水轮机的几种模型研究
[讲解]第三节水轮机模型综合特性曲线
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第三节水轮机模型综合特性曲线水轮机主要综合特性曲线是指以单位转速和单位流量为纵、横坐标而绘制的若干组等值曲线，这些等值线表示出了同系列水轮机的各种主要性能。
在图中常绘出下列等值线：①等效率线；②导叶（或喷针）等开度线；③等空化系数线；④混流式水轮机的出力限制线；⑤转桨式水轮机转轮叶片等转角线。
这种主要综合特性曲线一般由模型试验的方法获得，因此，又称为模型综合特性曲线。
不同类型的水轮机，其模型综合特性曲线具有不同的特点，掌握它们的特点，对于正确选择水轮机及分析水轮机的性能是很重要的。
下面说明几种水轮机模型综合特性曲线的特点。
一、混流式水轮机模型综合特性曲线图8-6为某混流式水轮机模型综合特性曲线，它由等效率曲线、等开度线、等空化系数线与出力限制线所构成。
图8-6 混流式水轮机模型综合特性曲线同一条等效率线上各点的效率均等于某常数，这说明等效率线上的各点尽管工况不同，但水轮机中的诸损失之和相等，因此水轮机具有相等的效率。
等开度线则表示模型水轮机导水叶开度为某常数时水轮机的单位流量随单位转速的改变而发生变化的特性。
等空化系数线表示水轮机各工况下空化系数的等值线，等空化系数线上各点尽管工况不同，其空化系数却相同。
由于模型水轮机的空化系数大多是通过能量法空化试验而获得的，因此，尽管等空化系数线上的工况点具有相同的空化系数，但它们的空化发生状态可能是不相同的。
混流式水轮机模型综合特性曲线上通常标有5%出力限制线，它是某单位转速下水轮机的出力达到该单位转速下最大出力的95%时各工况点的连线。
绘制出力限制线的目的是考虑到水轮机在最大出力下运行时，不可能按正常规律实现功率的调节，而且，在超过95%最大功率运行时，效率随流量的增加而降低，且效率降低的幅度超过流量增加的幅度，因此水轮机的出力反而减小了，从而使调速器对水轮机的调节性能较差。
为了避开这些情况，并使水轮机具有一定的出力储备，因此，将水轮机限制在最大出力的95%(有时取97%)范围内运行。
水轮机微机调速器PSD—BPA模型及应用
水轮机筒阀电液同步控制系统数学建模与仿真
水轮机筒阀电液同步控制系统数学建模与仿真1. 引言嘿，朋友们！今天咱们聊聊一个非常酷的主题，那就是水轮机筒阀电液同步控制系统。
听起来复杂，但其实就像做饭一样，只要掌握了步骤，就能做出美味的菜肴。
水轮机，这个名字一听就知道是跟水打交道的东西，简单来说，它就像是大自然的动力工厂，利用水流来发电。
筒阀嘛，简单点说，就是水流的“开关”，它能控制水的流动，咱们今天的目标就是让这个“开关”与电液系统协同工作，达到最优效果。
2. 数学建模2.1 模型的建立首先，咱们得从建模开始。
数学模型就像是这个系统的“身份证”，没有它，系统就无法运转。
我们需要定义几个关键参数，比如水流速、压力，以及筒阀的开度。
这些参数就像是乐队的乐器，各自演奏自己的旋律，但最终得和谐地结合在一起。
就像煮汤，如果火候不对，味道肯定不行。
咱们的目标是建立一个精确的数学模型，能够反映出这些参数之间的关系。
数学模型的建立过程并不简单，首先得用一些基础方程来描述水流的运动，比如连续性方程和动量方程。
听起来有点复杂，但别担心，只要你有耐心，逐步来，总能找到答案。
可以想象成拼拼图，最初的几片可能很难对上，但随着拼图的逐步完善，最后的画面就会展现出它的美丽。
2.2 关键方程的推导接着，我们要推导出几个关键方程。
这些方程就像是我们的“秘密武器”，能够帮助我们解决各种问题。
比如说，如何计算筒阀的开度对水流速的影响。
这就需要运用到流体力学的一些基本原理，虽然听起来有点高深，但其实就像是在观察小溪里的水流，你只需关注水流的变化，慢慢摸索其中的规律。
建立好数学模型后，咱们就能进行仿真了。
