第三章-水轮机的相似原理及特性曲线分解

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。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。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。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。CHnDHDnssMMMM112、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。CHDQHDQssMMMMM21021011,,,DHDHMMCHDNHDNjsjMsMMMM2/3212/321)()(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))(111NnQ，，sMsM00jMjM1、单位流量2、单位转速3、单位出力HDQQ211HDQQ211HnDn111DHnn2/3211HDNN2/3211HDNN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。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。).(4/5kWmHNnns4/5reesHNnn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)不同比转速的转轮形状讨论：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。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ηηM(约2%～7%)。其原因是：→→其中Δ/D为相对粗糙度11,DDHHMM11DDMMMwMwHhHh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：511maxmax)1(1DDMM])()(7.03.0)[1(110/15/111maxmaxHHDDMMM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：MmaxmaxMmaxmaxMMmaxmax1010MMQQmaxmax1010MMnn111QQQM111nnnMMQQQ10101Mnnn10101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。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MMMHDnn11MMMHDQQ11MMMsMMMHQNNN81.9二、水轮机的主要综合特性曲线混流式水轮机的模型综合特性曲线轴流转浆式水轮机的模型综合特性曲线ZZ440模型综合曲线轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线冲击式水轮机的模型综合特性曲线作业1.水轮机的相似条件和相似定律是什么？研究目的是什么？2.什么是水轮机的单位参数和比转速？比转速和转速、机组类型、汽蚀系数有什么关系？3.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？