1、水水 电电 站站2014年5月第四章第四章 水轮机的特性曲线及选型水轮机的特性曲线及选型第一节第一节 水轮机的相似原理概述水轮机的相似原理概述 一、几个基本概念一、几个基本概念 1、水轮机特性、水轮机特性各运行参数各运行参数(H，Q，n，N，)及参数之间的关系及参数之间的关系理论理论: 基本方程式，水力学，计算方法基本方程式，水力学，计算方法实验：实验： 原型实验，模型试验，计算机模拟原型实验，模型试验，计算机模拟1 12 2()huuHrrgvv 2、模型试验、模型试验：(D : 250460mm，H ：26m)基础性试验：寻找新产品基础性试验：寻找新产品专门实验：特定水电站，解决问题，最优
2、水轮机专门实验：特定水电站，解决问题，最优水轮机3、相似理论、相似理论 原型原型- 模型模型 怎样保证模型与原型相似？怎样相互换算参数？怎样保证模型与原型相似？怎样相互换算参数？二、水轮机相似条件二、水轮机相似条件 1、几何相似：、几何相似： (1) 对应角相等：对应角相等：b1b1M ；b2b2M ；M (2) 尺寸成比例：尺寸成比例：D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M. (3) 对应部位的相对糙率相等：对应部位的相对糙率相等：/ D1M/D1M几何相似的水轮机几何相似的水轮机轮系，系列，型号。轮系，系列，型号。 (1) 对应点的速度方向相同。对应点的速度方向相同。 (2) 对应点的速度大
3、小对成比例，对应点的速度大小对成比例，即速度三角形相似。即速度三角形相似。 同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。几何相似就运动相似吗？几何相似就运动相似吗？同一轮系水轮机，保持运动相似同一轮系水轮机，保持运动相似相似工况相似工况2、运动相似：、运动相似：3、动力相似、动力相似对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。 (压力、惯性力、重力、粘滞力等压力、惯性力、重力、粘滞力等)MMMMpFGpFG能否完全做到？能否完全做到？轮廓尺寸，粗糙度轮廓尺寸，粗糙度宏观流场，微观流场宏观流场，微观流场主要矛
4、盾：建立关系主要矛盾：建立关系次要矛盾；次要矛盾；参数修正参数修正第二节第二节 水轮机的相似率、单位参数和比转速水轮机的相似率、单位参数和比转速一、水轮机的相似定律一、水轮机的相似定律 相似定律：相似定律：水轮机在水轮机在相似工况相似工况下运行时，各工作下运行时，各工作参数参数(H、n、N、)之间的固定关系。之间的固定关系。 流量相似律转速相似律出力相似律 1、流量相似律、流量相似律有效流量：有效流量：CHDQHDQssMMMMM21021011VmQF v112mmhKgHvv211FD2112mhVKDgHQv2M12M1MMMVhQVhQDHQDH或或HDQHDQMMM21212、 转速
5、相似律：转速相似律：HnDHDnMMM11111260hDnuKgHu11602uhKgHnD1MM1MMhnhDHnnDH或或CHnDHDnssMMMM112/3212/321HDNHDNMMM3、出力相似律、出力相似律2112mhVKDgHQv9.81NQH32212MM1MMMmhPmhHPDPDH或或CHDNHDNjsjMsMMMM2/3212/321)()(v效率问题：效率问题： 效率未知效率未知三个效率怎样分开？三个效率怎样分开？假定：相等假定：相等 实际实际: 原型效率大于模型效率，原型效率大于模型效率，需修正需修正) v【例例】已知模型水轮机标称直径已知模型水轮机标称直径0.2
6、5m，模，模型水头型水头3.5m，模型效率，模型效率90%，相应的模型转，相应的模型转速速500r/min，流量，流量0.15m3/s。求标称直径。求标称直径5m、水头水头87.5m的同型号原型水轮机的流量、转速的同型号原型水轮机的流量、转速和出力各为多少？（假定原型与模型效率相和出力各为多少？（假定原型与模型效率相等）假定水轮机为等）假定水轮机为HL240系列，求出原型水系列，求出原型水轮机的效率，并进行单位参数修正。轮机的效率，并进行单位参数修正。相似率解决的问题：相似率解决的问题： 同轮系水轮机的模型、原型参数换算同轮系水轮机的模型、原型参数换算未解决的问题：未解决的问题：1. 不同轮系
