(22)--水轮机特性

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2.4 水轮机特性 2.4.1 水轮机的相似理论
1、 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。
0.7(
D1M D1
)1/5 ( H M H
)1/10 ]
M max 通过模型试验确定,代入上式即可求出原形水轮机效率。
2、 一般工况
M
式中: 为最高效率点效率修正值。 max M max , 为制造工
艺误差。
(1)HL、ZD: M , max M max
(2) ZZ
2.4.6 水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线
(一) 特性曲线概述
1、研 究 目 的 : 进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性,计 算水轮机能量指标,以评定所选择的水轮机各主要参数的正确性,指导水轮 机的安全运行。
2、定 义 :反映原型水轮机在各种工况下参数之间的关系曲线—水轮机特 性曲线。(正常运行时,转速 n 不变,当 H、N 变化时,η、σ 随之变化)
2.4.4 水轮机的模型试验
(一) 模型试验的目的、任务及类型 1、 目 的 任 务
目的:保证水轮机在工作范围内高效率、稳定运行—— 研究水轮机在各种
工况下的能量特性、汽蚀特性等—— 必须依靠水轮机模型试验(因水流在转轮
中的运动相当复杂,理论分析困难,只有在最优工况下,作些假定后才能进
行) 任务:水轮机模型试验是按一定比例将原形水轮机缩小为模型水轮机,
单位参数不同)。单位参数由模型试验得出→原形水轮机的参数(相应工况)。 冲击式水轮机的单位参数:
Q1
3.48kvz0
(
d0 D1
)2
n1 84.6kv
N1
34.14kvz0
(
d0 D1
)2
通常用 Q1 , n1 表示水轮机的运行工况。当几何相似, Q1 , n1 对应相等
时,两个水轮机工况相似。(略去效率、吸出高度和汽蚀系数的影响) (三) 水轮机的比转速 ns (Specific speed) 1、 定义:同一轮系水轮机,当其工作水头 H=1m,出力 N=1KW 时,
hwM HM

一般只考虑水力效率s 代 ,且只考虑最优工况下的水力损失(只有沿程
损失)。
1、 最优工况下的效率修正
max
1
(1
M
max
)(
D1M D1
)m ( H M H
)m/2
m≈1/4 或 1/5
ZD、HL:
max
1
(1
M
max
)(
D1M D1
)1 / 5
ZZ:
max
1
(1
M
max
)[0.3
效率,需修正)
1 单位流量 Q1 :
Q1
Q D12 H
Q Q1D12 H (m3/s)
2 单位转速 n1 :
n1
nD1 H
n
n H D1
(r/min)
3 单位出力 N1 :
N1
N D12 H 3/ 2
N N1D12 H 3/ 2 (KW)
单位参数对同一轮系水轮机在不同的相似工况下分别为一常数(工况不同,
Q M rM D12M H MSM
Qr D12 HS
C
H M , D1M , H , D1 均为固定值,QM 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。
nM D1M nD1 C
H MSM
H S
3. 出力相似律:即原型和模型水轮机出力之间的关系。
(4)、比转速增加,单位流量增加,b0/D1 增大,叶片数目减少。
2.4.3 水轮机的效率换算与单位参数修正
(一) 水轮机效率换算
上节的单位参数公式是在假定相似工况下 M ,实际上 M (2%~
7%),因此要把M 转换为 η。
M 的原因: H M
H , D1M
D1

