(精品)水轮机特性及选型
水轮机的特性及选型.ppt
假定： s sM r rM j jM M
(实际上，原型效率大于模型效率，需修正)
1、 单位流量
Q1
Q D12 H
2、 单位转速
n1
nD1 H
3、 单位出力
N 1
N D12 H 3 / 2
尺寸、调速器及油压装置选择 (6) 根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运
行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方 共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。
有关资料：
(1) 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。 (2) 水电站技术资料：
根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要 设计任务之一，使水电站充分利用水能，安 全可靠运行
一、水轮机选型设计的内容及基本资料
(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
(3) 确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、Za；Z0、d0
(4) 绘制水轮机运转特性曲线 (5) 估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、
混流： 轴流：
max 1 (1 M max)5
D1M D1
max
1
(1 M
max)[0.3
0.7( D1M D1
)1/5 (
HM H
)1/10 ]
2、一般工况
HL、ZD： M max M max
ZZ ： M max M max
二、单位参数的修正
最优工况时：
Q10 Q10M
(二) 按综合特性曲线选择
7 水轮机的特性曲线与水轮机选型
17
19
21 Q11
4、不同类型水轮机特性曲线的比较
n11 中高比速 混流式 低比速 混流式 轴流转 桨式
ＺＤ
冲击式
比转速升高
Q11
H a0
第二讲水轮机模型特性曲线的绘制
一、混流式水轮机模型综合特性曲线绘制
1、等开度线的绘制
水轮机能量实验通常是在固定H和固定ao 下，通过控制水轮机转矩去调节水 轮机的转速n，从而测得同一导叶开度下一系列工况点的性能参数。按照各 实验工况点的水头 H 、流量Q及转速n，用相似率公式可以求出各工况点 的Q11和n11，将各工况点绘到图上如图所示的坐标系，用光滑曲线将各点连 接，即得到模型水轮机的等开度线。
n11
5
o
0o
5o
Q11
转桨式模型综合特性曲线绘制原理-1
线绘制: 各个单个单位转速下最 优工况点的联点
5
n11
o
0o
5o
Q11
转桨式模型综合特性曲线绘制原理-2
等效率线绘制 -各Φ角下等效率线的包络线
n11
5o
0o 5o
等效率线的绘制
n11(r/min)
Q11(L/s)
4、 出力限制线的绘制
绘制出力限制线的目的：
1）为了防止水轮机出现反调节； 2）都有一定余量； 3）保证水轮机负荷调节的线性度。
p11 n11
P11max P11max95%
n11=C
n11=C
Q11*
Q11
Q11*
5、等空化系数线绘制
n11=75 n11=70 n11=65 n11=60 n11 75 70 65 60 Q11
水轮机选型说明
埃塞俄比亚GD-3电站水轮机选型说明1.水轮机参数水轮机模型参数表HLA550-LJ-250 转速428.6r/min水轮机运转特性曲线HLA892-LJ-245 转速428.6r/min水轮机运转特性曲线2.选型分析①能量特性水轮机能量特性通常用水轮机的效率来评定，在转轮的选择上，我公司着重考虑：<1>在额定工况具有较高效率；<2>在整个运行范围内其加权平均效率较高；<3>最佳的运行范围。
从上面的效率表和能量特性表可以看出：从上面比较可以看出，HLA550-LJ-250额定点效率较高,而HLA892-LJ-245最高效率较高。
从上面提供的水轮机运转特性曲线可以看出:HLA550-LJ-250的额定点在第一圈效率线以内；而HLA892-LJ-245的额定点在第二圈与第三圈效率线之间,故HLA892-LJ-245的整个运行范围更右边一些。
这点来看,HLA892-LJ-245具有更高的加权效率(由于没有加权因子,只能定性分析)。
②空蚀特性水轮机的空蚀性能好坏直接影响电站的开挖深度以及今后电站的稳定运行，水轮机空蚀性能差将不仅破坏机组，引起噪声、振动和效率的下降，而且还影响水轮机的寿命，严重时将使机组无法安全运行。
从上面的水轮机主要参数表可以看出：对于本电站水轮机，HLA550-LJ-250的额定点吸出高度为-8.66m，而HLA892-LJ-245的额定点吸出高度为-2.65m。
