水轮机特性及选型

2、 转速相似律：
πD1n u1 K u1 2 gH h 60
n 60 K u1 2 gH h πD1
H h n H M hM
n D1M nM D1
或
nM D1M nD1 C H MsM Hs
3、出力相似律
N 9.81QH
2 P m D h H P PM mM D hM H M 2 1 2 1M 3

PM D
2 1M
HM
3
2
N 2 3/ 2 N1 D1 H
D12 H 3 / 2 N N1
单位参数是同轮系水轮机的“代表”参数，Q1'，n1'
表示水轮机的运行工况
同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数，不
同工况下单位参数分别为一常数(工况不同，单 位参数不同) 在最优工况下的单位参数——最优单位参数， (Q‘10, n’10, N‘10)，代表该轮系水轮机的工作性能。 单位参数由模型试验得出→原形水轮机的参数 (相应工况)。
《水 电 站》
水轮机的特性曲线及选型
第一节 水轮机的相似原理概述
一、几个基本概念 1、水轮机特性
各运行参数(H，Q，n，N，η，б)及参数之间的关系
Hh

g
( vu1r1 vu 2 r2 )
理论: 基本方程式，水力学，计算方法
实验： 原型实验，模型试验，计算机模拟
2、模型试验：(D : 250～460mm，H ：2～6m) 基础性试验：寻找新产品 专门实验：特定水电站，解决问题，最优水轮机
max n10M n10M ( n1 n10 1) Mmax
其他工况时：
Q1 Q1M Q1
n1 M n1 n1
在工程实践中，当 n1 0.03n10M 时，单位转速不必修正
单位流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正
厂家提出制造任务书，最终双方共同商定机组
的技术条件，作为进一步设计的依据。
二、水轮机选型设计的基本要求
1. 有较好的能量特性，Hr-----Nr在额定水头下能 保证发出额定出力，额定水头以下的机组受阻容 量小，水电站全厂机组平均效率高。 2. 有良好的抗空蚀和抗磨损性能，运行稳定，可靠 灵活。 3. 结构设计合理，便于安装、操作、检修与维护、 运输。
二、水轮机的主要（模型）综合特性曲线
综合：多参数之间的关系曲线。
横坐标： Q1'
纵坐标：n1 '
绘制：
(1) 等开度a0线 (2) 等效率η线 (3) 等汽蚀系数б线 (4) 5%出力限制线
混流式水轮机的模型综合特性曲线
(1) 等开度a0线 (2) 等效率η线 (3) 等汽蚀系数б线 (4) 5%出力限制线
冲击式水轮机的模型综合特性曲线
(1) 等开度a0线
(2) 等效率η线
没有等汽蚀系数б线 没有出力限制线
已知：H、N的范围
目标：台数、型号，使水电站充分利用水能，安 全可靠运行。
第五节 水轮机的选择（选型设计）
一、水轮机选型设计的内容 1. 确定机组台数及单机容量
2. 选择水轮机型式（型号）及装置方式
各种类型的水轮机比转速大致范围： 贯流式：ns=600-1000 高 轴流式：ns=200-850 高
高水头小流量
斜流式：ns=150-350
混流式：ns=50-300 水斗式：ns=10-70
中
中 低
中水头小流量
低水头大流量
不同比转速的转轮形状
讨论：
相似水轮机，工况相似，ns相同。不同的ns ，反
4. 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好 的制造厂商。
5. 考虑适度合理的经济节省原则。
三、所需要的有关资料
1. 枢纽资料：（1）河流总体规划：梯级开发方案、水 库的调节性能 （2）水电站：枢纽布置方案、电站总 装机容量（3）地形、地质、水质、泥沙情况（4）水 文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲 线。 2. 电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行 方式等。
混流式水轮机等效率线的绘制
（a）等开度和等效率线；（b）辅助线
轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线
高效率区狭窄，随流量变化敏感
轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线
ZZ440模型综合曲线
轴流转浆式水轮机的模型综合特性曲线
(1) 等开度a0线
(2) 等效率η线
(3) 等汽蚀系数б线 （4）等转角线 没有出力限制线 受空蚀条件限制
三、水轮机的比转速
定义：同一轮系水轮机，当工作水头H=1m， 出力N=1kW时，所具有的转速。
nD1 n1 H
N 2 3/ 2 N1 D1 H
n N ns 5 / 4 (m.kW ) H
比转速工程意义
表示水轮机特征的综合参数(与D1无关)，能 综合反映参数n、H、 N之间的关系，代表 了水轮机的轮系特征。 ns随工况变化，用最优比转速，限制工况下 的比转速比较不同轮系水轮机性能， 比转速用来表示水轮机的型号，还用来划分 水轮机的类型。
p F G pM FM GM M
(压力、惯性力、重力、粘滞力等)
能否做到？
宏观流场，微观流场
主要矛盾：建立关系
次要矛盾；参数修正
第二节 水轮机的相似率、单位参数和比转速
一、水轮机的相似定律 相似定律：水轮机在相似工况下运行时，各工作 参数(H、n、N、η)之间的固定关系。 流量相似律 转速相似律 出力相似律
相似率解决的问题： 同轮系水轮机的模型、原型参数换算 未解决的问题： 1. 不同轮系水轮机的性能比较 2. 同轮系水轮机不同工况性能比较？不同尺寸水轮 机性能比较？
需要有一个统一标准
二、单位参数
将模型试验成果按相似率转化为D1M=1m，
HM=1m标准情况下的参数—单位参数，
，N1) (Q1，n1
Q
K vm1 D
2 1
2 gHh
V
或
NM N 2 C 2 3/ 2 3/ 2 D1M ( H MsM ) jM D1 ( Hs ) j
效率问题：
效率未知 三个效率怎样分开？
假定：相等 实际: 原型效率大于模型效率，需修正)
【例】已知模型水轮机标称直径0.25m，模 型水头3.5m，模型效率90%，相应的模型转 速500r/min，流量0.15m3/s。求标称直径5m、 水头87.5m的同型号原型水轮机的流量、转速 和出力各为多少？（假定原型与模型效率相 等）
几何相似的水轮机——轮系，系列，型号。
2、运动相似：
(1) 对应点的速度方向相同。 (2) 对应点的速度大小对成比例， 即速度三角形相似。
同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。 几何相似就运动相似吗？ 同一轮系水轮机，保持运动相似——相似工况
3、动力相似
对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。
试验 水 HM 头
转速
nM
wk.baidu.com(r/mi n)
PM
轴功 率
流量
QM
单位
Q1
单位转 效 速 率 流 n 量 1
（mm）
实验 序号
1 2 3 … 1 2
（m）
(kW)
(m3/s) (m3/s) (r/min)
(%)
a01
a02
3 …
PM π MnM M QM H M 30 QM H M
4-34
2、一般工况
HL、ZD： M
ZZ ：
max M max
max M max
M
max Mmax max Mmax
大中型水轮机， 中小型水轮机，
1% ~ 3% 2% ~ 5%
假定： s sM
0 0 M
j jM
M
1、 单位流量
Q D
2 1
H