7、水轮机的性能比较不同轮系水轮机的性能比较2. 同轮系水轮机不同工况性能比较？不同尺寸水轮同轮系水轮机不同工况性能比较？不同尺寸水轮机性能比较？机性能比较？需要有一个统一标准需要有一个统一标准二、单位参数二、单位参数 将模型试验成果按将模型试验成果按相似率相似率转化为转化为D1M=1m，HM=1m标准情况下的参数标准情况下的参数单位参数，单位参数， 假定：假定： )(111NnQ，sMsM00jMjM 1、 单位流量单位流量 2、 单位转速单位转速 3、 单位出力单位出力HDQQ211HDQQ211HnDn111DHnn2/3211HDNN2/3211HDNN2211QQDHDHMMM11n D
8、n DHHMMMM33222211MMPPD HDHv 单位参数是同轮系水轮机的单位参数是同轮系水轮机的“代表代表”参数，参数，Q1，n1 表示水轮机的运行工况表示水轮机的运行工况v 同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数，同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数，不不同工况下单位参数分别为一常数同工况下单位参数分别为一常数(工况不同，单工况不同，单位参数不同位参数不同)v在最优工况下的单位参数在最优工况下的单位参数最优单位参数，最优单位参数，(Q10, n10, N10)，代表该轮系水轮机的工作性能。代表该轮系水轮机的工作性能。v单位参数由模型试验得出单位参数由模型试验得出原形水轮机的
9、参数原形水轮机的参数(相应工况相应工况)。 三、水轮机的比转速三、水轮机的比转速v定义：同一轮系水轮机，当定义：同一轮系水轮机，当工作水头工作水头H=1m，出力出力N=1kW时时，所具有的转速。，所具有的转速。HnDn11).(4/5kWmHNnns2/3211HDNN 115/4n NnNH同一轮系水轮机在相同一轮系水轮机在相似工况下单位参似工况下单位参数分别相等数分别相等 113.13snn Q比转速工程意义比转速工程意义v表示水轮机特征的综合参数表示水轮机特征的综合参数(与与D1无关无关)，能，能综合反映参数综合反映参数n、H、 N之间的关系，代表之间的关系，代表了了水轮机的轮系特征水轮
10、机的轮系特征。vns随工况变化，随工况变化，用用最优比转速或最优比转速或限制工况下限制工况下的比转速比较不同轮系水轮机性能，的比转速比较不同轮系水轮机性能，v比转速用来表示水轮机的型号，还用来划分比转速用来表示水轮机的型号，还用来划分水轮机的类型。水轮机的类型。v各种类型的水轮机比转速大致范围：各种类型的水轮机比转速大致范围：贯流式：ns=600-1000 高 高水头小流量轴流式：ns=200-850 高斜流式：ns=150-350 中 中水头小流量 混流式：ns=50-300 中水斗式：ns=10-70 低 低水头大流量不同比转速的转轮形状不同比转速的转轮形状讨论：讨论：v同轮系相似水轮机，
11、工况相似，同轮系相似水轮机，工况相似，ns相同。不同的相同。不同的ns ，反映不同轮系水轮机特征。，反映不同轮系水轮机特征。v当当H一定时：一定时： ns Nn。机组尺寸缩小，投。机组尺寸缩小，投资减少，因此资减少，因此提高比转速可以降低造价提高比转速可以降低造价。v当当H和和N一定时，一定时，ns越高，空蚀系数越大越高，空蚀系数越大，需要增，需要增加厂房开挖。加厂房开挖。v比转速增加，单位流量增加，比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数增大，叶片数目减少。目减少。第三节第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正水轮机的效率换算与单位参数修正 一、为什么效率换算一、为什么效率换算1. 单
12、位参数公式假定在相似工况下，单位参数公式假定在相似工况下，=M，2.实际上实际上M(约约2%7%)。原因：原、模型不能做到完全相似原因：原、模型不能做到完全相似容积效率容积效率：缝隙：缝隙机械效率；机械效率；部件之间的摩擦部件之间的摩擦水力效率：粗糙度，水流粘滞力，流场水力效率：粗糙度，水流粘滞力，流场 （沿程损失沿程损失，局部损失），局部损失）第三节第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正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二、水轮机效率换算经验公式 1、最优工况下的效率修正、最优工况下的效率修正 1963年国际电工委员会推荐的公式：年国际电工委员会推荐的公式： 混流：混