仿真就像是在计算机上演一场精彩的舞台剧，所有的角色都得恰如其分。
通过仿真，我们可以预测系统在不同情况下的表现，避免了实地测试中可能遇到的各种麻烦。
就好比你在家里练习做菜，总能发现那些“意想不到的惊喜”。
3. 仿真分析3.1 仿真结果的解读仿真完成后，咱们得仔细分析结果。
结果就像是小孩子的成绩单，得一分就得一分，看能不能考出个好成绩。
基于气液两相流模型的水轮机数值模拟研究进展
第１ ８卷 第 ４期
２１ ０ ２年 ４月
水 利 科技 与 经 济
Ｗ ａｅ ｎｓ ｒ ａ ｃ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎｄ Ｅｃ ｎ ｍｙ ｔｒ Ｃｏ ｅ ｖ ｎ ｙ Ｓ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｏ ｏ
Ｖｏ．１ Ｎｏ ４ １ ８ ． Ａｐ ．， ０１ ｒ ２ ２
基 于 气 液 两 相 流 模 型 的 水 轮 机 数 值 模 ￣ ０究 进 展 ｖ １ Ｘｘ
冯 俊 ， 郑 源
（ 海 大 学 能 源 与 电气 学 院 ， 京 河 南 ２ １０ ） １ １０
［ 要］ 随着 水 电站 机组 容量 不 断增 大和 计 算机技 术 的 飞速 发展 ， 统 的数值 模 拟 手段 已不 摘 传
Ｓ ｕ ｆＷ ａ ｅ ｔ ｄｙ ｏ ｔ ｒ Ｔｕｒ ｉ ｅ Ｓ Ｇａ ｂ ｎ ｓ—Ｌｉ ｉ ｑｕ ｄ Ｔｗｏ —Ｐｈ ｓ ａｅ
Ｆｌ ｗ ｓ ｄ Ｎｕｍ ｅ ｉ ａ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ Ｂａ ｅ ｒ ｃ ｌＳｉ ｌ ｔｏ
Ｆ ＮＧ Ｊ ｎ，Ｚ ＮＧ Ｙｕ ｎ Ｅ ｕ ＨＥ ａ
ｐ ｓｔ ｎ ｕｌａ ｉ ｏ
效 率 、 化 性 能 和 稳 定 性 是 影 响 水 力 机 械 机 组 性 能 空 的 ３项 指 标 。 目前 ， 轮 机 的 效 率 最 高 已经 达 到 ９ ％ ， 水 ５ 而
水轮机的相似理论
第三章水轮机的相似理论及综合特性曲线§3.1 相似理论概述一、几个基本概念1、水轮机特性水轮机在不同工况下运行时，各运行参数(H，Q，n，N，η，б)及这些参数之间的关系，称水轮机的特性。
水轮机设计、制造、选型、最佳运行方案、限制条件。
由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机特性靠理论与实验相结合。
2、模型试验试验研究：原型：尺寸大，试验困难，不经济。
模型：(D: 250～460mm，H：2～6m)快、方便，易测量数据，较准确。
3、相似理论研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确立这些参数之间的换算关系的理论。
二、水轮机相似条件保证模型水轮机与原型水轮机相似，只有符合一定的相似条件(水流运动相似)。
1、几何相似：过流通道几何形状相似(1)、过流通道的对应角相等：βe1＝βe1M ；βe2＝βe2M ；Φ＝ΦM……(2)、对应尺寸成比例：D1/D1M＝b0/b0M＝a0/a0M＝…….(3)、对应部位的相对糙率相等：△/ D1＝△M/D1M几何相似: 大大小小的一套水轮机系列——轮系，同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。
2、运动相似：同一轮系水轮机、工况相似(1)、过流通道的对应点的速度方向相同(2)、过流通道的对应点的速度大小对成比例即速度三角形相似。
3、 动力相似： (压力、惯性力、重力、摩擦力等)同一轮系水轮机，水流对应点所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。
