水电站机电设备之第三章.ppt

第三章水轮机的特性及选型 第一节水轮机的相似原理及单位参数水轮机的特性参数：H、Q、n、N、、等。试验研究：原型试验、模型试验 对直径大于1米的水轮机来说，如进行水轮机原型的实验来修正理论计算，是既不经济而又非常困难的，甚至有时不可能实现。这样，就需将水轮机原型按比例缩小为模型，然后在实验室的条件下，进行水轮机的模型试验，通过模型试验再修正理论计算。这样便可保证制造速度快，费用低、试验测量方便而又正确，并且同时可以进行几个方案的试验，取其最好的方案。但模型试验结果如何换算到原型去？模型与原型如何保持相似？这就需研究它们之间的相互关系。相似原理（模型原型）：相似条件、相似定律 一、相似条件两水轮机相似水流运动满足流体力学的相似条件几何相似，运动相似和动力相似。1、几何相似：是指两个水轮机过流通道表面的所有对应角相等及所有对应线性尺寸成比例。 即：：转轮叶片的进口安装角、出口安装角和可转动叶片的转角。：转轮直径、导叶高度和导叶开度。 2、运动相似：过流流道内所有对应点的水流速度的方向相同，大小成比例，即各对应点的速度三角形相似。必要条件是几何相似。 3、动力相似：所有对应点的水流质点所受到的作用力均是同名力（如压力，惯性力，粘滞力，重力，摩擦力等），而且各同名力方向相同，大小成比例。必要条件是几何相似+运动相似。除了上述三个相似条件外，还有边界条件相似、初始条件相似，糙度相似，一般情况下，仅保证水流运动惯性力和压力的相似，对于粗糙度、粘滞力等次要因素，不计其影响，保持近似的力学相似。 二、相似定律水轮机系列：具有几何相似、尺寸不同的水轮机所形成的系列。水轮机的相似工况：同一系列水轮机保持运动相似的工作状况简称为相似工况。相似定律（相似律，相似公式）：水轮机在相似工况下运行时，其各工作参数（如：水头H、流量Q、转速n等）之间的固定关系。 由三个相似条件可知，在任一相似工况下，同一系列水轮机流道内各点的速度三角形存在一定的比例关系。即：代入水轮机基本方程式：可得：Vx：表示水轮机流道内任意点的速度或分速度m/s；Kvx：对应Vx的流速系数。 1、转速相似定律水轮机在转轮进口的圆周速度U1可写成：忽略粗糙度和粘性等不相似的影响时，相似水轮机在相似工况下有：即得转速相似定律：它表示相似水轮机在相似工况下其转速与转轮直径成反比，而与有效水头的平方根成正比。 2、流量相似定律通过水轮机转轮的有效流量可按下式计算：Vm1：进口处的水流轴面流速；F1：进口处的过水断面面积。又f：转轮进口的叶片排挤系数；α：综合系数， 将Vm1，F1代入得：同样对模型水轮机有：相似α=αM,Kvm1=Kvm1M流量相似定律：它表示相似水轮机在相似工况下其有效流量与转轮直径成正比，与其有效水头的平方根成正比。 3、出力相似定律水轮机出力为：代入上式，且得：出力相似定律：表示相似水轮机在相似工况下其有效出力（）与转轮直径平方成正比，与有效水头的3/2次方成正比。 三、单位参数参数转换尚存在的问题：1、ηH，ηV，ηm很难从η中分离出，且η也事先未知。2、对于水轮机模型试验时，所采用的模型转轮直径D1M和试验水头HM各不相同，因而所得模型参数也各不相同。 对于上述问题的解决办法：对于问题1、：先假定ηH=ηHM，ηV=ηVM，ηm=ηmM和η=ηM，在进行换算并根据经验作适当的修正。对于问题2、：将任一模型试验所得到的参数按照相似定律换算成D1M=1.0m和HM=1.0m的标准条件下的参数，并把这参数统称为单位参数。 注意：1、同一系列的水轮机,在相似工况下单位参数相等；2、在水轮机型谱中，常用水轮机模型试验时效率最高的最优工况点的单位参数值，代表该系列（或型号）水轮机的工作性能，并称为最优单位参数，分别以表示。另外，为了保证水轮机在运行时具有较好的水力性能，确保安全运行，型谱中还规定了在限制工况下的单位流量，作为选型设计时推荐使用的最大单位流量； 3、单位转速n11表示当D1=1m,时该水轮机的实际转速。