13、流： 轴流：轴流： 511maxmax)1(1DDMM)()( 7 . 03 . 0)1 (110/15/111maxmaxHHDDMMM4-334-342、一般工况、一般工况vHL、ZD：vZZ ： MmaxmaxMmaxmaxMMmaxMmax1%3%2%5%大中型水轮机，中小型水轮机，maxMmaxv三、单位参数的修正三、单位参数的修正1MM1MMhhnDHnDHm ax1010 MM m axnn2M12M1MMMVhVhQDHQDHmax1010MMmaxQQ仅考虑水力损失，仅考虑水力损失，=s ，令，令D1=lm、H=1m、D1m=lm、Hm=1m， 转速相似率转速相似率流量相似率
14、流量相似率最优工况的修正最优工况的修正三、单位参数的修正三、单位参数的修正v 最优工况时：最优工况时： v其他工况时：其他工况时： maxmax1010MMQQmaxmax1010MMnn111QQQM111nnnM在工程实践中，当在工程实践中，当 时，单位转速不必修正时，单位转速不必修正单位流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正单位流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正 110M0.03nnm ax11010M10MMm ax(1)n nnn m ax11010M10MMm ax(1)Q QQQ 第四节第四节 水轮机的主要综合特性曲线水轮机的主要综合特性曲线一、水轮机模型试验简介
15、一、水轮机模型试验简介v任务：任务：v1）研究水轮机在研究水轮机在各种工况下各种工况下的能量特性、空的能量特性、空蚀特性等（绘制主要综合特性曲线）；蚀特性等（绘制主要综合特性曲线）；v2）为确定水轮机的受力特性、飞逸特性以为确定水轮机的受力特性、飞逸特性以及稳定特性提供依据。及稳定特性提供依据。类型类型：根据研究问题精度不同，可分为：根据研究问题精度不同，可分为：（1 1）定性试验（）定性试验（比较性试验比较性试验 ）：）：模型转轮性能的比较和筛选模型转轮性能的比较和筛选 （2 2）定量试验（保证性试验）定量试验（保证性试验 ）：获得该系列模型）：获得该系列模型机的各种性能参数和指标机的各种性
16、能参数和指标 。v按用途分为：按用途分为：(1)(1)能量试验能量试验：确定模型水轮机的运行效率确定模型水轮机的运行效率。(2)(2)空蚀试验：确定水轮机抗空蚀特性。空蚀试验：确定水轮机抗空蚀特性。(3)(3)飞逸特性试验和轴向水推力特性试验：主要确定飞逸特性试验和轴向水推力特性试验：主要确定水轮机的飞逸特性和轴向水推力特性。水轮机的飞逸特性和轴向水推力特性。(4)(4)泥沙磨损试验。确定水轮机的泥沙磨损特性。泥沙磨损试验。确定水轮机的泥沙磨损特性。反击式水轮机能量试验台 1-压力水箱；压力水箱；2、11-静水栅；静水栅；3、10-溢流板；溢流板；4-标尺；标尺；5-测功器；测功器；6-引水管
17、；引水管；7-模型水轮机；模型水轮机；8-尾水管；尾水管；9-尾水槽；尾水槽；12-浮筒水位计；浮筒水位计；13-测流堰板；测流堰板；14-回水槽；回水槽；15-循环水泵循环水泵MMMMMMM30PMnQ HQ H01a0a02aMHMnMQ1Q1nMP导叶开导叶开度度工况点工况点试验水试验水头头转速转速轴功率轴功率流量流量单位单位流流量量单位转单位转速速效率效率（mmmm）实验实验序号序号（m m）(r/min)(r/min)(kW)(kW)(m(m3 3/s)/s)(m(m3 3/s)/s)(r/min)(r/min)(%)(%)1 12 23 31 12 23 3MMMMMMM30PMn
18、Q HQ H综合：多参数之间的关系曲线。综合：多参数之间的关系曲线。横坐标：横坐标： Q1纵坐标：纵坐标：n1 绘制绘制： (1) 等开度等开度a0线线 (2) 等效率等效率线线 (3) 等汽蚀系数等汽蚀系数线线 (4) 5%出力限制线出力限制线二、水轮机的主要（二、水轮机的主要（模型模型）综合特性曲线）综合特性曲线混流式水轮机的模型综合特性曲线混流式水轮机的模型综合特性曲线 (1) 等开度等开度a0线线 (2) 等效率等效率线线 (3) 等汽蚀系数等汽蚀系数线线 (4) 5%出力限制线出力限制线11332222119.819.81NQHNQD HD H混流式水轮机等效率线的绘制（a）等开度和
