水轮机的特性曲线公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第第5 5章章 水轮机特性曲线水轮机特性曲线第一节第一节 特性曲线类型特性曲线类型第二节水轮机模型综合特性曲线绘制第二节水轮机模型综合特性曲线绘制第三节水轮机运转综合特性曲线绘制第三节水轮机运转综合特性曲线绘制第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性第五节第五节 水轮机轴向水推力水轮机轴向水推力第1页第1页水轮机内特性与外特性水轮机内特性与外特性水轮机内特性水轮机内特性 水轮机内部流场：转轮内部流速、压力分布，边界层内流动，空化位置及强度。水轮机外特性水轮机外特性 水轮机所表示性能：效率、过流量、空蚀、振动等。第2页第2页关于水轮机性能概括水轮机只有一个最优工况，普通对应无撞击进口和法向出口。偏离设计工况时，不论水头改变还是负荷（导叶开度改变），水轮机效率都会降低。水轮机性能与比转速有密切关系。不同nS水轮机，有不同流量特性、效率特性与空化特性不同。混流式、定桨式水轮机叶片角度不能调整，工况改变适应性差；转桨式水轮机可与水头、导叶开度双协联，有宽广高效区。水轮机空化特性与水轮机nS相关，同时与水轮机工况相关，普通在最优工况附近空化系数较小，大流量时空化系数大，小流量和低水头时，因为偏离设计工况而产生脱流，空化往往也会很严重。固定叶片水轮机在部分负荷时存在一个振动区，是因为空腔空化所造成，振动区普通在40%55%开度范围。第3页第3页水轮机特性曲线意义水轮机特性曲线意义 水轮机特性曲线与水轮机特性之间关系水轮机特性曲线是水轮机“心电图”，它经过一些外在现象以图形方式表述了水轮机特性。当一个人心脏有问题时，能够从他心电图上反应出来。一样，当一个水轮机有问题时，能够从它特性曲线上反应出来。1）不同类型水轮机，不同水轮机，其特性曲线不同。2）水轮机不同工况下，水轮机特性不同，其特性曲线不同。3）水轮机各种性能之间是有内在联络，水轮机特性曲线上各种曲线，也有密切内在联络。4）水轮机特性曲线是进行水轮机选型设计，指导水轮机运行主要工具。第4页第4页第一节 水轮机特性曲线类型 特性曲线表示形式特性曲线表示形式：线性特性曲线：表示水轮机某2个参数之间关系曲线：比如：Q=f（ao）、Q 11=f（n11）综合特性曲线：表示水轮机多参数之间互相关系曲线：比如：特性曲线表示对象特性曲线表示对象：模型特性曲线：表示模型水轮机特性曲线，常以单位参数为变量。如：P11=f（Q11，n11）运转特性曲线：表示原型水轮机运转特性曲线，以原型参数为变量。如：P=f（H，Q）第5页第5页一、水轮机线性特性曲线工作特性、转速特性、水头特性1、工作特性曲线：表示水轮机工作在固定转速n下特性而绘制曲线。在H、P、Q、中任何一个为自变量特性曲线。有开度特性、出力特性，流量特性。空载PQ空载空载a出力特性出力特性流量特性流量特性开度特性开度特性第6页第6页出力特性出力特性:1）开度增大流量增大、出力增大，靠近最大出力时，曲线变陡。）开度增大流量增大、出力增大，靠近最大出力时，曲线变陡。开度开度增大好多流量和出力才增长一点增大好多流量和出力才增长一点2）空载开度下，出力为零，流量为空载流量。）空载开度下，出力为零，流量为空载流量。空载空载Q空载空载ao第7页第7页流量特性：流量特性：1）开度增大，流量增大；）开度增大，流量增大；2）小于空载）小于空载流量时出力效率均为零。流量时出力效率均为零。空载流量空载流量Q第8页第8页开度特性：开度特性：1）开度增大流量增大；）开度增大流量增大；曲线越大越缓曲线越大越缓2小于空载小于空载开度开度时效率出力均为零；时效率出力均为零；3）开度最大时，出力不一定最）开度最大时，出力不一定最大。