第四节 水轮机的模型试验
水轮机 相似理论
数少。 混流式
b0 D1
0.1 0.00065 ns
轴流式
b0 D1
Байду номын сангаас
0.44 21.47
ns
转轮进、出口直径比D1/D2随比转速的增加而减小:
D1
1
D2 0.96 0.00038 ns
ns
nN H54
使用高比转速水轮机能带来经济效益
水轮机：比转速提高，在相同出力与水头条件下，能
解：模型水轮机单位参数：
n11M
nM D1M HM
282 0.46 64.8r
4
min
Q11M
QM D12M H M
0.38 0.9 m3 0.46 2 4
s
模型水轮机最高效率
M max
NM
9.81QM HM
13.1 0.88 9.81 0.38 4
ns 3.13n11 Q11
比转速：同一系列水轮机在相似工况下运行的综合性能。 作为水轮机系列分类的依据。
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。
水斗式： 混流式： 斜流式： 轴流式：
ns=10～70 ns=60～350 ns=200～450 ns=400～900
二、比转速与水轮机性能关系
H MsM
84.6Ku1M
nD1 nM D1M 常数
H s
H MsM
2.流量相似定律
Vx Kvx 2gHs
Q0 Vm1F1
Vm1 K vm1 2gH s
F1 D1b0 f fb0 D12 D12
Q 0 D12 H S
K vm1
水轮机模型验收试验规程
水轮机模型验收试验规程 DL446—91
目次
1 总则
2 名词术语、定义、符号及计量单位
3 模型验收试验台
4 模型水轮机组
5 模型试验保证值的验证
6 模型验收试验各种参数测量及误差
7 模型验收试验程序
8 模型验收试验的组织等事项
附加说明
8．4．3 参加验收试验人员名单；
8．4．4 试验台及模型水轮机组的说明；
8．4．5 进行试验的过程及测量仪器率定方法的介绍；
8．4．6 至少有一个测程从原始数据至最终结果的详细计算例子；8．4. 7 测量仪表的率定，各种试验参数测量误差的分析；8．4．8 试验成果及其评价；
8．4．9 经双方签字的验收试验结论；
8．4. 10 双方负责人在报告上签字。
附加说明：
本标准由能源部水电站水轮机标准化技术委员会提出并归口。
本标准由水利水电科学研究院水力机电所负责起草。
本标准主要起草人：王钟兰。
水轮机模型转轮轴向水推力试验方法研究
５ ｒｒｉ－９ ｒｍｉ，导 叶开 度 间隔 为 ２ ，单 ０／ ｎ ０／ ｎ ａ 。 位 转 速 间 隔 为 ５／ ｉ 行 布 点 ，通 过 调 节 ｒｒ ｎ进 ａ
测功机 的 转 速和 改 变导 叶开 度 调 整 工 况 点 ，
图 ３ 待 意器标 定装置 示意 图
当工况稳 定时 ，通过计 算 机对 各工 况 点包括 轴 向水推 力在 内 的各项 参 数 进行 采集 ，在此 基础上计 算 出单位水 推力 系数 并绘 制 在综合
维普资讯
《 东方 电机 ｝ ０ ２年 第 ３ ２０ ０卷 第 ｌ期
水 轮 机 模 型 转 轮 轴 向 水 推 力 试 验 方 法 研 究
万 兵 韩子 春 房 建 华
摘要
本 文 分 析 了水 轮 机 模 型 转 轮 轴 向 水推 力 的传 递 路 径 ，描 述 了 电 刹 法 测 定 水轮
验方法 的研 究。 ２ 试 验 原理 圉 １ 轴 向 水推 力 试 验 蓑 置 试 验 圈
在 东 方 电 机 股 份 有 限 公 司ＤＦ一２ ８水 力
与 核 工 业 部 第 九 研 究 设 计 院 共 同 研 制 开 发 的
机 械 试 验 台 上 ．安 装 着 水 布 垭 水 电 站 水 轮 机 模 型 。 该 机 组 为 立 轴 混 流 式 模 型水 轮 机 ，水 轮机 轴装在 新研制 的转动 部件 中 （ 图 １ 。 见 ） 转动 部 件 固定 在水 轮 机模 型 的顶 盖上 。水 轮 机 运行 时 ，转 轮 受 到水 推 力 作用 ，水 推力 可 分 解 为轴 向水推 力 和径 向水 推力 （ 图 ２ 。 见 ） 轴 向水 推 力 经 过 水 轮 机 轴 传 递 到 推 力 轴 承 。作 用到 转 动 部 件 外 套 ，再 通 过 顶 盖 、蜗 壳 传 递 到 试 验 台 的 立 柱 上 。经 向 水 推力 则作 用 到 转 动 部 件 的 径 向轴 承 上 。 为 了 测定 水 轮 机 的 轴 向水 推 力 ．我 们 在 转 动 部 件 中安 装 了
水轮机模型综合特性曲线
H、a0＝const
2、水轮机的空化试验程序（闭式台）
1、根据能量试验结果，确定若干空化试验的n11 2、在每一个n11下，选定若干试验开口a0 3、调整工况参数为指定值并使之稳定 4、用真空泵逐步降低整个系统的压力，并保持H、n、 qV不变 5、测量并记录能量指标与真空度的关系
6、绘制η、P＝f（σ）曲线 7、根据曲线确定σcr
第三节 特性曲线的绘制 一、试验装置与测量方法（略） 二、试验程序
1、水轮机能量试验程序
1、试验过程中H 基本不变
2、在一系列a0下进行试验 3、在每一a0个下通过改变负 荷改变转速 （工况）
4、将数据换算成单位参数
（n11、Q11、P11、η）
5、在一个a0下测量的数据可 以绘制转速特性曲线
对转桨式水轮机，应 在每一个叶片角度下 进行上述测量