19、等效率线；（b）辅助线轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线高效率区狭窄，随流量变化敏感高效率区狭窄，随流量变化敏感轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线ZZ440模型综合曲线模型综合曲线轴流转浆式水轮机轴流转浆式水轮机的模型综合特性曲线的模型综合特性曲线 (1) 等开度等开度a0线线 (2) 等效率等效率线线 (3) 等汽蚀系数等汽蚀系数线线 （4）等转角线）等转角线 没有出力限制线没有出力限制线 受空蚀条件限制受空蚀条件限制冲击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 (1) 等开度等开度a0线线 (2) 等效率等
20、效率线线没有等汽蚀系数没有等汽蚀系数线线 没有出力限制线没有出力限制线 已知：已知：H、N的范围的范围目标：目标：台数、型号台数、型号，使水电站，使水电站充分利用水能，安充分利用水能，安全可靠运行。全可靠运行。 一、水轮机选型设计的内容一、水轮机选型设计的内容1. 确定确定机组台数机组台数及及单机容量单机容量2. 选择水轮选择水轮机型式（型号）机型式（型号）及及装置方式装置方式3. 确定水轮机确定水轮机参数参数D1、n、Hs(安安) ；Z0、d04. 绘制绘制水轮机运转综合特性曲线水轮机运转综合特性曲线 (第六节第六节)5. 确定确定蜗壳、尾水管蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机的形式及其
21、尺寸，估算水轮机的重量和价格。的重量和价格。 (第七节、第八节第七节、第八节)第五节第五节 水轮机的选择（选型设计）水轮机的选择（选型设计）6. 调速器及油压装置选择调速器及油压装置选择 （第五章）（第五章）7. 根据选定的水轮机根据选定的水轮机型式和参数型式和参数，结合水轮机在，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出厂家提出制造任务书制造任务书，最终双方，最终双方共同共同商定机组商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。的技术条件，作为进一步设计的依据。 二、水轮机选型设计的基本要求二、水轮机选型设计的基本要求1. 有较好的能量特
22、性，有较好的能量特性，Hr-Nr在额定水头下能保在额定水头下能保证发出额定出力，额定水头以下的机组受阻容量证发出额定出力，额定水头以下的机组受阻容量小，水电站全厂机组平均效率高。小，水电站全厂机组平均效率高。2. 有良好的抗空蚀和抗磨损性能，运行稳定，可靠有良好的抗空蚀和抗磨损性能，运行稳定，可靠灵活。灵活。3. 结构设计合理，便于安装、操作、检修与维护、结构设计合理，便于安装、操作、检修与维护、运输。运输。4. 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造厂商。的制造厂商。5. 考虑适度合理的经济节省原则。考虑适度合理的经济节省原则。1.枢纽资料
23、：（枢纽资料：（1）河流总体规划：梯级开发方案、水河流总体规划：梯级开发方案、水库的调节性能库的调节性能 （2）水电站：枢纽布置方案、电站总）水电站：枢纽布置方案、电站总装机容量（装机容量（3）地形、地质、水质、泥沙情况（）地形、地质、水质、泥沙情况（4）水）水文资料：文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。线。2.电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行方式等。方式等。 3.水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。录、
24、模型综合特性曲线。4.运输、安装技术条件运输、安装技术条件5.其他其他三、所需要的有关资料三、所需要的有关资料四、机组台数及单机容量的选择四、机组台数及单机容量的选择 实质：方案经济比较，与选型、参数选择交叉进行1. 机组台数与电站投资的关系机组台数与电站投资的关系台数多台数多单位千瓦（耗材多、制造量大）投资单位千瓦（耗材多、制造量大）投资阀门、调速、管道、阀门、调速、管道、辐设、电气等增加辐设、电气等增加厂房尺寸增加。厂房尺寸增加。 一般选用较大的一般选用较大的N单单2 、机组台数与机电设备制造的关系、机组台数与机电设备制造的关系台数多台数多N单单尺寸（尺寸（D1）小）小制造运输制造运输容易