大。出力最大效率不一定最大出力最大效率不一定最大空载开度空载开度第9页第9页2.转速特性曲线 水轮机导水叶开度和水头H为某常数时，水轮机流量Q、出力P及效率 与转速n之间关系。偏离最优转速时，出力、效率减少。根号H=nDQ=D方 根号HP=D方H32第10页第10页2.转速特性曲线：各开度下均存在一个最优转速，小于或不小于最优转速，出力与效率都会减少。nn0 50 100 150 200 250 300 350第11页第11页3、水头特性曲线流量伴随水头增高而增大流量伴随水头增高而增大出力伴随水头增高而增大出力伴随水头增高而增大出力效率为零出力效率为零第12页第12页 水轮机在转速n、导水叶开度为某常数时，其出力P、流量Q及效率与水头H之间关系 空载水头第13页第13页二、水轮机模型综合特性曲线 水轮机模型综合特性曲线特点：1）通过模型试验而取得水轮机特性（外特性）；2）综合表示水轮机能量指标、空化性能等；3）以单位流量、单位转速为坐标系原则表示形式。在以n11、Q11为纵、横坐标轴直角坐标系中同时绘出等效率线、，等开度线 以及等空化系数线 ，对于转桨式水轮机还绘出等叶片转角线，这些等值线表示出了同系列水轮机各种主要性能，故称之为水轮机主要综合特性曲线。这种主要综合特性曲线普通由模型试验办法取得，因此，又称之为模型综合特性曲线。第14页第14页1.1.混流式水轮机模型综合特性曲线混流式水轮机模型综合特性曲线 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。=14 18 22 240.2 0.25 0.3088%90%92%5%出力限制线n11Q11第15页第15页 混流式水轮机模型综合特性曲线混流式水轮机模型综合特性曲线 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。第16页第16页2、轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线等叶片转角线等叶片转角线14 18 22 260.5 0.6 0.7等开度线n11Q11第17页第17页 转桨式水轮机模型特性曲线 转桨式水轮机模型综合特性曲线上标有等效率线、等开度线、等叶片转角线、等空化系数线。由等线与等线能够找出导水开度与叶片转角最佳协联方式。第18页第18页3 3、冲击式水轮机模型综合特性曲线、冲击式水轮机模型综合特性曲线 冲击式水轮机模型综合特性曲线由等效率线（常数）与等开度线（喷针行程S常数）构成。冲击式水轮机过流量与水轮机转速无关，仅与喷嘴开度相关，它等开度线是与Q11坐标轴垂直直线。n11Q1111 13 15 17 19 2188%86%84%82%等开度线等开度线等效率线等效率线第19页第19页4、不同类型水轮机特性曲线比较冲击式冲击式低比速低比速混流式混流式中高比速中高比速混流式混流式轴流转轴流转桨式桨式n11Q11比转速升高第20页第20页第二节水轮机模型特性曲线绘制一、混流式水轮机模型综合特性曲线绘制一、混流式水轮机模型综合特性曲线绘制1、等开度线绘制、等开度线绘制水轮机能量试验通常是在固定H和固定ao 下，通过控制水轮机转矩去调整水轮机转速n，从而测得同一导叶开度下一系列工况点性能参数。按照各试验工况点水头 H 、流量Q及转速n，用相同率公式能够求出各工况点Q11和n11，将各工况点绘到图上如图所表示坐标系，用光滑曲线将各点连接，即得到模型水轮机等开度线。导叶开度：导叶开度：a0=；试验水头；试验水头模型转速n100150200250模型流量Q0.0350.0330.0310.028.n1150556065 Q11160150140132.