第四章水輪機(jī)汽蝕

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

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(jī)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(jī)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(jī)的單位參數(shù),1.單位轉(zhuǎn)速：,直徑為D1=1m，H1=1m 時(shí)，水輪機(jī)所具有的轉(zhuǎn)速稱為水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速，單位為r/min.習(xí)慣用 n11 表示。,同型號(hào)水輪機(jī)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(duì)應(yīng)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(jī)組尺寸。,2.單位流量,直徑為D1=1m，H1=1m 時(shí)，水輪機(jī)

4、的過流量稱為水輪機(jī)的單位流量，單位為m3/s.習(xí)慣用 Q11 表示。,同型號(hào)水輪機(jī)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(duì)應(yīng)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(jī)組尺寸，在機(jī)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(shí)，水輪機(jī)的出力稱為水輪機(jī)的單位出力，單位為kw.習(xí)慣用 N11 表示。,★幾點(diǎn)說明：　?、?通常用 ，

5、　表示水輪機(jī)的運(yùn)行工況?！　‘?dāng)幾何相似，單位流量和單位轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)相等時(shí)，兩個(gè)水輪機(jī)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(rèn)為是近似相似的。　　 ② 同一輪系的水輪機(jī)，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(diǎn)說明：　　 ③ 單位參數(shù)可由模型試驗(yàn)資料整理得出，這樣在水輪機(jī)設(shè)計(jì)、選型和運(yùn)

6、行中，可以很方便地應(yīng)用它們確定原形水輪機(jī)在相應(yīng)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(jìn)行水輪機(jī)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(jī)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(jī)。對(duì)于水斗式水輪機(jī)，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(gè)數(shù)z0和轉(zhuǎn)輪直徑D1來表示的。水斗式水輪機(jī)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(xué)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(duì)損失在原、模型中就不相等。,采用下列假定推導(dǎo)水輪機(jī)效率換算公式：,（2）水輪機(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)水頭較高時(shí)，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(jī)，槳葉轉(zhuǎn)角不同，相應(yīng)的最高效率值也不同。修正時(shí)應(yīng)取不同轉(zhuǎn)角下的最高效率對(duì)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(shí)原、模型的效率差,計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)<75%時(shí)，誤差較大。,注意：,（1）計(jì)算最優(yōu)工況時(shí)原型水輪機(jī)的最高效率 ；,（2）計(jì)算原、模型水

9、輪機(jī)的最高效率差 ；,二、單位參數(shù)的修正,計(jì)入效率的影響。,,所以,單位參數(shù)的修正,,在設(shè)計(jì)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(jī)的比轉(zhuǎn)速,對(duì)于同一系列水輪機(jī)，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(shí)水輪機(jī)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(jī)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(jī)的性能；,第五節(jié) 比速與水輪機(jī)性能的關(guān)系,比速與水輪機(jī)型式的關(guān)系 比速與水力性能的關(guān)系 比速與水輪機(jī)幾何參數(shù)的關(guān)系,一、比速與水輪機(jī)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(jī)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(qiáng)度,比速與水輪機(jī)幾何參數(shù)的關(guān)系,,,,比速升高，葉片進(jìn)口角變小，變平直。,第六節(jié) 水輪機(jī)的模型試驗(yàn)一、試驗(yàn)概述　　1、目的、任務(wù)　　(1) 目的：通過模型試驗(yàn)，研究水輪機(jī)在各種工況下的能量特性、汽蝕特性等，以保證水輪機(jī)在工作范圍內(nèi)高效率、穩(wěn)定運(yùn)行。　　(2) 任務(wù)：按一定比例將原形水

12、輪機(jī)縮小為模型水輪機(jī)，并采用較低的HM和較小的QM 進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)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(xiàng)　　(1) D1M：250、350、460mm；HM：2~6m； 　　　　 QM：20~30L/s，且≯2000L/s?！　?2) 實(shí)際電站正常運(yùn)行： n=ne=C，而H、Q隨N和水庫(kù)調(diào)節(jié)變化而經(jīng)常變動(dòng)，從而改變了水輪機(jī)的運(yùn)行工況?！　∧Ｐ驮囼?yàn)中工況改變：變化HM會(huì)使試驗(yàn)變得較復(fù)

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(jìn)行參數(shù)換算。,3、試驗(yàn)類型　　能量試驗(yàn)、汽蝕試驗(yàn)、飛逸試驗(yàn)、軸向水推力試驗(yàn)及過流部件的力特性試驗(yàn)等。 　　本書僅介紹反擊式水輪機(jī)的能量試驗(yàn)。,二、能量試驗(yàn)　　1、能量試驗(yàn)的任務(wù)：測(cè)定模型水輪機(jī)在各種工況下的運(yùn)行效率ηM，通過測(cè)量nM、NM、QM、HM四個(gè)基本參數(shù)，繪制水輪機(jī)綜合特性曲線

