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《水 电 站》

《水 电 站》. 2009 年 2 月. 第三章 水轮机的相似原理及特性曲线. 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 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。 由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机的特性需要理论与实验相结合。. 2 、模型试验 原型：尺寸大，试验困难，不经济。 模型： ( D : 250 ～ 460mm ， H ： 2 ～ 6m) 3 、相似理论

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  1. 《水 电 站》 2009年2月

  2. 第三章 水轮机的相似原理及特性曲线 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 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。 由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机的特性需要理论与实验相结合。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  3. 2、模型试验 原型：尺寸大，试验困难，不经济。 模型：(D : 250～460mm，H ：2～6m) 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  4. 二、水轮机相似条件 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…… (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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  5. 2、运动相似： (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。 同一轮系水轮机，保持运动相似的工作状况——相似工况 3、动力相似 (压力、惯性力、重力、摩擦力等) 同一轮系水轮机，水流对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  6. 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。 建立模型与原型水轮机各个参数之间的关系。 1、 转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间的关系。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  7. 2、流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的关系。(a=aM)2、流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的关系。(a=aM) 3、出力相似律即原型和模型水轮机出力之间的关系。 均为固定值，QM可以测得，若η0M、ηsM、η0、ηj已知，可求出Q。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  8. 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 表示。 假定： (实际上，原型效率大于模型效率，需修正) 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  9. 1、 单位流量 2、 单位转速 3、 单位出力 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  10. 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。 • 对同一轮系水轮机在不同的工况下单位参数分别为一常数(工况不同，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)。 • 水轮机在最优工况下的单位参数——最优单位参数，用(Q'10, n'10, N'10)表示。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  11. 三、水轮机的比转速 • 定义：同一轮系水轮机，当其工作水头H=1m，出力N=1kW时，所具有的转速。 • 是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。 • ns随工况变化，一般按Hr、Ne、ne确定该水轮机轮系的特征参数。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  12. 水轮机牌号中的转轮型号，即是比转速。 • 不同的轮系，有不同的比转速。目前，各种类型的水轮机比转速的大致范围为： • 贯流式：ns=600-1000 • 轴流式：ns=200-850 • 斜流式：ns=150-350 • 混流式：ns=50-300 • 水斗式：ns=10-35(单喷嘴) 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  13. 不同比转速的转轮形状 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  14. 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。 • 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  15. 第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正 一、效率换算经验公式 前面的单位参数公式是假定在相似工况下，η=ηM，但实际上η>ηM(约2%～7%)。 其原因是： → → 其中Δ/D为相对粗糙度 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  16. 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 采用1963年国际电工委员会推荐的公式： 混流： 轴流： 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  17. 2、一般工况 • HL、ZD： • ZZ ： • 注意：轴流式水轮机，每个叶片转角都对应一个最优工况。 三、单位参数的修正 • 最优工况时： • 其他工况时： 浙江水专国家精品课程《水电站》http://jpkc.zjwchc.com/sdz

  18. 第四节 水轮机的主要综合特性曲线 一、水轮机模型试验简介 • 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、空蚀特性等。 • 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，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。 • 类型：能量试验、空蚀试验、飞逸试验、轴向水推力试验等。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  19. 二、水轮机的主要综合特性曲线 综合特性曲线是多参数之间的关系曲线。 以(n1',Q1')为坐标场，绘制η、a0、б等值线。 首先计算各个工况点: (1) 等开度线绘制 (2) 等效率线绘制 (3) 5%出力限制线绘制 (4) 等汽蚀线绘制 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  20. 混流式水轮机的模型综合特性曲线 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  21. 轴流转浆式水轮机的模型综合特性曲线 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/ ZZ440模型综合曲线

  22. 轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  23. 冲击式水轮机的模型综合特性曲线 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  24. 作业 • 水轮机的相似条件和相似定律是什么？研究目的是什么？ • 什么是水轮机的轮系、单位参数和比转速？比转速和转速、机组尺寸、汽蚀系数有什么关系？ • 模型试验的目的任务及类型？能量试验的任务测量参数是什么？ • 水轮机的参数和特性曲线有哪些？模型综合特性曲线的作用及其组成？轴流式和混流式水轮机的特性曲线有什么区别？ 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

  25. 谢谢!

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