第五章_水轮机的特性曲线.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章 水轮机的特性曲线,第一节 特性曲线的类型,第二节水轮机模型综合特性曲线绘制,第三节水轮机运转综合特性曲线绘制,第四节 水轮机飞逸特性,第五节 水轮机的轴向水推力,水轮机的内特性与外特性,水轮机内特性,水轮机内部流场：转轮内部流速、压力分布，边界层内流动，空化位置及强度。,水轮机外特性,水轮机所表达的性能：效率、过流量、空蚀、振动等。,关于水轮机性能的概括,水轮机只有一个最优工况，一般对应无撞击进口和法向出口。偏离设计工况时，不管水头变化还是负荷（导叶开度变化），水轮机效率都会降低。,水轮机的性能与比转速有密切关系。不同,n,S,的水轮机，有不同的流量特性、效率特性与空化特性不同。,混流式、定桨式水轮机叶片角度不能调整，工况变化的适应性差；转桨式水轮机可与水头、导叶开度双协联，有宽广的高效区。,水轮机的空化特性与水轮机的,n,S,有关，同时与水轮机的工况有关，一般在最优工况附近空化系数较小，大流量时空化系数大，小流量和低水头时，由于偏离设计工况而产生脱流，空化往往也会很严重。,固定叶片水轮机在部分负荷时存在一个振动区，是由于空腔空化所造成，振动区一般在,40%,55%,开度范围。,水轮机特性曲线的意义,水轮机特性曲线与水轮机特性之间的关系,水轮机特性曲线是水轮机的,“,心电图,”,，它通过一些外在的现象以图形方式表述了水轮机的特性。当一个人心脏有问题时，可以从他的心电图上反映出来。同样，当一个水轮机有问题时，可以从它的特性曲线上反映出来。,1,）不同类型的水轮机，不同的水轮机，其特性曲线不同。,2,）水轮机不同工况下，水轮机的特性不同，其特性曲线不同。,3,）水轮机各种性能之间是有内在联系的，水轮机特性曲线上的各种曲线，也有密切的内在联系。,4,）水轮机特性曲线是进行水轮机选型设计，指导水轮机运行的重要工具。,第一节 水轮机特性曲线的类型,特性曲线表达形式,：,线性特性曲线：,表达水轮机某,2,个参数之间关系的曲线：例如：,Q=f,（,a,o,）、,Q,11,=f,（,n,11,）,综合特性曲线,：表达水轮机多参数之间相互关系的曲线：例如：,特性曲线表达对象,：,模型特性曲线,：表达模型水轮机特性的曲线，常以单位参数为变量。如：,P,11,=f,（,Q,11,，,n,11,）,运转特性曲线,：表达原型水轮机运转特性的曲线，以原型参数为变量。如：,P=f,（,H,，,Q,）,一、水轮机线性特性曲线,工作特性、转速特性、水头特性,1,、工作特性曲线：,表示水轮机工作在,固定的转速,n,下的特性而绘制的曲线。在,H,、,P,、,Q,、中任何一个为自变量的特性曲线。有开度特性、出力特性，流量特性,。,空载,P,Q,空载,空载,a,出力特性,流量特性,开度特性,出力特性,:1,）开度增大流量增大、出力增大，接近最大出力时，曲线变陡。,开度增大好多流量和出力才增加一点,2,）空载开度下，出力为零，流量为空载流量。,空载,Q,空载,a,o,流量特性：,1,）开度增大，流量增大；,2,）小于空载流量时出力效率均为零。,空载流量,Q,开度特性：,1,）开度增大流量增大；,曲线越大越缓,2,小于空载开度时效率出力均为零；,3,）开度最大时，出力不一定最大。,出力最大效率不一定最大,空载开度,2.,转速特性曲线,水轮机的导水叶开度和水头,H,为某常数时，水轮机的流量,Q,、出力,P,及效率,与转速,n,之间的关系。偏离最优转速时，出力、效率降低。,根号,H=,nD,Q=D,方 根号,H,P=D,方,H32,2.,转速特性曲线：各开度下均存在一个最优转速，小于或大于最优转速，出力与效率都会降低。,n,n,0 50 100 150 200 250 300 350,3,、水头特性曲线,流量随着水头的增高而增大,出力随着水头的增高而增大,出力效率为零,水轮机在转速,n,、导水叶开度为某常数时，其出力,P,、流量,Q,及效率,与水头,H,之间的关系,空载水头,二、水轮机模型综合特性曲线,水轮机模型综合特性曲线的特点：,1,）通过模型试验而获得的水轮机特性（外特性）；,2,）综合表示水轮机能量指标、空化性能等；,3,）以单位流量、单位转速为坐标系的标准表达形式。,在以,n,11,、,Q,11,为纵、横坐标轴的直角坐标系中同时绘出,等效率线、,，,等开度线,以及,等空化系数线,，对于转桨式水轮机还绘出等叶片转角线，这些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能，故称之为水轮机的主要综合特性曲线。