1、水轮机选择经典第四章 水轮机选择4.1 水轮机的标准系列由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同，水电站的工作水头和引用流量范围也不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。一、反击式水轮机的系列型谱表41、42、43、44中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。1)、水轮机的使用型号规定一律采用统一的比转速代号。2)、每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。二、水斗式水轮机转轮参数表45，系列型谱尚未形成三、水轮机转轮尺寸系列表（
2、表46）四、水轮发电机标准同步转速（表47）五、水轮机系列应用范围图以H为横座标，N单为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。1、根据Hr、Nr 范围D1，n 。2、水轮机吸出高度的确定Hs：根据hsH的关系曲线确定。由Hr hs，Hs hs9004.2水轮机的选择一、水轮机选择的意义、原则、内容1、意义水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。2、原则(1)、充分考虑电站特点（水文水能、电力系统技术条件，电站总体布置)。(2)、有利于降低电站投资、运行费、
3、缩短工期，提前发电(3)、提高水电站总效率，多发电(4)、便于管理、检修、维护，运行安全可靠，设备经久耐用(5)、优先考虑套用机组3、内容(1)、确定机组台数及单机容量(2)、选择水轮机型式（型号） (3)、确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、Z a；Z0、d0(4)、绘制水轮机运转特性曲线(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择(6)、根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。4、有关资料(1)、水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、
4、产品目录、模型综合特性曲线。(2)、水电站技术资料：河流梯级开发方案、水库的调节性能、水电站布置方案、地形、地质、水质、泥沙情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件。(3)、水文情况：特征流量及特征水头(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav) 、下游水位流量关系曲线(4)、水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年运行费等二、机组台数及单机容量的选择已知总装机容量(=Z0N单)，N单不同，D1、n 、Hs、均不同1、机组台数与机电设备制造的关系N总一定，Z0多N单尺寸（D1）小制造运输容易造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)。所以一般选用较大的N单。2、机组台数与电
5、站投资的关系Z0多单位千瓦投资阀门、调速、管道、辐设、电气等增加厂房尺寸增加。N单D1尾水管高度低开挖少投资少3、机组台数与运行效率的关系Z0多平均效率提高(1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台数，使水轮机在较长时间内以最优工况运行，其平均效率也比较高。(2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较多的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运行效率。(3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能好，可以选用较少的机组。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，但同时增加了事故的几率，也增加了管理人员、提高了运行
6、费，所以不宜采用过多的台数。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，少数情况下可选1台。中大型电站一般选46台，根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共21台，装机271.5万千瓦，正在修建的三峡水电站装机2670=1820万千瓦。三、水轮机型号确定依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)1 根据水轮机系列型谱选择型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接查系列型谱，确定水轮机的型号。如果两种型号均可采用，应进行方案比较。2 采用套用机组根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、N单
7、适当，经济技术指标相近时，有限套用已经生产国的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。四、反击式水轮机主要参数的确定确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数：转轮直径D1，转速n、吸出高Hs，D1、n应该满足：在Hr下，发出Nr；在Hav时，最高。吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。(一)、按综合特性曲线选择1、D1的确定(kW) (m) (4-4)(1)、Nr(水轮机额定出力) Nr= Nff Nf发电机额定出力（机组容量），f 发电机的效率，大中型：f=0.950.98(2)、：在N= Nr时，取限制工况下的(查附表1-2)，并查出限制工况的M。HL水轮机由5%出力
