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第三節(jié) 原、模型水輪機參數的換算第四節(jié) 水輪機的比轉速第五節(jié) 比轉速與水輪機性能的關系第 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,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、轉速相似律,轉速相似律—原、模型水輪機的轉速與各自的有效水頭及直徑之間的關系。,,,,代入基本方程式，并整理得,,一、轉速相似律續(xù),,轉 速相似律,,,轉速與直徑成反比，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,1.單位轉速：,直徑為D1=1m，H1=1m 時，水輪機所具有的轉速稱為水輪機的單位轉速，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速不同，在相似工況下單 位轉速相同； 最優(yōu)工況對應的單位轉速稱為最優(yōu)單位轉速，用n110表示； 單位轉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速對應相等時，兩個水輪機工況相似。　　但此為在忽略了兩者之間效率上的差別，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分別為一常數，即工況不同單位參數不同。,,,,★幾點說明：　　 ③ 單位參數可由模型試驗資料整理得出，這樣在水輪機設計、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。　　 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，來進行水輪機不同輪系之間的比較?！　∽顑?yōu)單位參數可表示為：,,,,,五、水斗式水輪機的單位參數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，它的單位參數亦可按同樣的方法求得，不過這些參數是用射流直徑d0、噴嘴個數z0和轉輪直徑D1來表示的。水斗式水輪機的單位參數分別為：,,,,,第三節(jié)

7、 原、模型單位參數的換算,模型與原型不可能保持完全的力學相似，雷諾數并不相等。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)”，水頭損失系數僅與雷諾數有關，而與管壁粗糙度無關。,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,轉槳式水輪機，槳葉轉角不同，相應的最高效率值也不同。修正時應取不同轉角下的最高效率對該轉角下的非最優(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、單位參數的修正,計入效率的影響。,,所以,單位參數的修正,,在設計中一般規(guī)定，,單位轉速可不予修正，即,單位流量的修正值一般較小，可不作修正，,第四節(jié) 水輪機的比轉速,對于同一系列水輪機，在相似工況下其單位轉速和單位出力均為常數，所以有,比轉速,表示水頭為1m，出力為1kw時水輪機所具有的轉速，其單位為m·kw 。,,比轉速的說明,1.綜合參數，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系,比速與水輪機型式的關系 比速與水力性能的關系 比速與水輪機幾何參數的關系,一、比速與水輪機型式的關系,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系,能量特性：效率、出力。,汽蝕特性：汽蝕系數（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，提高比轉速。,三、比速與水輪機幾何參數的關系,,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的關系,,,,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　　(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高效率、穩(wěn)定運行?！　?2) 任務：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，然后通過相似公式換算和修正，得出該輪系的綜合參數。,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和水庫調節(jié)變化而經常變動，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?！　?★根據相似理論，模型與原型兩種工況改變的方法仍能構成相似工況，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：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，繪制水輪機綜合特性曲線

14、和運轉特性曲線?！　?、 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。,a0,(1),(3),第七節(jié) 水輪機的飛逸轉速和軸向力　　學習意義：飛逸轉速和軸向力也是水輪機的主要參數，它對水輪機的安全和運行起著重要作用，也是機組結構和廠房結構設計的重要依據。,一、反擊式水輪機的飛逸轉速nf　　水輪機正常工況下：n=ne。　　遇事故時：N=0。此時若導葉不能關閉，NS不變→水輪機空轉→n↑?！　?★ ★飛逸轉速nf 的定義

17、：當水流能量與轉速升高時的機械摩擦損失能量相平衡時，轉速達到某一穩(wěn)定的最大值，這個最大空轉n稱為水輪機的飛逸轉速。,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)機構破壞和完好兩種情況),,在設計中，

18、主要選取n1fmax′→ nfmax?！　〖矗骸　”?-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，其取值為：　　HL： Kf ＝1.7-2.0；　　對保持協(xié)聯(lián)關系的ZZ： Kf ＝2.0-2.2；　　對協(xié)聯(lián)關系破壞的ZZ： Kf ＝2.4-2.6；,3、機組產生nf的危害　　機組發(fā)生飛逸時，如轉動部

19、分的nf＞2ne，離心力將增大4倍，這將引起機組轉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構按飛逸情況設計外，還應采取如下措施：(1) 機組前應設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) 導葉自關閉。(4) 蝸殼進口部位增設減壓閥。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：水輪機轉動部分的軸向作用力。包括軸向水推力、轉輪和主軸的重量?！　?、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、轉輪的軸向水推力PS　　為水流流經轉輪引起的軸向力，包括水流對轉輪作功時產生的推力，在上冠、下環(huán)處因水壓力產生的推力，及轉輪的上浮力等?！　」浪愎郊笆街袇档倪x取見書?！　?、轉輪和主軸的重量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的飛逸轉速和軸向力　　1、nf：CJ具有折流板和噴針閥雙重調節(jié)機構，一般情況下可控制n的上升?！　‘敊C組發(fā)生飛逸時，其飛逸轉速可由書上式3-44和3-45估算?！　×碓诮Y構上還可設置反向噴嘴限制nf?！　?、PZ：CJ沒有軸向水推力，立軸布置的軸向力僅