大工14秋《水電站建筑物》輔導(dǎo)4(共14頁)

1、大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院第 PAGE 9頁 共 NUMPAGES 9頁水電站建筑物輔導(dǎo)資料四主 題：第三章 水輪機(jī)的動(dòng)力(dngl)特性和選型13節(jié)學(xué)習(xí)(xux)時(shí)間：2014年10月20日10月26日內(nèi) 容：我們這周主要(zhyo)學(xué)習(xí)第一大部分水力機(jī)械第三章13節(jié)的相關(guān)內(nèi)容。希望通過下面的內(nèi)容能使同學(xué)們加深對(duì)水輪機(jī)相似理論、特性曲線、反擊式水輪機(jī)選擇等相關(guān)知識(shí)的理解。一、學(xué)習(xí)要求1. 掌握水輪機(jī)相似理論及比轉(zhuǎn)速，了解二次近似相似公式；2. 了解水輪機(jī)的模型試驗(yàn)，掌握水輪機(jī)特性曲線的繪制；3. 掌握反擊式水輪機(jī)的選擇方法。二、主要內(nèi)容重要知識(shí)點(diǎn)：水輪機(jī)相似理論及比轉(zhuǎn)速；水輪機(jī)特性曲線；反擊式

2、水輪機(jī)的選擇。第三章 水輪機(jī)的動(dòng)力特性和選型第一節(jié) 水輪機(jī)的相似理論和比轉(zhuǎn)速1. 水輪機(jī)特性 水輪機(jī)在不同工況下運(yùn)行時(shí)，各運(yùn)行參數(shù)(H，Q，n，N，)及這些參數(shù)之間的關(guān)系，稱水輪機(jī)的特性。2. 模型試驗(yàn)原型：尺寸大，試驗(yàn)困難，不經(jīng)濟(jì)。模型：加工速度(sd)快、方便，易測量數(shù)據(jù)，較準(zhǔn)確。還可方案(fng n)比較。3. 相似(xin s)理論研究相似水輪機(jī)之間存在的相似規(guī)律，并確立這些參數(shù)間換算關(guān)系的理論。（一）水輪機(jī)相似條件（熟記三個(gè)相似，掌握每個(gè)相似內(nèi)容）保證模型水輪機(jī)與原型水輪機(jī)相似，必須滿足以下三個(gè)相似條件：1. 幾何相似：原模型水輪機(jī)的過流通道幾何形狀相似，各對(duì)應(yīng)部分尺寸互成比例。（1

3、）對(duì)應(yīng)尺寸成比例：；（2）過流通道的對(duì)應(yīng)角相等：；（3）對(duì)應(yīng)部位的相對(duì)糙率相等：；只有同一輪系的水輪機(jī)才能建立幾何相似關(guān)系。2. 運(yùn)動(dòng)相似：原模型水輪機(jī)進(jìn)出口速度三角形相似，對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的絕對(duì)速度、相對(duì)速度和圓周速度方向相同，大小互成比例。（1）,；,；（2）；。運(yùn)動(dòng)相似時(shí)必須是幾何相似，但幾何相似的水輪機(jī)不一定是運(yùn)動(dòng)相似，因?yàn)樗啓C(jī)有不同的運(yùn)行工況。3. 動(dòng)力(dngl)相似：原、模型水輪機(jī)各水流對(duì)應(yīng)點(diǎn)所受的同名力(壓力、慣性力、重力、摩擦力等)方向相同、大小成比例，且邊界條件相同。嚴(yán)格滿足幾何(j h)相似和運(yùn)動(dòng)相似的，必然存在動(dòng)力相似。因?yàn)閹缀蜗嗨剖沁\(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的前提條件，因此可以(k

4、y)把原、模型水輪機(jī)看作同一輪系的兩臺(tái)水輪機(jī)。在模型試驗(yàn)時(shí)，要同時(shí)滿足上面三個(gè)相似關(guān)系是很困難的，因此一般要忽略一些次要因素，得出近似關(guān)系式，在有模型轉(zhuǎn)換到原型時(shí)，在進(jìn)行必要的修正。（二）一次近似相似公式（重點(diǎn)掌握三個(gè)方程式的參數(shù)關(guān)系，常見選擇題）所謂一次近似相似公式是指在假定原型、模型水輪機(jī)效率相等（）條件下，得到的他們之間工作性能轉(zhuǎn)換關(guān)系的近似公式。（條件應(yīng)熟記）1. 轉(zhuǎn)速方程式(第一相似定律) 轉(zhuǎn)速方程式說明，兩臺(tái)水輪機(jī)相似，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪內(nèi)直徑成反比，與水頭的平方根成正比。2. 流量方程式(第二相似定律) 流量方程式表明，兩臺(tái)水輪機(jī)相似，則流量與轉(zhuǎn)輪直徑平方成正比，與水頭平方根成正比。 3

