第四章水輪機汽蝕

1、第三章 水輪機的相似理論,第一節(jié) 相似條件第二節(jié) 水輪機的相似定律及單位參數(shù)第三節(jié) 原、模型水輪機參數(shù)的換算第四節(jié) 水輪機的比轉(zhuǎn)速第五節(jié) 比轉(zhuǎn)速與水輪機性能的關(guān)系第 六節(jié) 水輪機的模型試驗,第一節(jié) 水輪機的相似條件,1.幾何相似,二、相似條件,同系列水輪機,相似理論,模型試驗,一、相似理論的一般概念,二、相似條件,,2.運動相似,3.動力相似,第二節(jié) 水輪機相似定律及單位參數(shù),相似工況:兩臺同一系列水輪機保持運動相似的工況時，

2、彼此即為相似工況。,相似定律,,,流量相似律,功率相似律,一、轉(zhuǎn)速相似律,轉(zhuǎn)速相似律—原、模型水輪機的轉(zhuǎn)速與各自的有效水頭及直徑之間的關(guān)系。,,,,代入基本方程式，并整理得,,一、轉(zhuǎn)速相似律續(xù),,轉(zhuǎn) 速相似律,,,轉(zhuǎn)速與直徑成反比，與水頭的平方根成正比。,,二、流量相似律,流量相似律—原、模型水輪機的流量與各自的有效水頭及直徑之間的關(guān)系。,,,,,,流量相似律,,流量與直徑成正比，與水頭的平方根成正比。,三、功率相似律,功率與轉(zhuǎn)輪直

3、徑平方成正比，與有效水頭的3/2次方成正比。,由此得到：,,功率相似律,,四、水輪機的單位參數(shù),1.單位轉(zhuǎn)速：,直徑為D1=1m，H1=1m 時，水輪機所具有的轉(zhuǎn)速稱為水輪機的單位轉(zhuǎn)速，單位為r/min.習慣用 n11 表示。,同型號水輪機不同工況下單位轉(zhuǎn)速不同，在相似工況下單 位轉(zhuǎn)速相同； 最優(yōu)工況對應的單位轉(zhuǎn)速稱為最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，用n110表示； 單位轉(zhuǎn)速高可減小機組尺寸。,2.單位流量,直徑為D1=1m，H1=1m 時，水輪機

4、的過流量稱為水輪機的單位流量，單位為m3/s.習慣用 Q11 表示。,同型號水輪機不同工況下單位流量不同，在相似工況下單 位流量相同； 最優(yōu)工況對應的單位流量稱為最優(yōu)單位流量，用Q110表示； 在出力相同情況下單位流量大可減小機組尺寸，在機組尺寸相同情況下可增大出力。,,3.單位出力,直徑為D1=1m，H1=1m 時，水輪機的出力稱為水輪機的單位出力，單位為kw.習慣用 N11 表示。,★幾點說明：　?、?通常用 ，

5、　表示水輪機的運行工況?！　‘攷缀蜗嗨疲瑔挝涣髁亢蛦挝晦D(zhuǎn)速對應相等時，兩個水輪機工況相似?！　〉藶樵诤雎粤藘烧咧g效率上的差別，忽略了通流部件（蝸殼、尾水管）的異形影響，以及忽略了吸出高和汽蝕影響下得出來的，所以它們之間的工況相似只能認為是近似相似的?！　?② 同一輪系的水輪機，在不同工況下的單位參數(shù)分別為一常數(shù)，即工況不同單位參數(shù)不同。,,,,★幾點說明：　　 ③ 單位參數(shù)可由模型試驗資料整理得出，這樣在水輪機設(shè)計、選型和運

6、行中，可以很方便地應用它們確定原形水輪機在相應工況下的參數(shù)?！　?④ 可借助特征工況（如最優(yōu)工況或限制工況）下的單位參數(shù)，來進行水輪機不同輪系之間的比較?！　∽顑?yōu)單位參數(shù)可表示為：,,,,,五、水斗式水輪機的單位參數(shù)以上所得出的相似律公式僅適用于反擊式水輪機。對于水斗式水輪機，它的單位參數(shù)亦可按同樣的方法求得，不過這些參數(shù)是用射流直徑d0、噴嘴個數(shù)z0和轉(zhuǎn)輪直徑D1來表示的。水斗式水輪機的單位參數(shù)分別為：,,,,,第三節(jié)

7、 原、模型單位參數(shù)的換算,模型與原型不可能保持完全的力學相似，雷諾數(shù)并不相等。因此由粘性力引起的水力摩擦相對損失在原、模型中就不相等。,采用下列假定推導水輪機效率換算公式：,（2）水輪機中的粘性摩擦損失類似于圓管中的沿程摩擦損失。,（3）水輪機中的流態(tài)處于“水力光滑區(qū)”，水頭損失系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而與管壁粗糙度無關(guān)。,一、水輪機的效率換算,1.最優(yōu)工況下的效率修正,（1）水力損失僅有粘性摩擦損失（此情況較符合最優(yōu)工況）。,,1.最優(yōu)工

