水轮机课件——水轮机的特性曲线
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水头特性曲线
水头特性曲线
表示水轮机在转速、导水叶开度为某常数时，其出力P、流量Q及效率η与水头H之间的关系。
水电站的水头变化一般比较缓慢，短时间内可以看作定值。
较长时间内水头可能发生较显著变化：
(1)低水头径流式水电站，洪水期或电站在大负荷运行时流量的增多而使下游水位升高，或者由于防洪需要而必须降低上游水位，故水头剧烈降低。
(2)建有高坝的水电站，上游库水位可能发生较大变化。
(3)在具有长引水管道的水电站，流量变化时由于引水损失变化很大而使水头发生较大改变。
水轮机出力与水头的关系曲线接近于直线，各导叶开度下的曲线P=f(H)从相应空载水头Hx点开始引出，导叶开度不同时，相应的空载水头也不同。
在低于空载水头时，水轮机即使在空载时也不可能达到额定的转速。
第四章特性曲线及选型讲解
容积效率：缝隙 机械效率；部件之间的摩擦 水力效率：粗糙度，水流粘滞力，流场
（沿程损失，局部损失）
第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正
二、水轮机效率换算经验公式
1、最优工况下的效率修正
1963年国际电工委员会推荐的公式：
混流：max 1 (1 M max)5
D1M D1
4-33
轴流：max
当H一定时： ns ↑→N↑→n↑。机组尺寸缩小，投 资减少，因此提高比转速可以降低造价。
当H和N一定时，ns越高，空蚀系数越大，需要增 加厂房开挖。
比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数 目减少。
第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正
一、为什么效率换算 1. 单位参数公式假定在相似工况下，η=ηM， 2.实际上η>ηM(约2%～7%)。 原因：原、模型不能做到完全相似
n1 n10 n10M n10M (
max M max
1)
其他工况时：
Q1 Q1M Q1
n1 n1M n1
在工程实践中，当 n1 0.03n10M 时，单位转速不必修正 单位流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正
第四节 水轮机的主要综合特性曲线
n n H D1
N1
N D12 H 3/ 2
N N1D12 H 3/ 2
单位参数是同轮系水轮机的“代表”参数，Q1'，n1' 表示水轮机的运行工况
同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数，不 同工况下单位参数分别为一常数(工况不同，单 位参数不同)
在最优工况下的单位参数——最优单位参数， (Q‘10, n’10, N‘10)，代表该轮系水轮机的工作性能。
（沿程损失，局部损失）
第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正
二、水轮机效率换算经验公式
1、最优工况下的效率修正
1963年国际电工委员会推荐的公式：
混流：max 1 (1 M max)5
D1M D1
4-33
轴流：max
当H一定时： ns ↑→N↑→n↑。机组尺寸缩小，投 资减少，因此提高比转速可以降低造价。
当H和N一定时，ns越高，空蚀系数越大，需要增 加厂房开挖。
比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数 目减少。
第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正
一、为什么效率换算 1. 单位参数公式假定在相似工况下，η=ηM， 2.实际上η>ηM(约2%～7%)。 原因：原、模型不能做到完全相似
n1 n10 n10M n10M (
max M max
1)
其他工况时：
Q1 Q1M Q1
n1 n1M n1
在工程实践中，当 n1 0.03n10M 时，单位转速不必修正 单位流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正
第四节 水轮机的主要综合特性曲线
n n H D1
N1
N D12 H 3/ 2
N N1D12 H 3/ 2
单位参数是同轮系水轮机的“代表”参数，Q1'，n1' 表示水轮机的运行工况