5、. 出力方程式(第三相似定律) 表明：兩個(gè)水輪機(jī)相似，出力與轉(zhuǎn)輪直徑的平方(pngfng)成正比，與水頭的3/2方成正比。變換一下(yxi)形式得：上述(shngsh)三個(gè)方程式是在假定的條件下得到的，但實(shí)際上，通常略大于因此，稱上述三個(gè)公式為第一次近似相似公式 。（三）單位參數(shù)1. 單位參數(shù)的定義（重要名詞解釋）在同一輪系的水輪機(jī)中，通常以直徑D1=1m，在水頭H=1m條件下工作的水輪機(jī)作為比較的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在上面的推導(dǎo)中我們得到了3個(gè)參數(shù)：，這3個(gè)參數(shù)在數(shù)值上分別等于直徑D1=1m，在水頭H=1m條件下工作時(shí)的轉(zhuǎn)速n，流量Q和出力N。我們稱這3個(gè)參數(shù)為單位轉(zhuǎn)速、單位流量和單位出力。2. 從上

6、面的式子可以看出：（1）當(dāng)、一定時(shí)，、隨工況(,)的改變而改變，即有一種工況，就有一套單位參數(shù)，所以，、又稱為工作狀態(tài)參數(shù)。 （2）當(dāng)、一定時(shí)，越大則越大；越大則越大。提高轉(zhuǎn)速，可以減小發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，降低發(fā)電機(jī)造價(jià)；而提高流量可以增加水輪機(jī)出力。 所以在、一定時(shí)，具有較大的和的水輪機(jī)輪系是優(yōu)越的。和為衡量水輪機(jī)技術(shù)水平高低的指標(biāo)。 3. 水輪機(jī)單位參數(shù)的用途：（1）選擇水輪機(jī)；（2）繪制水輪機(jī)綜合特性曲線。把水輪機(jī)單位參數(shù)公式進(jìn)行一下變換得：，從上面的公式可知(k zh)，通過模型試驗(yàn)得到模型的某一工況下的、和，即可得到(d do)原型的、和。（掌握(zhngw)參數(shù)公式換算）（四）水輪機(jī)效

7、率的修正和二次近似相似公式 1. 效率修正 效率修正值的大小與水輪機(jī)尺寸有關(guān)系，由于影響因素復(fù)雜，到目前，尚無完備的計(jì)算方法。一般采用國際電工委員會(huì)推薦的公式。國際電工委員會(huì)公式的假定：（1）不考慮容積效率和機(jī)械效率在原、模型中差別：，；（2）不考慮轉(zhuǎn)輪進(jìn)口撞擊損失和出口渦流損失，只考慮管流損失?；谝陨霞俣ǎ瑖H電工委員會(huì)的公式適用于最優(yōu)工況。效率修正值為：對(duì)混流水輪機(jī)（穆迪公式）：對(duì)軸流（定槳）水輪機(jī)（胡頓公式）：最優(yōu)工況時(shí)采用上面兩個(gè)式子，對(duì)于一般工況：，是效率最高點(diǎn)修正值。2. 二次近似公式上述效率修正時(shí)，也采用了一些假定。通常稱經(jīng)過效率修正后的公式成為二次近似相似公式： ，用單位(d

8、nwi)參數(shù)表示為： ，通常實(shí)際計(jì)算中，仍采用(ciyng)一次近似相似公式： ，式中：單位轉(zhuǎn)速(zhun s)修正值。 單位轉(zhuǎn)速修正值。3%時(shí)，可以不用修正。而通常很小，不需要修正。此時(shí)，可用模型的和代替原型的和。（以上一次二次近似公式和參數(shù)求解為計(jì)算題常見知識(shí)點(diǎn)）（五）水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速 當(dāng)原型水輪機(jī)與模型水輪機(jī)滿足相似條件時(shí)，單位轉(zhuǎn)速、單位流量和單位出力都是常數(shù)。（常通過單位參數(shù)計(jì)算水輪機(jī)各基本參數(shù)），可以得到：，稱為比轉(zhuǎn)速。由于：；分析以上公式可以發(fā)現(xiàn)：（常見選擇題）1. 與工況有關(guān)，是、和，的綜合參數(shù)； 2. 在、一定時(shí)，、越大，此輪系越優(yōu)越；3. 隨著(su zhe)，導(dǎo)致(dozh)