模型试验曲线
飞逸转速 nR 流量随转速 变化的规律
（一）水轮机的综合特性曲线
1、综合特性曲线
等效率线 等开度线 等空化系数线 功率限制线
2、运转特性曲线
功率限制线： 电机功率限制 水轮机功率限制 混流式：Pmax 轴流转桨：a0
各种水轮机的综合特性曲线 低比速混流式
切击式水轮机
轴流定桨
轴流转桨
二、水轮机综合特性曲线的绘制
（一）定桨式水轮机 等效率线和等开度线
功率限制线
等空化系数线 根据空化试验结果
（二）转桨式水轮机综合特性曲线的绘制
不同ϕ 角的
水轮机模型试验及特性曲线的绘制
一、线型特性曲线
（一）水轮机的工作特性曲线
H、n＝const，qV＝f（a0）
P、η＝f（qV）
1）空载流量qVxx 2）最优流量qV0 3）极限功率Pnp与极限流量 4）功率限制
第四节 水轮机层和发电机层
第四节水轮机层和发电机层水轮机层和发电机层占据了厂房的大部分空间，它们的结构型式和尺寸主要取决于电流系统及电气控制设备的布置。
同时布置在这两层中的还有机械控制设备。
高水头水电站的各种机电设备中，发电机尺寸相对较大，因此发电机层的尺寸对主厂房的平面尺寸常起控制作用。
一、发电机的类型及励磁方式大中型水电站一般均采用立式（竖轴）水轮发电机组。
发电机的类型及励磁方式会影响到厂房的布置。
根据推力轴承设置的位置，竖轴水轮发电机可分为悬式和伞式两种。
悬式水轮发电机的推力轴承位于上机架上，整个水轮发电机组的转动部分是悬挂着的。
它的优点是推力轴承损耗较小，装配方便，运行较稳定；缺点是上机架尺寸大，机组较高，消耗钢材多。
转速在150r/min以上的水轮发电机一般为悬式。
伞式水轮发电机的推力轴承设在下机架上，推力轴承好似伞把支撑着机组的转动部分。
它的优点是上机架轻便，可降低机组高度（及厂房高度），节省钢材，检修发电机时可不拆除推力轴承，从而缩短检修时间；缺点是推力轴承直径较大，易磨损，设计制造较复杂。
有时还把推力轴承设于水轮机顶盖支架上，称为低支承伞式水轮发电机。
转速150r/min以下的大容量机组常为伞式。
目前水轮发电机的励磁方式主要有直流电机励磁及可控硅整流励磁两种。
前一种情况下，发电机的励磁电流来自于同轴连接在发电机上方（指竖轴机组）的直流电机，即励磁机。
后一种情况下，发电机输出电流的一部分经可控硅整流、降压后送回发电机作为励磁电流。
从励磁系统的组成上看，采用可控硅励磁后，可省去励磁机，有利于降低厂房高度，但要增加几块励磁盘及励磁变压器。
二、发电机支承结构发电机支承结构通常称为机座或机墩，其作用是将发电机支承在预定的位置上，并给机组的运行、维护、安装、检修创造有利条件。
机组作用在机座上的力主要有垂直荷载（转动及非转动部分的重量、水推力等）及扭矩（正常及短路扭矩）。
机座必须有足够的强度和刚度保证弹性稳定，动力作用下振幅小，自振频率高（以免与机组共振）。
第四章特性曲线及选型讲解
（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
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
n1 n10 n10M n10M (
max M max
1)
其他工况时：
Q1 Q1M Q1
n1 n1M 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
第四节 水轮机的主要综合特性曲线
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。
水轮机特性曲线及选型
第四章 水轮机的特性曲线与选型第一节 水轮机的相似律一、水轮机的相似条件在进行模型试验时，模型与原型水轮机之间应满足的条件称为水轮机的相似条件。
模型和原型水轮机之间应满足几何相似、运动相似和动力相似三个相似条件。
1.几何相似（必要非充分）（同轮系）几何相似是指两个水轮机的过流部件形状相同（即过流部件几何形状的所有对应角相等），尺寸大小成比例。
即：===mmma ab b D D 000011式中 ：01b D 、、0a ——水轮机的转轮直径、导叶高度、导叶开度。
满足几何相似的一系列大小不同的水轮机，称为同轮系（或同型号）水轮机。
只有同轮系的水轮机才能建立起运动相似或动力相似。
2.运动相似（等角工作状态）运动相似是指同一轮系的水轮机，水流在过流通道中对应点的同名流速方向相同，大小成比例，即相应点的速度三角形相似。
即两水轮机运动相似就称此两水轮机为等角工作状态。
3.动力相似动力相似是指同一轮系水轮机在等角工作状态下，水流在过流部件对应点的作用力（惯性力、重力、粘滞力、摩擦力等），同名力的方向相同，大小成比例。
二、轮机的相似律在满足相似条件的基础上原型与模型水轮机各参数之间的相互关系称为水轮机的相似律，也称为水轮机的相似公式。
1.转速相似律s m sm mH D H D n nηη11=s H D n η11∝2.流量相似律sm m msvmm vH D H D Q Q ηηηη2121=s VH D Q ηη21∝式中：v Q η—有效流量。
称为水轮机的流量相似律，亦称为流量方程式。
在应用中，直径m D 1、1D 、水头m H 、H 为定值，若效率vm η、sm η、v η、s η为已知时，则可由测得的m Q 求得原型水轮机的流量Q 。
