第四章特性曲线及选型课件.ppt
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1、水 电 站,2014年5月,第四章 水轮机的特性曲线及选型,第一节 水轮机的相似原理概述 一、几个基本概念 1、水轮机特性各运行参数(H,Q,n,N,)及参数之间的关系理论: 基本方程式,水力学,计算方法实验: 原型实验,模型试验,计算机模拟,2、模型试验:(D : 250460mm,H :26m)基础性试验:寻找新产品专门实验:特定水电站,解决问题,最优水轮机3、相似理论 原型- 模型 怎样保证模型与原型相似?怎样相互换算参数?,二、水轮机相似条件,1、几何相似: (1) 对应角相等:b1b1M ;b2b2M ;M (2) 尺寸成比例:D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M. (3) 对应部位
2、的相对糙率相等:/ D1M/D1M几何相似的水轮机轮系,系列,型号。,(1) 对应点的速度方向相同。 (2) 对应点的速度大小对成比例,即速度三角形相似。 同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。几何相似就运动相似吗?同一轮系水轮机,保持运动相似相似工况,2、运动相似:,3、动力相似,对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。 (压力、惯性力、重力、粘滞力等),能否完全做到?,轮廓尺寸,粗糙度宏观流场,微观流场主要矛盾:建立关系次要矛盾;参数修正,第二节 水轮机的相似率、单位参数和比转速,一、水轮机的相似定律 相似定律:水轮机在相似工况下运行时,各工作参数(H、n、N、)之间的固定关系。
3、,流量相似律转速相似律出力相似律,1、流量相似律,有效流量:,或,2、 转速相似律:,或,3、出力相似律,或,效率问题: 效率未知三个效率怎样分开?,假定:相等 实际: 原型效率大于模型效率,需修正),【例】已知模型水轮机标称直径0.25m,模型水头3.5m,模型效率90%,相应的模型转速500r/min,流量0.15m3/s。求标称直径5m、水头87.5m的同型号原型水轮机的流量、转速和出力各为多少?(假定原型与模型效率相等)假定水轮机为HL240系列,求出原型水轮机的效率,并进行单位参数修正。,相似率解决的问题: 同轮系水轮机的模型、原型参数换算未解决的问题:不同轮系水轮机的性能比较同轮系
4、水轮机不同工况性能比较?不同尺寸水轮机性能比较?需要有一个统一标准,二、单位参数,将模型试验成果按相似率转化为D1M=1m,HM=1m标准情况下的参数单位参数, 假定:,1、 单位流量 2、 单位转速 3、 单位出力,单位参数是同轮系水轮机的“代表”参数,Q1,n1 表示水轮机的运行工况同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数,不同工况下单位参数分别为一常数(工况不同,单位参数不同)在最优工况下的单位参数最优单位参数,(Q10, n10, N10),代表该轮系水轮机的工作性能。单位参数由模型试验得出原形水轮机的参数(相应工况)。,三、水轮机的比转速,定义:同一轮系水轮机,当工作水头H=1m,
5、出力N=1kW时,所具有的转速。,同一轮系水轮机在相似工况下单位参数分别相等,比转速工程意义,表示水轮机特征的综合参数(与D1无关),能综合反映参数n、H、 N之间的关系,代表了水轮机的轮系特征。ns随工况变化,用最优比转速或限制工况下的比转速比较不同轮系水轮机性能,比转速用来表示水轮机的型号,还用来划分水轮机的类型。,各种类型的水轮机比转速大致范围:贯流式:ns=600-1000 高 高水头小流量轴流式:ns=200-850 高斜流式:ns=150-350 中 中水头小流量 混流式:ns=50-300 中水斗式:ns=10-70 低 低水头大流量,不同比转速的转轮形状,讨论:同轮系相似水轮机
6、,工况相似,ns相同。不同的ns ,反映不同轮系水轮机特征。当H一定时: ns Nn。机组尺寸缩小,投资减少,因此提高比转速可以降低造价。当H和N一定时,ns越高,空蚀系数越大,需要增加厂房开挖。比转速增加,单位流量增加,b0/D1增大,叶片数目减少。,第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正,一、为什么效率换算1. 单位参数公式假定在相似工况下,=M,2.实际上M(约2%7%)。原因:原、模型不能做到完全相似容积效率:缝隙机械效率;部件之间的摩擦水力效率:粗糙度,水流粘滞力,流场 (沿程损失,局部损失),第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正,二、水轮机效率换算经验公式 1、最优工况下的效率修
7、正 1963年国际电工委员会推荐的公式: 混流: 轴流:,4-33,4-34,2、一般工况HL、ZD:ZZ :,大中型水轮机,,中小型水轮机,,三、单位参数的修正,仅考虑水力损失,=s ,令D1=lm、H=1m、D1m=lm、Hm=1m,,转速相似率,流量相似率,最优工况的修正,三、单位参数的修正,最优工况时: 其他工况时:,在工程实践中,当 时,单位转速不必修正单位流量修正值与单位流量的比值较小,一般可不修正,第四节 水轮机的主要综合特性曲线,一、水轮机模型试验简介任务:1)研究水轮机在各种工况下的能量特性、空蚀特性等(绘制主要综合特性曲线);2)为确定水轮机的受力特性、飞逸特性以及稳定特性
8、提供依据。,类型:,根据研究问题精度不同,可分为:(1)定性试验(比较性试验 ):模型转轮性能的比较和筛选 (2)定量试验(保证性试验 ):获得该系列模型机的各种性能参数和指标 。按用途分为:(1)能量试验:确定模型水轮机的运行效率。(2)空蚀试验:确定水轮机抗空蚀特性。(3)飞逸特性试验和轴向水推力特性试验:主要确定水轮机的飞逸特性和轴向水推力特性。(4)泥沙磨损试验。确定水轮机的泥沙磨损特性。,反击式水轮机能量试验台,1-压力水箱;2、11-静水栅;3、10-溢流板;4-标尺;5-测功器;6-引水管;7-模型水轮机;8-尾水管;9-尾水槽;12-浮筒水位计;13-测流堰板;14-回水槽;1