8、限制线得到，轴流式由汽蚀条件得到，或限制HS反推z，以防止开挖过多。 z为水轮机装置的汽蚀系数。 (3)、取H=Hr计算。若取H=Hmax进行计算，则求出的D1太小，除H=Hmax 以外，均不能发出Nr。若取H=Hmin进行计算，则求出的D1太大，增加设备投资，不经济。(4)、：原型水轮机再现职工况下的效率，在D1未确定时，不能得出确切的。 一般先取=M+ (=23%)，求得D1后再修正。2、的修正计算求得D1后，再查附表1-2，得出Mmax，换算得出max。 =max-Mmax-1-2，1=1%2%(表示工艺水平)，2=1%3%(表示异形部件)最后的出现职工况下的=M+，与假定相比，如出入太
9、大，应重新计算。3、转速的选择用最优单位转速，。水头H=Ha。转速n随工况而变，要选育发电机转速相近的标准同步转速，见表4-7。4、工作范围的验算求出水轮机的参数D1、n后，在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围，检验是否包括了高效率区，以验证D1、n的合理性。方法：根据Nr、D1、Hr求出Q1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n1min和n1max，在综合特性曲线上以Q1max、n1min和n1max作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围。5、HS的计算计算公式： 水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。(二)、用系列应用范围图选参数这
10、种方法根据特征水头、单机容量查水轮机应用范围图选择参数，比较简单，但精度不够，多用于小型水电站的初步设计(三)、套用机组方法根据特征水头、单机容量等选用已建成的相似电站的机组，我国采用较多。五、水斗式水轮机的参数选择水斗式水轮机的参数选择是在已知机组装置型式、转轮个数ZP、喷嘴个数Z0条件下，初步确定：射流直径d0、喷嘴直径dn、转轮直径D1、转速n、水斗数目Z1。1 转轮直径D1已知： Q1单转轮、单喷嘴在限制工况下的单位流量，查表4-5，P71。取M，为限制工况的效率，查模型特性曲线。2 射流直径d0 取m=D1/d0，一般使m保持在1020之间。3 喷嘴直径dn 4 转速n 求出后，选定
11、标准同步转速。为最优单位转速。5 水斗数目Z1 4.3水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线一、特性曲线概述1、研究目的：进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性，计算水轮机能量指标，以评定所选择的水轮机各主要参数的正确性，指导水轮机的安全运行。2、定义：反映原型水轮机在各种工况下参数之间的关系曲线水轮机特性曲线。（正常运行时，转速n不变，当H、N变化时，、随之变化）3、工作特性曲线：H一定，=f(N)4、运转特性曲线：综合反映H、N、Hs等参数之间的关系曲线。5、绘制方法：根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。二、水轮机的工作特性曲线(=f(N) , H一定)1、H一定时，2、在模型综
12、合特性曲线上，作，交点一组（M，Q1）则原型：=M+， 3、作曲线N曲线4、分析：1)、=0，N0，说明空载时，水轮机消耗Nx，维持在额定转速下空转。2)、c点：max；d点：Nmax；e点：5% Nmax，出力限制。由图4-7可知 ZD：曲线陡，高效率区范围窄。偏离最优工况后，效率急剧下降； ZZ：高效率区范围宽，变化平稳，适用承担负荷变化大而频繁； HL：变化较大，较ZZ窄。三、水轮机运转特性曲线的绘制组成：N为横座标，H为纵座标，绘有=f(H,N) Hs=f(H,N),出力限制线。反映能量特性、汽蚀特性、运行限制范围。(一)、HL水轮机运转特性曲线1、等效率线=f(H,N)(1)、在Hm
13、ax,Hmin之间，取46个H，包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，绘制每个水头下=f(N)(2)、作=1水平线，与=f(N)相交(H，N)，绘制=f(H,N)（上下对应），或列表进行，表4-10。2、出力限制线的绘制水轮机在运行中，N受发电机的额定出力和5%出力限制线的限制 Nr=Nf/f，Nr为一定值，在HN坐标场中表现为一垂直线。(1)、Hr是N= Nr时的最小水头，当HHr时，水轮机限制在N= Nr内；A（Nr ，Hr）(2)、当HHr时，水轮机则受到5%出力限制线的限制，对限制线上各点分别计算，得出B(Hmin,Nmin)，连接A、B，即为H40m时，可用钢板衬砌防渗。适用于低水头大
14、流量的水轮机。2、金属蜗壳：当H40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。(1) 钢板焊接：H=40200m，钢板拼装焊接。(2) 铸钢蜗壳：H200m时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。混凝土蜗壳 金属蜗壳二、蜗壳的主要参数1、断面型式与断面参数(1) 金属蜗壳：圆形。结构参数：座环外径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘半径(2) 混凝土蜗壳：“T”形。有四种型式： (i) n=0：平顶蜗壳，b/a=1.51.7，=1015。使用较多。特点：接力器布置方便，减小下部块体混凝土，但水流条件不太好。 (ii) m=0：上伸式：b/a=1.51