9、和，引起導(dǎo)葉高度增大，葉片數(shù)下降，降低葉片強(qiáng)度(qingd)，因此水頭不宜過高。所以高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)適用于低水頭，大流量情況。 第二節(jié) 水輪機(jī)的模型試驗(yàn)和特性曲線（一）模型試驗(yàn)概述和輪系綜合特性曲線 1. 意義 原型水輪機(jī)尺寸大，工期長，投資大；模型尺寸小，工期短，造價(jià)低，便于方案比較。2. 基本任務(wù) 對(duì)于生產(chǎn)廠家：生產(chǎn)新型產(chǎn)品，提高效率，減小氣蝕；對(duì)于設(shè)計(jì)部門：水輪機(jī)的合理選型；對(duì)于運(yùn)行單位：擬定合理的運(yùn)行方式，確保機(jī)組經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行。 3. 方法和內(nèi)容 主要方法有兩種： （1）對(duì)于某一水輪機(jī)(、一定)，通過改變、改變工況，得到效率特性曲線和氣蝕特性曲線。 缺點(diǎn)：試驗(yàn)中要改變水頭，試驗(yàn)裝置過于

10、復(fù)雜?，F(xiàn)在一般不采用該方法。 （2）對(duì)于某一輪系水輪機(jī)(一定)做模型試驗(yàn)，通過改變和改變工況，從而得到水輪機(jī)的效率關(guān)系曲線和氣蝕系數(shù)關(guān)系曲線。（二）水輪機(jī)特性曲線（重要知識(shí)點(diǎn)，三個(gè)曲線名詞解釋和曲線包含內(nèi)容）水輪機(jī)的特性曲線表示水輪機(jī)各參數(shù)間關(guān)系的曲線叫做水輪機(jī)的特性曲線?？煞譃榫€性特性曲線和綜合特性曲線：線性特性曲線：反映23個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系曲線 綜合特性曲線：表示多個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，能較完整地描述水輪機(jī)各運(yùn)行工況的特性。1. 輪系綜合特性(txng)曲線 混流式水輪機(jī)輪系綜合(zngh)特性曲線中包括：等開度曲線(qxin)；等效率曲線；5%出力限制線；等汽蝕系數(shù)曲線。軸流式水輪機(jī)輪系綜合

11、特性曲線中的等開度曲線；等效率曲線；等轉(zhuǎn)角曲線（輪葉）；等汽蝕系數(shù)曲線。2. 水輪機(jī)工作特性曲線和運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線 水輪機(jī)工作特性曲線：水輪機(jī)在已定的直徑和轉(zhuǎn)速下，在某一水頭下運(yùn)行時(shí)出力和效率的關(guān)系。運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線：綜合反映某一水輪機(jī)在各種運(yùn)行工況下，水頭H、出力N、效率和吸出高度Hs等參數(shù)之間的關(guān)系的曲線。其以水頭H為縱坐標(biāo)，出力N為橫坐標(biāo)。第三節(jié) 反擊式水輪機(jī)的選擇（一）反擊式水輪機(jī)選擇的意義和原則1. 水輪機(jī)選擇的意義水輪機(jī)是水電站中最主要?jiǎng)恿υO(shè)備之一，影響電站的投資、制造、運(yùn)輸、安裝、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益，因此根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機(jī)是水電站中主要設(shè)計(jì)任務(wù)之一，使水電站充分利用水能，安全