HLA892-LJ-245具有更好的汽蚀性能。
③运行稳定性效率、空化和稳定性是水轮机的三个最重要的指标。
效率关系到水能的利用程度，空化关系到机组的寿命，而水轮机稳定性的重要性在于机组能否安全正常运行。
我们通过上面的水轮机运转特性曲线可以看出，对于本电站，HLA550-LJ-250只包含有很一部分最优区，而HLA892-LJ-245包含了绝大部分最优区。
故从机组的运行稳定性上来说，HLA892-LJ-245具有更好的机组运行稳定性。
水轮机特性及选型133页PPT
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃Fra bibliotekEND
第二章 水轮机及其选择
混流式水轮机转轮
转轮的组成
在法兰盘四周开有几个减压孔，以便将经过上冠 外缘渗入冠体上侧的积水排入尾水管。
大型机组在与上冠连接的主轴端常装有补气装置， 以便向泄水锥下侧的水流低压区补气。
泄水锥的作用是引导径向水流平顺地过渡成轴向 流动，以消除径向水流的撞击及漩涡。
练习： （1）HL220-WJ-71 （2）XLP200-LJ-300 （3）GD600-WP-250 （4）CJ22-W-70/1×7
答案： 1混流式水轮机，转轮型号是220，卧轴，金属蜗壳，转轮直径为
71cm 2斜流可逆式水轮机，转轮型号200，立轴，金属蜗壳，转轮直径为
300cm 3惯流定桨式水轮机，转轮型号为600，卧轴，灯泡式水轮机室，转
《水 电 站》
第一篇 水力机械
水轮机+发电机： 水轮发电机组
功能：
发电
水 泵+电动机： 水泵抽水机组
功能：
输水
水 泵+水轮机： 抽水蓄能机组。
功能：
抽水蓄能
水轮机是将水
能转变为旋转机
水பைடு நூலகம்
械能，从而带动
轮
发
发电机发出电能
电
机
的一种机械，是
组
水电站动力设备
之一。
2.1 水轮机的类型及其构造
混流式HL
2．水轮机的型号及公称直径
水轮机型号排列顺序如下：
反击式
水轮机型式 + 转轮型号（比转数）+主轴布置型式 + 水 轮机室特征 + 转轮标称直径（cm） 冲击式
同轴安装的转轮数 + 水轮机型号 + 转轮型号（比转数） + 主轴布置型式 + 转轮标称直径（cm）+ 每个转轮上喷 嘴数 + 设计射流直径（cm）
水轮发电机组中水轮机的选型设计
水轮发电机组中水轮机的选型设计摘要: 在水利水电系统中的建设过程, 怎样合理选择适用的水轮机组的类型对水轮机的性能是否优越十分重要。
因此应本着具体情况具体分析的原则设计相应的实践方案, 以提高其运行的灵活性。
本文着重阐述实践中应如何对水轮机组进行设计。
关键词: 水轮机组；特征；选型设计Abstract: In the water conservancy and hydropower system in the construction process, how to choose suitable hydraulic turbine type on turbine performance is superior is very important. It should be based on concrete analysis of the principles of design and the corresponding practices, in order to improve the operation flexibility. This paper focuses on the practice should be how to design of hydraulic turbine.Key words: turbine selection design; feature;0引言水轮机组的选型设计是水电站水力机械设计的重要组成部分。
发电机由水轮机驱动，它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活。
水轮机组选型设计不仅为以后的电气部分、水工部分设计打下基础，同时也会影响到电站的机电设备投资、厂房投资及发电效益等经济指标。
因此，水轮机组的选型设计必须做到科学、准确、合理、先进，满足技术性能和经济指标的要求。
1水轮机选型设计的任务及内容水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。
水轮机的特性曲线与选型—模型水轮机效率的修正
D1M D1
10
HM H
5.2.1 效率的修正
2、一般工况下的效率修正
• HL、ZD： M
max M max
• ZZ ：
M
m ax M m ax
• 注：轴流式水轮机，每个叶片转角对应一个最优工况。
5.2.1 效率的修正
冲击式水轮机：合理的直径比为D1/d0=10~20。当模型水轮机的射流直
