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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。
第六篇水轮机运行维护规程第一章水轮机的运行技术参数1.1 水轮机运行技术参数1.2.1 1#～2#机 HLD08-LJ-96HL—代表水轮机型式为混流式；D—代表制造厂家为东方电机厂；08—代表转轮的模型编号为08（2F为10）；L—代表主轴布置形式为立式；J—代表引水室为金属蜗壳；96—代表转轮标称直径为96cm。
1.2.2 3#～6#机 HL129-LJ-110HL—代表水轮机型式为混流式；129—代表转轮型号（比速代号）为129；L—代表主轴布置形式为立式；J—代表引水室为金属蜗壳；110—代表转轮标称直径为110cm。
-LJ-1101.2.3 HL129-LJ-110现已改为HLDT8DT—代表该转轮为杜同水轮机研究设计；8—代表转轮的模型编号为08。
1.3 球阀运行技术参数一台YS—1.0油压装置，在正常情况下，球阀的开、关操作可视情况在现地（球阀操作柜）、机旁盘（机组现地控制站#2柜）和中控室进行操作。
1.3.4 球阀为双面止水型，正常情况下由工作密封（止水盖原来称下游止水）止水，当工作密封要检修时，改由检修密封（止水环原来称上游止水）止水，检修密封为手动水压操作。
1.3.5 球阀上设有一个φ150旁通阀；一个φ150泄荷阀。
球阀底部有一根φ150、上游止水环底部有一根φ25冲沙管。
汛期运行时定期手动操作上述两管路上的阀门向下游排除沉积于底部的泥沙。
1.3.6 1#～2#机球阀采用一个φ500的摇摆式接力器，3#～6#机球阀采用一个φ350的环形接力器操作，接力器工作油压为2.5MPa 。
第二章水轮机运行、监视维护2.1 机组各轴承的油位和油温2.1.1机组各轴承使用30#透平油。
2.1.2给轴承加油可在开机前或机组运行中进行。
2.1.3各轴承的油位正常。
在开机前各油位应保持在中线位置，不应低于下限，水导轴承开机前应注意检查油盆内的油位，若偏低时应作适当增补，待机组开启后，应视其真实甩油情况对油盆内的油位进行进行判断，若油位偏低且甩油不好时应及时增补。
单机无穷大电力系统的数学模型（含原动机）1 单机无穷大系统（Single Machine Infinite Bus，SMIB)无穷大系统无穷大容量水库-单引水管道—水轮发电机组—无穷大容量电力系统，简称为简单水电系统。
水库系统水轮机发电机变压器2 单机无穷大系统数学模型2.1 水力系统-水轮机线性化模型 2.1.1 水力系统线性化模型水力系统一般使用近似的线性化模型。
水轮机导叶（水门)处的水压流量传递函数为h ()()()h s G s q s ∆=∆ （1）式中 h ∆——水轮机工作水头的增量；q ∆-—水轮机流量的增量。
设单引水管道水库取水口处水压恒定,则rw r h 2r 42()th 2T s T T G s s T s αα+⎛⎫=-⋅⋅+ ⎪⎝⎭ （2）式中 w T ——水流惯性时间常数，s ; r T ——水击波反射时间常数,s ；α--水力摩擦阻力系数。
若不考虑水力摩擦阻力，即0α=，则式(2）可简化为w rh r 2()th 2T T G s s T ⎛⎫=-⋅⎪⎝⎭ （3）由2th 12xx x ≈+，式（3）进一步简化为 w h 22r ()18T sG s T s=-+ （4） 式(4）为常用的水力系统弹性水击模型.当引水管道较短时，近似取r 0T =,式（4）退化为刚性水击模型h w ()G s T s =- （5）2。
1.2 水轮机线性化模型当水轮机工况变化较为缓慢时，可以采用稳态关系式表示力矩和流量的变化情况.以水轮机额定运行参数为基准，混流式水轮机的力矩和流量的标么形式表达式为()m f ,,m y h ω= （6）()g ,,q y h ω= （7）式中 m m —-水轮机输出机械力矩，p.u.；q —-水轮机流量，p.u.；y ——水轮机导叶开度,p 。
u.；ω-—水轮机机械转速，p.u.;h -—水轮机工作水头，p 。
u.。
将式（6)和(7）在工作点0附近线性化得m m mm 000my m ωmh m m m m y hy h e y e e hωωω∂∂∂∆=∆+∆+∆∂∂∂=∆+∆+∆ （8)000qy q ωqh q q qq y hy h e y e e hωωω∂∂∂∆=∆+∆+∆∂∂∂=∆+∆+∆ （9）式中 my e 、mh e 、m ωe ——水轮机力矩对导叶开度、水头和转速的传递系数；qy e 、qh e 、q ωe ——水轮机流量对导叶开度、水头和转速的传递系数。
水轮发电机组主要参数设计第一节水轮机型号的选择一、选择水轮机机型及电站装置方式1.水轮机机型的选择：由所给出的原始数据判断，水轮机的运行水头范围为：68-95m，故可供选择的水轮机形式有混流式、斜流式。
混流式水轮机具有结构紧凑、运行可靠、效率高，能适应很高的水头范围等特点，应用最广泛的水轮机机型，斜流式虽然效率高，但运行经验少且使用的厂家也少，同时由于本次设计的电站水头变化范围较宽，且负荷较为稳定，故决定采用混流式（HL）水轮机。
2.水轮机型号的选择：根据该电站的最大水头为95m，查《混流式水轮机转轮型谱参数表》，经过初步比较，同时考虑到单位转速高、单位流量大、转轮直径小、效率高、空蚀系数小等判断选择的九个型号见下表：表1-1-1 初选模型机转轮型谱参数表经过对各机型参数的初步比较，可以看出HL A285-46、HL A248-35及HLD74 -35在最优工况下的效率比较高，且单位流量n10、单位转速Q10以及限制工况点的单位流量Q11均比较高，可使原型机获得较高的转速和较大的通过流量，从而在相同出力的情况下缩小机组的尺寸，同时模型机的气蚀系数бm较小，有利于电站的稳定运行。