3.2 水轮机的相似定律、单位参数及比转速一、水轮机的相似定律相似定律：建立模型击原型水轮机各个参数(H 、n 、N 、η)之间的关系。
1． 流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的关系。
(a=a M )=SMM M rMM H DQ ηη21CH DQ Sr =ηη2111,,,D H D H M M 均为固定值，Q M 可以测得，若ηrM 、ηsM 、ηr 、ηs 已知，可求出Q 。
2. 转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间的关系。
水轮机模型综合特性曲线
H、a0＝const
2、水轮机的空化试验程序（闭式台）
1、根据能量试验结果，确定若干空化试验的n11 2、在每一个n11下，选定若干试验开口a0 3、调整工况参数为指定值并使之稳定 4、用真空泵逐步降低整个系统的压力，并保持H、n、 qV不变 5、测量并记录能量指标与真空度的关系
6、绘制η、P＝f（σ）曲线 7、根据曲线确定σcr
第三节 特性曲线的绘制 一、试验装置与测量方法（略） 二、试验程序
1、水轮机能量试验程序
1、试验过程中H 基本不变
2、在一系列a0下进行试验 3、在每一a0个下通过改变负 荷改变转速 （工况）
4、将数据换算成单位参数
（n11、Q11、P11、η）
5、在一个a0下测量的数据可 以绘制转速特性曲线
对转桨式水轮机，应 在每一个叶片角度下 进行上述测量
模型试验曲线
飞逸转速 nR 流量随转速 变化的规律
（一）水轮机的综合特性曲线
1、综合特性曲线
等效率线 等开度线 等空化系数线 功率限制线
2、运转特性曲线
功率限制线： 电机功率限制 水轮机功率限制 混流式：Pmax 轴流转桨：a0
各种水轮机的综合特性曲线 低比速混流式
切击式水轮机
轴流定桨
轴流转桨
二、水轮机综合特性曲线的绘制
（一）定桨式水轮机 等效率线和等开度线
功率限制线
等空化系数线 根据空化试验结果
（二）转桨式水轮机综合特性曲线的绘制
不同ϕ 角的
水轮机模型试验及特性曲线的绘制
一、线型特性曲线
（一）水轮机的工作特性曲线
H、n＝const，qV＝f（a0）
P、η＝f（qV）
1）空载流量qVxx 2）最优流量qV0 3）极限功率Pnp与极限流量 4）功率限制
第三章 水轮机调节系统数学模型的建立
第三章 水轮机调节系统数学模型的建立为使水轮机调节系统具备优良的动态性能，需要运用自动控制理论对水轮机调节系统进行分析研究。
水轮机调节系统是由调速器和调节对象组成的闭环控制系统，两者相互作用、相互影响。
调节对象不仅包括水轮机和发电机，还包括水轮机的引水系统和发电机带的负荷。
为分析水轮机调节系统的动态特性，需建立各部分的数学模型。
3.1 水轮机调节系统基本概念3.1.1 水轮机调节系统任务水电厂是生产电能的场所，由于电能不能大量储存，必然要求电能的生产与消费同时进行，否则将引起电能品质指标的变化。
衡量电能质量的指标主要是频率和电压偏差。
频率偏差过大，会导致以电动机为动力的机床、纺织机械等运转不平稳，造成次品或废品，严重的会影响发电机组及电网自身的稳定运行，甚至造成电网解列或崩溃，因此，保持电力系统频率稳定相当重要。
电压过高会烧毁各种电气设备，电压过低会影响电动机的正常启动，所以，维持一定的电压水平是保证电网正常运行的前提。
为保证电能质量，电力部门对频率有着严格的要求。
我国电力部门规定频率应严格保持在50Hz ，其偏差不得超过±0.5Hz ，对于大容量系统频率偏差不得超过±0.2Hz 。
电力系统频率稳定主要取决于系统内有功功率的平衡，然而，电力系统的负荷是不断变化的，负荷的变化必然导致系统频率的变化。
水轮机调节系统的基本任务是不断调整水轮发电机组有功功率输出，以维持机组转速在规定范围内，满足发电机正常发电及电力系统安全运行的需要。