25、容易（相反，大机组制造困难）（相反，大机组制造困难） 三峡三峡(9.8m,700MW)、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级 3 3、机组台数与运行效率的关系、机组台数与运行效率的关系单台机组：？单台机组：？ 整个电站：台数多整个电站：台数多负荷分配灵活负荷分配灵活平均效率平均效率担任基荷：可用较少的台数，在较长时间内以最优担任基荷：可用较少的台数，在较长时间内以最优工况运行，平均效率比较高。工况运行，平均效率比较高。担任峰荷：应选用较多的台数，以增加其运行灵活担任峰荷：应选用较多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运行效率。性，提高整体运
26、行效率。轴流定浆式：选用较多台数轴流定浆式：选用较多台数轴流转浆式和水斗式：选用较少台数。轴流转浆式和水斗式：选用较少台数。 4 4、机组台数与电站运行维护工作的关系、机组台数与电站运行维护工作的关系v台数多，运行灵活，事故影响小，事故几率增台数多，运行灵活，事故影响小，事故几率增加，管理人员增加、运行费提高加，管理人员增加、运行费提高5. 5. 台数与电气主接线的关系台数与电气主接线的关系v扩大单元接线：机组宜选偶数台数。扩大单元接线：机组宜选偶数台数。v采用单元接线：不受奇偶台数限制采用单元接线：不受奇偶台数限制v总之总之，v一般应采用较大的一般应采用较大的N N单单，较少的台数，但一般至
27、少，较少的台数，但一般至少应选应选2 2台台v中型电站一般中型电站一般4646台，大型电站一般台，大型电站一般6868台台v葛洲坝共葛洲坝共2121台，装机台，装机2715MW2715MW，v三峡三峡2626700700，共装机，共装机18200MW18200MW（坝后厂房坝后厂房），），6 6台台右岸地下厂房右岸地下厂房 。 五五 水轮机的标准系列水轮机的标准系列1、水轮机的系列型谱、水轮机的系列型谱v我国我国1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱年编制了反击式水轮机暂行系列型谱大中型轴流式水轮机转轮参数大中型轴流式水轮机转轮参数适用水适用水头头转轮转轮型号型号转轮转轮叶片叶片数数 Z1Z
28、1轮毂轮毂比比 导叶相导叶相对高度对高度最优单最优单位转速位转速推荐使推荐使用的单用的单位最大位最大流量流量模型空化系模型空化系数数3 38 8ZZ600ZZ6004 40.330.330.4380.438142142200020000.70.710102222ZZ560ZZ5604 40.400.400.400.40130130200020000.590.590.770.7715152626ZZ460ZZ4605 50.500.500.3820.382116116175017500.60.620203636ZZ440ZZ4406 60.500.500.3750.375115115165016
29、500.380.380.650.6530303535ZZ360ZZ3608 80.550.550.3500.350107107130013000.230.230.400.40(m)H1/gd D01/bD10(r/min)n1(L /s)Q M(m )H01/bD10(r /min)n1(L/s)Q M适用水头适用水头转轮转轮型号型号导叶相对导叶相对高度高度最优单位转最优单位转速速推荐使用的推荐使用的单位最大流单位最大流量量模型空化系数模型空化系数3030HL310HL3100.3910.39188.388.3140014000.3600.360* *25254545HL240HL2400.3
30、650.36572.072.0124012400.2000.20035356565HL230HL2300.1350.13571.071.0111011100.1700.170* *50508585HL220HL2200.2500.25070.070.0115011500.1330.1339090125125HL200HL2000.2000.20068.068.09609600.1000.1009090125125HL180HL1800.2000.20067.067.08608600.0850.085110110150150HL160HL1600.2240.22467.067.06706700.