9、5-循环水泵,综合:多参数之间的关系曲线。横坐标: Q1纵坐标:n1 绘制: (1) 等开度a0线 (2) 等效率线 (3) 等汽蚀系数线 (4) 5%出力限制线,二、水轮机的主要(模型)综合特性曲线,混流式水轮机的模型综合特性曲线,(1) 等开度a0线 (2) 等效率线 (3) 等汽蚀系数线 (4) 5%出力限制线,混流式水轮机等效率线的绘制(a)等开度和等效率线;(b)辅助线,轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线,高效率区狭窄,随流量变化敏感,轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线,ZZ440模型综合曲线,轴流转浆式水轮机的模型综合特性曲线,(1) 等开度a0线 (2) 等效率线 (3) 等汽蚀
10、系数线 (4)等转角线 没有出力限制线 受空蚀条件限制,冲击式水轮机的模型综合特性曲线,(1) 等开度a0线 (2) 等效率线没有等汽蚀系数线 没有出力限制线,已知:H、N的范围目标:台数、型号,使水电站充分利用水能,安全可靠运行。,一、水轮机选型设计的内容确定机组台数及单机容量选择水轮机型式(型号)及装置方式确定水轮机参数D1、n、Hs(安) ;Z0、d0绘制水轮机运转综合特性曲线 (第六节)确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸,估算水轮机的重量和价格。 (第七节、第八节),第五节 水轮机的选择(选型设计),调速器及油压装置选择 (第五章)根据选定的水轮机型式和参数,结合水轮机在结构上、材料、运行
11、等方面的要求,拟定并向厂家提出制造任务书,最终双方共同商定机组的技术条件,作为进一步设计的依据。,二、水轮机选型设计的基本要求,有较好的能量特性,Hr-Nr在额定水头下能保证发出额定出力,额定水头以下的机组受阻容量小,水电站全厂机组平均效率高。有良好的抗空蚀和抗磨损性能,运行稳定,可靠灵活。结构设计合理,便于安装、操作、检修与维护、运输。选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造厂商。考虑适度合理的经济节省原则。,枢纽资料:(1)河流总体规划:梯级开发方案、水库的调节性能 (2)水电站:枢纽布置方案、电站总装机容量(3)地形、地质、水质、泥沙情况(4)水文资料: 特征流量及特征水头、下游
12、水位流量关系曲线。电力系统资料:系统负荷构成,水电站的作用及运行方式等。 水轮机产品技术资料:系列型谱、生产厂家、产品目录、模型综合特性曲线。运输、安装技术条件其他,三、所需要的有关资料,四、机组台数及单机容量的选择,实质:方案经济比较,与选型、参数选择交叉进行1. 机组台数与电站投资的关系台数多单位千瓦(耗材多、制造量大)投资阀门、调速、管道、辐设、电气等增加厂房尺寸增加。 一般选用较大的N单2 、机组台数与机电设备制造的关系台数多N单尺寸(D1)小制造运输容易(相反,大机组制造困难),三峡(9.8m,700MW)、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级,3、机组台数与运行效率的关系单
13、台机组:? 整个电站:台数多负荷分配灵活平均效率担任基荷:可用较少的台数,在较长时间内以最优工况运行,平均效率比较高。担任峰荷:应选用较多的台数,以增加其运行灵活性,提高整体运行效率。轴流定浆式:选用较多台数轴流转浆式和水斗式:选用较少台数。,4、机组台数与电站运行维护工作的关系台数多,运行灵活,事故影响小,事故几率增加,管理人员增加、运行费提高5. 台数与电气主接线的关系扩大单元接线:机组宜选偶数台数。采用单元接线:不受奇偶台数限制,总之,一般应采用较大的N单,较少的台数,但一般至少应选2台中型电站一般46台,大型电站一般68台葛洲坝共21台,装机2715MW,三峡26700,共装机1820
14、0MW(坝后厂房),6台右岸地下厂房 。,五 水轮机的标准系列,1、水轮机的系列型谱我国1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱大中型轴流式水轮机转轮参数,大中型混流式水轮机转轮参数,2、水轮机转轮标称直径系列(cm),说明:括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。,3、水轮发电机标准同步转速,4、水轮机系列应用范围图,中小型水轮机应用范围图,五、水轮机型号及主要参数的确定,依据:N单,特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根据水轮机系列型谱选择查系列型谱 水轮机型号。模型综合特性曲线 主要参数 (下一问题) 如果两种以上型号适用,应进行方案比较。受标准系列的限制有时难以获得最优设
15、计效果。适用:大中型水电站,2、专题研究法特别重要或大型水电站,需进行专门研究,所需时间和费用高。3、查系列范围图法 水头范围和单机出力 型号、转轮直径、转速及吸出高度。,适用:中小型,或电站规划、任务书和可行性研究阶段,ZZ440系列水轮机应用范围,4、采用套用机组特征水头、N单,经济技术指标相近时,优先套用已用机组适用:小型的选型设计,大中型的初步选型 5、直接查产品样本 直接查设备厂家的产品样本,适用于小型电站。6、统计分析法对大量已建水电站的参数进行统计,建立水轮机各参数之间的统计关系,再根据本电站的参数选择。,七、反击式水轮机主要参数的确定(模型综合特性曲线),反击式主要参数: 转轮
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- 第四 特性 曲线 选型 课件
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