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1、第一节 水轮机的相似原理及单位参数 第二节 水轮机的效率换算及单位参数修正 第三节 水轮机的比转速 第四节 水轮机的模型试验 第五节 水轮机的特性曲线 第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,第三章 水轮机的特性及选型,P44,第一节 水轮机的相似原理及单位参数,水轮机的相似原理：研究相似水轮机（如模型水轮机和 原型水轮机）运行参数之间存在的相似规律并确 立这些参数之间换算关系的理论。包括相似水轮 机之间的相似条件和相似定律两方面的内容。,第三章 水轮机的特性及选型,相似条件：使两个水轮机的水流运动保持流体力学相似的条件。 包括：几何相似、运动相似和动力相似等相似条件。 1. 几
2、何相似 几何相似：指两个水轮机过流通道表面的所有对应角 相等、所有线性尺寸成比例。,一、相似条件,第一节 水轮机的相似原理及单位参数,第三章 水轮机的特性及选型,2. 运动相似 运动相似的必要条件是几何相似。 运动相似：指两个水轮机过流通道内所有对应点的水流 速度方向相同、大小成比例，即各对应点的速度三 角形相似。 3.动力相似 动力相似的必要条件是几何相似和运动相似。 动力相似：指两个水轮机过流通道内所有对应点的水流 质点所受到的作用力均是同名力（如压力、惯性力 等），而且各同名力方向相同、大小成比例。,第一节 水轮机的相似原理及单位参数,第三章 水轮机的特性及选型,水轮机系列或轮系：尺寸不
3、同但满足几何相似条件的一系列水轮机。 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。 水轮机的相似定律：水轮机在相似工况下运行时，其各工作参数 （如水头H、流量Q、转速n等）之间的固定关系称为水轮机 的相似定律。,二、相似定律,第一节 水轮机的相似原理及单位参数,第三章 水轮机的特性及选型,根据前述的三个相似条件及水轮机基本方程,经推导可 得水轮机的转速相似定律如下：,讨论： 相似水轮机在相似工况下其转速与转轮直径成反比， 与有效水头的平方根成正比。,1. 转速相似定律,第一节 水轮机的相似原理及单位参数,第三章 水轮机的特性及选型,讨论： 相似水轮机在相似工况下其有效流量与转轮直径
4、 平方成正比，与其有效水头的平方根成正比。,经推导得水轮机的流量相似定律如下：,2. 流量相似定律,第一节 水轮机的相似原理及单位参数,第三章 水轮机的特性及选型,讨论： 相似水轮机在相似工况下其利用的有效水能(N/m=Ne） 与转轮直径平方成正比，与其有效水头的3/2次方成正比。,经推导得水轮机的出力相似定律如下：,3. 出力相似定律,第一节 水轮机的相似原理及单位参数,第三章 水轮机的特性及选型,相似定律的局限性： (1) 三个相似公式中包含的三种效率难于从总效率中 分离出来； (2) 模型试验结果参数随试验条件（系列、工况）而变， 不便于应用，也不便于比较（不同系列水轮机之间、 同一系列
5、水轮机不同工况之间）。 解决上述问题的办法： 对问题(1)：在相似定律式中先假定模型和原型对应效率 相等，然后再根据经验进行修正； 对问题(2)：引入单位参数。,三、单位参数,第一节 水轮机的相似原理及单位参数,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,第三章 水轮机的特性及选型,单位参数：将模型试验结果参数按相似定律换算成D1M=1.0m 和HM=1.0m标准条件下的参数。由三个相似定律， 单位参数的表达式如下：,讨论： (1) n1、Q1和N1的含义：分别表示转轮直径为1.0m的 水轮机在水头H=1.0m时的转速、流量和出力，且 常用与转速n、流量Q和出力N相同的单位