14、和運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線?！　?、 能量試驗(yàn)臺(tái)的組成　　壓力水箱(相當(dāng)上游水庫(kù))，引水室(引水、進(jìn)水設(shè)備)，模型水輪機(jī)，尾水槽(尾水渠)，堰槽(用以測(cè)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(dāng)上游水庫(kù))，引水室(引水、進(jìn)水設(shè)備)，模型水輪機(jī)，尾水槽(尾水渠)，堰槽(測(cè)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(yàn)參數(shù)的測(cè)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(cè)量測(cè)水堰堰頂水頭h得出。,(3)nM：由機(jī)械轉(zhuǎn)速表測(cè)得，或電子脈沖器、光電測(cè)速儀測(cè)量。　　(4) NM：用機(jī)械測(cè)功器或電磁測(cè)功器等進(jìn)行測(cè)量，是通過測(cè)量主軸的制動(dòng)力矩M得出，M=PL。NM =Mω=PL nM/9549.3 (kW) ，ω=2πnM/60。,4、 試驗(yàn)方法　　(1) 取HM=C；　　(2) 選擇一定的a0M(HL、ZD)或φ(ZZ)，改變負(fù)荷(拉力P) ，使

16、力矩M改變，測(cè)量各工況下(nM、NM、QM、HM)，從而計(jì)算ηM及相應(yīng)單位參數(shù)。,a0,(1),(3),第七節(jié) 水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速和軸向力　　學(xué)習(xí)意義：飛逸轉(zhuǎn)速和軸向力也是水輪機(jī)的主要參數(shù)，它對(duì)水輪機(jī)的安全和運(yùn)行起著重要作用，也是機(jī)組結(jié)構(gòu)和廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。,一、反擊式水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速nf　　水輪機(jī)正常工況下：n=ne?！　∮鍪鹿蕰r(shí)：N=0。此時(shí)若導(dǎo)葉不能關(guān)閉，NS不變→水輪機(jī)空轉(zhuǎn)→n↑?！　?★ ★飛逸轉(zhuǎn)速nf 的定義

17、：當(dāng)水流能量與轉(zhuǎn)速升高時(shí)的機(jī)械摩擦損失能量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到某一穩(wěn)定的最大值，這個(gè)最大空轉(zhuǎn)n稱為水輪機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速。,1、 nf值的試驗(yàn)確定方法　　 nf也可通過模型試驗(yàn)求得：　　(1)HL、ZD：可在不同a0M，使測(cè)功器負(fù)荷P=0，待n↑至穩(wěn)定時(shí)測(cè)得nfM，則相應(yīng)的單位飛逸轉(zhuǎn)速n1f′為：　　　　(2)ZZ：可在每一φ、不同a0M下進(jìn)行上述試驗(yàn)步驟，而求出各工況下的n1f′。(試驗(yàn)分為協(xié)聯(lián)機(jī)構(gòu)破壞和完好兩種情況),,在設(shè)計(jì)中，

18、主要選取n1fmax′→ nfmax?！　〖矗骸　”?-6給出了部分水輪機(jī)采用的n1fmax′值,,2、 nf值的估算　　初步計(jì)算時(shí)，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(duì)保持協(xié)聯(lián)關(guān)系的ZZ： Kf ＝2.0-2.2；　　對(duì)協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞的ZZ： Kf ＝2.4-2.6；,3、機(jī)組產(chǎn)生nf的危害　　機(jī)組發(fā)生飛逸時(shí)，如轉(zhuǎn)動(dòng)部

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

20、速閥門,二、反擊式水輪機(jī)的軸向力　　1、定義：水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算目的：計(jì)算機(jī)組推力軸承、機(jī)架及主軸強(qiáng)度時(shí)需要考慮。,,,定子埋入,定子外露,上機(jī)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(duì)轉(zhuǎn)輪作功時(shí)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。　　估算公式及式中參數(shù)的選取見書?！　?、轉(zhuǎn)輪和主軸的重量GN、 GL　　估算公

21、式見書。　　需注意， GL是對(duì)立式機(jī)組而言的。,5、水輪機(jī)總的軸向力：PZ＝PS＋ GN ＋ GL　　對(duì)立軸式機(jī)組，該軸向力由推力軸承承擔(dān)，再由機(jī)架傳給發(fā)電機(jī)砼機(jī)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(jī)構(gòu)，一般情況下可控制n的上升。　　當(dāng)機(jī)組發(fā)生飛逸時(shí)，其飛逸轉(zhuǎn)速可由書上式3-44和3-45估算?！　×碓诮Y(jié)構(gòu)上還可設(shè)置反向噴嘴限制nf。　　2、PZ：CJ沒有軸向水推力，立軸布置的軸向力僅