3.出力相似律()()jmsm m m j s mH D H D N N ηηηη23212321=2321s H D N η∝称为水轮机的出力相似律，亦称出力方程式。
03 水轮机的相似理论与模型实验
U12
U
2 2
2g
W1
W22 2g
Vx Kvx 2gHs
u1
D1n
60
K u1
2 gH s
nD1 nM D1M 常数
H s
H MsM
Q0 D12 HS
QM0M
D12M H MSM
常数 N
D12 (Hs )3/ 2 j
NM D12M (H M sM )3/ 2 jM
在进行水轮机模型试验时，由于试验装置情况和要求不同， 水轮机的模型直径和试验水头也不相同，因此模型试验得到 的参数也就不可能相同，这样就不便于进行水轮机的性能比 较。为了比较时有一个统一的标准，通常规定把模型试验成 果都统一换算到转轮直径为m,有效水头m时的水轮机参数， 这种参数就称为它为单位参数。
第三章 水轮机的相似理论与模型试验
第1节：水轮机的相似理论与单位参数 第2节：水轮机的效率换算与单位参数修正 第3节：水轮机的比转速
第4节：水轮机的模型试验 第5节：水轮机的飞逸特性
第1节：水轮机的相似理论与单位参数
水轮机系列： 相似理论：研究同系列水轮机的几何尺寸及特性参数间相似规 律、和转换关系的理论。
n11
nD1
H s
Q11
D12
Q
H S
N11
N
D12 (H S )3 / 2
目前在模型中整理试验成果时，或在初步设计时，都采用上述 公式，它应用简便，但比较粗糙，常作近似计算。
因此，单位参数可以表示出相似水轮机的特性，是几何相似水轮机保持 相似工况的一种判别准则。
同时对几何形状不同的各种系列水轮机，利用单位参数可以比较方便地进 行过流能力、转速高低、出力大小的性能比较，选择性能较好的转轮。
水力机械的模型试验及特性曲线2021精选PPT
第三节 模型试验及特性曲线的绘制 一、试验装置与测量方法（略） 二、试验程序
1、水轮机能量试验程序
1、试验过程中H 基本不变
2、在一系列a0下进行试验 3、在每一a0个下通过改变负 荷改变转速 （工况）
4、将数据换算成单位参数
（n11、Q11、P11、）
5、在一个a0下测量的数据可 以绘制转速特性曲线
第五章 水力机械的模型试验及特性曲线
本章讲述的主要内容： 第一节 水力机械模型试验的意义和任务
第二节 水力机械特性曲线的定义和分类 第三节 模型试验及特性曲线的绘制
第一节 水力机械模型试验的意义和任务
一、水力机械的现代设计方法：理论与试验相结合的方法 理解： ➢ 水力机械过流通道内的流动规律目前还不能利用数学的方法 完全解决，因此设计时，必须引入一些假设进行简化。 ➢ 设计对给定计算工况（即设计工况）下进行。在非设计工况 下，流动会产生脱流或转轮低压侧的强烈旋涡等，进行流动 分析更加困难。因此除了在理论上进行探索之外，还必须通 过试验来修正和补充。 ➢ 试验工作必须有理论进行指导。
6、绘制、P＝f（）曲线 7、根据曲线确定cr
二、水轮机综合特性曲线的绘制
（一）定桨式水轮机 等效率线和等开度线
功率限制线
等空化系数线 根据空化试验结果
（二）转桨式水轮机综合特性曲线的绘制
不同 角的定桨性能
协联工况的概念 协联曲线的求得
水力试验是设计水力机械的一个重要手段
三、水力机械的模型试验必须遵循水力机械的相似准则 四、新转轮的出现，一般要经过下面的程序：
➢ 根据给定的参数（Q，H, σ及n），设计出一些模型转轮方案。
➢ 由于工作参数和结构参数的不同组合以及不同的计算方法， 这些方案彼此不同。
模型水轮机导叶水力矩数值计算及试验验证
摘要摘要混流式水轮机的力特性指标是水轮机真机结构设计的重要设计输入数据，其准确性和合理性将直接影响到水轮机的运行安全和制造成本。
水轮机活动导叶的形状和安装位置直接影响到水流作用在其表面上的压力和力矩数值。
为了准确计算导叶强度、合理选择水轮机导水机构接力器及与其相关的系列传动机构，需要确切了解导叶在各个开度值下的受力情况，目前确定水轮机水力部件力特性通常采用水轮机模型试验或数值仿真的方法。
本文以吉林丰满水电项目为应用背景，以混流式水轮机的导叶水力矩为研究对象，通过数值模拟和试验相结合的办法进行了不同导叶开口下水力矩分布规律、导叶分布圆导直径对导叶水力矩影响及水力矩计算简化方案的研究，得出了以下结果：导叶水力矩数值计算结果与模型试验结果分布规律相似，使用CFD方法计算导叶水力矩是完全可行的。
不同导叶分布圆同一导叶翼形下导叶水力矩曲线略有不同，分布圆越大，水力矩越大。
导叶水力矩计算方法可简化为定流量变开口计算。
选取效率最优点的流量来计算导叶水力矩结果和试验结果最吻合。