同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数，不 同工况下单位参数分别为一常数(工况不同，单 位参数不同)
在最优工况下的单位参数——最优单位参数， (Q‘10, n’10, N‘10)，代表该轮系水轮机的工作性能。
第二节 水轮机选型设计
反击式水轮机转轮公称直径系列
25 30 35 (40) 42 50 60 71 (80) 84 100 120 140 160 180 200 225 250
275 300 330
380
410 450 500 550 850 900 950 1000
• 五、反击式水轮机的主要参数选择 • 2、转速n的选择
• 3、选择水轮机的型号： • （3）也可根据教材表8-4或图8-25确定水轮机的类型后， 或当用上述方法有两个型号接近的可选方案时，可用下 述方法选择水轮机的型号（比转速） • 轴流式 • 混流式
2300 ns Hr
2000 ns 20 Hr
• 贯流式：查下面曲线
• 2、装置方式选择 • 在大中型水电站中，其水轮发电机组的尺寸一般较大， 安装高程也较低，因此其装置方式多采用立轴式，即水 轮机轴和发电机轴在同一铅垂线上，并通过法兰盘联接。 这样使发电机的安装位置较高不易受潮，机组的传动效 率较高，而且水电站厂房的面积较小，设备布置较方便。 • 对机组转轮直径小于1m，吸出高度Hs为正值的水轮机， 常采用卧轴装置，以降厂房高度。而且卧式机组的安装、 检修及运行维护也较方便。
• 三、机组台数及单机容量的选择 • （2）运行效率 • 较大单机尺寸的机组，效率比较高。这对于预计经常满 负荷运行的水电厂获得的动能效益特别显著。 • 对变动负荷的水电厂，若采用过少的机组台数，虽单机 效率高，但在部分负荷时，由于负荷不便于在机组间调 节，因而不能避开低效率区。因此电厂的平均效率较低。
• 四、水轮机型号及装置方式的选择 • 1、根据电站装机总容量及机组台数，计算单机容量。
PZ P Z
• 2、选择水轮机的型号： • （1）根据水轮机系列应用范围综合图选择转轮型号 • 选型时可用已知的水电站设计水头和单机容量，在水轮 机系列应用范围综合图上找出适当的水轮机型号和装置 方式。有时可能有两种或三种适用的水轮机型号，这时 就需要根据具体情况，对不同机型方案进行全面的分析 比较，最后选用一种最优的机型。 • 常用于中小型机组的选择。
水轮机课件——轴流式水轮机
➢水轮机的特性
（１）轴流定桨式水轮机的特性
１、效率线
n11
窄长，负荷
变化适应性
差。
a
２、等开度
线为上升曲
线，单位转
速增大时流
Q11
量增大。
(２)转桨式水轮机的特性
特点：高效区宽；叶片与水头、导叶双协联
定桨、转桨比较
n11
等开度线
等叶片转角线
Q11
转桨式水轮机桨叶与导叶的协联 导叶开度增大时叶片角度增大
Tz TZ11D12H max TZ11 : 单位轴向水推力，查实验曲线
➢混流式水轮机的轴向水推力
• 公式
Ft
9.81103
4
D12Hmax (N )
K
4
D12
H
max
(104
)(N
)
转轮型号 HL310 HL240
K
0.37-0.45 0.30-0.41
HL100 0.08-0.14
1.图中没有安装轮叶 操作架；
2.图中没有标出所有 的连接螺钉和轴套。
轮叶连杆转壁
轮叶操作机构
铜瓦
枢轴
转臂
铸铁瓦
操作架连接处
连杆 图中尚缺乏轮叶操作架
➢轴流式水轮机的性能特点
转速高，过流能力强，同样条件下，出力大。 转桨式可随水头与负荷的变化自动调整叶片角 度，有宽广的高效率区。 单位流量大，空化系数大，同样工作条件下比 混流式空化严重。
大
Q11
(3)转桨式水轮机的轴向水推力
Tz=K
4
D12Hmax (104
N
)
Do
bo Vm
T
➢轴向水推力的计算
１一般由实验确定水推力系数（水轮机型谱或模型 特性曲线）
《水轮机介绍》课件
工业应用
水轮机可以通过联轴器或其他机构与其它设备实现 任意转速匹配和联动运作。
水轮机基本原理
水轮机受到水流的作用产生功率，根据能量守恒和牛顿第二定律，外出水功率等于轮机内部转化的机械功率和 内部耗散的损失。
1
流体力学基础
水轮机是流体力学和材料力学相结合的
机械运动学基础
2
产物。 流体力学研究的是液体在各种情况下运
境没有污染。 • 使用寿命长，可达数十年或更长。
缺点
• 需要大量的水资源支持，这可能对周边生态 环境造成影响。
• 需要耗费较大的资金和人力来进行安装和维护。 • 无法满足一些特定的需求，比如一些应用场