注：运转综合特性曲线是原型水 轮机的特性曲线，曲线上的数据均 为原型水轮机数据。
HL220-LJ-410（n=136.4r/min ）水轮机运转综合特性曲线
1、最优工况下的效率修正
采用1963年国际电工委员会推荐的公式：
混流式水轮机 ：
当H≤150m时： max 1 (1 M max)5
D1M D1
轴流转桨式水轮机 ： 当H>150m时：
max
1 (1 M max ) 5
D1M D1
20
HM H
max
1 0.3(1M max ) 0.7(1M max ) 5
各类型水轮机转速特性的比较
5.2.3 线性特性曲线2、作特性曲线水轮机通常在固定的转速下运转，水头变化也较缓慢，但机组负荷则是经常变化的。为 表示水轮机工作在固定的转速和水头下的特性而绘制的曲线，即为水轮机工作特性曲线。
(a) Q、η、a~P曲线；(b) a、η、P~Q曲线；(c) Q、η、n～a曲线 水轮机工作特性曲线
水轮机的特性曲线与选型
1
水轮机的相似率
2
模型水轮机效率的修正
3
水轮机的选择
任务5 水轮机的特性曲线与选型
5.2模型水轮机效率的修正
5.2.1 效率的修正
水轮机选型方法介绍
2、专题研究法 对特别重要的工程或特别大型的水电站，为
了获得最优设计效果，根据水电站的具体参数 ，进行专门设计，但所需时间和费用高。
3、查系列范围图法 根据水电站的水头范围和单机出力，在系列
应用范围图中查出适应的型号，以及对应的转 轮直径、转速及吸出高度。当有两种机型可供 选择时，一般选用较大的直径。
3、机组台数与运行效率的关系
Z0↑→平均效率↑ (1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可
用较少的台数，使水轮机可以在较长时间内以最 优工况运行，其平均效率也比较高。
(2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较多 的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运行效 率。
(3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多 的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能 好，可以选用较少的机组。
σz为水轮机装置的汽蚀系数。
2、η的修正计算 查综合特性曲线得出ηMmax，换算得出ηmax。
△η=ηmax-ηMmax-ε1-ε2
ε1=1%~2%(表示工艺水平)，ε2=1%~3%(表示异 形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和 尾水管不一样)
如η=ηM+△η，系列水轮机应用范围
4、采用套用机组 根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，
在特征水头相近、N单适当，经济技术指标相近时 ，优先套用已经生产过的机组，这样可以节省设 计时间、尽早供货、提前发电。
5、直接查产品样本 直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。
6、统计分析法 对大量已建水电站的参数进行统计，得出水轮机
绘出F = f(Φ)直线。
(6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。
第五节 尾水管的型式及其主要尺寸
混流式水轮机的设计与选型方法
混流式水轮机的设计与选型方法混流式水轮机是一种常见的水轮机类型，广泛应用于水力发电站等场合。
它具有结构简单、效率高、运行稳定等优点，因此在项目建设中选用适合的混流式水轮机对电力的发电效率和运行安全性有重要的影响。
本文将介绍混流式水轮机的设计与选型方法。
一、混流式水轮机的基本结构与工作原理混流式水轮机由转轮、导叶、固定叶片、导水管等组成。
水从导水管中进入转轮的内部，经过导叶的引导后，进入转轮的混流通道，水的能量转化为转动转轮的动能，从而带动发电机发电。
二、混流式水轮机的设计要点1. 水轮机的转速根据水轮机的设计要求和实际工况，确定合适的转速是设计混流式水轮机的重要一步。
通常，转速的选择应该遵循以下原则：（1）保证水轮机的效率；（2）保证水轮机的运行平稳；（3）避免共振和临界转速。
2. 水轮机的喷口直径水轮机的喷口直径直接影响水轮机的水量和功率输出。
选择适当的喷口直径可保证水轮机高效率的运行。
喷口直径的选择需要考虑以下因素：（1）水头；（2）水轮机的效率；（3）水轮机的装置空间限制。
3. 水轮机的导叶角度导叶角度的选择直接影响水轮机的出力特性。
合适的导叶角度可使水轮机在不同负荷下保持高效率的运行。