关键词：混流式水轮机；导叶水力矩；数值模拟；模型试验- I -AbstractAbstractForce characteristics of Francis turbine is an important design input data for the structure design of the prototype, whose accuracy and rationality have a direct impact on the safe operation and manufacturing cost. The shape and position of the guide vanes of the turbine directly affect the pressure and torque value of the water flow acting on its surface. In order to calculate the vane strength accurately, reasonable selection of turbine guide vane servomotor and its related series of transmission mechanism, need to know exactly the guide vane in each opening value under the condition of stress, the method of determining the hydraulic force characteristics of commonly used parts of the turbine turbine model test and CFD numerical simulation. This paper takes Jilin Fengman project as the application background and takes vane torque of Francis turbine guide as the object of study. This paper makes a study on the distribution law of vane torque of Francis turbine guide and the influence of guide vane graduation circle to guide vane torque. This paper also studies and verifies the simplified scheme of guide vane torque calculation using a suitable flow. The studies above are based on combination of numerical simulation and experimental method of vane torque of Francis turbine guide. The paper draws the following conclusions.The distribution law of guide vane torque factor from the CFD numerical simulation results is similar to the distribution law from the results of the model test. It is feasible to use CFD method to calculate vane torque. The guide vane torques curve in different graduation circle of guide vane with the same vane airfoil are slightly different. The larger the graduation circle, the greater the vane torque. The calculation method of guide vane torque can be simplified as a calculation method with the same discharge and variable openings. The results calculated at optimal condition discharge are in good agreement with the experimental results.Keywords: Francis turbine, Guide vane torque, Numerical simulation, Model test目录目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 主要研究内容与研究思路 (5)第2章计算流体力学基本理论 (7)2.1 流体力学基本方程组 (7)2.1.1 连续方程——质量守恒方程 (7)2.1.2 运动方程——动量守恒方程 (8)2.1.3 能量方程——能量守恒方程 (8)2.2 湍流流动基本方程组简介 (9)2.2.1 直接数值模拟算法（DNS算法） (10)2.2.2 大涡模拟算法（LES算法） (10)2.2.3 雷诺时均数值算法（RANS算法） (11)2.3 本章小结 (14)第3章模型水轮机导叶水力矩数值计算 (15)3.1 网格划分及边界条件设置 (15)3.1.1 三维建模及网格划分 (15)3.1.2 边界条件设置 (20)3.2 整体计算和蜗壳及固定导叶和活动导叶联合计算对比 (20)3.3 蜗壳及固定导叶和活动导叶联合CFD数值模拟计算 (24)3.3.1 正常工况同步导叶水力矩计算 (24)3.3.2 正常工况非同步导叶水力矩计算 (29)3.4 导叶水力矩数值计算简化方案研究 (33)3.5 不同导叶分布圆的导叶水力矩计算 (34)3.6 本章小结 (35)第4章丰满导叶水力矩模型试验验证 (36)- III -目录4.1 模型试验台简介 (36)4.2 导叶水力矩模型试验 (37)4.2.1 同步试验结果 (38)4.2.2 非同步试验结果 (43)4.3 数值模拟与模型试验对比 (47)4.4 本章小结 (52)结论 (53)参考文献 (54) (58)致谢 (59)个人简历 (60)第1章绪论1.1研究背景与意义在我国煤电、水电、核电是电力系统中三大主要的组成部分[1]。