合需要更高的功率。
水轮机的维护和保养
定期的维护和保养对水轮机的运行和性能十分重要，它们可以延长水轮机的使用寿命。
可获得的能量之比，通常在80%-90%之 间。功率则是水轮机的输出功率。
流量指单位时间内通过水轮机的水量，
转速是叶轮每分钟的旋转圈数，是影响ຫໍສະໝຸດ 水轮机性能的重要因素之一。
水轮机的优缺点
水轮机具有高效、环保、耐久等优点，但也存在一些缺点，比如对水资源需求大、安装和维修成本高等。
优点
• 具有高效利用水能和发电效率高等优点。 • 使用水作为能源，无需消耗化石能源，对环
2 水轮机对环境的影响
水轮机对环境主要的贡献在于它产生的清洁能源有助于减少化石燃料的使用，从而降低 温室气体的排放。
案例分析
水轮机在发电、工业和民用领域有着广泛的应用，以下将介绍几个成功案例。
水轮机应用案例
八闽大地水利用电站是福建省最大的水利机械系统项目，水轮机的运行保障了亿万家庭的用 电需求。
水轮机维护案例
水轮机介绍
第四章特性曲线及选型讲解
3、相似理论 原型--------------- 模型
怎样保证模型与原型相似？怎样相互换算参数？
二、水轮机相似条件
1、几何相似： (1) 对应角相等：
βb1＝βb1M ；βb2＝βb2M ；Φ＝ΦM……
(2) 尺寸成比例： D1/D1M＝b0/b0M＝a0/a0M＝……. (3) 对应部位的相对糙率相等： △/ D1＝△M/D1M
4. 绘制水轮机运转综合特性曲线 (第六节) 5. 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机
的重量和价格。 (第七节、第八节)
6. 调速器及油压装置选择 （第五章） 7. 根据选定的水轮机型式和参数，结合水轮机在
结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向 厂家提出制造任务书，最终双方共同商定机组 的技术条件，作为进一步设计的依据。
不受奇偶台数限制总之一般应采用较大的n较少的台数但一般至少应选2台中型电站一般46台大型电站一般68台葛洲坝共21台装机2715mw三峡26700共装机18200mw坝后厂房6台右岸地下厂房水轮机的标准系列1水轮机的系列型谱我国1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱大中型轴流式水轮机转轮参数适用水转轮型号转轮叶片z1轮毂对高度最优单位转速推荐使位最大流量模型空化系03304381422000071022zz56004004013020000590771526zz46005003821161750062036zz440050037511516500380653035zz36005503501071300023040适用水头转轮型号导叶相对高度最优单位转推荐使用的单位最大流模型空化系数30hl3100391883140003602545hl2400365720124002003565hl2300135710111001705085hl22002507001150013390125hl2000200680960010090125hl18002006708600085110150hl16002246706700065140200hl11001186153800055180250hl12001206253800060230320hl10001006152800045大中型混流式水轮机转轮参数2水轮机转轮标称直径系列cm253035404250607180841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000说明
怎样保证模型与原型相似？怎样相互换算参数？
二、水轮机相似条件
1、几何相似： (1) 对应角相等：
βb1＝βb1M ；βb2＝βb2M ；Φ＝ΦM……
(2) 尺寸成比例： D1/D1M＝b0/b0M＝a0/a0M＝……. (3) 对应部位的相对糙率相等： △/ D1＝△M/D1M
4. 绘制水轮机运转综合特性曲线 (第六节) 5. 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机
的重量和价格。 (第七节、第八节)
6. 调速器及油压装置选择 （第五章） 7. 根据选定的水轮机型式和参数，结合水轮机在