导叶角度的选择需要考虑以下因素：（1）水轮机的设计工况；（2）水轮机的负荷变化范围。
4. 混流式水轮机的转轮形状混流式水轮机的转轮形状对水轮机的效率和运行特性有重要影响。
适当选择合适的转轮形状，可使水轮机的效率得到最大化。
转轮形状的选择需要考虑以下因素：（1）水流进入转轮的速度；（2）水轮机的出力转速。
5. 水轮机的材料选择水轮机常用的材料有钢、铸铁、不锈钢等。
在选择材料时，需要考虑以下因素：（1）水质的腐蚀性；（2）水流速度对材料的冲击力；（3）材料的成本。
三、混流式水轮机的选型方法混流式水轮机的选型需要考虑以下因素：1. 水头和水量根据水力资源的水头和水量确定所需的装机容量，再根据实际情况选择合适的混流式水轮机。
中小型水电站水轮机选型与优化的探讨
中小型水电站水轮机选型与优化的探讨水电站是利用水流能力将水能转换为电能的设施。
而水轮机则是水电站最核心的装置，用于将水流的动能转换为机械能，驱动发电机发电。
水轮机的选型与优化对于水电站的高效发电和经济运行至关重要。
本文将对中小型水电站水轮机的选型与优化进行探讨。
在水轮机的选型方面，首先需要考虑的是水轮机的类型。
常见的水轮机类型有水轮涡轮机、混流水轮机、螺旋水轮机等。
在选择水轮机类型时需要考虑以下几个因素：1.水资源特点：包括水流量、水头、水质等因素。
不同类型的水轮机适合的水资源特点不同，需要根据实际情况进行选择。
2.发电机容量：水轮机的转速和功率输出与发电机容量相关，需要根据发电机的容量要求来选择水轮机。
3.水轮机效率：水轮机的效率是衡量其性能优劣的重要指标，应选择效率高的水轮机类型。
4.水轮机的可靠性与维护成本：水轮机的可靠性和维护成本也是选择水轮机的考虑因素之一，需要选择可靠性高、维护成本低的水轮机类型。
在确定水轮机类型后，还需要进行水轮机的具体参数选型。
具体参数选型包括水轮机叶轮直径、叶轮材料、导轮角度等。
这些参数的选取需要综合考虑水资源特点、发电机容量、水轮机效率等因素，以达到最佳的发电性能。
水轮机的优化也是提高水电站发电性能、降低运行成本的重要手段。
水轮机的优化可以从以下几个方面进行：1.水轮机的结构优化：包括叶轮形状、导轮形状、叶轮布局等方面。
通过优化水轮机的结构可以提高其效率、减小水力损失。
2.运行调控优化：包括水轮机的启闭机构、调速装置等优化。
通过优化水轮机的运行调控装置，可以实现快速启停、灵活调速，提高水电站的响应速度和调度能力。
3.节能优化：通过优化水轮机的工作方式和运行参数，提高水能的利用效率，减少能量损失。
水轮机的选型和优化需要充分考虑水资源特点、发电要求等因素，以实现水电站的高效发电和经济运行。
在进行水轮机选型和优化的过程中，可以借助计算机模拟和仿真技术，通过建立数学模型来优化水轮机的参数和结构，以实现最佳的发电性能。
中小型水轮机选型和配套手册1
中小型水轮机选型和配套手册1我公司除已生产原部颁（jb/t6310-92）中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱规定的zd760、zz600、zz560a、zz560、zz500、zz450/d32b和hl240/123、hl260/a244、hl260/d74、hl240/d41、hl220/a153、hl180/a194、hl180/d06a、hl160/d46、hl110/129、hl120/a41、hl90/d54产品外，还能提供近年来国内外大公司、科研院所研制并已经在电站实际运行的一批优秀转轮产品。
这些转轮的特点是：适用水头范围宽、效率高（较传统转轮效率提高2-5%）、过流量大、抗汽蚀性能好、运行稳定、使用寿命长。
公司在材料选用、加工工艺上做了进一步改善，采取了许多强化措施，并购置了一批精度高的大型机械加工设备，为用户提供性能先进、质量可靠的新型产品，现汇总如下：新型转轮基本情况：水轮发电机组及辅助设备表明一、中小型水轮机水轮机就是一种将水能切换为转动机械能的机器。
按其水流促进作用原理和结构特征可以分成为两类：一类为仅利用水流动能的，称作冲击式水轮机；另一类为同时利用水流动能和势能的，称作反击式水轮机。
属这两大类的各种型式水轮机存有：轴流定桨式轴流式反击式轴流转桨式斜流式全贯流式水轮机贯流式灯泡式半贯流式轴伸式水斗式竖井式冲击式斜击式双击式除了上述各种机型外，随着蓄能、潮汐电站的开发，出现了可逆式水轮机。
常见的可逆式水轮机有混流式、斜流式、轴流式等。
水轮机的型号由三部分代号共同组成，各部分之间用短横线分离。
第一部分代表水轮机的型式及转轮型号。
水轮机型式用汉语拼音字母则表示，转轮型号用阿拉伯数字则表示，使用统一按比输出功率规定的代号。
第二部分则表示水轮机主轴的布置形式及输水室特征。
第三部分则表示转轮的标称直径（以cm计）。
可逆式水轮机在代号后加“n”表示。
1)型号的第一部分，由水轮机型式及转轮代号共同组成。
第三章(2) 水轮机特性及选型.