由于电力系统的负荷是不断变化的，必然导致系统频率发生变化。
水轮发电机一般是三相交流同步电机，由电机学知交流电频率和发电机转速间有以下关系60pnf =(3.1) 式中，f 为交流电频率，p 为发电机磁极对数，n 为发电机转速。
发电机磁极对数与结构有关，一般是不能改变的，可见，交流电频率与发电机转速成正比，与改变频率，只需改变发电机转速。
水轮机和发电机通过主轴连成一个整体，其转动部分可视为绕定轴转动的刚性系统，运动由下式描述t g d J M M dtω=- (3.2) 式中，J 为机组转动部分惯性力矩，ω为机组转动角速度，260nπω=，t M 为水轮机动力矩，g M 为发电机阻力矩。
冲击式水轮机的建模方法与数值模拟
冲击式水轮机的建模方法与数值模拟引言：水力发电是一种常见且重要的可再生能源，其中水轮机是实现能量转化的核心设备之一。
冲击式水轮机作为一种常用的水轮机类型，具有简单、可靠、高效等特点，广泛应用于水力发电工程中。
本文将介绍冲击式水轮机的建模方法与数值模拟，以探索其运行特性，优化设计，并为实际生产中的工程技术提供参考。
一、冲击式水轮机的基本原理冲击式水轮机利用水流的冲击力驱动转子转动，将水能转化为机械能。
其基本原理包括水流的冲击、能量转换和传递、以及转子的运动等过程。
在设计冲击式水轮机时，需要考虑水流的流态特性、转子叶片的形状和布置、以及整体结构的刚度和稳定性等因素。
二、冲击式水轮机的建模方法为了研究冲击式水轮机的性能和特性，可以采用建模的方法来模拟其运行过程。
常用的建模方法包括数值模拟和实验模拟两种。
1. 数值模拟建模方法数值模拟建模方法是利用计算机软件对冲击式水轮机进行虚拟建模和仿真分析的过程。
主要步骤包括几何建模、网格划分、边界条件设定、运动方程求解和结果分析等。
几何建模：通过引入建模软件，如SolidWorks、AutoCAD等，将冲击式水轮机的各部件进行三维几何建模，包括转子、导叶、流道和机壳等。
网格划分：将几何模型划分为有限个小单元，形成网格。
网格划分应合理，既要考虑计算精度，又要保证计算效率。
边界条件设定：根据实际情况和研究目的，设定冲击式水轮机模型的边界条件，如入口流速、出口压力以及叶片摩擦等。
运动方程求解：利用数值方法，如有限元法、有限差分法等，对冲击式水轮机的运动方程进行求解，得到模拟结果。
结果分析：通过对模拟结果的分析，可以评估冲击式水轮机的性能和特性，如功率输出、效率、转子压力和流速分布等。
2. 实验模拟建模方法实验模拟建模方法是通过制作实物模型，并在实验室或水力试验台上进行物理实验来模拟冲击式水轮机的运行过程。
主要步骤包括模型制作、试验参数设定、数据采集和结果分析等。
模型制作：根据设计要求，制作具有代表性的冲击式水轮机实物模型。
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水轮机的几种模型研究
河流发电是一种无需建坝获取电能的方式;河流水轮机和常规水轮机的主要区别在于低流速﹑低压力和需要很大的水流通道面积。
河流动能用“水轮机”提取,转速慢，它是一种可将水流的部分动能转换为电能的水轮机。
1.河流水轮机的工作机理
一台转子功率系数为Cp,效率为的涡轮机,其额定功率为: 32
1Av C p p ρ= 因为水的流速不能降低到零,功率系数Cp 受到所谓贝兹极限(Bets limit)16/25=59%的限制。
仅此而言,用于河流能的水轮机与风轮机的物理学原理是相同的。
但是,在量与方向上却有很大的区别:虽然河水密度约比空气密度大816倍,然而河流的流速要低得多。
同时,对于风轮机来说,流动空气的方向较为发散,而河流的流动方向相对集中，涡轮叶片相对较多。
2. 模型比较
2.1戈尔洛夫水轮机
戈尔洛夫螺旋形水轮机(图1)可稳定地单向转动,效率优于Darrieus 水轮机,可用于河流发电。
