水轮机的相似理论
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水轮机模型压力脉动的测试及方法研究作者:吴可君来源:《中国新技术新产品》2015年第23期摘要:随着我国对水利资源开发力度的加大,水轮机作为水利资源开发工程中的主要设备向着大尺寸、大功率的方向发展着。
在水轮机相似理论的指导下,水轮机模型试验在水轮机使用和发展方面有着重要作用,虽然水轮机模型压力脉动的测试结果不能完全反映到水轮机组上,但作为一种水轮机组压力脉动的参考方法,有着重要意义。
关键词:水轮机模型;压力脉动测试;计算机技术中图分类号:TM312 文献标识码:A1 水轮机模型试验的重要意义1.1 水轮机相似理论水轮机相似理论是研究相似水轮机之间存在的相似规律,并确定运行参数之间换算关系的理论。
目前水轮机相似理论已经广泛应用于水轮机设计、制造、选型和最佳运行方案选择上,但由于水轮机水流条件复杂性,根据水轮机模型方法研究水轮机真机的相关特性,必须在保证水流运动相似的条件下进行。
2.2 水轮机模型的重要意义由于水轮机组的电力工程属性普遍有着规模大、投资高、建设难的问题,水轮机试验人员在对水轮机进行设计、制造、选型等工作时无条件用真机对水轮机运行和各项特性进行试验和分析,导致用计算指导实践的弊病,一旦计算与实践脱节出现问题,损失不可估量。
依据水轮机相似理论,可以利用较小尺寸的模型在较低水头下工作去模拟大尺寸和高水头的原型水轮机,由于模型水轮机具有运转规模小、费用小、试验方便的特点,不但可以随着需要变动工况,还能在较短时间内对水轮机运行整体特性进行分析。
模型水轮机运行参数通过一定的曲线关系可指导真机运行和特性研究,利用模型水轮机运行功率和相关特性研究可在水轮机发电机组建设前提前选择好最佳机型和运行方案,对水轮机组高效的运行提供保证。
2 水轮机模型压力脉动测试2.1 什么是压力脉动测试压力脉动是指紊流中一点处压强随时间做随机变化的现象,是机组产生振动、噪音的重要原因之一,也是衡量机组稳定性的重要指标。
想要提高系统的工作品质就应对水轮机组内部的压力脉动情况进行分析,并且通过改进相应结构和安装技术减少压力脉动对机组产生的影响,从而使机组能够更稳定的运行。
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。
第四章 水轮机的特性曲线与选型第一节 水轮机的相似律一、水轮机的相似条件在进行模型试验时,模型与原型水轮机之间应满足的条件称为水轮机的相似条件。
模型和原型水轮机之间应满足几何相似、运动相似和动力相似三个相似条件。
1.几何相似(必要非充分)(同轮系)几何相似是指两个水轮机的过流部件形状相同(即过流部件几何形状的所有对应角相等),尺寸大小成比例。
即:===mmma ab b D D 000011式中 :01b D 、、0a ——水轮机的转轮直径、导叶高度、导叶开度。
满足几何相似的一系列大小不同的水轮机,称为同轮系(或同型号)水轮机。
只有同轮系的水轮机才能建立起运动相似或动力相似。
2.运动相似(等角工作状态)运动相似是指同一轮系的水轮机,水流在过流通道中对应点的同名流速方向相同,大小成比例,即相应点的速度三角形相似。
即两水轮机运动相似就称此两水轮机为等角工作状态。
3.动力相似动力相似是指同一轮系水轮机在等角工作状态下,水流在过流部件对应点的作用力(惯性力、重力、粘滞力、摩擦力等),同名力的方向相同,大小成比例。
二、轮机的相似律在满足相似条件的基础上原型与模型水轮机各参数之间的相互关系称为水轮机的相似律,也称为水轮机的相似公式。
1.转速相似律s m sm mH D H D n nηη11=s H D n η11∝2.流量相似律sm m msvmm vH D H D Q Q ηηηη2121=s VH D Q ηη21∝式中:v Q η—有效流量。
称为水轮机的流量相似律,亦称为流量方程式。
在应用中,直径m D 1、1D 、水头m H 、H 为定值,若效率vm η、sm η、v η、s η为已知时,则可由测得的m Q 求得原型水轮机的流量Q 。