15、.7，=30，厂房开挖量小，采用较少。 (iii) mn，1.85, =2030，=1020。(iv) mn，=2030，=2035。m=n时，称为对称型式。中间断面：蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。2、 蜗壳包角蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角0：(1) 金属蜗壳：0=340350，常取3450大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂房尺寸加大。金属蜗壳的流量小，尺寸小，一般取较大包角；从构造上讲，最后100内，断面为椭圆，但仍按圆形计算。(2)、混凝土蜗壳：Q大，为减小平面尺寸，0=180270，一般取180，有时0=135，使水轮机布置在机组段中间。（一大部分水流直接进
16、入导叶，为非对称入流，对转轮不利）3、蜗壳进口平均流速：进口断面流量：Qmax水轮机的最大引用流量。VcFchw；VcFchw；一般由HrVC曲线确定VC。三、水流在蜗壳中的运动规律水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流)，之后进入导叶。水流速度分解为Vr、Vu。进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，Vr=常数。 圆周流速的变化规律，有两种基本假定：(1) 速度矩Vur=Const假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘性及摩擦力，Vu会随r的增加而减小。(2) 圆周流速Vu=Const：即假定Vu=VC=Const四、蜗壳的水力计算水力计算的目的：确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘出蜗壳单线图，
17、为厂房设计提供依据。已知：等断面型式下进行：按Vu=VC=Const假定计算(也可按Vur=Const)1、金属蜗壳水力计算 (1）蜗壳进口断面：断面半径： 从轴心线到蜗壳外缘半径： (2) 中间断面() 由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：(a) 确定0 和VC ；(b) 求Fc、max、Rmax；(c) 由I确定Fi、i、Ri。2 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)(1) 按求进口断面积；(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表示并画出1、2、3.等中间断面。(4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)
18、关系曲线。(5) 按，绘出F = f()直线。(6) 根据i确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。4.5尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。尾水管尺寸越大，越高，工程量及投资增大。型式：直锥形、弯锥形、弯肘形（大中型电站）一、 直锥形尾水管（小型电站）1、 进口直径：D3=D1+(0.51.0)cm 2、出口流速：V5=(0.2350.7)H1/2 L/ D3=34 =1214 3、尾水渠尺寸：， ， 尾水管淹没深度：4、 材料：钢板，结构简单，适用于小型水轮机。二、弯锥形适用于：卧轴混流式水轮机，布置方便，见图4
19、-34，其水头损失大，。三、弯肘型尾水管大中型水轮机所采用的尾水管，为了减小开挖深度，均采用弯肘型尾水管。由直锥段、肘管、出口扩散段组成。 1、 进口直锥段：进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为直锥管进口直径，为锥管单边扩散角。混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径)，轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，=810。h3直锥段高度，其长度增加将会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。2、肘管：90变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。F进/F出=1.3曲率半径R小离心力大压力、流速分布不均匀hw大。R=(0.61.0)D4为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩
20、断面(hc)： 高/宽=0.253、出口扩散段：矩形扩散管，出口宽度B5=肘管出口宽度B6顶板 =1013，L2 = L-L1=(23)D1 底板水平，B5很大时，加隔墩4、尾水管的高度与水平长度尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。H=h1+h2+h3+h4 h1，h2由转轮结构确定，h4肘管高度确定，不易变动。H取决于h3。h3大hw小w大开挖加大，工程投资大；L：机组中心到尾水管出口，L大F出大V出小w大hf大厂房尺寸加大，一般L=( 3.54.5) D1。5、推荐尾水管尺寸：表-17、4-186、尾水管局部尺寸的变更厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，在不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺寸可作局部变更。(1) 减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜612(2) 大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布置(3) 地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面(4) 加长h3、L2