这种主要综合特性曲线一般由模型实验的方法获得，因此，又称之为模型综合特性曲线。,1.,混流式水轮机模型综合特性曲线,由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。,=14 18 22 24,0.2 0.25 0.30,88%90%92%,5%,出力,限制线,n,11,Q,11,混流式水轮机模型综合特性曲线,由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。,2,、轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线,等叶片转角线,14 18 22 26,0.5 0.6 0.7,等开度线,n,11,Q,11,转桨式水轮机模型特性曲线,转桨式水轮机模型综合特性曲线上标有等效率线、等开度线、等叶片转角线、等空化系数线。由等线与等线可以找出导水开度与叶片转角的最佳协联方式。,3,、冲击式水轮机模型综合特性曲线,冲击式水轮机模型综合特性曲线由等效率线（,常数）与等开度线（喷针行程,S,常数）组成。冲击式水轮机的过流量与水轮机的转速无关，仅与喷嘴的开度有关，它的等开度线是与,Q11,坐标轴垂直的直线。,n,11,Q,11,11 13 15 17 19 21,88%86%84%82%,等开度线,等效率线,4,、不同类型水轮机特性曲线的比较,冲击式,低比速,混流式,中高比速混流式,轴流转,桨式,n,11,Q,11,比转速升高,第二节水轮机模型特性曲线的绘制,一、混流式水轮机模型综合特性曲线绘制,1,、等开度线的绘制,水轮机能量实验通常是在固定,H,和固定,a,o,下，通过控制水轮机转矩去调节水轮机的转速,n,，从而测得同一导叶开度下一系列工况点的性能参数。按照各实验工况点的水头,H,、流量,Q,及转速,n,，用相似率公式可以求出各工况点的,Q,11,和,n,11,，将各工况点绘到图上如图所示的坐标系，用光滑曲线将各点连接，即得到模型水轮机的等开度线。,导叶开度：,a0=,；实验水头,模型转速,n,100,150,200,250,模型流量,Q,0.035,0.033,0.031,0.028,.,n,11,50,55,60,65,Q,11,160,150,140,132,.,2,、等开度线绘制,2,、等效率线的绘制,-,=f(n,11,),曲线,模型转速,n,100,150,200,250,模型流量,Q,0.035,0.033,0.031,0.028,.,出力,P,0.61,0.65,0.68,0.52,n,11,50,55,60,65,Q,11,160,150,140,132,0.75,0.80,0.84,0.86,n11,a,o,=18,等效率线的绘制,n,11,Q,11,等效率线的绘制步骤,根据模型实验所获得的数据，计算出各工况点的效率与单位转速，绘出各导叶开度下的曲线，每个开度有一条曲线。,在曲线图上以某常数作一直线，与各开度下的曲线相交，得交点,b1,、,b1,、,b2,、,b2,，找出各交点相对应的,n11,与,Q11,。,以,n11,为横坐标，以,Q11,为纵坐标绘一直角坐标系，并在其中绘出各导叶开度的等开度线，将中所得到的各交点按其,n11,、,Q11,值绘到坐标图中相应的等开度线上，将各点连成光滑曲线，即得到相应于所取得效率值的一条等效率曲线。,等效率线的绘制,n,11,(r/min),Q11(L/s),4,、出力限制线的绘制,绘制出力限制线的目的：,1,）为了防止水轮机出现反调节；,2,）留有一定余量；,3,）保证水轮机负荷调节的线性度。,p,11,P,11max,P,11max,95%,Q,11,*,Q,11,*,n,11,Q,11,n,11,=C,n,11,=C,5,、等空化系数线绘制,n,11,=75,n,11,=70,n,11,=65,n,11,=60,75,70,65,60,n,11,Q,11,2.,转桨式模型综合特性曲线绘制原理,把叶片角固定在某一角度，按定桨方式运行，并绘制该,=,常数时的模型特性曲线。,转桨式水轮机的特性曲线实质是各个固定,角线特性曲线的综合。,用取包络线或等值线的方式绘制绘制转桨式水轮机的特性曲线,。