水轮机的相似理论

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。

基于相似理论的混流式水轮机尾水管设计【摘要】本文阐述了由水动试验确定尾水管断面尺寸的不足，提出了基于相似理论的混流式水轮机尾水管设计方法，并将该方法用以某电站尾水管进行模型构建。

最后，对该模型进行流场分析，验证了设计的合理性。

【关键词】尾水管；相似理论；流场分析对于混流式水轮机的过流部件-尾水管而言，传统的设计分为两个步骤：（1）以机组的转轮型号为依据，建立尾水管的模型；（2）对模型进行水动试验，确定各断面尺寸。

该方法是基于试验的基础上的，因此，设计出的尾水管具有数据合理、流态良好、效率高等特点。

然而，由于试验本身的复杂性，该方法也存在相应的缺点。

例如，试验设备复杂、造价昂贵、试验周期长等。

针对上述问题，本文以相似理论为基础，直接构建尾水管三维模型，并对模型进行计算机仿真分析，其结果的合理性，为日后同类型产品的设计，提供了一个行之有效的方法。

1 相似理论的设计方法相似原则[1]是指组成模型的每个要素必须与原型的对应要素相似，对水轮机而言，主要包括几何相似和动力学相似。

具体体现为由一系列尺寸等参数组成的场对应相似。

在尾水管设计中，也存在不少的电站利用该原则进行肘管断面展开的几何换算。

因此，结合过去对同类型机组（主要指转轮型号相同）的设计范例，其操作流程为：（1）以该电站的转轮型号为依据，参考过去设计且已投入运行的同转轮型号机组，选择与本设计机组的转轮直径偏差小、水头、流量、转速以及效率等参数最为接近的机组为原型机。

（2）以原型机的尾水管各断面尺寸为依据，按照几何相似的公式（1-1）进行等比变换。

3 计算结果的后处理要得到仿真的结果，需对模型进行网格划分[3]，其本质是对模型进行空间离散。

然后，再通过设置边界条件（只需定义进口、出口边界）以及机组在额定工况下相关参数（速度、压强等）的定义。

最后，进行迭代计算，得到了对整个尾水管流场模拟的结果显示（如图2、图3）。

结果分析：（1）由图2所示，尾水管从进口处到出口端各断面的压强由小到大，均匀变化，且压降较小，水头损失少，效率较高。

流体机械相似理论1. 引言流体机械是指用于传递、转换和控制流体能量的机械设备。

在流体机械的设计和研究过程中，相似理论是一种重要的工具。

相似理论基于物体的运动和流动行为在不同尺度或不同工况下具有相似性的原理，通过将实际系统与模型系统进行比较以得到有效的工程结果。

2. 流体机械相似性的定义流体机械相似性是指实际流体机械系统和模型系统在某些关键特征上具有相似的性质，例如压力、流速、转速等。

通常情况下，流体机械相似性可以分为几种类型，包括几何相似性、动力相似性和运动相似性。

2.1 几何相似性几何相似性是指模型和实际系统在形状和尺寸上具有相似的特征。

对于流体机械系统来说，几何相似性通常要求实际系统和模型系统的比例尺相同，即对应尺寸之间的比值保持不变。

2.2 动力相似性动力相似性是指模型和实际系统在某些动力参数上具有相似的特征。

这些动力参数通常包括流速、密度、粘度、压力等。

动力相似性要求实际系统和模型系统在这些参数上具有相似的数值。

2.3 运动相似性运动相似性是指模型和实际系统在运动行为上具有相似的特征。

对于流体机械系统来说，运动相似性通常要求实际系统和模型系统的存在相似的流动模式和运动方式。

3. 流体机械相似理论的应用流体机械相似理论在实际工程中具有广泛的应用。

以下是几个常见的应用场景：3.1 水泵模型试验在设计水泵时，通常会进行模型试验以验证设计方案的可行性和性能。

利用相似理论，可以设计出与实际水泵相似的模型，并在模型试验中对其进行测试。

通过将实际水泵和模型水泵的性能参数进行对比，可以得到实际水泵的性能预测和优化。

3.2 风力发电机组模型试验风力发电机组是利用风能转化为电能的装置。

在设计风力发电机组时，相似理论可用于设计模型试验，并对其性能进行评估。

通过模型试验中的数据分析，可以获得实际风力发电机组的性能参数和运行特性。

3.3 水轮机模型试验水轮机是利用水能转化为机械能的装置。

在水轮机设计和优化过程中，相似理论被广泛应用于模型试验。