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1、第三章 水轮机的特性及选择 第一节 水轮机的相似条件 一几何相似 几何相似是指两个水轮机过流通道几何形状 的所有对应角相等，所有对应尺寸成比例： e1=e1M；e2=e2M；=M； 对于保持几何相似大大小小的一套水轮机系 列，称为轮系。 二运动相似 运动相似是指同一轮系的水轮机，水流在过 流通道中对应点的速度，在转轮中对应点的速度三 角形相似。 1=1M；1=1M；2=2M ， 三动力相似 动力相似是指同一轮系的水轮机，水流在过 流部分对应点上的作用力，如压力、惯性力、重力 、粘性力和摩擦力等同名力的方向相同，力的大小 成比例。 第二节 水轮机的相似律、单位参 数和比转速 一水轮机的相似律 1
2、流量相似律 2转速相似律 3出力相似律 二单位参数 1问题提出： 各实验研究单位进行水轮机模型实验时，使用的 模型直径D1M和装置水头HM不一样，得出的模型参 数不统一，不便于应用，也不便于在不同轮系之 间进行比较和评定它们的特性。 水轮机的水力效率，容积效率和机械效率都很难 从总效率中划分出来，相似律公式得不出精确的 结果，同时原型水轮机的总效率事先也不知道。 为解决实验使用D1M，HM的不一样造成的应用 不便，通常采用模型实验的成果都化引为 D1M=1m，HM=1m标准情况下的参数，此参数称为 单位参数。 单位参数有单位流量Q1，单位转速n1、单 位出力N1。 因原型水轮机效率不知道，所以
3、先假定 s=sM，r=rM，j=jM，=M，实际上 原型水轮机的效率总是大于模型水轮机的效率 ，故应予以修正。 3单位参数的计算 将化引条件D1M=1m，HM=1m和原型与模型水轮 机各项效率分别相等的假定代入相似律公式，得到 单位参数公式： 或 或 或 说明： 常用Q1，n1表示水轮机的运行工况，若同一 轮系水轮机在某一工况下Q1，n1相同，则此 工况相似。 单位参数对同一轮系的水轮机，在不同的相似工 况下分别为一常数。 单位参数的概念很重要，在水轮机的设计和选择 中有重要的作用，水轮机特性曲线用单位参数整 理的，可用它确定原型水轮机参数。 三水轮机的比转速 1.比转速的定义： 用单位参数n
4、1、N1的计算公式消去D1后得： 对几何相似的水轮机在相似工况下，n1、N1分 别相等，即n1N1=常数。 当N1=1KW时，n1用ns表示，称为水轮机的比转 速，即 N用马力单位时，ns也可表示为 2ns的应用 按ns的不同划分水轮机的类型 用于水轮机选型时的比较，一般H、N一定时，希 望选ns高的，但ns高容易产生汽蚀破坏，应全面 考虑，不单纯求高ns 。 n1、Q1、ns是水轮机相似 与否的判别数 a两个水轮机若符合相似条件 工况又相似n1、Q1、ns应 分别相等。 b. 可利用模型的单位参数计算 原型水轮机的n、N、Q等参数 。 本节小结： 1水轮机的相似律从理论推出原、模型参数间的
5、关系。 2经假设原、模型效率相等后，将相似律公式引 化为单位参数，用单位参数反映水轮机特性。 3比转速ns是反映水轮机特性又一重要参数，可 作为区别不同类型水轮机的参数。 第三节 水轮机的效率换算与单位 参数的修正 一水轮机的效率换算 1换算原因：模型水轮机与原型水轮机效率是 不相等的，主要因为两者的直径 和水头相差较大，原型水轮机的 相对糙度和相对粘性力小得多， 相对水力损失也小得多，所以原 型水轮机的效率总高于模型水轮 机，一般高出2%以上，大型水轮 机可达7%。 2换算方法： 在水轮机总中，水力效率是主要的，容积效率 和机械效率所占分量很小，为简化，可忽略容 积效率和机械效率，认为=s。
6、 水力效率中的水力损失中有局部损失与沿程损失 ，局部损失难以计算，所以研究水轮机在最优 工况下的水力损失，此时局部撞击和涡流损失 不存在，只考虑沿程损失。 利用沿程损失公式推导，可由模型最优工况下的 效率推算出模型最优工况下的效率。 对HL式： 对ZL式： 3一般工况点的效率换算 =M+ 、M为原、模型在一般工况点的效率 ：最高效率点的效率修正值=max-Mmax 4最优工况点说明：混流式水轮机的最优工况 只有一个，所以为常数，而转浆式水轮机 ，每一个叶片转角都有一个最优工况，因此 其效率修正值应对每个不同的叶片转角采用 相应的效率修正值，=max - Mmax 第三节 水轮机特性曲线 模型综
7、合特性曲线 一混流式水轮机的模型综合特性曲线 1 绘制方法 等开度线的绘制： 等效率曲线的绘制： 5%出力限制线 a曲线解释：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的运行 。 b.曲线绘制: 等汽蚀系数线的绘制： 上述绘制出的四组曲线构成了水轮机的模型 综合特性曲线，前三组反映了水轮机的能量特性， 后一组反映了水轮机的汽蚀特性。 2模型综合特性曲线特点：等效率曲线的形 状近似于椭圆，但其长轴与短轴的长度相差不大， 说明当水轮机的工作水头与流量变化时，其效率变 化相差不大。 3最优工况点与限制工况 最优工况：在综合特性曲线最内圈等效率曲线中面 积的几何中心点，效率为内