,转桨式模型综合特性曲线绘制原理,_1,n,11,Q,11,转桨式模型综合特性曲线绘制原理,-1,n,11,Q,11,转桨式模型综合特性曲线绘制原理,-2,等效率线绘制,-,各,角下等效率线的包络线,n,11,Q,11,转桨式模型综合特性曲线绘制原理,-3,等开度线绘制,n,11,Q,11,a,o,=10,a,o,=20,a,o,=30,a,o,=30,a,o,=20,a,o,=10,a,o,=10,a,o,=20,a,o,=30,a,o,=10,a,o,=20,a,o,=30,轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线,等叶片转角线,14 18 22 26,0.5 0.6 0.7,等开度线,n,11,Q,11,第三节水轮机运转综合特性曲线,原型水轮机的运转综合特性曲线是转轮直径和转速为常数时，以水头,H,、出力,P,为纵横坐标作出的等效率线、等吸出高度线以及出力限制线。,模型综合特性曲线,原型运转综合,n,11,H,；,m,；,Q11,P,；,H,S,一、混流式水轮机运转特性曲线换算原理,n,11,Q,11,H,P,Q,11,P,混流式水轮机运转综合特性曲线绘制,等效率线绘制：水轮机各工况的效率,出力限制线绘制：水轮机各水头下的允许出力,等吸出高度线绘制：水轮机各工况下的允许吸出高度,等效率线绘制,p,H,P,H,1,H,2,H,3,H,1,H,2,H,3,2.,出力限制线绘制,大于等于设计水头：,出力为额定出力,小于设计水头：,由水轮机出力限制线换算,(,H,min,),(H,r,),(,H,max,),A,B,n,11,Q,11,H,P,r,H,max,H,r,H,min,B,A,.,等吸出高度线绘制,由空化系数线换算，方法同等效率线。,(H),n,11,Q,11,H,P,r,P,r,H,二、转桨式水轮机运转特性曲线换算与绘制,取,n,11,=,常数线与等,角线的交点作计算点，计算交点效率、出力，绘制,f(p,),曲线,等叶片转角线,0.5 0.6 0.7,n,11,Q,11,等效率线绘制,）,计算各,角的效率修正值,：,（,）,o,(,)-,Mo,(,),o,(,)=1-1-,Mo,(,)(0.3+0.7,),对各工况点进行效率修正，同一转角用同一修正值。并计算各点的出力。获得各水头下,f(P,),关系曲线）以,f(P,),关系曲线为基础绘制等效率线，方法同混流式水轮机等效率线的绘制,出力限制线绘制,转桨式水轮机模型综合特性曲线上不标出力限制线，但其最大出力受空化的限制。在确定了水轮机的额定工况后，通常把,通过额定工况点的等开度线作为水轮机的出力限制线。,在确定为出力限制线的等开度线上取一系列工况点，记下各工况点的,n,11,、,Q,11,，由相似计算公式计算出各点对应的水头及出力，将这些点绘在坐标系中，连接各点即得到原型水轮机的出力限制线。,轴流转桨式水轮机模型出力限制,等叶片转角线,14,18 22,26,0.5 0.6 0.7,等开度线,n,11,Q,11,设计单位流量,出力限制线,第四节 水轮机飞逸特性,如果突然甩负荷，且调速机构失灵、导水机构又不能及时关闭时，由于输出的电磁力矩为零，因而输入的水流能量除了少部分消耗于机械损失外，其余大部分使机组转速急剧增高，并将达某一最大转速，这时的运行工况称为,飞逸工况,，这时的最大转速称为,飞逸转速,。,水轮机飞逸转速的大小与水轮机的,飞逸特性,有关，而飞逸特性一般用,单位飞逸转速,表示。,一、飞逸特性,第四节 水轮机飞逸特性,第四节 水轮机飞逸特性,第四节 水轮机飞逸特性,二、飞逸转速的确定,一般说来，在同一水头下，导叶全开时飞逸转速最高。对转桨式水轮机，当导叶开度及桨角转角的协联关系破坏，并且在导叶全开同时桨叶转角愈小，飞逸转速愈大。,1.,由单位飞逸转速计算,2.,由飞逸系数计算,取,1.72.0,（,HL,）,或,2.42.6,（,ZZ,协联破坏）,2.02.2,（,ZZ,协联保持）,第四节 水轮机飞逸特性,三、防飞逸的措施,1.,设置快速闸门,2.,增设事故配压阀,3.,采用水力自关闭导叶,4.,强行开大转角（可能带来振动）,5.,采用制动叶片,第五节 水轮机的轴向水推力,一、概念,水轮机的轴向水推力是指水流经过转轮时所引起的一种轴向力。,二、轴向水推力的计算,三、水轮机总轴向力的计算,四、减小轴向水推力的措施,当,甩负荷或由发电转为调相时可能产生,反向水推力，如该力大于转动部分的重量时，转动部分将向上抬起,抬机,。,原因,：,1.,反向水推力,2.,尾水管反水锤,措施,：,1.,补气,2.,分段关闭导叶,第五节 水轮机的轴向水推力,