31、0650.065140140200200HL110HL1100.1180.11861.561.53803800.0550.055* *180180250250HL120HL1200.1200.12062.562.53803800.0600.060230230320320HL100HL1000.1000.10061.561.52802800.0450.045大中型混流式水轮机转轮参数大中型混流式水轮机转轮参数2、水轮机转轮标称直径系列、水轮机转轮标称直径系列(cm)253035(40)42506071(80)84100120140160180200225250275300330380410450
32、5005506006507007508008509009501000说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。3、水轮发电机标准同步转速、水轮发电机标准同步转速磁极对数磁极对数345789101214同步转速同步转速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁极对数磁极对数161820222426283032同步转速同步转速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁极对数磁极对数3436384042444850同步转速同步转速n88.283.3797571.468.262.5604、
33、水轮机系列应用范围图、水轮机系列应用范围图中小型水轮机应用范围图中小型水轮机应用范围图五、水轮机型号及主要参数的确定五、水轮机型号及主要参数的确定 依据：依据：N单单，特征水头，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根据水轮机系列型谱选择根据水轮机系列型谱选择查系列型谱查系列型谱 水轮机型号。水轮机型号。模型综合特性曲线模型综合特性曲线 主要参数主要参数 （下一问题下一问题） 如果两种以上型号适用，应进行如果两种以上型号适用，应进行方案比较方案比较。受标准系列的限制有时难以获得最优设计效果。受标准系列的限制有时难以获得最优设计效果。适用：大中型水电站适用：大中型水电站2 2、专题
34、研究法、专题研究法特别重要或大型水电站，需进行专门研究，所需特别重要或大型水电站，需进行专门研究，所需时间和费用高。时间和费用高。3 3、查系列范围图法、查系列范围图法 水头范围和单机出力水头范围和单机出力 型号、转轮直径、转速及吸出高度。型号、转轮直径、转速及吸出高度。适用适用:中小型中小型，或电站规划、任务书和可行性研究阶段，或电站规划、任务书和可行性研究阶段ZZ440系列水轮机应用范围系列水轮机应用范围4 4、采用套用机组、采用套用机组特征水头、特征水头、N N单单，经济技术指标相近时，优先套用已用机组，经济技术指标相近时，优先套用已用机组适用：适用：小型的选型设计，大中型的小型的选型设
35、计，大中型的初步初步选型选型 5 5、直接查产品样本、直接查产品样本 直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。6 6、统计分析法、统计分析法对大量已建水电站的参数进行统计，建立水轮机各对大量已建水电站的参数进行统计，建立水轮机各参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。七、反击式水轮机主要参数的确定（七、反击式水轮机主要参数的确定（模型综合特性曲线）模型综合特性曲线）反击式主要参数：反击式主要参数： 转轮直径转轮直径D1，转速，转速n、吸出高、吸出高Hs。 D1、n应该满足：在应该满足：在Hr（额定水头）
36、（额定水头）下，发出下，发出Nr；在；在Hav（接近设计水头）（接近设计水头）时，时，最高。最高。 吸出高吸出高Hs应满足：防止水应满足：防止水轮机空蚀，开挖深度合理轮机空蚀，开挖深度合理。 冲击式：冲击式：转轮直径转轮直径D1，转速，转速n ，喷嘴数，喷嘴数Z0、射流直径、射流直径d0，水水斗数斗数Z1等等方法：方法：1、D1的确定的确定rrrHHDQN21181. 92/31181. 9rrHQND9.81rrrPQ H121rrQQDH 额定出力：额定出力：(1) Nr(水轮机额定出力水轮机额定出力) Nr= Nf /f (2) 用用 H=Hr计算。计算。(3)。2/31181.9rrH
37、QND(3) Q1 在在N= Nr时，取限制工况下的时，取限制工况下的Q1，并查出限制工况的，并查出限制工况的M 混流水轮机由混流水轮机由5%出力限制线出力限制线得到，得到，轴流轴流式由汽蚀条件得到，或限制式由汽蚀条件得到，或限制HS反推反推z，以防止开挖过多。，以防止开挖过多。 z为水轮机装置的汽蚀系数。为水轮机装置的汽蚀系数。HHsz90010v (4) ：原型水轮机的效率（在限制工况下），：原型水轮机的效率（在限制工况下），v 一般先取一般先取=M+M+ ( (=23%)=23%)，求得，求得D1D1后再修正。后再修正。与假定相近，与假定相近，D1D1正确；否则，重新计算正确；否则，重新