水轮机形式及结构认识实验报告
水轮机形式及结构认识实验报告一、实验目的本次实验的主要目的是了解水轮机的形式及结构，通过实际操作和观察，掌握水轮机的工作原理和性能特点。
二、实验器材1. 水轮机模型2. 水泵3. 流量计4. 电子天平5. 计时器三、实验原理水轮机是一种利用水流动能转换成机械能的装置。
根据不同的工作原理和结构形式，可分为垂直式、斜式和水平式三种形式。
其中，垂直式水轮机又可分为上导流和下导流两种类型。
四、实验步骤及结果分析1. 实验前准备：将水泵接通电源，并将出口管道连接到流量计上，将进口管道连接到水轮机进口处。
开启水泵，调整出口阀门使得流量计读数稳定在40L/min左右。
2. 测量水轮机重量：使用电子天平测量水轮机重量为3.5kg。
3. 观察水轮机结构：通过观察模型，可以看到其由进口管道、导叶、转子、出口管道等部件组成。
其中导叶可调节角度以改变水流入口的大小和方向。
4. 测量水轮机转速：使用计时器测量水轮机转一圈所需时间为30秒，因此其转速为2r/s。
5. 测量水轮机输出功率：根据公式P=ρQgHη，其中ρ为水的密度，Q为流量，g为重力加速度，H为有效高度，η为效率。
将实验中得到的数据代入计算可得P=3.5W。
6. 改变导叶角度：通过调节导叶角度改变水流入口大小和方向，观察水轮机输出功率的变化。
实验结果表明，在导叶角度为30°时输出功率最大，达到了4W。
五、实验结论1. 水轮机是一种利用水流动能转换成机械能的装置。
2. 水轮机可分为垂直式、斜式和水平式三种形式。
3. 在垂直式水轮机中，上导流和下导流两种类型各有特点。
4. 调节导叶角度可以改变水流入口大小和方向，从而影响水轮机输出功率。
5. 在本次实验中，通过调节导叶角度使得输出功率最大值达到了4W。
水轮机模型压力脉动的测试及方法研究
水轮机模型压力脉动的测试及方法研究作者：郭全宝来源：《科学与财富》2018年第08期摘要：随着国家整体实力的提升以及科学技术领域的进步，水利工程以及水利发电领域的发展得到了不小的创新与突破。
在近几年的发展中，很多科研团队对相关工程领域中涉及到的设备或技术手段进行了全方位的研究，并对相关水利设备的应用原理和特点进行了深入的分析，从而提高设备的应用价值与效果。
水轮机作为相关水利工程项目中的重要设备，不仅受到了很多科研团队的关注，研究团队还对其模型和压力测试方面的内容展开了深入研究，以此来提高水轮机的运作效率。
本篇文章就水轮机模型压力脉动的测试及方法进行简单的论述，仅供相关研究人士参考。
关键词：水轮机模型；压力；测试；方法水轮机在国家水利资源开发以及水利发电等领域的发展中扮演着至关重要的角色，在近几年的发展中受到了很多研究团队的关注。
除了水轮机运作中涉及到的技术手段和制作工艺等，一些科研团队还对水轮机模型压力脉动的测试展开了进一步的研究。
一方面是国家经济实力和科技实力同步提高的影响，另一方面是由于一些传统的测试手段已经不能很好的满足水轮机模型压力脉动研究的需要，需要对相应的方法和手段等进行更新变革才能为研究工作的进一步开展提供有利条件。
1 水轮机模型的意义水轮机相似理论是研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确定运行参数之间换算关系的理论。
目前水轮机相似理论已经广泛应用于水轮机设计、制造、选型和最佳运行方案选择上，但由于水轮机水流条件复杂性，根据水轮机模型方法研究水轮机真机的相关特性，必须在保证水流运动相似的条件下进行。
由于水轮机组的电力工程属性普遍有着规模大、投资高、建设难的问题，水轮机试验人员在对水轮机进行设计、制造、选型等工作时无条件用真机对水轮机运行和各项特性进行试验和分析，导致用计算指导实践的弊病，一旦计算与实践脱节出现问题，损失不可估量。
由于模型水轮机具有运转规模小、费用小、试验方便的特点，不但可以随着需要变动工况，还能在较短时间内对水轮机运行整体特性进行分析。
第四章 水轮机的空化与空蚀
2.化学作用
发生空化和空蚀时，气泡使金属材料表面局部出现 高温是发生化学作用的主要原因。该高温可能是气泡 在高压区被压缩时放出的热量，或者是由于高速射流 撞击过流部件表面而释放出的热量。局部瞬时高温可 过300℃，高温、高压作用下，促进汽泡对金属材料表 面的氧化腐蚀作用。
3.电化作用
在发生空化和空蚀时，局部受热材料与四周低温材 料间产生局部温差，形成热电偶，材料中有电流流过， 引起热电效应，产生电化腐蚀，破坏金属材料的表面 层，使它发暗变毛糙，加快了机械侵蚀作用。
由于液体具有汽化特性：
液体汽化：1、恒压加热；2、恒温降压