结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向 厂家提出制造任务书，最终双方共同商定机组 的技术条件，作为进一步设计的依据。
不受奇偶台数限制总之一般应采用较大的n较少的台数但一般至少应选2台中型电站一般46台大型电站一般68台葛洲坝共21台装机2715mw三峡26700共装机18200mw坝后厂房6台右岸地下厂房水轮机的标准系列1水轮机的系列型谱我国1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱大中型轴流式水轮机转轮参数适用水转轮型号转轮叶片z1轮毂对高度最优单位转速推荐使位最大流量模型空化系03304381422000071022zz56004004013020000590771526zz46005003821161750062036zz440050037511516500380653035zz36005503501071300023040适用水头转轮型号导叶相对高度最优单位转推荐使用的单位最大流模型空化系数30hl3100391883140003602545hl2400365720124002003565hl2300135710111001705085hl22002507001150013390125hl2000200680960010090125hl18002006708600085110150hl16002246706700065140200hl11001186153800055180250hl12001206253800060230320hl10001006152800045大中型混流式水轮机转轮参数2水轮机转轮标称直径系列cm253035404250607180841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000说明
水轮机结构介绍(经典)ppt课件
外形图
泄水锥结构
剖面图
作用：
1. 是水轮机导水机构的重要组成部分，主要是为尾水导流； 2. 整理版课件 使转轮体内部形成一个封闭油腔，起密封作用。 32
整理版课件
泄水锥安装
装配步骤：
首先将泄水锥固定在 地面上，基本保证其轴心 与地面垂直；用桥机调起 转轮体与泄水锥进行对接； 调整位置使得二者的轴心 在同一条直线上，然后用 固定螺栓将二者把合在一 起；连接体外部安装封围 板（图中没有表示）。
密封圈 油槽盖 推力瓦 托瓦 支筒 支铁 弹性油箱
整理版课件
推力轴承结构
推力头
卡环
镜板 油冷器
底盘 推力轴承座 挡油管
55
推力油箱
与油槽盖 配合面
推力油箱
与推力轴承柱 段配合面
油冷却器 安装孔
推力油箱由二瓣组成，两者组装后吊入机坑与推力轴承支
架整柱理版段课件 通过螺栓紧固在一起。
56
弹性油箱底盘组件
作用：
调节通过机组过流系 统的水的流量，达到 控制机组转速的目的；
整理版课件
14
活动导叶安装
活动 导叶
基础
底环
1.将活动导叶分片吊入机坑，注意不得碰伤导叶工作面；
2.调整导叶位置，使得每个导叶基本垂直，待导叶调整完成
以后加装限位块。
整理版课件
15
与支持盖 接合部位
顶盖
导叶套筒 安装孔
作用：
1. 固定导水机构；
2. 用螺栓将锥体下环与空气围带底座紧固在一起。
整理版课件
42
整理版课件
支持盖吊装
装配步骤：
首先在支持盖与锥体 下环和上环组合成一个整 体；在支持盖顶部安装控 制环；用桥机吊起支持盖， 将其吊入机坑；调整支持 盖位置，使其与顶盖的安 装螺栓孔对齐，然后用螺 栓和螺母将支持盖和顶盖 紧固起来，并保证安装紧 固可靠。
水轮机介绍PPT课件
a
3
水 电 站 HYDROPOWER ENGINEERING
水轮机型号
反击式
水轮机型式 + 转轮型号（比转数） +主轴布置型式 + 水轮机室特征 + 转轮标称直径（cm）
冲击式
同轴安装的转轮数 + 水轮机型号 + 转轮型号（比转数）+ 主轴布置型 式 + 转轮标称直径（cm）+ 每个转 轮上喷嘴数 + 设计射流直径（cm）
斜流式水轮机 灯泡式贯流式水轮机
冲击式水轮机
水斗式水轮机 转轮 喷管 折流板（折向器） 机壳
斜击式水轮机 双击式水轮机
a
6
a
7
a
8
a
9
a
10
a
11
a
12
a13a14 Nhomakorabeaa
15
a
16
a
17
a
18
a
19
a
20
a
21
a
22
返回
a
23
返回
a
24
返回
a
25
4、反击式水轮机引水机构的构造及各部件的作用是什么？
5、反击式水轮机导水机构的构造、作用及其工作原理?