*轴流定浆式：等
线是狭而长的椭圆。长轴
坐标轴成相当
与短轴相差较大，且长轴与
大的倾斜角。这反映了效率对
不敏感，而
(水头)变化
(出力)稍有变化，效率急剧降
低。这种水轮机适用于低水头、大流量、水头 变化大而负荷变化较小的水电站。
* 中高比转速混流式：等
轴与短轴相差不大，长轴与
线接近于椭圆。长
坐标轴成某一较
第五节 水轮机的特性曲线及其绘制 水轮机各参数之间的关系称为水轮机的特性，
反映参数之间的关系曲线就是水轮机的特性曲
线。然而水轮机的特性曲线有其独特的特点，
主要是它的参数太多，包括：
结构参数：导叶高度b0，转轮直径D1，导叶开度
和叶片转角
工作参数：
等；
等；
综合参数：
等；
在讲水轮机速度三角形时，我们就知道，上述参 数之间的关系可用函数关系表达： ， , ， 。
指导水电厂运行不方便。所以需将模型综合
特性曲线转换成原型水轮机运转综合特性曲
线。
运转综合特性曲线能更直观、更方便地
指导水电厂运行。
H (m) H
max 80
η =81% 83 85 87 89 90 91 92 92 9190 89
m 5 . 1 HS = 2.0m
m 5 . 2
70 60
Hmin
（二） 综合特性曲线
一、模型综合特性曲线 将坐标系 n 、 Q 换成单位参数 标场里绘制 、 ，在其坐 的等
值线图。该等值线图称为模型综合特性曲线。 对于混流式水轮机还有 95% 的出力限制线。综 合特性曲线的好处在于同一轮系的水轮机就只
有一个综合特性曲线图。水轮机模型综合性曲线+5 °
第三章 水轮机的特性及选型
认为Kvm1＝Kvm1M，由此可得出流量相似率为：
④流量相似律：
QMVM
QV C
D12M H MHM D12 HH
即为几何相似的水轮机在相似工况下流量之间应保持的固定 关系
在应用中，H，D1，HM，D1M均为固定值，QM可以测得，若ηVM 、ηHM、ηV、ηH已知，则可求出原型水轮机的流量Q。
根据相似理论，模型与原型两种工况改变的方法仍能构 成相似工况，从而保证了模型与原型按工况相似的条件下 进行参数换算。
3、试验类型
能量试验、气蚀 试验、飞逸试验、 轴向水推力试验及 过流部件的力试验 等。
说明： 1、一般Q1′不需要修正(因Q1′>> ΔQ1′)。 2、若Δn1′/n10M′<3%，Δn1′可忽略不计。
§3.3 水轮机的比转速
n1
nD1 H
N 1
N D12 H 3 / 2
上两式中消去D1后得：
n1
N1
nN H 5/4
对于几何相似的水轮机，在相似工况下运行时，它们 的单位转速和单位出力分别相等，故：
则有： F1 fb0D12 aD12
(a为系数)
③ 经整理有：
Q V D12 HH
aKvm1
2g
对模型水轮机同样有：
QMVM D12M H M HM
aM Kvm1M
2g
两式右端均为常数项，对同一轮系的水轮机，a=aM；进 口流速系数主要与水流进口角有关，忽略相对糙度时，可
相应地使水轮机的出、进口直径比D2/D1增大(HL)；轮毂 比dg/D1减少(ZL)
§3.4 水轮机的模型试验
一、试验概述
1、目的任务
(1)目的：通过模型试验，研究水轮机在各种工况下的 能量特性、气蚀特性等，以保证水轮机在工作范围内高效 率、稳定运行。
水轮机的特性及选型(ppt 68页)
第三章 水轮机的特性及选型
第三章 水轮机的特性及选型
第一节 水轮机的相似原理及单位参数
水轮机的特性参数：
H、Q、n、N、、 等。
试验研究：
原型试验、模型试验
第三章 水轮机的特性及选型
对直径大于1米的水轮机来说，如进行水轮机原型的实 验来修正理论计算，是既不经济而又非常困难的，甚至有 时不可能实现。这样，就需将水轮机原型按比例缩小为模 型，然后在实验室的条件下，进行水轮机的模型试验，通 过模型试验再修正理论计算。这样便可保证制造速度快， 费用低、试验测量方便而又正确，并且同时可以进行几个 方案的试验，取其最好的方案。但模型试验结果如何换算 到原型去？模型与原型如何保持相似？这就需研究它们之 间的相互关系。
除了上述三个相似条件外，还有边界条件相似、 初始条件相似，糙度相似，一般情况下，仅保证水流 运动惯性力和压力的相似，对于粗糙度、粘滞力等次 要因素，不计其影响，保持近似的力学相似。