在相同的转轮直径和水头条件下，单位转速越大，则该系列水轮机的实际转速就越高，故它可反映不同系列水轮机的转速特性。因此，在选择水轮机时，要尽可能选择较高的水轮机，以缩小发电机的直径，降低机组造价； 4、单位流量Q11表示当D1=1m,时，该系列水轮机的实际有效流量。在相同的直径和水头条件下，单位流量大，则水轮机的过水能力越大，故它反映了不同系列水轮机的过水能力。因此，在一定出力条件下，故选择单位流量大的机型可缩小水轮机直径，或在一定直径下，选择单位流量大的机型就能获得较大的水轮机出力；5、单位出力N11表示同系列水轮机D1=1m，有效水头时的水轮机出力。 总之，水轮机的单位参数是水轮机的重要参数。第一，它们分别表示惯性力相似和压力相似的准则，是判别几何相似的两个同型号水轮机运行工况相似的依据。两个同系列水轮机，如单位转速和单位流量分别相等，则表示两个水轮机在相似工况下运行。因此，就可用的组合表示一个运行工况。 第二，利用单位转速和单位流量可作为衡量水轮机的技术性能指标。例如在水头和转轮直径相同的条件下，具有较大的值的水轮机型号技术性能较优越。所以，它们也是水轮机选型的主要依据。 第二节水轮机的效率换算及单位参数修正一、水轮机的效率换算原型与模型水轮机在相似工况下效率不相等有三方面因素：1、原、模型水轮机的金属加工的精度基本相同，但对于直径较大的原型水轮机，其过流表面的相对粗糙度较小，水力损失较小，因而ηH较高。 2、过流介质均为水，原型水轮机水流的粘滞力与惯性力（或压力）的比值较小，其相对水力损失较小，ηH较高。3、基于加工精度的限制，模型水轮机ηV和ηm不可能按其需要的相似关系缩小，因此原型水轮机ηV和ηm均较高。因此，原型水轮机的总效率高于模型水轮机的总效率。 换算公式：混流式：轴流式：注意：1.最优工况效率修正值被近似认为等于任一工况效率修正值，故。2.对转桨式水轮机，对每个φ角下的模型效率分别计算。 二、单位参数的修正最优工况下：非最优工况下：，△n11：单位转速修正值，△Q11：单位流量修正值，注意：1.△Q11相对于Q11很小，在实际中时常不做修正。2.△n11＜0.03n110M时，也可不做修正。 第三节水轮机的比转速比转速（简称比速）是能综合反映水轮机性能的单位参数。由消去D1得对于同一系列水轮机，在相似工况下，均为常数，所以。 比转速表示同一系列水轮机在H=1m，N=1KW时的转速。利用，代入式可得：(m.KW)特征参数：规定采用设计工况或最优工况下的比转速。 各型水轮机的比转速范围为：水斗式：ns=10~70；混流式：ns=60~350；斜流式：ns=200~450；轴流式：ns=400~900；贯流式：ns=600~1100。 对于额定工况（即满负荷）时空化系数的平均值可按经验公式给出随着比转速增加，空化系数增加。在高水头的电站中，如采用比转速高的水轮机，即使保证了机器的强度条件，还要有较大的淹没深度，这显然增加了厂房的开挖和土建投资。因此，从材料强度和抗空化性能（影响厂房投资）条件着眼，在一定的水头段只能采用对应合适比转速的水轮机。比转速与气蚀的关系 比转速与水轮机的几何参数的关系不同型号的水轮机，具有不同的比转速。水轮机的越高，则越大。在一定的流速下，其所需过流断面的面积越大，要求导叶的相对高度大，转轮叶片数少，因此比转速将直接影响转轮的几何形状。 水轮机导叶相对高度与比转速的近似关系：混流式转轮进、出口直径比随比转速的增加而减小。对不同比转速具有一个水力性能最优的比值，其近似关系近代在水电工程中不断提高同一类型水轮机的应用水头。或者说，对于已确定的水头，倾向于选用更高比转速的水轮机。 随着新技术、新工艺和新材料的发展，ns不断提高：1、由，当n,H一定时，提高ns，相同尺寸水轮机提高N或小尺寸水轮机N不变；2、当H,N一定时，提高ns，可增大n，从而发电机外形尺寸减小（n=3000/P），同时减小零部件的尺寸（）。 总之，提高比转速ns对提高机组动能效益及降低机组造价和厂房土建投资都具有重要的意义。