38、计算的修正计算的修正计算 查查综合特性曲线综合特性曲线得出得出Mmax，换算得出，换算得出max。 =max-Mmax-1-2 1=1%2%(表示工艺水平表示工艺水平)，2=1%3%(表示表示异形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳异形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾水管不一样和尾水管不一样) 如如=M+，与假定出入太大，应重新计算。，与假定出入太大，应重新计算。 3 3、转速的选择、转速的选择 n n1 1 用最优单位转速用最优单位转速n n1010 ， n n1010=n n 10M10M+ +n n1 1,水头水头H=HH=Ha a。 转速转速n n随工况而变，要选发电机转速相近
39、而随工况而变，要选发电机转速相近而偏大的标准同步转速。偏大的标准同步转速。11011DHnnDHnna4 4、工作范围的验算、工作范围的验算方法方法：根据：根据N Nr r、D D1 1、H Hr r求出求出Q Q 1max1max，由，由H Hmaxmax、H Hminmin、D D1 1、n n求出：求出：n n 1min1min和和n n 1max1max，在，在综合特性曲线上以综合特性曲线上以Q Q 1max1max、n n 1min1min和和n n 1max1max作直线，此作直线，此范围即为水轮机的相似工范围即为水轮机的相似工作范围作范围 HnDn111max23 219.81r
40、NQD H2/31181.9rrHQND11m axm in125 3.382.97( /m in)24.72nDnrH11m inm ax125 3.368.9( /m in)35.87nDnrH5 5、H HS S的计算的计算 计算公式：计算公式： 水轮机方案确定后，根据水轮机运行条水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、水电站的开挖情况等进行技术经济比较后件、水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。确定。 rsHkH90010第三节第三节 水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线的绘制v研究目的研究目的：进一步分析比较原型水轮机各方案之进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性，指导
41、水轮机的安全运行。间的能量特性，指导水轮机的安全运行。v综合反映原型水轮机综合反映原型水轮机H、N、Hs等参数之间的等参数之间的关系曲线关系曲线v组成：组成：N为横座标，为横座标，H为纵座标，绘有为纵座标，绘有=f(H,N) Hs=f(H,N), 出力限制线。反映能量特性、空蚀特出力限制线。反映能量特性、空蚀特性、运行限制范围。性、运行限制范围。v绘制方法：绘制方法：根据模型综合特性曲线，通过相似定根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。律换算而来。 水轮机运转特性曲线水轮机运转特性曲线等效率线等效率线等吸出等吸出高度线高度线一、一、HL水轮机运转特性曲线水轮机运转特性曲线1. 等效率线等
42、效率线=f(H,N)(1)在在Hmax ,Hmin之间，取之间，取46个特征个特征H，其中要，其中要包括包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，绘制每个水头下，绘制每个水头下的的=f(N)(2)效率修正；效率修正；(3)单位转速和单位流量的修正；单位转速和单位流量的修正；(4)运转特性曲线的计算；运转特性曲线的计算；HmaxHrHHminH3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1MQ1NMQ1NMQ1NMQ1N5%出力限制线等效率曲线计算表等效率曲线计算表111nHnDnM111n
43、HnDnM111nHnDnM111nHnDnM 为了保证绘制运转综合特性曲线的精确性，在H、N网格上至少绘出三个水头，其中包括Hmax、Hmin和Hr(或Hav)。对每一个水头，计算出对应的n1。 在轮系综合特性曲线上绘制n1的水平线，并查出其与等效率线交点的坐标(M, Q1)； 计算出原型水轮机的效率； 按照公式N=9.81Q1D12H3/2计算水轮机的出力；(5) (5) 辅助曲线的绘制：以效率辅助曲线的绘制：以效率为纵坐标，出力为纵坐标，出力N N为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条工作特性曲线。见图工作特性曲线。见图1 1。图图1图图2(
44、6) (6) 运转综合特性曲线的绘制运转综合特性曲线的绘制 以水头为纵坐标，出力为横坐标，绘出坐标系。见图2。 在图2上绘出几个特征水头的水平线。 在图1上选取几个整数效率值，画出水平线，与辅助曲线形成一些交点。 将上面结点的坐标绘在图2上。 将相同效率数值的点用曲线相连。就绘成了水轮机运转综合特性曲线的等效率曲线。2. 出力限制线的绘制出力限制线的绘制 Hr是是N= Nr时的最小水头，当时的最小水头，当HHr时，水轮机时，水轮机限制在限制在N= Nr内；内；A（Nr ，Hr） 当当HHr时，水轮机则受到时，水轮机则受到5%出力限制线的限制，对出力限制线的限制，对限制线上各点分别计算，得限制线