第三章 水轮机的特性及选型
二、相似定律
• 水轮机系列：具有几何相似、尺寸不同的水轮机所 形成的系列。
• 水轮机的相似工况：同一系列水轮机保持运动相似 的工作状况简称为相似工况。
非最优工况下：n11n1M 1n11 ， Q 11 Q 1M 1Q 11
△n11：单位转速修正值，n11n11 0n11M 0
△Q11：单位流量修正值， Q 11Q 11 0Q 11M 0
注意：1. △Q11相对于Q11很小，在实际中时常不做修正。 2.△n11＜0.03n110M时，也可不做修正。
代入水轮机基本方程式： HH1g(Vu1U1Vu2U2)
可得： VxKvx 2gH H
Vx：表示水轮机流道内任意点的速度或分速度m/s； Kvx：对应Vx的流速系数。
水电站教程课件 第三章 水轮机特性及选型
（3-7）
由式（3-7）可写出模型水轮机的流量表达式，原型与模型水轮机的流量表达式相比，并
令 M ， Kvm1 Kvm1M ，可得流量相似律
Q QM
VM V
D
2 1
D
2 1M
H h HM hM
Q
（3-8）
式中：Q 称为流量比尺（Q =常数）。
3．出力相似律
出力相似律是指原、模型水轮机的出力 P 与原、模型水轮机的直径 D1 及有效水头 H h
式中：V 为容积效率；vm1 为转轮进口处的水流轴面流速，F1 为转轮进口处的过水断面面积。
水轮机流道内任意点的流速与水轮机有效水头的关系为
vm1 Kvm1 2gHh
（3-5）
而 F1 可写成
F1 D12
式中： 为综合系数。
将式（3-5）、式（3-6）代入式（3-4）中，整理得
（3-6）
Q K vm1 D12 2gHh V
(2)相应速度成比例：
v1 w1 u1 v2 …=常数 v1M w1M u1M v2M 式中： v1 、 w1 、u1 分别为转轮进口绝对速度、相对速度和牵连速度（圆周速度）； v2 为转轮
68
出口绝对速度。
同一系列水轮机保持运动相似的工作状况称为水轮机的相似工况。需要说明的是，运动
相似的水轮机前提是几何相似，但几何相似的水轮机由于工况不同可以运动不相似。 3．动力相似 动力相似是指作用在原型与模型水轮机流道相应点的作用力是同名力（压力、惯性力、
效率相应的单位转速称为最优单位转速，用 n10 表示。同型号的水轮机只有一个最优单位转
速。单位转速越高的水轮机，转速也越大。因此，选择水轮机时，尽量采用高单位转速的水
轮机，以缩小发电机直径，降低机组成本。
水轮机型号选择
水轮发电机组主要参数设计第一节水轮机型号的选择一、选择水轮机机型及电站装置方式1.水轮机机型的选择：由所给出的原始数据判断，水轮机的运行水头范围为：68-95m，故可供选择的水轮机形式有混流式、斜流式。
混流式水轮机具有结构紧凑、运行可靠、效率高，能适应很高的水头范围等特点，应用最广泛的水轮机机型，斜流式虽然效率高，但运行经验少且使用的厂家也少，同时由于本次设计的电站水头变化范围较宽，且负荷较为稳定，故决定采用混流式（HL）水轮机。
2.水轮机型号的选择：根据该电站的最大水头为95m，查《混流式水轮机转轮型谱参数表》，经过初步比较，同时考虑到单位转速高、单位流量大、转轮直径小、效率高、空蚀系数小等判断选择的九个型号见下表：表1-1-1 初选模型机转轮型谱参数表经过对各机型参数的初步比较，可以看出HL A285-46、HL A248-35及HLD74 -35在最优工况下的效率比较高，且单位流量n10、单位转速Q10以及限制工况点的单位流量Q11均比较高，可使原型机获得较高的转速和较大的通过流量，从而在相同出力的情况下缩小机组的尺寸，同时模型机的气蚀系数бm较小，有利于电站的稳定运行。
故选取上述三个水轮机进行计算，其具体参数如下表：表1-1-2 初选三个水轮机型号参数表3.机组台数的选择：由原始资料可知, 系统总装机容量150.7万kw ，本水电站的装机容量为58.7万kw ，根据规定电站的单机容量不允许超过系统总容量的10%，否则在电站机组发生故障时，会将整个系统拖垮甚至瓦解，故采用4台、5台机组的设计方案进行计算比较。