3.出力相似律()()jmsm m m j s mH D H D N N ηηηη23212321=2321s H D N η∝称为水轮机的出力相似律,亦称出力方程式。
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。
CH nD H D n SSMM MM ==ηη113. 出力相似律:即原型和模型水轮机出力之间的关系。
CH D N H D N jS jM SM M M M==ηηηη2/3212/321)()(二、单位参数(在不同轮系之间进行比较)将模型试验结果化成为D 1M =1m ,H M =1m 标准情况下的参数——单位参数,分别用)(111N n Q ''',,表示。
假定:sM s ηη=,rM r ηη=,jM j ηη=,M ηη=(实际上,原型效率〉模型效率,需修正)1 单位流量1Q ': HD Q Q 211=' H D Q Q 211'=(m 3/s)2 单位转速1n ': H nD n 11=' 1D H n n '=(r/min)3 单位出力1N ': 2/3211HD NN =' 2/3211H D N N '=(KW) 单位参数对同一轮系水轮机在不同的相似工况下分别为一常数(工况不同,单位参数不同)。
单位参数由模型试验得出→原形水轮机的参数(相应工况)。
冲击式水轮机的单位参数:21001)(48.3D d kvz Q ='kv n 6.841='η21001)(14.34D d kvz N ='通常用1Q ',1n '表示水轮机的运行工况。
当几何相似,1Q ',1n '对应相等时,两个水轮机工况相似。
(略去效率、吸出高度和汽蚀系数的影响)三、水轮机的比转速s n (Specific speed)1、 定义:同一轮系水轮机,当其工作水头H=1m ,出力N=1KW 时,所具有的转速。
2、 公式:4/5H N n n s=(m.kW) 3、 意义:(1) n 表示水轮机特征的一个综合参数(与D 1无关),能将水轮机的各个参数n 、H 、 N 之间的关系综合反映出来,代表了水轮机的轮系特征。
(2) 工况相似时,s n =常数,即s n 不随工况变化。
(3) 一般按H 设、N 额、n 额确定该水轮机轮系的特征参数。
4/5re e s H N n n =(m.kW) ——特征参数水轮机型谱规定 ZL : 2/12300rs H n =HL : 2020002/1-=rs H n用单位参数表示: η1113.3Q n n s ''=(m.kW) 水斗式水轮机: 01214Z D d n s =(m.kW) 4、 讨论:(1)、相似水轮机,工况相似,s n 相同,不同的s n ,反映不同轮系水轮机特征。
(2)、当H 一定时:s n ↑→Q ’1η↑,n ’1↑→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。
(3)、当水头和处理一定时,n s 越高,汽蚀系数越大,增加厂房开挖。
(4)、比转速增加,单位流量增加,b 0/D 1增大,叶片数目减少。
§3.3 水轮机的效率换算与单位参数修正一、 水轮机效率换算上节的单位参数公式是在假定相似工况下M ηη=,实际上M ηη>(2%~7%),因此要把M η转换为η。
M ηη>的原因:11,D D H H M M <<→11D D M M ∆>∆ →M wM w H h H h <。
一般只考虑水力效率s η代η,且只考虑最优工况下的水力损失(只有沿程损失)。
1、 最优工况下的效率修正 2/11max max )())(1(1m M m M M HH D D ηη--= m ≈1/4 或1/5 ZD 、HL : 5/111max max ))(1(1D D M M ηη--= ZZ : ])()(7.03.0)[1(110/15/111max max HH D D M M M +--=ηηmax M η通过模型试验确定,代入上式即可求出原形水轮机效率。
2、 一般工况 ηηη∆+=M式中:η∆为最高效率点效率修正值。
∆--=∆max max M ηηη,∆为制造工艺误差。