12、可靠運(yùn)行。2. 原則 （1）充分考慮電站特點(diǎn)（水文水能、電力系統(tǒng)技術(shù)條件，電站總體布置)； （2）有利于降低電站投資、運(yùn)行費(fèi)、縮短工期，提前發(fā)電；（3）提高水電站總效率，多發(fā)電；（4）便于管理、檢修、維護(hù)，運(yùn)行安全可靠，設(shè)備經(jīng)久耐用；（5）優(yōu)先考慮套用機(jī)組。3. 主要(zhyo)內(nèi)容 （1）機(jī)組(jz)臺(tái)數(shù)Z的選擇(xunz)；（2）機(jī)型的選擇；（3）主要參數(shù)D1和n的選擇；（4）計(jì)算水輪機(jī)的吸出高度Hs。4. 水輪機(jī)選擇的基本資料（1）水輪機(jī)產(chǎn)品技術(shù)資料：系列型譜、廠家產(chǎn)品目錄、輪系綜合特性曲線。（2）水電站技術(shù)資料：河流梯級(jí)開發(fā)方案、水庫的調(diào)節(jié)性能、水電站布置方案、地形、地質(zhì)、水質(zhì)、泥沙情

13、況、總裝機(jī)容量、水電站運(yùn)輸、安裝技術(shù)條件。（3）水文情況：特征流量及特征水頭、下游水位流量關(guān)系曲線。（4）水電站有關(guān)經(jīng)濟(jì)資料：機(jī)電設(shè)備價(jià)格、工程單價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)等。（二）水輪機(jī)臺(tái)數(shù)的選擇（常見選擇題和簡答題）選擇機(jī)組臺(tái)數(shù)時(shí)應(yīng)綜合以下幾方面考慮：（1）機(jī)組臺(tái)數(shù)與設(shè)備制造、運(yùn)輸及安裝的關(guān)系。Z，N單，安裝運(yùn)輸方便，但耗費(fèi)材料多，加工量大，造價(jià)較高，一般都希望選用較大容量的機(jī)組，減少機(jī)組臺(tái)數(shù)。（2）機(jī)組臺(tái)數(shù)與工程建設(shè)費(fèi)用的關(guān)系 (工程量、安裝維護(hù)、結(jié)線、運(yùn)輸)。在大多數(shù)情況下，機(jī)組臺(tái)數(shù)增多將增加工程建設(shè)費(fèi)用。（3）機(jī)組臺(tái)數(shù)與電站(din zhn)運(yùn)行效率的關(guān)系。機(jī)組臺(tái)數(shù)Z較多時(shí)，水電站的平均(pngj

14、n)效率較高，但臺(tái)數(shù)Z達(dá)到一定數(shù)目(shm)，效率不再增加。（4）機(jī)組臺(tái)數(shù)與運(yùn)行、維護(hù)的關(guān)系。Z較多，水電站運(yùn)行靈活，易于調(diào)度。但運(yùn)行、維護(hù)和檢修的工作量及費(fèi)用隨Z增大而增大，所以不宜選擇過多的機(jī)組臺(tái)數(shù)。（5）機(jī)組臺(tái)數(shù)與電氣主接線的關(guān)系?，F(xiàn)行水電站電氣主接線采用擴(kuò)大單元方式較多，故機(jī)組臺(tái)數(shù)為偶數(shù)有利。由于運(yùn)行方式機(jī)動(dòng)性和廠用電可靠性的要求，全廠機(jī)組臺(tái)數(shù)一般不宜少于兩臺(tái)。綜上所述，一般應(yīng)采用較大的N單，較少的臺(tái)數(shù)Z，但一般至少應(yīng)選2臺(tái)，少數(shù)情況下可選1臺(tái)。中大型電站一般選46臺(tái)，根據(jù)機(jī)組制造水平和裝機(jī)容量也可以選用更多的臺(tái)數(shù)。（三）水輪機(jī)型號(hào)的選擇選擇型號(hào)的依據(jù)： ，特征水頭（Hmax、Hmin

15、、Havg和Hr）。一般按下面幾種方法選擇： 1. 根據(jù)水輪機(jī)系列型譜選擇機(jī)型。按水電站水頭，從型譜參數(shù)表中選出合適的水輪機(jī)，如果兩種型號(hào)都適合，則均列為比較方案。 2. 根據(jù)水輪機(jī)適用范圍綜合圖選擇機(jī)型 根據(jù)特征水頭H及單機(jī)容量N在水輪機(jī)適用范圍綜合圖上選擇水輪機(jī)型號(hào)。3. 套用機(jī)組 根據(jù)國內(nèi)正在設(shè)計(jì)、施工或已經(jīng)運(yùn)行的水電站資料，在設(shè)計(jì)水頭接近，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)?shù)那闆r下，可以優(yōu)先套用已經(jīng)生產(chǎn)國的機(jī)組，這樣(zhyng)可以節(jié)省設(shè)計(jì)工作量，縮短工期，使電站提前投入運(yùn)行。（四）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(zhun ln)主要參數(shù)D1和n的選定(xun dn)（掌握選定步驟和方法，設(shè)計(jì)常用）所選擇的D1，n應(yīng)滿足