4.电站装置方式的确定水轮机的装置方式可分为卧轴和立轴两种。
卧轴布置方式布置简单，不需向下开挖但占地面积较大，一般用于小型电站或水头较低的贯流式水电站。
立轴布置方式具有占地面积小的特点，但需向下进行较大的土石开挖，增加土建投资成本。
为缩小厂房面积，高水头大型电站一般均采用立轴布置方式。
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n1
nD1 H
n n H D1
N1
N D12 H 3/ 2
N N1D12 H 3/ 2
❖ 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。
容积效率：缝隙 机械效率；部件之间的摩擦 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：
混流：max 1 (1 M max)5
D1M D1
4-33
轴流：max
和出力各为多少？（假定原型与模型效率相 等）
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，
D21M
hH hM H
M
2
P
或
NM
D12M (H MsM )3/2 jM
N
D12 (Hs )3/2 j
C
❖ 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
u1
πD1n 60
Ku1
2gHh
n 60Ku1 2gHh
πD1
n D1M nM D1
H h HM hM
n
或
nM D1M nD1 C
H MsM
Hs
3、出力相似律
N 9.81QH
Q K vm1 D12 2gHh V
3
P PM
m m (相应工况)。
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。
n1
nD1 H
N1
N D12 H 3/ 2
ns
nN H 5/4
(m.k W )
比转速工程意义
❖表示水轮机特征的综合参数(与D1无关)，能
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。
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。
❖各种类型的水轮机比转速大致范围：
➢贯流式：ns=600-1000 高 高水头小流量
➢轴流式：ns=200-850 高
p FG L
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
《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
vu2r2 )
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
(Q1，n1，N1)
假定： s sM 0 0M j jM M
1、 单位流量
Q QM D21 H D21M HM
Q1
Q D12 H
Q Q1D12 H
2、 单位转速
n D1 nMD1M
H
HM
3、 单位出力
P D21H
3 2
PM D21M HM 32
❖ 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
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
➢斜流式：ns=150-350 中 中水头小流量
➢混流式：ns=50-300 中
➢水斗式：ns=10-70
低 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 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。
1、流量相似律
有效流量：QV vm1F1
vm1 Kvm1 2gHh
Q K vm1 D12 2gHh V
F1 D12
Q QM
VM V
D21 D21M
H h HM hM
Q
或
QM0M Q0 C D12M HMsM D12 Hs
2、 转速相似律：