6、表示； (2) n1、Q1和N1的意义：代表了同一系列水轮机的性 能，同一系列水轮机在相似工况下单位参数相等； (3) 上述三个表达式中的D1、H必须以m为单位； (4) 水轮机在最优工况下的单位参数称作最优单位参数， 分别用n10、Q10和N10表示。,第一节 水轮机的相似原理及单位参数,第三章 水轮机的特性及选型,模型水轮机与原型水轮机的差别： （1）原型机过流表面的相对粗糙度较小； （2）原型机使用水头较高，相对水力损失较小； （3）模型水轮机的容积与机械损失不可能按其所需 的相似关系缩小。 因此，原型水轮机的总效率高于模型水轮机的总效率。,一、水轮机的效率换算,第二节 水轮机的效率换算
7、及单位参数修正,第三章 水轮机的特性及选型,（2）求最优工况原型与模型效率的差值，称为效 率修正值，即：,（3）近似地认为为任意工况的效率修正值，则得任意 工况的原型效率 ：,模型效率到原型效率的换算：,第二节 水轮机的效率换算及单位参数修正,（1）进行最优工况模型到原型效率的换算：,第三章 水轮机的特性及选型,修正的理由：n1、Q1表达式来源于假定模、原型效率对应相等。 （1）进行最优工况模型到原型单位参数的换算：,（2）求最优工况原型与模型n10、Q10的差值n1、Q1， 分别称为单位转速和单位流量的修正值：,二、单位参数n1、Q1的修正,第二节 水轮机的效率换算及单位参数修正,第三章 水
8、轮机的特性及选型,讨论： （1）一般情况下，Q1相对于Q1很小，所以一般可不作 单位流量修正； （2）规定：当n10.03n10M时，单位转速也可不作修正。,（3）近似地认为n1、Q1 为任意工况的单位转速、单位流 量的修正值，则得任意工况的原型单位转速、单位流量：,第二节 水轮机的效率换算及单位参数修正,第三章 水轮机的特性及选型,由n1、N1的计算式，对同一系列水轮机，经推导可得相似工况下的一个常数ns ，称作比转速：,讨论: （1）比转速ns：是与D1无关的综合单位参数，表示同一系列水轮机 在H=1m、N=1kW时的转速。 （2）比转速ns代表同一系列水轮机在相似工况下运行的综合性能。
9、（3）由于ns随工况而变，故通常采用设计工况或最优工况下 的ns作为水轮机分类的特征参数（转轮型号）。 （4）水轮机发展的趋势是不断提高比转速。 （5）提高ns的主要途径是增大n、Q。具体措施见P5859。,第三节 水轮机的比转速,第三章 水轮机的特性及选型,水轮机的特性曲线：表示水轮机各参数之间关系的曲线。 常分为以下两类： （1）线型特性曲线 （2）综合特性曲线 （一）线型特性曲线 线型特性曲线：是在假定某些参数为常数的情况下， 另两个参数之间关系的曲线。如：工作特性曲 线、水头特性曲线及转速特性曲线等。,一、水轮机的特性曲线,第五节 水轮机的特性曲线,第三章 水轮机的特性及选型,第三章
10、水轮机的特性及选型,第五节 水轮机的特性曲线,（二）综合特性曲线 综合特性曲线：是多参数之间的关系曲线,用于较完整地描 述水轮机在各种运行工况下的综合特性。可分为： (1) 模型综合特性曲线 (2) 运转综合特性曲线 1.模型综合特性曲线 是以单位转速n1和单位流量Q1分别为纵、横坐标而绘 制的几组等值曲线，描述同一系列水轮机在各种工况 下的综合特性。,第五节 水轮机的特性曲线,第三章 水轮机的特性及选型,1. 水轮机选型设计的主要内容 (1) 选择水轮发电机组的台数及单机容量。 (2) 选择水轮机的型号及装置方式。 (3) 确定水轮机的轴功率、转轮直径、同步转速、 吸出高度、安装高程等主要参
11、数。 (4) 其它有关内容。,一、水轮机选型设计的内容及基本资料,第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,2. 水轮机选型设计必需的基本资料 (1) 有关电站厂房、水力机械等的设计规范、标准及手册等。 (2) 水轮机设备的厂家产品技术资料。 (3) 电站有关水文、水能及水工方面的初步设计资料。 (4) 运输情况及安装技术条件等资料。 (5) 国内外正在设计、施工和已运行的同类型水轮机 及其水电站的有关资料。,第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,机组台数选择的方法： 水电站总装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。 在总装机容量确定的情况下，采用方案比较法择优确定装