8、況下的效率修正,混流式：,軸流式：,當水頭較高時，忽略水頭的影響,粘性損失占總損失的比重,2．非最優(yōu)工況下的效率修正,轉(zhuǎn)槳式水輪機，槳葉轉(zhuǎn)角不同，相應的最高效率值也不同。修正時應取不同轉(zhuǎn)角下的最高效率對該轉(zhuǎn)角下的非最優(yōu)工況的效率加以修正。,故原型效率值為,等差修正法,（3）令此差值為非最優(yōu)工況時原、模型的效率差,計算結(jié)果表明，當<75%時，誤差較大。,注意：,（1）計算最優(yōu)工況時原型水輪機的最高效率 ；,（2）計算原、模型水

9、輪機的最高效率差 ；,二、單位參數(shù)的修正,計入效率的影響。,,所以,單位參數(shù)的修正,,在設(shè)計中一般規(guī)定，,單位轉(zhuǎn)速可不予修正，即,單位流量的修正值一般較小，可不作修正，,第四節(jié) 水輪機的比轉(zhuǎn)速,對于同一系列水輪機，在相似工況下其單位轉(zhuǎn)速和單位出力均為常數(shù)，所以有,比轉(zhuǎn)速,表示水頭為1m，出力為1kw時水輪機所具有的轉(zhuǎn)速，其單位為m·kw 。,,比轉(zhuǎn)速的說明,1.綜合參數(shù)，隨工況的變化而變化；,2.同系列水輪機在相似工況

10、下比速相同；,3.最優(yōu)比速或限制工況下的比速代表該系列水輪機的性能；,第五節(jié) 比速與水輪機性能的關(guān)系,比速與水輪機型式的關(guān)系 比速與水力性能的關(guān)系 比速與水輪機幾何參數(shù)的關(guān)系,一、比速與水輪機型式的關(guān)系,10—35 水斗式,150—350 斜流式,50—300 混流式,300—850軸流式,600—1000 貫流式,二、比速與水力性能的關(guān)系,能量特性：效率、出力。,汽蝕特性：汽蝕系數(shù)（壓力或速度變化）。,能量特性和汽蝕特性是矛盾

11、的、互相制約的。,在保證汽蝕的條件下，提高比轉(zhuǎn)速。,三、比速與水輪機幾何參數(shù)的關(guān)系,,2. b0，D2,1. z0,混流式,軸流式,,過流能力、強度,比速與水輪機幾何參數(shù)的關(guān)系,,,,比速升高，葉片進口角變小，變平直。,第六節(jié) 水輪機的模型試驗一、試驗概述　　1、目的、任務(wù)　　(1) 目的：通過模型試驗，研究水輪機在各種工況下的能量特性、汽蝕特性等，以保證水輪機在工作范圍內(nèi)高效率、穩(wěn)定運行?！　?2) 任務(wù)：按一定比例將原形水

12、輪機縮小為模型水輪機，并采用較低的HM和較小的QM 進行試驗，測出各工況下的工作參數(shù)，然后通過相似公式換算和修正，得出該輪系的綜合參數(shù)。,2、具體事項　　(1) D1M：250、350、460mm；HM：2~6m； 　　　　 QM：20~30L/s，且≯2000L/s?！　?2) 實際電站正常運行： n=ne=C，而H、Q隨N和水庫調(diào)節(jié)變化而經(jīng)常變動，從而改變了水輪機的運行工況?！　∧Ｐ驮囼炛泄r改變：變化HM會使試驗變得較復

13、雜，一般取HM=C，而改變nM和QM?！　?★根據(jù)相似理論，模型與原型兩種工況改變的方法仍能構(gòu)成相似工況，從而保證了模型與原型按工況相似的條件下進行參數(shù)換算。,3、試驗類型　　能量試驗、汽蝕試驗、飛逸試驗、軸向水推力試驗及過流部件的力特性試驗等。 　　本書僅介紹反擊式水輪機的能量試驗。,二、能量試驗　　1、能量試驗的任務(wù)：測定模型水輪機在各種工況下的運行效率ηM，通過測量nM、NM、QM、HM四個基本參數(shù)，繪制水輪機綜合特性曲線

14、和運轉(zhuǎn)特性曲線?！　?、 能量試驗臺的組成　　壓力水箱(相當上游水庫)，引水室(引水、進水設(shè)備)，模型水輪機，尾水槽(尾水渠)，堰槽(用以測流量，置于尾水槽之后)，回水槽(循環(huán)用水，用水泵抽水入壓力水箱)。,壓力水箱(相當上游水庫)，引水室(引水、進水設(shè)備)，模型水輪機，尾水槽(尾水渠)，堰槽(測流量的，尾水槽之后)，回水槽(循環(huán)用水，用水泵抽水入壓力水箱)。,3、 試驗參數(shù)的測量　　(1) HM： HM為壓力水箱和尾水槽水位差，