第21页第21页2、等开度线绘制第22页第22页2、等效率线绘制-=f(n11)曲线模型转速n100150200250模型流量Q0.0350.0330.0310.028.出力P0.610.650.680.52 n1150556065 Q111601501401320.750.800.840.86n11ao=18第23页第23页等效率线绘制n11Q11第24页第24页等效率线绘制环节 依据模型试验所取得数据，计算出各工况点效率与单位转速，绘出各导叶开度下曲线，每个开度有一条曲线。在曲线图上以某常数作始终线，与各开度下曲线相交，得交点b1、b1、b2、b2，找出各交点相相应n11与Q11。以n11为横坐标，以Q11为纵坐标绘始终角坐标系，并在其中绘出各导叶开度等开度线，将中所得到各交点按其n11、Q11值绘到坐标图中相应等开度线上，将各点连成光滑曲线，即得到相应于所取得效率值一条等效率曲线。第25页第25页等效率线绘制n11(r/min)Q11(L/s)第26页第26页 4、出力限制线绘制 绘制出力限制线目的：1 1）为了预防水轮机出现反调整；）为了预防水轮机出现反调整；2 2）留有一定余量；）留有一定余量；3 3）确保水轮机负荷调整线性度。）确保水轮机负荷调整线性度。p11P11maxP11max95%Q11*Q11*n11Q11n11=Cn11=C第27页第27页5、等空化系数线绘制n11=75n11=70n11=65n11=6075706560n11Q11第28页第28页2.转桨式模型综合特性曲线绘制原理 把叶片角固定在某一角度，按定桨方式运营，并绘制该=常数时模型特性曲线。转桨式水轮机特性曲线实质是各个固定角线特性曲线综合。用取包络线或等值线方式绘制绘制转桨式水轮机特性曲线。第29页第29页转桨式模型综合特性曲线绘制原理_1n11Q11第30页第30页转桨式模型综合特性曲线绘制原理-1 n11Q11第31页第31页转桨式模型综合特性曲线绘制原理-2等效率线绘制-各角下等效率线包络线n11Q11第32页第32页转桨式模型综合特性曲线绘制原理-3等开度线绘制n11Q11ao=10ao=20ao=30ao=30ao=20ao=10ao=10ao=20ao=30ao=10ao=20ao=30第33页第33页轴流转桨式水轮机模型综合特性曲线等叶片转角线等叶片转角线14 18 22 260.5 0.6 0.7等开度线n11Q11第34页第34页第三节水轮机运转综合特性曲线原型水轮机运转综合特性曲线是转轮直径和转速为常数时，以水头H、出力P为纵横坐标作出等效率线、等吸出高度线以及出力限制线。第35页第35页模型综合特性曲线原型运转综合n11 H；m ；Q11P；HS 第36页第36页一、混流式水轮机运转特性曲线换算原理n11Q11HP Q11P 第37页第37页混流式水轮机运转综合特性曲线绘制等效率线绘制：水轮机各工况效率出力限制线绘制：水轮机各水头下允许出力等吸出高度线绘制：水轮机各工况下允许吸出高度第38页第38页等效率线绘制等效率线绘制pHPH1H2H3H1H2H3第39页第39页2.出力限制线绘制不小于等于设计水头：出力为额定出力小于设计水头：由水轮机出力限制线换算(Hmin)(Hr)(Hmax)ABn11Q11HPrHmaxHrHminBA第40页第40页.等吸出高度线绘制由空化系数线换算，办法同等效率线。(H)n11Q11HPrPrH第41页第41页二、转桨式水轮机运转特性曲线换算与绘制取n11=常数线与等角线交点作计算点，计算交点效率、出力，绘制f(p)曲线等叶片转角线等叶片转角线0.5 0.6 0.7n11Q11第42页第42页等效率线绘制）计算各角效率修正值：（）o()-Mo()o()=1-1-Mo()(0.3+0.7)对各工况点进行效率修正，同一转角用同一修正值。并计算各点出力。