12、机台数。 机组台数选择应考虑的因素： （1）机组台数与设备制造运输的关系； （2）机组台数与水电站投资的关系； （3）机组台数与水电站运行效率的关系； （4）机组台数与水电站运行维护工作的关系。 机组台数选择的原则： （1）从所设计水电站的实际出发,全面考虑,综合比较； （2）同一电站内应尽可能选用相同型号的机组； （3）机组台数一般应取偶数。,二、机组台数及单机容量的选择,第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,（一）型号选择 型号选择的前提条件: 已知机组单机容量及电站各种特征水头。 方法1.根据水轮机系列型谱选择 直接从型谱参数表中选出电站水头范围（Hmax及Hmin）与
13、之基本相符的水轮机型号。若满足此要求的型号超过两 种，则应将这些型号均作为可用的型号比较方案。,三、水轮机型号及装置方式的选择,第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,方法2. 套用机组法 根据国内正在设计、施工或已运行的水电站资料， 在设计水头接近、技术经济指标相当的情况下， 可优先套用已经生产过的机组。 （二）装置方式选择 水轮机的装置方式： （1）立轴（竖轴）式:机组传动效率高，电站厂房面 积小，设备布置方便。 （2）卧轴式：可降低厂房高度，机组安装、运行维 护及检修方便，但厂房长度尺寸增加较多。,第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,反击式水轮机的主要参数
14、： 包括：转轮直径D1、转速n及吸出高度Hs等。 参数选择的原则： （1）所选择的D1、n应满足在设计水头Hr下使水轮机能发 出额定出力，并在加权平均水头Hav运行时效率最高； （2）所选择的吸出高度应满足防止水轮机气蚀的要求和 电站厂房开挖深度的经济合理性。,四、反击式水轮机主要参数的选择,第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,特点：简单易行，但较粗略，一般多用于中小型水电站的 水轮机选型设计。,第六节 水轮机的选型设计,（一）用应用范围图选择水轮机的主要参数 水轮机应用范围图：是关于某一型号（系列）水轮机适用 水头和适用出力的平行四边形斜方格图。 若所选水轮机的装置高程为，
15、则其吸出高度Hs为：,P36,第三章 水轮机的特性及选型,（二）用模型综合特性曲线选择水轮机的主要参数 基本步骤： 首先根据模型综合特性曲线，利用相似公式计 算出原型水轮机的主要参数；然后把已选定的原型 水轮机主要参数换算成模型参数，绘在模型综合特 性曲线图上，以检验所选的参数是否合适，如果合 适，则这些参数即为所选参数。,第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,1. 转轮直径D1的计算 在水轮机额定出力计算式中用单位流量Q1、转轮直 径D1等来表示设计流量Qr，则得下式：,由此即得转轮直径D1的计算式：,第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,D1计算式中各参数的取值： （1）Nr为水轮机的额定出力，单位为kW。 可由式NrNgr/gr计算确定。 （2）Hr为水轮机的设计水头，单位为m。可按电站 加权平均水头Hav确定：,第六节 水轮机的选型设计,第三章 水轮机的特性及选型,（3）Q1为水轮机的单位流量，单位m3/s。为尽可能减小D1， Q1可取限制工况时的Q1。此可由模型转轮型谱参数表或模 型综合特性曲线直接查取。例如HL240：查表3-6或图3-12。 对轴流式水轮机，有时为减小厂房开挖量，也可采用 限制水轮机吸出高度Hs的办法来反推Q1。反推方法：若取 水轮机的限制吸出高度为Hs，则装置气蚀系数为： 在模型综合特性