15、用毛水頭代替工作水頭。　　(2)QM： 通過測量測水堰堰頂水頭h得出。,(3)nM：由機械轉(zhuǎn)速表測得，或電子脈沖器、光電測速儀測量?！　?4) NM：用機械測功器或電磁測功器等進行測量，是通過測量主軸的制動力矩M得出，M=PL。NM =Mω=PL nM/9549.3 (kW) ，ω=2πnM/60。,4、 試驗方法　　(1) 取HM=C；　　(2) 選擇一定的a0M(HL、ZD)或φ(ZZ)，改變負荷(拉力P) ，使

16、力矩M改變，測量各工況下(nM、NM、QM、HM)，從而計算ηM及相應單位參數(shù)。,a0,(1),(3),第七節(jié) 水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速和軸向力　　學習意義：飛逸轉(zhuǎn)速和軸向力也是水輪機的主要參數(shù)，它對水輪機的安全和運行起著重要作用，也是機組結(jié)構(gòu)和廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。,一、反擊式水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速nf　　水輪機正常工況下：n=ne。　　遇事故時：N=0。此時若導葉不能關(guān)閉，NS不變→水輪機空轉(zhuǎn)→n↑?！　?★ ★飛逸轉(zhuǎn)速nf 的定義

17、：當水流能量與轉(zhuǎn)速升高時的機械摩擦損失能量相平衡時，轉(zhuǎn)速達到某一穩(wěn)定的最大值，這個最大空轉(zhuǎn)n稱為水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速。,1、 nf值的試驗確定方法　　 nf也可通過模型試驗求得：　　(1)HL、ZD：可在不同a0M，使測功器負荷P=0，待n↑至穩(wěn)定時測得nfM，則相應的單位飛逸轉(zhuǎn)速n1f′為：　　　　(2)ZZ：可在每一φ、不同a0M下進行上述試驗步驟，而求出各工況下的n1f′。(試驗分為協(xié)聯(lián)機構(gòu)破壞和完好兩種情況),,在設(shè)計中，

18、主要選取n1fmax′→ nfmax。　　即：　　表4-6給出了部分水輪機采用的n1fmax′值,,2、 nf值的估算　　初步計算時，nf值可按下式估算：nfmax=Kfne　　?。?-39）　　式中：Kf為飛逸系數(shù)，其取值為：　　HL： Kf ＝1.7-2.0；　　對保持協(xié)聯(lián)關(guān)系的ZZ： Kf ＝2.0-2.2；　　對協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞的ZZ： Kf ＝2.4-2.6；,3、機組產(chǎn)生nf的危害　　機組發(fā)生飛逸時，如轉(zhuǎn)動部

19、分的nf＞2ne，離心力將增大4倍，這將引起機組轉(zhuǎn)動部件的破壞和機組與廠房的強烈振動。,4、減小nf的措施　　制造廠規(guī)定，機組飛逸的時間應不超過2分鐘。除機組部件和廠房結(jié)構(gòu)按飛逸情況設(shè)計外，還應采取如下措施：(1) 機組前應設(shè)由專門的電動機或油壓系統(tǒng)操作的快速閥門(閘門)。(2) 對ZZ，增設(shè)事故配壓閥，使φ減小(首選)；也可增加過制動葉片。(3) 導葉自關(guān)閉。(4) 蝸殼進口部位增設(shè)減壓閥。發(fā)電機上連接水阻器。,,快

20、速閥門,二、反擊式水輪機的軸向力　　1、定義：水輪機轉(zhuǎn)動部分的軸向作用力。包括軸向水推力、轉(zhuǎn)輪和主軸的重量。　　2、計算目的：計算機組推力軸承、機架及主軸強度時需要考慮。,,,定子埋入,定子外露,上機架埋入,3、轉(zhuǎn)輪的軸向水推力PS　　為水流流經(jīng)轉(zhuǎn)輪引起的軸向力，包括水流對轉(zhuǎn)輪作功時產(chǎn)生的推力，在上冠、下環(huán)處因水壓力產(chǎn)生的推力，及轉(zhuǎn)輪的上浮力等?！　」浪愎郊笆街袇?shù)的選取見書。　　4、轉(zhuǎn)輪和主軸的重量GN、 GL　　估算公

21、式見書?！　⌒枳⒁?， GL是對立式機組而言的。,5、水輪機總的軸向力：PZ＝PS＋ GN ＋ GL　　對立軸式機組，該軸向力由推力軸承承擔，再由機架傳給發(fā)電機砼機墩。,三、CJ的飛逸轉(zhuǎn)速和軸向力　　1、nf：CJ具有折流板和噴針閥雙重調(diào)節(jié)機構(gòu)，一般情況下可控制n的上升?！　‘敊C組發(fā)生飛逸時，其飛逸轉(zhuǎn)速可由書上式3-44和3-45估算。　　另在結(jié)構(gòu)上還可設(shè)置反向噴嘴限制nf?！　?、PZ：CJ沒有軸向水推力，立軸布置的軸向力僅