故选取上述三个水轮机进行计算，其具体参数如下表：表1-1-2 初选三个水轮机型号参数表3.机组台数的选择：由原始资料可知, 系统总装机容量150.7万kw ，本水电站的装机容量为58.7万kw ，根据规定电站的单机容量不允许超过系统总容量的10%，否则在电站机组发生故障时，会将整个系统拖垮甚至瓦解，故采用4台、5台机组的设计方案进行计算比较。
4.电站装置方式的确定水轮机的装置方式可分为卧轴和立轴两种。
卧轴布置方式布置简单，不需向下开挖但占地面积较大，一般用于小型电站或水头较低的贯流式水电站。
立轴布置方式具有占地面积小的特点，但需向下进行较大的土石开挖，增加土建投资成本。
为缩小厂房面积，高水头大型电站一般均采用立轴布置方式。
水泵水轮机S区流动特性及压力脉动分析摘要：水泵水轮机运行调度过程中会反复经历偏工况的S特性区，在该特性曲线运行中水轮机系统会出现不稳定，严重时会造成机组损坏。
为研究水泵水轮机S特性曲线下不稳定的形成原因，本文选取水轮机工况、飞逸工况和制动工况三种S特性工况，采用SST 湍流模型对模型水泵水轮机进行全流道定常和非定常数值模拟，发现：水轮机工况向制动工况运行时，流道内部流量减少且流线愈发紊乱，涡分布范围逐渐增加且更加离散，可能造成较大水力损失；压力脉动幅值也逐渐增加，所有区域脉动幅值随偶数倍叶频递减，主频和次频分别为9fn 和18fn，受到动静干涉作用较为明显，转轮区域的低幅值高频脉动可能是S区域不稳定的来源。
关键词：S特性区；涡分布；流动特性；压力脉动Analysis on flow characteristics and pressure pulsation of Punp-turbine S-shaped RegionHugang Gong(Dongyuan Branch of Shenzhen Water Planning and Design Institute Co., Ltd., 410000, Changsha, China)Abstract: The pump-turbine operation and scheduling process will repeatedly experience the S-shaped region of the partial working condition, and the turbine system will be unstable in the operation of this characteristic curve, which will cause unit damage in a serious situation. In order to study the causes of instability under the S characteristic curve of pump-turbine, this paper selects three S characteristic conditions: turbine working condition, flyaway workingcondition and braking working condition, and adopts SST k-ωturbulence model to perform full-flow channel constant and non-constant numerical simulation of the model pump turbine. The pressure pulsation magnitude also increases gradually, and the pulsation magnitude in all regions decreases with even times of leaf frequency, and the primary and secondary frequencies are 9fn and 18fn respectively, which are more obviously affected by dynamic and static interference, and the low amplitude and high frequency pulsation inthe runner region may be the source of instability in the S region.Keywords: S-shaped region; vortex distribution; flow characteristics; pressure pulsation引言抽水蓄能机组既能调峰也能调谷[1]，相较于其他常规水电机组具有响应快，效率高和调节能力强等优点[2]。
水轮机模型各种型号制作技术参数混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，故又称弗朗西斯水轮机。
与轴流转桨式相比，其结构较简单，运行稳定，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过95%。
混流式水轮机适用的水头范围很宽，为5~700米，但采用最多的是40~300米。
混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。