6、试说明混流式水轮机转轮及轴流式水轮机转轮的构造及各组 成部分的作用。
7、试阐述尾水管的作用及其动能回收系数。
8、试说明冲击式水轮机的构造及其各组成部件的作用。
a
33
反击式水轮机
混流式水轮机：幅向流入、轴向流出 轴流式水轮机：轴向流入、轴向流出
定桨 转桨
斜流式水轮机：斜向流入、斜向流出
a
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空载
P
， 曲线
空载
Q
， 曲线
空载
a
， 曲线
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η与转速n之间的
关系。偏离最优转速时出力、效率降低。
0 50 100 150 200 250 300 350
n
n
～ 曲线；（ ） ～ 曲线；（ ） ～ 曲线
3、水头特性曲线
Q11
aH0
➢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ao 下，通过控制水轮机转矩 去调节水轮机的转速n，从而测得统一导叶开度下一系列工况点的 性能参数。按照个实验工况点的水头H、流量Q及转速年n，用相似 率公式可以求出各工况点的Q11和n11，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。
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η与水头H之间的关系
空载水头
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n11、Q11为纵、横坐标轴的直角坐 标系中同时绘出等效率线、 C1， 等开度线 a C2 以
• 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。
• 在曲线图上以为某常数作一直线，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与。
• 以为横坐标，以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②中所得到的各交点按其、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。
n11
a =14 18 22 24
88%90%92%
5%出力 限制线
0.2
0.25 0.30
Q11
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。
轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线
n11
5o 0o
5o 等叶片转角线
常数线
0.5 0.6
➢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（ao）、Q 11=f（n11） 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： f (Q11,n11), P f (H,ao )
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
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。
n11
等开度线
88% 86% 84%82%
等效率线
s 9 11 13 15 17 19 21
Q11
4、不同类型水轮机特性曲线的比较
n1
1
低比速 混流式
冲击 式
中高比 速混流 式
轴流转 桨式
比转速升 高
导叶开度：ao=Ｃ１； 实验水头Ｈ＝Ｃ２
模型转速n 100 150 200 250
模型流量Q 0.035 0.033 0.031 0.028
n11
50 55
60
65
Q11
160 150 140 132
…… ……. ……… ……..
等开度线绘制
ao 10
ao 20
ao 30
等开度线的绘制
等效率线的绘制
➢水轮机的特性曲线 ➢水轮机选型设计
➢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
1. 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。
5. 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。 • 不同类型的水轮机，不同的水轮机，其特性曲线不同。 • 水轮机不同工况下，水轮机的特性不同，其特性曲线不同。 • 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。 • 水轮机特性曲线是进行水轮机造型设计，指导水轮机运行的重 要工具。
参数为变量。如：P11=f（Q11，n11） 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）
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和水头H
a 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。
0.7a 14 1822等开度线 26Q11
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（η＝常数）与等 开度线（喷针行程S＝常数）组成。
2. 水轮机的性能与比转速有密切关系。不同nS的水轮机，有不 同的流量特性、效率特性与空化特性不同。
3. 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。
4. 水轮机的空化特性与水轮机的nS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。
及等空化系数线 ，对C于3 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何种主 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。
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。