这两种风力机平均风能利用系数较为相近，略为0.28。
2.2 Darrieus （H 型）与Gorlov 风力机
图 3 Darrieus （H) 图4 Gorlov(Hellical)
H 型Darrieus风力机具有其优秀的空气动力和特别的扭矩设计，此款产品具有启动风速低和抗强风性好的特点，效率23.5%。
Gorlov启动性能更好，效率达30%。
这两种风力机可进一步设计用于水力发电。
2.3 WS系列
图 5芬兰 Windside 公司的小型 VAWT 系统
该风力机的风能转化效率为0.187，但有极强的风况适应能力，启动风速低, 可在风速低至 1 m/s 的状况下工作。
曾创下在风速高达 60 m/s 的状况下也能继续发电的世界纪录，年发电量比水平轴风机的发电量增加50%，改进后，可用于水力发电。
2.4 涡轮机
图6 PacWind（美）公司的涡轮机图7 Gual industrie（法）公司的涡轮机 PacWind 公司的垂直轴风力发电机是一种全方位低风速发电机, 可以在任何有风的地方轻易地安装, 其 VAMT 外形如图6所示。
这套系统从风轮类型上应归属于阻力型风力机, 但其通过增加叶片数目和改良设计, 使迎风面积显著大于阻风面积从而减小了迎风阻力, 增高了转化效率。
图7法国 Gual industrie 公司产品 StatoEolian 风力机是在垂直轴叶片的外围增加一圈导引叶片, 形成有加速功能的进流通道, 以增大转子叶片上的风速和转动扭矩, 整个系统比传统的水平轴风力发电机具有更好的低风启动性和运行安静的优点。
它的启动风速约为 2 m/s, 风速在 40 m/s 时仍可工作, 有很宽的工作范围。
使用该风力机发电量是传统水平轴的1.3倍。
以上两种类型改进后，可用于水力发电。
3拟开发河流涡轮机
利用风力涡轮机相关参数，并参考双击式水轮机组的模型，设计以下河流发电的涡轮机。
涡轮机适用于1-15m/s的流速,工作效率约为50%。
水下涡轮转子有三个，通过涡轮转子下面的齿轮连接到中间轴齿轮，中间轴传递到增速器（未画出）。
初步设计涡轮转速60转/分，涡轮轴齿轮和中间轴齿轮的传动比为2.5，再经过二级增速器（传动比为10），传递到发电机转子（1500转/分）。
初步设计涡轮半径为0.15m,涡轮高6m,叶尖速度0.942m/s。
在水流速1-15m/s状态下可发电。
在水流速3m/s时，发电机输出功率为15-20KW。
图 8 涡轮机简图
图 9水的流速与发电机功率曲线
设计涡轮加导叶，提高涡轮机发电效率。
图 10 涡轮加导叶
沿着河流安装数台机组，可抬高河道落差，进而提高发电效率。
图 11 河流发电机组
4第二套方案设计模型
法国Achard水轮机，发电效率0.269。
图12 法国Achard水轮机
图 13 叶片模型
图14 组合发电机组
从图3.16中可以看到,固定偏角H型风力机的速比较高,可以达到7以上,
峰值点对应的速比范围在3一5之间.能量利用率峰值可以达到0.4左右
而水轮机因为空泡问题的限制,速比较低,通常小于2,峰值点对应的速
一般在1左右,风力机模型在这么低的速比能量利用率只能达到10-2数量级。
所以水轮机通常靠增加密实度来获得较高的能量利用率,增加密实度就会增加整个轮机结构的重量,在轮机尺寸和流速不变的情况下,平衡转速就会降低,速比也会进一步下降。
所以固定偏角叶轮适合于H型风力机的设计,而水轮机的设计更倾向于使用变偏角叶轮。
在偏心率相同的情况下,叶片数越多,密实度越大,轮机的能量利用率越高。
变偏角H水轮机轮机的能量利用率最大值不超过0.3,对应的速比在0.6一0.8之间,上一章提到水轮机的速比偏低,采用变偏角控制,可以使叶轮在小于或等于1的范围内达到能量利用率的最大值。
在偏心率相同的情况下,叶片数越多, 密实度越大,轮机的能量利用率越高,本文的计算结果与实验值吻合的越好。