沸腾：液体在衡定压力下加热，当温度高于某一温
度时，液体开始汽化形成汽泡。
空化：当液体温度一定，降低压力到某一临界压力
时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成
空穴。
气蚀现象：包括空化和空蚀两个过程。 空化：液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破 坏，发生在压力下降到某一临界值的流动区域，空穴 中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。 可以发生在液体内部，也可以发生在固定边界上。
水的温度（℃） 汽化压力 （mH2O） 0 0.06 5 0.09 10 0.12 20 0.24 30 0.43 40 0.72 50 1.26 60 2.03 70 3.18 80 4.83 90 7.15 100 10.33
空蚀对金属材料表面的侵蚀破坏有机械作用、化 学作用和电化作用三种，以机械作用为主。
第四章 水轮机的空化与空蚀
第一节 水流的空化
一、水流的空化现象
认识到空化空蚀的破坏：发现轮船高速金属螺旋桨在 很短时间内就被破坏。 固体围绕固定位置振动 的汽化特性。 标准大气压力下 ，水温达 到 100℃时，发生沸腾汽化； 当周围环境压力降低到 0.24mH2O时，发生空化现象。 液体质点位置易迁移 常温下液体质点会从液体中离析，取决于该种液体
水轮机教学课件PPT
（2）采用套用机组和通用机型
• 要求设备系列化、标准化、通用化 • 水轮发电设备制造和已建电站的运行情况
N 3000kW
大中型机组
D1 2.75m
三、用主要综合特性曲线选择水轮机的主要参数
• 过程：
• 根据相似公式计算出原形水轮机的主要参数（D1、n) • 把已选定的原形水轮机参数反过来换算成模型参数 • 将模型参数放置到模型主要综合特性曲线上，检验所选水轮机工作
条件是否合理（即检验高效区）
• 步骤：
• 选择计算点→n’1, D’1 → D1，n
用此△η对一般效率进行修正，即 p m • 转桨式：由于ηmmax= ηm（φ），故每个φ应分别修正
在不同的φ角下， △η值也不同
• 单位转速n‘1和单位流量Q’1的修正
• 前一节中，理论上认为原、模型n’ 、Q’1一致 • 实际上，考虑原、模型水轮机的效率差别后，原、模
型n’1 、Q’1就不一致 • 原、模型n’1 、Q’1的修正原因：水轮机的效率差别，特
D1,m D1, p
• •
轴流式 说明
p max
1 0.3(1mmax ) 0.7(1mmax )5
D1,m D1, p
10 Hm Hp
1. 已知ηmmax→ηpmax 2. 公式中ηm 应取最大值 3. 对于混流式水轮机， 最优效率点是唯一的
轴流转桨式， ηmmax= ηm（φ），每一个φ→ ηmmax 效率修正时应分别对待
• N总、Hr 已定的情况下 • 不同机组台数，则单机容量、转轮直径、转速、型号
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。
水轮机设备实验实训报告
一、实验背景水轮机是水力发电系统中的核心设备，其工作原理是将水的动能转化为机械能，从而驱动发电机发电。
随着我国水电事业的快速发展，对水轮机设备的质量和性能要求越来越高。
为了提高我国水轮机设备的制造水平，培养相关技术人才，本实验实训报告针对水轮机设备进行了实验研究。
二、实验目的1. 熟悉水轮机设备的基本结构和工作原理；2. 掌握水轮机设备主要部件的检测方法和标准；3. 提高对水轮机设备运行维护的技能；4. 培养团队协作和动手能力。
三、实验内容1. 水轮机设备的基本结构和工作原理水轮机设备主要由进水口、导叶、转轮、主轴、上机架、下机架、尾水管等部分组成。
其中，转轮是水轮机的核心部件，负责将水的动能转化为机械能。
水轮机设备的工作原理是：水流经进水口，经过导叶的调节，使水流以一定的角度冲击转轮，转轮在水的冲击下旋转，从而带动主轴旋转，进而驱动发电机发电。
2. 水轮机设备主要部件的检测方法（1）进水口：检查进水口的形状、尺寸和表面质量，确保进水口与导叶的配合精度；（2）导叶：检查导叶的形状、尺寸、表面质量及开启角度，确保导叶的开启角度与转轮转速相匹配；（3）转轮：检查转轮的形状、尺寸、表面质量、重量及平衡性，确保转轮的旋转平稳；（4）主轴：检查主轴的形状、尺寸、表面质量、重量及平衡性，确保主轴的旋转平稳；（5）上机架和下机架：检查上机架和下机架的形状、尺寸、表面质量、连接牢固度等，确保水轮机设备的整体稳定性。
3. 水轮机设备的运行维护（1）运行前的检查：检查水轮机设备各部件的安装、紧固情况，确保设备安全运行；（2）运行中的检查：定期检查水轮机设备各部件的运行状态，发现问题及时处理；（3）运行后的维护：定期对水轮机设备进行清洁、润滑、紧固等维护工作，确保设备长期稳定运行。
四、实验步骤1. 观察水轮机设备各部件的结构和工作原理；2. 检查水轮机设备各部件的尺寸、表面质量及安装精度；3. 使用检测仪器对水轮机设备各部件进行检测，包括转轮、主轴、上机架、下机架等；4. 根据检测结果，分析水轮机设备各部件的运行状态；5. 对水轮机设备进行运行维护，确保设备长期稳定运行。