为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。
采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。
典型例子是我国的刘家峡。
轴流式水轮机适用于较低水头的电站。
在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。
轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上。
一般安装高度在3-50m。
，叶片安放角不能在运行中改变，结构简单，效率较低，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。
轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。
一般安装高度在3-80m。
其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。
典型例子就是葛洲坝.冲击式水轮机冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。
斜击式水水轮机轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。
理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。
这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。
目录前言目次1总则1.1范围和目的1.1.1范围1.1.2目的1.2引用文献1.3术语、定义、符号和单位1.3.1概述1.3.2单位1.3.3术语、定义、符号和单位表1.4与水力性能有关的保证值的性质和范围1.4.1概述1.4.2模型试验法验证的主要水力性能保证值1.4.3模型试验法不能验证的保证值1.4.4附加性能数据2试验的执行2.1试验安装和模型的要求2.1.1试验室选择2.1.2试验装置安装2.1.3模型要求2.2模型和真机的尺寸检查2.2.1概述2.2.2需检查的模型和真机的尺寸2.2.3表面的波浪度和粗糙度2.3水力相似、试验条件和试验程序2.3.1水力相似2.3.2试验条件2.3.3试验程序2.4测量方法介绍2.4.1主要水力性能保证值的测量2.4.2附加数据与测量2.4.3数据的采集和处理2.5物理性质2.5.1概述2.5.2重力加速度2.5.3水的物理性质2.5.4大气的物理性质2.5.5水银密度国际标准IEC60193由IEC TC4即水轮机技术委员会编制。
第二版IEC60193将取消和替代1965年出版的第一版IEC60193及其补充1（1977），IEC60193A（1972）以及IEC60497（1976）和IEC60995（1991）。
本标准的第1至第3章覆盖了上述出版物，第十章给出。
3附加内容本标准的文本基于下列文献：上表的表决报告给出了本标准表决标准的所有情况。
附录B、F、G、K、L和M内容是本标准不可分割的一部分。
附录A、C、D、E、H、J、N和P是供参考内容。
水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验1总则1.1范围和目的1.1.1范围本国际规程适用于在试验室条件下所试验的各种类型的冲击式和反击式的水轮机、蓄能泵或水泵水轮机。
本规程适用于的机组功率大于5MW或名义直径大于3米的原型机所对应的模型。
将该规程所规定的程序完全地应用于机组功率或直径较小的水轮机，一般来讲，并不合适。
目录前言目次1总则1.1范围和目的1.1.1范围1.1.2目的1.2引用文献1.3术语、定义、符号和单位1.3.1概述1.3.2单位1.3.3术语、定义、符号和单位表1.4与水力性能有关的保证值的性质和范围1.4.1概述1.4.2模型试验法验证的主要水力性能保证值1.4.3模型试验法不能验证的保证值1.4.4附加性能数据2试验的执行2.1试验安装和模型的要求2.1.1试验室选择2.1.2试验装置安装2.1.3模型要求2.2模型和真机的尺寸检查2.2.1概述2.2.2需检查的模型和真机的尺寸2.2.3表面的波浪度和粗糙度2.3水力相似、试验条件和试验程序2.3.1水力相似2.3.2试验条件2.3.3试验程序2.4测量方法介绍2.4.1主要水力性能保证值的测量2.4.2附加数据与测量2.4.3数据的采集和处理2.5物理性质2.5.1概述2.5.2重力加速度2.5.3水的物理性质2.5.4大气的物理性质2.5.5水银密度国际标准IEC60193由IEC TC4即水轮机技术委员会编制。
第二版IEC60193将取消和替代1965年出版的第一版IEC60193及其补充1（1977），IEC60193A（1972）以及IEC60497（1976）和IEC60995（1991）。
本标准的第1至第3章覆盖了上述出版物，第十章给出。
3附加内容本标准的文本基于下列文献：上表的表决报告给出了本标准表决标准的所有情况。
附录B、F、G、K、L和M内容是本标准不可分割的一部分。
附录A、C、D、E、H、J、N和P是供参考内容。
水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验1总则1.1范围和目的1.1.1范围本国际规程适用于在试验室条件下所试验的各种类型的冲击式和反击式的水轮机、蓄能泵或水泵水轮机。
本规程适用于的机组功率大于5MW或名义直径大于3米的原型机所对应的模型。
将该规程所规定的程序完全地应用于机组功率或直径较小的水轮机，一般来讲，并不合适。