QM D
2 1M
HM
Q1
Q
2 D1
H
2 D1 Q Q1
H
2、 单位转速
n D1 nM D1M H HM
nD1 n1 H
n H n D1
3、 单位出力
P D H
2 1 3 2
三、单位参数的修正
转速相似率 流量相似率
n D1M nM D1
H h H M hM
Q VM D QM V D
2 1 2 1M
H h H M hM
仅考虑水力损失，η=ηs ，令D1=lm、H=1m、D1m=lm、Hm=1m，
n10M n10
max M max
3、相似理论 原型--------------- 模型
怎样保证模型与原型相似？怎样相互换算参数？
二、水轮机相似条件
1、几何相似： (1) 对应角相等： βb1＝βb1M ；βb2＝βb2M ；Φ＝ΦM…… (2) 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
Q10M Q10
max M max
最优工况的修正
三、单位参数的修正
Q10 M 最优工况时： Q10
max Q10M Q10M ( Q1 Q10 1) Mmax
max max n10 M n10 M max
M max
3. 水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目 录、模型综合特性曲线。
4. 运输、安装技术条件 5. 其他
四、机组台数及单机容量的选择
实质：方案经济比较，与选型、参数选择交叉进行 1. 机组台数与电站投资的关系 台数多→单位千瓦（耗材多、制造量大）投资↑→阀门、调速、管道、 辐设、电气等增加→厂房尺寸增加。 一般选用较大的N单
1、流量相似律
有效流量：Q
V
vm1F 1
2 gHh
vm1 K vm1 2 gHh
Q
K vm1 D12
V
H h Q H M hM
F 1 D
或
2 1
Q VM D 21 QM V D 21M
QM0 M D
2 1M
H MsM
Q0 2 C D1 Hs
3. 确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d0
4. 绘制水轮机运转综合特性曲线 的重量和价格。
(第六节)
5. 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机
(第七节、第八节)
6. 调速器及油压装置选择
（第五章）
7. 根据选定的水轮机型式和参数，结合水轮机在
结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向
反击式水轮机能量试验台
PM π MnM M QM H M 30 QM H M
1-压力水箱；2、11-静水栅；3、10-溢流板；4-标尺；5-测功器；6-引水管；7-模型水轮机； 8-尾水管；9-尾水槽；12-浮筒水位计；13-测流堰板；14-回水槽；15-循环水泵
导叶 工况 点 开 a0 度
水力效率：粗糙度，水流粘滞力，流场
（沿程损失，局部损失）
第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正
二、水轮机效率换算经验公式 1、最优工况下的效率修正
1963年国际电工委员会推荐的公式：
D 混流： max 1 (1 M max )5 1M D1
4-33
D1M 1 / 5 H M 1 / 10 轴流： max 1 (1 M max )[0.3 0.7( ) ( ) ] D1 H
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。 当H和N一定时，ns越高，空蚀系数越大，需要增 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。
第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正
一、为什么效率换算 1. 单位参数公式假定在相似工况下，η=ηM， 2.实际上η>ηM(约2%～7%)。 原因：原、模型不能做到完全相似 容积效率：缝隙 机械效率；部件之间的摩擦
第四节 水轮机的主要综合特性曲线
一、水轮机模型试验简介 任务：
1 ）研究水轮机在各种工况下的能量特性、空
蚀特性等（绘制主要综合特性曲线）；
2） 为确定水轮机的受力特性、飞逸特性以
及稳定特性提供依据。
类型：
根据研究问题精度不同，可分为： （1）定性试验（比较性试验 ）：模型转轮性能的比较和筛选 （2）定量试验（保证性试验 ）：获得该系列模型 机的各种性能参数和指标 。 按用途分为： (1)能量试验：确定模型水轮机的运行效率。 (2)空蚀试验：确定水轮机抗空蚀特性。 (3)飞逸特性试验和轴向水推力特性试验：主要确定 水轮机的飞逸特性和轴向水推力特性。 (4)泥沙磨损试验。确定水轮机的泥沙磨损特性。