M D1M
D1

hw H
Z0 (m.kW)
4、 讨论: (1)、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。 (2)、当 H 一定时: ns ↑→Q’1η↑,n’1↑→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)、当水头和处理一定时,ns 越高,汽蚀系数越大,增加厂房开挖。
(二) 混流式水轮机的模型综合特性曲线
HL240 模型综合曲线
首先计算各个工况点
Leabharlann Baidu
n1
nM D1M HM
Q1
QM D1M H M
M
NM N sM
NM 9.81QM
H
M
1、 等开度线绘制
2、 等到效率线绘制
3、 5%出力限制线绘制
4、 等汽蚀线绘制
(三) 轴流式水轮机的模型综合特性曲线
ZZ440 模型综合曲线 (四) 冲击式水轮机的模型综合特性曲线
NM D12M (H M SM )3/ 2 jM
N D12 (HS )3/ 2 j
C
(二 )单 位 参 数 (在不同轮系之间进行比较)
将 模 型 试 验 结 果 化 成 为 D1M=1m, HM=1m 标 准 情 况 下 的 参 数 — — 单
位参数,分别用 (Q1,n1,N1) 表示。 假定:s sM ,r rM , j jM , M (实际上,原型效率〉模型
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。
max M max , M
(3)水斗式: 当: D1 d0 10 ~ 20时, M ,不做修正。
(二) 单位参数的修正(η 不同,Q1 , n1 也要加以修正)
只考虑 ηs 时(即用 ηs 代替 η):
Q1M Q1 , M
1 最优工况时:
Q10 Q10M
max M max
n1M n1 M
所具有的转速。
2、 公式: ns
nN H 5/4
(m.kW)
3、 意义: (1) ns 表 示 水 轮 机 特 征 的 一 个 综 合 参 数 (与 D1 无 关 ), 能 将 水 轮 机 的
各个参数 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。
(2) 工况相似时, ns =常数,即 ns 不随工况变化。
NM =Mω=PL nM/9549.3 (kW) ω=2πnM 3、 试验方法 (1)、HM=const; (2)、选择一定的导叶开度 a0M,改变负荷 P,使 M 改变,测量各工况下
(nM、NM、QM、HM),计算 η
M
NM N sM
NM 9.81QM
H
M
n1
nM D1M HM
Q1
QM D1M H M
(1)、Hr 是 N= Nr 时的最小水头,当 H≥Hr 时,水轮机限制在 N= Nr 内; A(Nr ,Hr)
(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。
2.4.2 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=aM)
(3) 一般按 H 设、N 额、n 额确定该水轮机轮系的特征参数 。
ns
ne Ne H r5/ 4
(m.kW) ——特征参数
水轮机型谱规定
ZL:
ns
2300 H r1/2
HL:
ns
2000 H 1/2
r
20
用单位参数表示: ns 3.13n1 Q1 (m.kW)
水斗式水轮机:
ns
214
d0 D1
能量试验、汽蚀试验、飞逸试验、轴向水推力试验等。
(二) 能量试验的任务
1 、 测 定 模 型 水 轮 机 在 各 种 工 况 下 的 运 行 效 率 ηM , 通 过 测 量
nM、NM、QM、HM 四个基本参数,绘制水轮机综合特性曲线和运转特性曲线。 1、 能量试验台的组成: 压力水箱(相当上游水库),引水室(引水、进水设备),明槽或压力管道,
模型水轮机,尾水槽(尾水渠),堰槽(测流量),回水槽(循环用水,用泵
打入压力水箱) 2、 试验参数的测量 (1)、HM: HM 为压力水箱和尾水槽水位差,用毛水头代替工作水头。 (2)、QM: 通过测堰顶水头,QM 1.84h1.5 (3)、nM: 机械转速表,由电子脉冲器、光电测速仪 (4)、: 模型水轮机轴输出功率,通过测动力矩 M=P.L
ZZ:高效率区范围宽,η 变化平稳,适用承担负荷变化大而频繁;
HL:变化较大,η 较 ZZ 窄。
(三) 水轮机运转特性曲线的绘制
组成:N 为横座标,H 为纵座标,绘有 η=f(H,N) Hs=f(H,N),出力限制线。 反映能量特性、汽蚀特性、运行限制范围。
HL 水轮机运转特性曲线 1、等效率线 η=f(H,N) (1)、在 Hmax,Hmin 之间,取 4~6 个 H,包括 Hmax,Hmin,Hr,Ha,绘制每个 水头下 η=f(N) (2)、作 η=η1 水平线,与 η=f(N)相交(H,N),绘制 η=f(H,N)(上下对应), 或列表进行,表 4-10。 2、 出 力 限 制 线 的 绘 制 水轮机在运行中, N 受发电机的额定出力和 5%出力限制线的限制 Nr=Nf/ηf,Nr 为一定值,在 H~N 坐标场中表现为一垂直线。
并采用较低的模型水头 HM 和较小的 QM 进行试验,测出各工况下的工作参
数,然后通过相似公式换算和修正得出该轮系的综合参数。
2、 具 体 事 项 1)、D1M:250 350 460mm; HM:2~6m; QM:20~30L/s≯2000L/s 2)、实际电站正常运行: n=ne 不变,H、Q 随 N、水库调节变化改变了水 轮机工况; 模型试验中工况改变:(变化 HM 较复杂),一般取 HM=C,改变 nM 和 QM。 3、 类 型
则原型:η=ηM+△η, N r 9.81Q1D12 H r H r
3、作曲线 η~N 曲线
4、分析:
1)、η=0,N≠0,说明空载时,水轮机消耗△Nx,维持在额定转速下空转。
2)、c 点:ηmax;d 点:Nmax;e 点:5% Nmax,出力限制。由图 4-7 可知
ZD:曲线陡,高效率区范围窄。偏离最优工况后,效率急剧下降;
n10 n10M
max M max
2 其他工况时: Q1 Q1M Q1
n1 n1M n1
Q1 Q10 Q10M Q10M (
max 1) M max
n1 n10 n10M n10M (
max 1) M max
一般不作Q1 的修正,当 n1 / n10M 3% 时,△ n1 忽略不计。
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。 2、 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……
3、工作特性曲线:H 一定,η=f(N) 4、运转特性曲线:综合反映 H、N、η、Hs 等参数之间的关系曲线。 5、 绘 制 方 法 :根据模型综合特性曲线,通过相似定律换算而来。
(二)水轮机的工作特性曲线(η=f(N) , H 一定)
n1 M 1、H 一定时,
nD1 H
n1
2、在模型综合特性曲线上,作 n1M c ,交点一组(ηM,Q1)
2.4.5 水轮机模型综合特性曲线
(一) 水轮机参数及特性曲线
1、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 (3)、综合参数: (Q1,n1,N1) ,轴功率 N、η、б 2、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,反映全面,应用广 模型综合特性曲线:以 (Q1,n1) 为坐标场,绘制了 η、a0、б 等到值线。
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