提高比转速的途径：采用新型的水轮机结构，改善过流部件的水力设计，如采用增大，缩短流道长度，减少叶片数和减缓翼型弯曲程度等，以提高水轮机的n,Q值。 带来的问题：1、对尾水管的性能要求提高，V2增大；2、水轮机气蚀性能明显变差（），开挖增加，土建投资增加；3、高比转速水轮机，限制其应用水头范围的主要因素是气蚀条件。 第四节水轮机的模型试验水轮机模型试验有：能量试验、气蚀试验、飞逸特性试验和轴向水推力特性试验。 一、模型试验参数的测量方法1、水头HM测量2、流量QM测量3、转速nM测量：多用电磁脉冲器或电力频率计数器进行测量。4、功率NM测量：模型水轮机输出的轴功率采用测功器（机械式和电磁式）进行测量。 二、综合参数计算与试验成果整理8-10个开度，6-10个负荷，测出HM,，QM，nM和NM。求出η，Q1’和n1’。 第五节水轮机的特性曲线及其绘制一、水轮机的特性曲线表示水轮机各参数之间关系的曲线。特性曲线分：线型特性曲线和综合特性曲线（一）线型特性曲线工作特性曲线水头特性曲线转速特性曲线 1、工作特性曲线：D1和H，n均为常数（效率特性曲线）、和（流量特性曲线） 2、水头特性曲线：水轮机在导叶开度a0一定时N和η随H的变化关系。D1，n和a0均为常数时（用来研究水头变化对水轮机工作性能的影响） 3、转速特性曲线：水轮机D1，H，a0均为常数时绘制的关系曲线。 （二）综合特性曲线多参数之间的关系曲线。1、模型综合特性曲线（综合特性曲线）：是以单位转速n11和单位流量Q11为纵、横坐标而绘制的几组等值曲线。等效率η线；导叶（或喷针）等开度a0线；等气蚀系数σ线；出力限制线；转桨式水轮机转轮叶片等转角φ线。 2、运转综合特性曲线：转轮直径D1和转速n为常数时，以水头H和出力N为纵、横坐标而绘制的几组等值线。等效率η线；等吸出高度Hs线；出力限制线等。针对具体的原型水轮机绘制。 二、综合特性曲线的绘制1、混流式水轮机的模型综合特性曲线⑴等开度线的绘制： ⑵等效率线的绘制： ⑶出力限制线的绘制：5%出力储备线或95%出力限制线。 ⑷等气蚀系数线的绘制 第六节水轮机的选型设计一、水轮机选型设计的内容1、选择水轮发电机组的台数及单机容量；2、选择水轮机的型号及装置方式；3、确定水轮机的轴功率、转轮直径、同步转速、吸出高度和安装高程等主要参数；4、绘制水轮机的运转综合特性曲线； 5、确定蜗壳和尾水管的型式及尺寸；6、选择调速器及油压设备；7、估算发电机的尺寸等有关参数；8、提出在特性或结构上的某些特殊要求，进行设备投资总概算等。 二、机组台数及单机容量的选择水电站总装机容量=机组台数×单机容量机组台数选择应从下列各方面综合考虑：1、机组台数与设备制造的关系：台数多，单机容量小，尺寸较小，对制造和运输条件要求低，但耗材多，加工制造工作量大，总造价较高。 2、机组台数与水电站投资的关系：大多数情况下，水电站的投资随机组台数增多而增大。 3、机组台数与水电站运行效率的关系：机组台数多，水电站运行总平均效率较高，但台数增至一定数量后，会使平均效率降低。当水电站在电力系统中承担基荷工作时，选用台数较少，尺寸较大的机组可提高电站的平均效率。 4.机组台数与水电站运行维护工作的关系5.机组台数与电厂主接线的关系机组台数越多，单机检修容易，对电网影响小，但总检修费用增加，检修频繁。若均为扩大单元接线，则机组台数为偶数；若单机容量较大，一般采用单元接线，机组台数可为奇数或偶数。 6.电力系统的因素7.设备制造、运输及安装的因素单机容量不能超过系统能够提供的备用机组最大容量，同时要考虑机组调峰或调频等性能。机组单机容量越大，制造、安装和运输越复杂，同时，机组尺寸也不宜太大，以保证转子的线速度在允许范围内。 三、水轮机型号及装置方式的选择1、型号选择⑴根据水轮机系列型谱选择;⑵套用机组：根据国内正在设计、施工或已运行的水电站资料，在设计水头接近、技术经济指标相当的情况下，可优先套用已经生产过的机组。2、装置方式选择：竖轴和卧轴(D转＜1m，Hs＞0) 3、按比转速选择水轮机不受型谱、水头段及其转轮的限制，而是根据电站的水头、出力等条件选择合适的转轮，真正做到“量体裁衣”，同时可促进水轮机水力设计的发展。