45、上各点分别计算，得出出B(Hmin, Nmin)，连接，连接A和和B，即为，即为HHr时，水轮机出力受时，水轮机出力受发电机额定出力的限制，为垂直线。当发电机额定出力的限制，为垂直线。当H40m时，可用钢板衬砌防渗。适用于低水头大流量的水轮机。 2、金属蜗壳：当H40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。（1 1）钢板焊接：）钢板焊接：H=40200mH=40200m，钢板拼装焊接。钢板拼装焊接。（2）铸钢蜗壳：H200m时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。（铸焊和铸造） 金属蜗壳金属蜗壳 金属蜗壳施工中金属蜗壳施工中蜗壳管节吊装中蜗壳管节吊装中
46、混凝土蜗壳 混凝土蜗壳锥管段施工混凝土蜗壳锥管段施工金属蜗壳金属蜗壳与与混凝土蜗壳混凝土蜗壳比较比较 水头水头类型类型适用适用备注备注金属蜗壳金属蜗壳H40m按按制制造造方方法法焊接尺寸较大，中、低水头混流式水轮机铸造蜗壳刚度大，可作为水轮机的支承点，一般不全埋入混凝土；焊接蜗壳刚度小，常埋入混凝土铸焊D13m高水头混流式水轮机铸造混凝土蜗壳混凝土蜗壳Hn，=2030，=1020 (b-n)/a=1.21.7 。特点：可以降低水轮机层的地面高程，缩短主轴长度,接力器布置方便。(iii) mn，=2030，=2035。(b-m)/a=1.21.7特点：提高水轮机层的地面高程，主轴长度加大, 对于
47、蜗壳下面布置泄水底孔的溢流式厂房较适用。特点：水流分布在导水机构上下两侧，基本对称，水流条件好，便于布置导水机特点：水流分布在导水机构上下两侧，基本对称，水流条件好，便于布置导水机构接力器及其传动机构；构接力器及其传动机构； (iv)m=n时，称为对称型式。2、 蜗壳包角蜗壳末端蜗壳末端( (鼻端鼻端) )到蜗壳进口断面之间的中心角到蜗壳进口断面之间的中心角0 0： (1) 金属蜗壳：0=340350，常取345 0 0大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂房尺寸大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂房尺寸加大。金属蜗壳的流量小，尺寸小，一般取较大包加大。金属蜗壳的流量小，尺寸小，一般取较大包角；从构
48、造上讲，最后角；从构造上讲，最后100100内，断面为椭圆，但仍内，断面为椭圆，但仍按圆形计算。按圆形计算。(2)、混凝土蜗壳： Q Q大，为减小平面尺寸，大，为减小平面尺寸，0 0=180=180270270，一般取一般取180180，有，有时时0 0=135=135，使水轮机布置在机组段中间。（一大部分水流直使水轮机布置在机组段中间。（一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）3、蜗壳进口平均流速：进口断面流量：进口断面流量：0max360QQcQmax水轮机的最大引用流量。VcFchw；VcFchw；一般由HrVC曲线确定VC。（见P32图
49、2-8）VC=QC/FC三、蜗壳的水力计算 水力计算的目的：确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘：确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳平面图和断面单线图，为厂房设计提供依据。出蜗壳平面图和断面单线图，为厂房设计提供依据。 按 Vu= VC= C o n s t 假 定 计 算 ( 也 可 按Vur=Const)已知： 等断面型式下进行： cbarVDDbQH,00max1、金属蜗壳水力计算(1) )蜗壳进口断面：蜗壳进口断面： ccccVQVQF00max360断面半径： CcVQF00maxmax360从轴心线到蜗壳外缘半径： maxmax2arR(2) 中间断面( )imax0360QQiiciui
50、iVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：其步骤为：(a) (a) 确定确定0 0 和和V VC C ；(c) 由I确定Fi、i、Ri。 (b) 求Fc、max、Rmax；2 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)步骤：(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表示并画出1、2、3.等中间断面。(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其 ；cFF (1) 按 求进口断面积；ccVQF3600max2 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)(4) (4) 测算出各断面的面积，测算出各断面的面积，绘出：绘出：F =