取得各水头下f(P)关系曲线）以f(P)关系曲线为基础绘制等效率线，办法同混流式水轮机等效率线绘制 第43页第43页出力限制线绘制转桨式水轮机模型综合特性曲线上不标出力限制线，但其最大出力受空化限制。在拟定了水轮机额定工况后，通常把通过额定工况点等开度线作为水轮机出力限制线。在拟定为出力限制线等开度线上取一系列工况点，记下各工况点n11、Q11，由相同计算公式计算出各点相应水头及出力，将这些点绘在坐标系中，连接各点即得到原型水轮机出力限制线。第44页第44页轴流转桨式水轮机模型出力限制等叶片转角线等叶片转角线14 18 22 260.5 0.6 0.7等开度线n11Q11设计单位流量设计单位流量出力限制线出力限制线第45页第45页第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性假如忽然甩负荷，且调速机构失灵、导水机构又不能假如忽然甩负荷，且调速机构失灵、导水机构又不能及时关闭时，由于输出电磁力矩为零，因而输入水流及时关闭时，由于输出电磁力矩为零，因而输入水流能量除了少部分消耗于机械损失外，其余大部分使机能量除了少部分消耗于机械损失外，其余大部分使机组转速急剧增高，并将达某一最大转速，这时运营工组转速急剧增高，并将达某一最大转速，这时运营工况称为况称为飞逸工况飞逸工况，这时最大转速称为，这时最大转速称为飞逸转速飞逸转速。水轮机飞逸转速大小与水轮机水轮机飞逸转速大小与水轮机飞逸特性飞逸特性相关，而飞逸相关，而飞逸特性普通用特性普通用单位飞逸转速单位飞逸转速表示。表示。一、飞逸特性一、飞逸特性第46页第46页第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性第47页第47页第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性第48页第48页第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性二、飞逸转速拟定普通说来，在同一水头下，导叶全开时飞逸转速最普通说来，在同一水头下，导叶全开时飞逸转速最高。对转桨式水轮机，当导叶开度及桨角转角协联高。对转桨式水轮机，当导叶开度及桨角转角协联关系破坏，并且在导叶全开同时桨叶转角愈小，飞关系破坏，并且在导叶全开同时桨叶转角愈小，飞逸转速愈大。逸转速愈大。1.由单位飞逸转速计算由单位飞逸转速计算2.由飞逸系数计算由飞逸系数计算取取1.72.0（HLHL）或或2.42.6（ZZZZ协联破坏）协联破坏）2.02.2（ZZZZ协联保持）协联保持）第49页第49页第四节第四节 水轮机飞逸特性水轮机飞逸特性三、防飞逸办法三、防飞逸办法1.1.设置快速闸门设置快速闸门 2.2.增设事故配压阀增设事故配压阀 3.3.采用水力自关闭导叶采用水力自关闭导叶4.4.强行开大转角（也许带来振动）强行开大转角（也许带来振动）5.5.采用制动叶片采用制动叶片第50页第50页第五节第五节 水轮机轴向水推力水轮机轴向水推力一、概念一、概念 水轮机轴向水推力是指水流通过转轮时所引起一个轴水轮机轴向水推力是指水流通过转轮时所引起一个轴向力。向力。二、轴向水推力计算二、轴向水推力计算三、水轮机总轴向力计算三、水轮机总轴向力计算四、减小轴向水推力办法四、减小轴向水推力办法第51页第51页 当当甩负荷或由发电转为调相时也许产生甩负荷或由发电转为调相时也许产生反向水推力，如该反向水推力，如该力不小于转动部分重量时，转动部分将向上抬起力不小于转动部分重量时，转动部分将向上抬起抬机抬机。原因原因：1.1.反向水推力反向水推力2.2.尾水管反水锤尾水管反水锤 办法办法：1.1.补气补气2.2.分段关闭导叶分段关闭导叶第五节第五节 水轮机轴向水推力水轮机轴向水推力第52页第52页