⑴比转速高，转速高，机组尺寸小，水轮机造价低；⑵比转速高，转轮内流速高，易空化和气蚀，要求较深的吸出高度； ⑶比转速高，叶片少，结构单薄，使用水头受限；⑷比转速高，运行稳定性较差。理想转轮：比转速高；空化系数小且变化合理；效率高且高效区宽；水力稳定性好且稳定范围广；适用水头高且范围广。 4、选择时可能遇到的问题交界水头水轮机的选择含沙水流条件下水轮机的选择考虑运行稳定性选择水轮机对水轮机制造厂提出的设计或改造要求 四、反击式水轮机的主要参数选择D1，n：在设计水头Hr下发出水轮机的额定出力，并在加权平均水头Hav效率最高。Hs：满足防止水轮机气蚀的要求和水电站开挖深度的经济合理性。 1、用应用范围图选择水轮机的主要参数⑴根据水轮机给定的设计水头Hr和额定出力Nr可在选定系列的应用范围图上直接查得所需的D1和n值。⑵确定吸出高度：①，用Hr查对应的hs。hs：代表水轮机装置高程为零时的最大允许吸出高度。 ②若水轮机的装置高程＞0，则吸出高度⑶此法简单易行，但较粗略，多用于中、小型水电站的水轮机选型设计。 2、用模型综合特性曲线选择水轮机的主要参数首先根据模型综合特性曲线，利用相似公式计算出原型水轮机的主要参数，然后把已选定的原型水轮机主要参数换算成模型参数，绘在模型综合特性曲线图上，以检验所选的参数是否合适，如果合适，则为所选。⑴转轮直径D1的计算 可导出①Nr为水轮机的额定出力，式中Ngr为发电机的额定功率（即为单机容量）ηgr为发电机的额定效率（对大中型发电机ηgr=96%~98%，对中小型发电机ηgr=95%~96%） ②Hr为水轮机的设计水头（m）对于河床式水电站：对于坝后式水电站：对于引水式水电站：③Q11为水轮机的单位流量（m3/s）方法有两种：a.Q11可取限制工况下的单位流量；b.对混流式水轮机，Q11值也可以由模型综合特性曲线的最高效率区相应的出力限制线上选取。 对轴流式水轮机：有些电站采用限制水轮机吸出高度的办法反推Q11和σ值。（装置气蚀系数，模型综合特性曲线上作一最优单位转速n110的水平线与σZ的等值线右端相交，即为所需的Q11）④η为Q11工况点相应的原型效率，先假定一个η求出，若与假定值接近，则D1值正确，否则重新假定。⑤计算D1取稍大的标称直径。 ⑵转速n的计算为使水轮机在加权平均水头下获得最高效率，n11选用原型最优单位转速n110，选用加权平均水头Hav。注意：水轮机转速n必须与相近的发电机同步转速匹配，若n计算值介于两个同步转速之间，则采用较大的同步转速，以使机组尺寸和重量较小。 反击式水轮机转轮标称直径系列单位：cm253035（40）42506071（80）841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000发电机标准同步转速（对应于f=50Hz）磁极对数3456789101214同步转速1000750600500428.6375333.3300250214.3磁极对数16182022242628303234同步转速187.5166.7150136.4125115.4107.110093.888.2磁极对数36384042444648505254同步转速83.3797571.468.265.262.56057.755.5 ⑶工作范围的检验①由水轮机Hmax，Hmin和选定的标准直径D1，同步转速n可计算n11max和n11min②按设计水头Hr和所选定的D1可计算出水轮机以额定出力Nr工作时的最大单位流量 ③在模型综合特性曲线上绘n11max，n11min和Q11max为常数的直线。这些直线所包括的范围即为水轮机的相似工作范围，若区域包含高效率区，则所选值是合理的，否则重新选。 ⑷吸出高度Hs的计算方案比较阶段Hs可初步按设计工况下的σ值进行计算，待方案选定后再进一步根据水轮机的运行条件、厂房的开挖情况进行不同Hs方案的技术经济比较，选定合理的Hs值。