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第四节水轮机的模型试验一、水轮机的模型试验的意义前面讨论了水轮机相似的条件，这就从理论上解决了用较小尺寸的模型水轮机，在较低水头下工作去模拟大尺寸和高水头的原型水轮机。
按相似理论，模型水轮机的工作完全能反映任何尺寸的原型水轮机。
模型水轮机的运转规模比真机运转规模小的多，费用小，试验方便，可以根据需要随意变动工况。
能在较短的时间内测出模型水轮机的全面特性。
将模型试验所得到的工况参数组成单位转速和单位流量后，并分别以它们作为纵坐标及横坐标，按效率相等工况点连线所得到的曲线图称为综合特性曲线。
此综合特性曲线不仅表示了模型水轮机的工作性能，同样地反映了与该模型水轮机几何相似的所有不同尺寸，工作在不同水头下的同类型真实水轮机的工作特性。
水轮机制造厂可从通过模型试验来检验原型水力设计计算的结果，优选出性能良好的水轮机，为制造原型水轮机提供依据，向用户提供水轮机的保证参数。
水电设计部门可根据模型试验资料，针对所设计的电厂的原始参数，合理地进行选型设计，并运用相似定律利用模型试验所得出的综合特性曲线，绘出水电站的运转特性曲线。
为运行部门提供发电依据，水电厂运行部门可根据模型水轮机试验资料，分析水轮机设备的运行特性，合理地拟定水电厂机组的运行方式，提高水电厂运行的经济性和可靠性。
当运行中水轮机发生事故时，也可以根据模型的特性分析可能产生事故的原因。
二、水轮机模型试验的方法水轮机的模型试验主要有能量试验，气蚀试验，飞逸特性试验和轴向水推力特性试验等几种。
由于篇幅所限，本教材主要介绍反击式水轮机的能量试验。
反击式水轮机的汽蚀试验可参阅有关参考文献。
能量试验台分为开敞式试验台和封闭式试验台，封闭式试验台无需设置测流槽，故平面尺寸要比开敞式试验小，而且水头调节更加方便，但封闭式试验台投资较高。
1. 开敞式能量试验台（1）开敞式能量试验台水轮机效率是水轮机能量转换性能的主要综合指标，因此，模型水轮机的能量试验主要是确立模型水轮机在各种工况下的运行效率。
水轮机的能量试验台如图3-4所示。
它主要由下列装置组成。
1）压力水箱。
压力水箱2是一个具有自由水面的大容积储水箱，试验时保持稳定的上游水位。
水箱由水泵1供水，通过高度可调节的溢流板4控制一定的水位，多余的水可从溢流板顶部排至集水池14。
水流通过静水栅3均匀而稳定地进入模型水轮机7。
图3-4 反击式水轮机能量试验台1—水泵；2—压力水箱；3—静水栅；4—溢流板；5—测功装置；6—引水室；7—模型水轮机；8—尾水管；9—尾水槽；10—调节闸门；11—静水栅；12—测流堰槽；13—堰板；14—集水池；15—水位测量装置；16—水头测量装置2）机组段。
机组段包括引水室6，模型水轮机7，尾水管8，测功器5及水头测量装置16。
3）测流堰槽。
它的作用是测量模型水轮机的流量，在槽内首端装有静水栅11，以稳定堰槽内的水流，末端装有堰板13，用浮筒15测定堰上水位。
4）集水池。
水流经测流堰槽12流入集水池14，然后再用水泵1抽送至压力水箱2，形成试验过程中水的循环。
（2）参数测量模型水轮机效率为（3-36）因此，确定水轮机效率，首先必须准确地测量出模型水轮机4个试验参数。
1）测量水头。
模型试验水头是上游压力水箱水位与下游尾水槽水位之差。
图3-4中采用上、下游浮子标尺测得。
2）测量流量。
能量试验台通常采用堰板测量流量，堰板的形状有三角形或矩形。
为了保证测量精度，应采用容积法对堰板的流量系数进行校正，从而得到流量与堰顶水深的关系曲线，如图3-5所示。
测量时可从浮子水位计15测出堰顶水位，再查出流量。
图3-5 堰顶水深与流量关系曲线3）测量转速，采用机械转速表在水轮机轴端可直接测量转速，但精度较低。
目前在模型试验中常采用电磁脉冲器，或电子频率计数器，可直接测得转速。
4）测量功率。
测量模型水轮机轴功率，通常采用机械测功器或电磁测功器，如图3-6所示。
测量水轮机轴的力矩与同时测出的水轮机转速，计算功率。
机械测功器一般使用在容量较小的试验台上。
图3-6 测功装置机械或电磁测功器，测量方法基本相同，都是通过测量模型水轮机的制动力矩，然后再计算出功率。
制动力矩为：(Ｎ·m ) （3-37）机械测功器工作原理是在主轴上装一制动轮，在制动轮周围设置闸块，在闸块外围加闸带，闸带可由端部的调节螺丝控制以改变制动轮和闸块之间的摩擦力，闸带装置在测功架上，在主轴转动时可改变负荷（拉力）使测功架保持不动，则此时的制动力矩即为，为制动力臂。
电磁测功器是用磁场形成制动力矩，基本原理与机械测功器相同。
（3）综合参数计算与试验成果整理综合参数计算就是对模型水轮机的每一个工况，测出等参数后，计算出模型水轮机的值。
效率单位转速单位流量混流式水轮机能量试验一般选用8~10个导叶开度，分别在各个开度下进行若个（5~10个）不同工况点的测试。
试验可按如下步骤进步：1）调整上、下游水位，得到稳定的模型试验水头。
2）调整导叶在某一开度。
3）用测功器改变转轮的转速，一般速度间隔为100r/min作一个试验工况点。
4）待转速稳定后，记录各参数()于表3-1中。
表3-1 能量试验数据记录计算表深量速（2）封闭式试验台图3-7为我国某著名研究所的高水头水力机械模型试验台，该试验台是一座高参数、高精度的水力机械通用试验装置。
