水轮机的几种模型研究

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。

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。

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。

2018年2月机电技术混流式水轮机全流道模型CFD分析与研究*张慧珍（四川水利职业技术学院电力工程系，四川成都611231）摘要：为了在设计水轮机时，能够判断机组的内部流场分布规律，校核设计方案的合理性，以某小型混流式水轮机为设计案例，采用相似性原则完成了机组的结构设计和全流道流场模型的建立，并通过CFD分析得到了机组额定工况下的速度压力分布规律。

良好的水力特性结果表明，该机组的设计方案比较合理，性能达到了预期的目的；也说明采用CFD 技术对于水轮机的设计而言，是一种行之有效的方法。

关键词：混流式水轮机；全流道模型；CFD分析；相似性原则中图分类号：TV734.1；TP391.9文献标识码：A文章编号：1672-4801（2018）01-014-02DOI:10.19508/ki.1672-4801.2018.01.005小型混流式水轮机在设计中，其内部流场的水力特性，直接影响机组的效率、汽蚀以及发电稳定性[1]。

因此，如何确保混流式水轮机的内部水流顺畅，是设计中必须考虑的关键问题。

从目前的研究现状来看，验证机组流态特性最有效的方式是在机组投入生产前，先制作一个小型的模型机组，并在试验台开展模型试验[2]。

然而，该方法却存在着一个问题，即试验的费用较为昂贵，尤其是涉及到PIV试验，成本会进一步增加。

对于小型混流式水轮机而言，从经济性方面来考虑，模型试验并不适用。

对混流式水轮机全流道进行CFD分析，是一种行之有效的方法：通过计算机仿真，可以提前判断机组的流态特性，并根据结果作进一步的优化和改进，以达到确保机组性能的目标。

由于该方法成本较低，所以在小型混流式水轮机的设计中，适用性较为广泛。

鉴于此，本文在对于某小型混流式水轮机的设计中，对其全流道进行CFD分析，判断其水力特性等参数，从而达到验证设计合理性的目的。

1水轮机的设计及流道模型的构建本文对某电站的小型混流式水轮机进行设计和流态性能预测。

在设计中，先选择与该电站条件相似的电站机组作为参考。