16、在額定水頭Hr下發(fā)出水輪機(jī)的額定出力，并在加權(quán)平均水頭時(shí)效率最高。 1. 利用輪系適用范圍圖初選D1和n（中小型）；2. 利用輪系綜合特性圖選擇D1和n。（1）選擇D1根據(jù)上面公式計(jì)算D1，選取接近標(biāo)準(zhǔn)直徑的直徑值。（2）選擇n 由公式計(jì)算n，選取與電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)周期轉(zhuǎn)速最接近的轉(zhuǎn)速作為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速。（3）修正模型參數(shù) 對(duì)模型的效率進(jìn)行修正，計(jì)算、，從而獲得原型水輪機(jī)的效率，單位轉(zhuǎn)速和單位流量。（4）檢驗(yàn)所選D1和n是否合適 校核設(shè)計(jì)水頭時(shí)的最大出力 根據(jù)所選的D1和n，計(jì)算出力N，要求所得出力不得小于單機(jī)額定出力，如小于，則加大轉(zhuǎn)輪直徑D1。 粗略(cl)校核水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域的工作效率 選定(xun

17、 dn)D1和n后，根據(jù)相似(xin s)關(guān)系分別求出與Hmax和Hmin對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速： 將最大和最小單位轉(zhuǎn)速，畫在輪系綜合特性曲線上，看是否包含高效區(qū)，是則說明D1和n值合理，否則需要修改D1和n值。（五）計(jì)算水輪機(jī)的吸出高度Hs（常見于設(shè)計(jì)和計(jì)算題）H分取Hmax、Hmin和Hr，分取Hmax、Hmin和Hr對(duì)應(yīng)的與5%出力限制線交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的，按右圖查取。求出三個(gè)Hs，取最小值作為該水輪機(jī)的吸出高度。三、本周課程內(nèi)容典型例題（一）選擇題1、在一次近似相似公式中，由轉(zhuǎn)速方程式可知，相似水輪機(jī)在相似工況下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪直徑（ ）。A平方成正比 B平方成反比C成正比 D成反比答案：D2、下列有關(guān)

18、運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線坐標(biāo)的說法中，正確的是（ ）。A以氣蝕系數(shù)為縱坐標(biāo)，以出力為橫坐標(biāo) B以出力(ch l)為縱坐標(biāo)，以水頭為橫坐標(biāo)C以水頭(shutu)為縱坐標(biāo)，以出力為橫坐標(biāo) D出力(ch l)為縱坐標(biāo)，以氣蝕系數(shù)為橫坐標(biāo)答案：C（二）填空題1、保證模型水輪機(jī)與原型水輪機(jī)相似，必須滿足_、_、_三個(gè)相似條件。答案：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似2、混流式水輪機(jī)輪系綜合特性曲線中包括_、_、_、_。答案：等開度曲線、等效率曲線、5%出力限制線、等汽蝕系數(shù)曲線（三）重要名詞解釋總結(jié)幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似、單位轉(zhuǎn)速、單位流量和單位出力、輪系綜合特性曲線、水輪機(jī)工作特性曲線、運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線（四）簡答題1、水輪機(jī)臺(tái)數(shù)的選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮哪些方面？綜合選用的原則是什么？答案：選擇機(jī)組臺(tái)數(shù)時(shí)應(yīng)綜合以下幾方面考慮：（1）機(jī)組臺(tái)數(shù)與設(shè)備制造、運(yùn)輸及安裝的關(guān)系。（2）機(jī)組臺(tái)數(shù)與工程建設(shè)費(fèi)用的關(guān)系 (工程量、安裝維護(hù)、結(jié)線、運(yùn)輸)。（3）機(jī)組臺(tái)數(shù)與電站運(yùn)行效率的關(guān)系。（4）機(jī)組臺(tái)數(shù)與運(yùn)行、維護(hù)的關(guān)系。（5）機(jī)組臺(tái)數(shù)與電氣主接線的關(guān)