(1) HL 、ZD : ηηη∆+=M ,max max M ηηη-=∆ (2) ZZ max max M φφφηηη-=∆,φφηηη∆+=M (3) 水斗式: 当:M d D ηη==,20~1001时,不做修正。
二、单位参数的修正(η不同,1Q ',1n '也要加以修正) 只考虑ηs 时(即用ηs 代替η):ηηηη1111,n n Q Q MM MM '=''='1 最优工况时: maxmax 1010M MQ Q ηη'='max max 1010M M n n ηη'='2 其他工况时: 111Q Q Q M '∆+'=' 111n n n M '∆+'=')1(maxmax1010101-'='-'='∆M M M Q Q Q Q ηη)1(maxmax1010101-'='-'='∆M M M n n n n ηη一般不作1Q '的修正,当%3/101<''∆M n n 时,△1n '忽略不计。
§3.5 水轮机的模型试验一、模型试验的目的、任务及类型1、目的任务目的:保证水轮机在工作范围内高效率、稳定运行——研究水轮机在各种工况下的能量特性、汽蚀特性等——必须依靠水轮机模型试验(因水流在转轮中的运动相当复杂,理论分析困难,只有在最优工况下,作些假定后才能进行)任务:水轮机模型试验是按一定比例将原形水轮机缩小为模型水轮机,并采用较低的模型水头H M和较小的Q M 进行试验,测出各工况下的工作参数,然后通过相似公式换算和修正得出该轮系的综合参数。
2、具体事项1)、D1M:250 350 460mm;HM:2~6m;QM:20~30L/s≯2000L/s2)、实际电站正常运行:n=ne 不变,H、Q随N、水库调节变化改变了水轮机工况;模型试验中工况改变:(变化HM较复杂),一般取HM=C,改变nM和QM。
3、类型能量试验、汽蚀试验、飞逸试验、轴向水推力试验等。
二、能量试验的任务1、测定模型水轮机在各种工况下的运行效率ηM ,通过测量n M 、N M 、Q M 、H M 四个基本参数,绘制水轮机综合特性曲线和运转特性曲线。
2、 能量试验台的组成:压力水箱(相当上游水库),引水室(引水、进水设备),明槽或压力管道,模型水轮机,尾水槽(尾水渠),堰槽(测流量),回水槽(循环用水,用泵打入压力水箱)3、 试验参数的测量(1)、H M : H M 为压力水箱和尾水槽水位差,用毛水头代替工作水头。
(2)、Q M : 通过测堰顶水头,5.184.1h Q M =(3)、n M : 机械转速表,由电子脉冲器、光电测速仪 (4)、: 模型水轮机轴输出功率,通过测动力矩M =P .LN M =M ω=PL n M /9549.3 (kW) ω=2πn M4、 试验方法 (1)、H M =const ;(2)、选择一定的导叶开度a 0M ,改变负荷P ,使M 改变,测量各工况下(n M 、N M 、Q M 、H M ),计算ηM M MsM M M H Q N N N 81.9==ηM MM H D n n 11='M M M H D Q Q 11'=' §3.6水轮机模型综合特性曲线一、 水轮机参数及特性曲线1、水轮机参数:参数关系反映水轮机特性。
(1)、结构参数:转轮直径D1,导叶高度b0,导叶开度a0,叶片转角Φ (2)、工作参数:H 、Q 、n 、Hs(3)、综合参数:)(111N n Q ''',,,轴功率N 、η、б2、特性曲线:各参数之间的关系曲线(1)、线性特性曲线:反映2~3个参数之间的关系曲线(2)、综合特性曲线:表示多个参数之间的关系,反映全面,应用广模型综合特性曲线:以)(11n Q '',为坐标场,绘制了η、a0、б等到值线。
二、混流式水轮机的模型综合特性曲线HL240模型综合曲线首先计算各个工况点M MM H D n n 11='M M MH D Q Q 11'=' M M MsM M M H Q N N N 81.9==η1、 等开度线绘制2、 等到效率线绘制3、 5%出力限制线绘制4、 等汽蚀线绘制三、轴流式水轮机的模型综合特性曲线ZZ440模型综合曲线四、冲击式水轮机的模型综合特性曲线。