8、圈效率加1% ，该点为此水轮机模型的最优工况。 限制工况：以最优工况的n10为常数作平行于Q1 轴的平行线与5%出力限制线交点为此水 轮机的限制工况。 三.轴流转浆式水轮机的模型综合特 性曲线 1绘制方法： 在一张n1、Q1坐标场里绘制出各角模型综合 特性曲线（其与轴流式水轮机的模型综合特性 曲线一样）。 将各角下的相应等效率曲线分别用外包络线将 其包切，得到转浆式水轮机的等效率线。 2模型综合特性曲线特点： 图上除等效率线，等开度线和等汽蚀系数线外， 还有等转角线。 没有出力限制线（存在，但该线上不仅效率偏低 ，汽蚀系数甚大，所以不作为限制条件。目前 主要按来选择限制工况）。 有比较宽广的效
9、率工作区，所以轴流转浆式水轮 机适合于水头和流量变化范围较大的情况下工 作。 工作特性曲线与运转特性曲线 一概述 二水轮机工作特性曲线的绘制 1曲线绘制： 当水头H一定时，一定，则以此为常数在模型综合特 性曲线上作平线，记下与效率曲线的各交点，记下各点的 M和Q1值，根据及计算各点的效率与出力N，并依此 绘出f（N）工作特性曲线。 2曲线特点 曲线不过原点。（因为当效率为0的空载时，仍需克服 摩擦等消耗功率） 效率不随出力增加而无限制增大，有极值。 3各型式水轮机工作特性曲线的比较 轴流定浆式水轮机的工作特性曲线：陡峭，高效率 范围窄。 轴流转浆式水轮机的工作特性曲线：高效率范围较 宽广，效率
10、变化较平稳。 混流式水轮机的工作特性曲线：效率最高，效率变 化平稳情况较轴流转浆式差。 水斗式水轮机的工作特性曲线：效率较低，但效率 变化较平稳。 三水轮机运转特性曲线的绘制 包涵等效率曲线、出力限制线和等吸出高度线，其 分别综合表示水轮机的能量特性、汽蚀特性和运行限制范 围。 混流式水轮机运转特性曲线 （1）等效率曲线的绘制 等效率曲线是指在某一效率值的曲线上任一点的运 行工况水轮机的效率相等。 表5-3 等效率曲线计算表 HminH=Hr=Hmax= n1Q11 N 在5%出力限制线上 2）绘制： 图5-20 确定等效率线拐点的辅助曲线 （）机组出力限制线的绘制 机组出力限制线，由发电机额
11、定出力和水轮机出力限制线 两部分组成。 1）发电机出力限制线。当水头HHr时，水轮机出力受到 发电机出力的限制。发电机的额定出力与水头无关， 在一定的功率因数下，它的额定出力为常数，因此在 运转综合特性曲线图上为一垂直线，如图5-21所示： 2）水轮机出力限制线。当HHr时，水轮机的出力受5%出 力限制线的限制。混流式水轮机的出力限制线，通常 根据模型综合特性曲线上的5%出力限制线进行绘制。 绘制方法一般是求出与Hmin和Hr相对应的水轮机出力Nmin 、Nr，将A点（Hr、Nr）点B（Hmin、Nmin）在图5-21上连 成一条斜线，即为水轮机出力限制线。具体计算可在 等效率曲线计算表5-3
12、出力限制线一栏中进行。 发电机与水轮机出力限制线的交点所对应的水头， 即为水轮机设计水头。 （）等吸出高度线的绘制 等吸出高度线表达水轮机在各运行工况的最大允许吸 出高度Hs，等Hs线是根据模型综合特性曲线的等线 换算而求得的，计算Hs与绘制等线的步骤如下： 1）计算各水头相应的单位转速n1M，在模型综合特性曲 线上过各n1M作水平线与各等线相交，记下各交点 的、Q1、M值。 2）根据吸出高度计算式计算各点Hs，并计算各点出力N。 3）根据各工况点的Hs、N，绘出各水头下的曲线，如图5- 22（a）所示。 4）在曲线图上取某Hs值（例Hs=-3.0m）作水平线与各曲线 相交，记下各交点的水头H
13、及出力N，将这些点（N、H ）绘制NH坐标系内，并用光滑曲线连接即为某Hs的等 吸出高度线，见图5-22。 图5-22 等吸出高度线的绘制 第四节 水轮机的选择 一概述 二水轮机选型设计的内容及基本资料 1水轮机选型设计的内容 （1）确定单机容量及机组台数； （2）确定机型和装置形式； （3）确定水轮机的功率、转轮直径、同步转速、吸出高 度及安装高程，轴向水推力，飞逸转速等参数。对于 冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等； （4）绘制水轮机的运转综合特性曲线； （5）确定蜗壳和尾水管的型式及尺寸； （6）估算水轮机的外形尺寸、重量和价格； （7）提出在特性或结构上的某些特殊要求进行设备投资 总概算等。 2水轮机选型设计所必需的基本资料。 （1）枢纽资料 （2）电力系统资料 （3）水轮机设备产品技术资料 （4）运输及安装条件
