第三章 水轮机的特性及选型

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 第三节水轮机的比转速

第五节水轮机的特性曲线及其绘制

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第一节水轮机的相似原理及单位参数一、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 )

的关系，称水轮机的特性。研究水轮机特性靠理论与实验相结合。

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)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。包括相似条件和相似定律四川农业大学水建系

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=β e1M

;β

e2=β e2M

;Φ=

Φ M (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：△/ D 1=△M/D1M

几何相似而大小不同的水轮机称之为同一系列的水轮机(轮系)同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。

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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，水流对应点所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。四川农业大学水建系

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三、相似定律1、水轮机系列(轮系):几何相似而大小不同的水轮机所形成的系列。

2、相似工况：同一轮系水轮机，保持运动相似的工作状况3、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。相似定律有转速相似定律、流量相似定律、出力相似定律。

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1)转速相似定律nD1 H s nM D1M H M sM 常数

它表示相似水轮机在相似工况下其转速与转轮直径成反比，而与有效水头的平方根成正比。 2)流量相似定律Q 0 D2 1

H S

QM 0 M D2 1M

H M SM

常数

它表示相似水轮机在相似工况下其有效流量与转轮直径平方成正比，与其有效水头的平方根成正比。

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3)出力相似定律N D ( H s )2 1 3/ 2

j

NM D ( H M sM )2 1M 3/ 2

jM

常数

它表示相似水轮机在相似工况下其有效出力与转轮直径平方成正比，与有效水头的3/2次方成正比。

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四、水轮机的单位参数(在不同轮系之间进行比较)单位

参数：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。Q 1、单位流量： Q1 D 2 H 1nD1 H2 Q Q1 D1

H

2、单位转速

n1

n H n D1 D12 H 3/ 2 N N1

3、单位出力

N N1 2 D1 H 3/ 2

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单位参数是水轮机的重要参数。第一，是判别几何相似的两个同型号水轮机运行工况相似的依据。即两个同系列水轮机，如单位转速和单位流量分别相等，则表示两个水轮机在相似工况下运行。因此，就可用 n11和Q11组合表示一个运行工况。

第二，利用单位转速和单位流量可作为衡量水轮机的技术性能指标。例如在水头和转轮直径相同的条件下，具有较大值的水轮机型号技术性能较优越。所以它们也是水轮机选型的主要依据。四川农业大学水建系

第三节水轮机的比转速nD1 n1 HN N1 2 3/ 2 N1' D1 H N D1 H3 4

n

' 1

N ' 1

n N H5 4

n N ns 5/ 4 (m.kW ) H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。

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n N ns 5/ 4 H N 9.81HQ

n Q ns 3.13 3/ 4 H

ns 3.13n1' Q1'

意义： (1) n s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。 n s=常数。( n s是水轮机相似的必要条件) (2)工况相似时， (3)一般按H设、N额、 n额确定该水轮机轮系的特征参数。ns 四川农业大学水建系

ne N e Hr5/ 4

——特征参数

第五节水轮机的特性曲线及其绘制一、水轮机参数及特性曲线(一)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 ,n1 ,N1 ),轴功率N、η、б (3)综合参数：(Q1

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关于水轮机性能的概括1、水轮机只有一个最优工况，一般对应无撞击进口和法向出口。偏离设计工况时，不管水头变化还是负荷(导叶开度变化),水轮机效率都会降低。 2、水轮机的性能与比转速有密切关系。不同nS的水轮机，有不同的流量特性、效率特性与空化特性不同。 3、混流式、定桨式水轮机叶片角度不能调整，工况变化的适应性差；转桨式水轮机可与水头、导叶开度双协联，有宽广的高效区。 4、水轮机的空化特性与水轮机的nS有关，同时与水轮机的工况有关，一般在最优工况附近空化系数较小，大流量时空化系数大，小流量和低水头时，由于偏离设计工况而产生脱流，空化往往也会很严重。 5、固定叶片水轮机在部分

负荷时存在一个振动区，是由于空腔空化所造成，振动区一般在40%~55%开度范围。四川农业大学水建系

(二)特性曲线：各参数之间的关系曲线一、水轮机特性曲线的意义水轮机特性曲线是水轮机的“心电图”,它通过一些外在的

现象以图形方式表述了水轮机的特性。当一个人心脏有问题时，可以从他的心电图上反映出来。同样，当一个水轮机有问题时，可以从它的特性曲线上反映出来。 1 )不同类型的水轮机，不同的水轮机，其特性曲线不同。 2 )水轮机不同工况下，水轮机的特性不同，其特性曲线不同。

3 )水轮机各种性能之间是有内在联系的，水轮机特性曲线上的各种曲线，也有密切的内在联系。 4 )水轮机特性曲线是进行水轮机选型设计，指导水轮机运行的重要工具。四川农业大学水建系

二、特性曲线分类1、线性特性曲线：反映2个参数之间的关系曲线。把一些参数固定，而单独考察某两个参数之间的关系，这种表示某两个参数之间关系的特性，是一元函数关系，可用一条曲线表示，这种曲线称为水轮机的线性特性曲线。

2、综合特性曲线：表示多个参数之间的关系，能较完整地描述水轮机各运行工况的特性。当需要综合考察水轮机各参数之间的相互关系时，人们把表示水轮机各种性能的曲线绘于同一张图上，这种曲线称为水轮机的综合特性曲线。

模型特性曲线：表达模型水轮机特性的曲线，常以单位参数为变量运转特性曲线：表达原型水轮机运转特性的曲线，以原型参数为变量。四川农业大学水建系

二、综合特性曲线 ,n1 )为横、纵坐标轴的曲线。模型综合特性曲线：以单位参数 (Q1运转综合特性曲线：以工作参数H、P为纵、横坐标轴的特性曲线。 模型综合特性曲线由等效率线、等开度线、等汽蚀系数线

、混流式水轮机的出力限制线、等转角线所构成。

运转综合特性曲线由等效率线、等吸出高度线、出力限制线构成。

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水轮机运转特性曲线等效率线

等吸出高度线

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