内从60~80年代，混流式水轮机应用比转速提高了17%，轴流转桨式水轮机提高了15%，冲击式水轮机提高了9%，这种倾向的原因是使用高比转速水轮机能带来经济效益。
因为从水轮机本身看来，随着比转速的提高，在相同出力与水头条件下，能够缩减水轮机的尺寸，这样，能降低水轮机的成本及节约动力厂房的投资。
或者，对既定的水轮机尺寸，在相等水头条件下，提高比转速能够增加水轮机的出力。
对于发电机，由于水轮机比转速提高则提高了发电机转速，从而可以用较小的磁极数，也缩小发电机的尺寸，从而导致电机成本的降低。
因此无论从动能或经济的观点，提高水轮机的比转速都是有利的。