1、第三節(jié) 水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速一、水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的概念水輪機(jī)的單位參數(shù)只能分別從不同的方面反映水輪機(jī)的性能。為了找到一個(gè)能綜合反映水輪機(jī)性能的單位參數(shù)，提出了比轉(zhuǎn)速的概念。由式（3-14）、式（3-16）消去可得。對于同一系列水輪機(jī)，在相似工況下其均為常數(shù)，因此，這個(gè)常數(shù)就稱為水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速，常用表示，即 （3-26）式（3-26）中，以r/min計(jì)；以m計(jì)；P以kw計(jì)。從上式可見，比轉(zhuǎn)速是一個(gè)與無關(guān)的綜合單位參數(shù)，它表示同一系列水輪機(jī)在1m，1kw時(shí)的轉(zhuǎn)速。如果將代入式（3-26），可導(dǎo)出的另外兩個(gè)公式。 （3-27） （3-28）另外，如果在式（3-26）中P定義為馬力，對應(yīng)比轉(zhuǎn)速(用馬力計(jì)算)與上

2、述(用千瓦計(jì)算)的換算關(guān)系為： (用馬力計(jì)算)(用千瓦計(jì)算) （3-29）將比轉(zhuǎn)速表達(dá)式作適當(dāng)變換，可寫成以下公式： （3-30）用單位參數(shù)表示為： （3-31）由式（3-26）式（3-28）可見，綜合反映了水輪機(jī)工作參數(shù)之間的關(guān)系，也反映了單位參數(shù)之間的關(guān)系，因此，是一個(gè)重要的綜合參數(shù)，它代表同一系列水輪機(jī)在相似工況下運(yùn)行的綜合性能。目前國內(nèi)大多采用比轉(zhuǎn)速作為水輪機(jī)系列分類的依據(jù)。但由于隨工況變化而變化，所以通常規(guī)定采用設(shè)計(jì)工況或最優(yōu)工況下的比轉(zhuǎn)速作為水輪機(jī)分類的特征參數(shù)。現(xiàn)代各型水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速范圍約為：水斗式；混流式；斜流式。隨著新技術(shù)、新工藝、新材料的不斷發(fā)展和應(yīng)用，各型水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速值

3、也正在不斷地提高。出現(xiàn)這種趨勢的原因可從以下兩方面得以說明：1.由式（3-26）可見，當(dāng)一定時(shí)，提高，對于相同尺寸的水輪機(jī)，可提高其出力，或者可采用較小尺寸的水輪機(jī)發(fā)出相同的出力。2.當(dāng)一定時(shí)，提高可增大，從而可使發(fā)電機(jī)外形尺寸減小。同時(shí)可使機(jī)組零部件的受力減小，即可減小零部件的尺寸。總之，提高比轉(zhuǎn)速對提高機(jī)組動(dòng)能效益及降低機(jī)組造價(jià)和廠房土建投資都具有重要的意義。二、比轉(zhuǎn)速與水輪機(jī)的關(guān)系1.比轉(zhuǎn)速與水輪機(jī)性能水輪機(jī)性能一般是指水輪機(jī)能量，空化等水力性能。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，取水輪機(jī)額定工況的空化系數(shù)和該工況的比轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖3-2所示。圖中繪出了不同形式的水輪機(jī)可能偏差的范圍。對于這樣額定工況（

4、即滿負(fù)荷）時(shí)空化系數(shù)的平均值可按經(jīng)驗(yàn)公式繪出： （3-32）式（3-32）指出，隨著比轉(zhuǎn)速增加，空化系數(shù)增加。在高水頭的電站中，如采用比轉(zhuǎn)速高的水輪機(jī)，即使保證了機(jī)器的強(qiáng)度條件，還要有較大的淹沒深度，這顯然增加了廠房的開挖和土建投資。因此，從材料強(qiáng)度和抗空化性能（影響廠房投資）條件著眼，在一定的水頭段只能采用對應(yīng)合適比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)。圖3-2 滿負(fù)荷時(shí)空化系數(shù)與比轉(zhuǎn)速的關(guān)系2.比轉(zhuǎn)速與水輪機(jī)幾何參數(shù)比轉(zhuǎn)速與水輪機(jī)的幾何參數(shù)，可從水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪幾何形狀和使用條件來說明。不同型號的水輪機(jī)，具有不同的比轉(zhuǎn)速。由上述分析可知，水輪機(jī)的越高，則越大。在一定的流速下，其所需過流斷面的面積越大，要求導(dǎo)葉的相對高度

5、大（如圖3-3所示），轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)少，因此比轉(zhuǎn)速將直接影響轉(zhuǎn)輪的幾何形狀。圖3-3 不同比轉(zhuǎn)速的反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪幾何形狀之間大致有如下的變化規(guī)律。水輪機(jī)導(dǎo)葉相對高度與比轉(zhuǎn)速的近似關(guān)系：混流式 （3-33）軸流式 （3-34）轉(zhuǎn)輪進(jìn)、出口直徑比隨比轉(zhuǎn)速的增加而減小。對不同比轉(zhuǎn)速具有一個(gè)水力性能最優(yōu)的比值，其近似關(guān)系 （3-35）近代在水電工程中不斷提高同一類型水輪機(jī)的應(yīng)用水頭。或者說，對于已確定的水頭，傾向于選用更高比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)。例如，在世界范圍內(nèi)從6080年代，混流式水輪機(jī)應(yīng)用比轉(zhuǎn)速提高了17%，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)提高了15%，沖擊式水輪機(jī)提高了9%，這種傾向的原因是使用高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)能帶來經(jīng)濟(jì)效益。因?yàn)閺乃啓C(jī)本身看來，隨著比轉(zhuǎn)速的提高，在相同出力與水頭條件下，能夠縮減水輪機(jī)的尺寸，這樣，能降低水輪機(jī)的成本及節(jié)約動(dòng)力廠房的投資。或者，對既定的水輪機(jī)尺寸，在相等水頭條件下，提高比轉(zhuǎn)速能夠增加水輪機(jī)的出力。對于發(fā)電