试验台可按IEC193及IEC493等有关规程的规定进行能量、空化及飞逸转速等项的验收试验，也可在试验台上进行水力机械的压力脉动、力特性、四象限、补气及模型转轮叶片应力测量等各项其他试验和科研工作。
图3-7 高水头水力机械模型试验台示意图3.1试验台主要参数最高水头：100（mH2O）最大流量：1.2（m3/s）转轮直径：300～500（mm）测功机功率：400（kW）测功机转速：900～1800（r/min）供水泵电机功率：400kW×2流量校正筒容积：120（m3）水库容积： 750（m3）试验台综合效率误差：＜0.25%3.2试验台系统试验台是一个封闭式循环系统。
整个系统可双向运行。
系统中各主要部件的名称、参数及功能如下：1.液流切换器：流量率定时用以切换水流，一个行程的动作时间为0.02s，由压缩空气驱动接力器使其动作。
2.压力水罐：直径2m的圆筒形水箱。
为模型机组的高压侧。
具有偏心法兰，以适应不同模型的安装和调整。
3.推力平衡器：由不锈钢制造。
试验时可对机组受到的水平推力进行自动平衡，安装时作为活动伸缩节。
4.模型装置:试验用的水轮机模型装置。
5.测功电机：型号为ZC56/32-4，功率为400kW的直流测功机。
试验时可按电机或发电机方式运行。
最高转速为1800r/min。
6.尾水箱：圆柱形水箱，为模型机组的低压侧。
7.油压装置：4台JG80/10静压供油装置，其中一台备用。
供油压力25 kgf/cm2，供油量为7 l/min。
8.真空罐:形成真空压力装置。
9.真空泵：二台型号为H-70阀式真空泵。
10.供水泵：24SA-10双吸式离心泵。
两泵可根据试验要求，按串联、并联及单泵的方式运行。
11.电动阀门:直径为500mm，用以切换系统各管道，以实现试验台各种运转方式。
12.空气溶解箱：溶解箱为系统中压力最高区，并有足够大的体积，提供了系统中游离气泡重新溶解的条件。
13.电磁流量计：用以测量流量，由上海光华-爱尔美特公司生产制造，型号为MS900F，其精度为±0.2%，可双向测量，输入量程为0～1m3/s。
14.冷却器:当试验台运转时间过长，水温变化较大时，用以保持水温基本不变。
15.流量校正筒：直径4.8m，高6.75m圆形钢制水箱，有效容积为120m3。
3.3 试验台电气传动控制系统3.3.1 电机及拖动系统在试验台中，电气系统为试验台提供动力，通过调节Ⅰ#水泵电机、Ⅱ#水泵电机、测功机的转速，控制各阀门的开关来达到调节各试验工况的目的。
为了减少能耗，保证试验台满足不同形式水力机械的试验要求，并保证系统中水流的稳定性，两台供水泵电机及测功机，均采用无级变速的直流电机。
测功电机选择了ZC56系列、定子悬浮立式结构，Ⅰ#水泵电机选择了GZ142系列产品，Ⅱ#水泵电机选择了ZJD56系列产品。
测功机、水泵电机的电枢和励磁回路均采用晶闸管变流装置供电。
由变流直流传动装置来完成测功电机、水泵电机的转速控制。
调速系统采用智能数字调速系统，智能数字调速系统与其它系统的通讯可通过数据总线或分立式的I/O通道完成。
试验台所选变流调速装置为ABB生产的DCS500系列产品，它具有高性能的转速和转矩控制功能，能满足快速响应和控制精度的要求，具有电枢电流和磁场电流控制环节的自动调谐功能，具有完善的过流、过压、故障接地等自诊断功能。
另外，人机通讯方面，该系统有一个七段LED，驱动状态和故障都以代码数字显示，为了能得到更多的传动状态信息，在调速装置上安装一个多功能控制盘，可以进行故障检测、在线修改程序和设置参数。
操作控制系统由PLC、IPC、大屏幕显示器等组成。
系统在操作上有三种操作方式，它们是手动方式、计算机方式、自动方式。
系统运行时，工控机与PLC进行时实通讯，在工业组态软件支持下，对试验台运行情况进行动态监测，运用图形界面反映各相关数据，使操作者可以选择试验工况，控制阀门的状态组合。
在整个操作控制中，PLC做为整个控制系统的控制核心，它指挥整个系统的运行状态，首先它与ABB调速装置联接，负责ABB调速装置的输入给定，由ABB调速装置通过I/O和A/D采样控制水泵电机和测功机的各种试验工况的运行，同时，PLC还将有关数据和诊断信息送给它的上位机IPC，IPC又通过组态软件，为用户提供各种可视界面、信息，同时PLC不断从控制台采样，以能随时地刷新工作状态。
3.4试验台参数测量设备及校准方法3.4.1流量流量是试验台重要参数之一，并对测量误差有重大影响。
它的测量及校准的准确性直接影响到试验台的综合精度。
高水头试验台采用的电磁流量计型号为MS900F。
其精度为±0.2%，可双向测量，输入量程为0～1m3/s。
3.4.2水头试验台水头的测量采用差压传感器。
型号：3051CD4A22A1A量程：0～2.07MPa精度：0.075%3.4.3力矩模型力矩测量采用间接测法，即在长度为L=848.25mm的支臂上装负荷传感器，由该传感器测量的力乘以力臂得出力矩。
其传感器性能如下：型号：1110-A0-1K量程：0～1000 N·m精度：±0.02%3.4.4转速转速用磁感应器测量。
其性能如下：型号：4-0002量程：0～3000r/min精度：±1个齿(测速齿数为120个)3.4.5尾水压力尾水压力测量采用传感器其性能如下：型号：3051TA1A2B21A量程：0～200kPa精度：0.075%3.4.6温度温度(水温、气温)采用铂电阻温度传感器。