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4—1、4—2、4—3、4—4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4—5，系列型谱尚未形成三、水轮机转轮尺寸系列表（表4—6）四、水轮发电机标准同步转速（表4—7）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H r、N r→范围→D1，n。

2、水轮机吸出高度的确定H s：根据h s~H的关系曲线确定。

由H r→h s，H s＝h s－▽／900§4.2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、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、H s、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、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(=Z0×N单)，N单不同，D1、n 、Hs、η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4~6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26×70=1820万千瓦。

三、水轮机型号确定依据：N单，特征水头(H max、H min、H av、H r)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D 1，转速n 、吸出高H s ，D 1、n 应该满足：在H r 下，发出N r ；在H av 时，η最高。

吸出高H s 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、D 1的确定ηr r r H H D Q N 21181.9'= (kW) 1D (m) (4-4)(1)、N r (水轮机额定出力) N r = N f ／ηfN f —发电机额定出力（机组容量），ηf —— 发电机的效率，大中型：ηf =0.95～0.98(2)、1Q '：在N= N r 时，取限制工况下的1Q '(查附表1-2)，并查出限制工况的ηM 。

HL 水轮机由5%出力限制线得到，轴流式由汽蚀条件得到，或限制H S 反推σz ，以防止开挖过多。

σz 为水轮机装置的汽蚀系数。

[]H H s z -∇-=90010σ(3)、取H=H r 计算。

若取H=H max 进行计算，则求出的D 1太小，除H=H max 以外，均不能发出N r 。

若取H=H min 进行计算，则求出的D 1太大，增加设备投资，不经济。

(4)、η：原型水轮机再现职工况下的效率，在D 1未确定时，不能得出确切的η。

一般先取η=ηM +△η (△η=2~3%)，求得D 1后再修正。

2、η的修正计算求得D 1后，再查附表1-2，得出ηMmax ，换算得出ηmax 。

△ η=ηmax -ηMmax -ε1-ε2，ε1=1%~2%(表示工艺水平)，ε2=1%~3%(表示异形部件)最后的出现职工况下的η=ηM +△η，与假定相比，如出入太大，应重新计算。

3、转速的选择11011D H n n D H n n a '=⇒'=1n '用最优单位转速10n '，11010n n n M '∆+'='。

水头H=H a。

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D 1、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D 1、n 的合理性。

方法：根据N r 、D 1、H r 求出Q ’1max ，由H max 、H min 、D 1、n 求出：n ’1min 和n ’1max ，在综合特性曲线上以Q ’1max 、n ’1min 和n ’1max 作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围。

5、H S 的计算计算公式： r s H k H σ-∇-=90010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Z P 、喷嘴个数Z 0条件下，初步确定：射流直径d 0、喷嘴直径d n 、转轮直径D 1、转速n 、水斗数目Z 1。

1 转轮直径D 1已知：，则：，，，0Z Z H N P r r η2/301181.9r P rH Z Z Q N D '=Q'1——单转轮、单喷嘴在限制工况下的单位流量，查表4-5，P71。

η取ηM ，为限制工况的效率，查模型特性曲线。

2 射流直径d 0r p H Z Z Q d 00545.0= ηr rH N Q 81.9=取m=D 1/d 0，一般使m 保持在10~20之间。

3 喷嘴直径d n0)25.1~15.1(d d n =4 转速n110D H n n a'= 求出后，选定标准同步转速。

10n '为最优单位转速。

5 水斗数目Z 101167.6d D Z =§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，η、σ随之变化）3、工作特性曲线：H一定，η=f(N)4、运转特性曲线：综合反映H、N、η、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(η=f (N ) , H 一定)1、H 一定时，111n H nD n M '∆-='2、在模型综合特性曲线上，作c n M ='1，交点一组（ηM ，Q 1） 则原型：η=ηM +△η，ηr r r H H D Q N 21181.9'=3、作曲线η～N 曲线4、分析：1)、η=0，N ≠0，说明空载时，水轮机消耗△Nx ，维持在额定转速下空转。

2)、c 点：ηmax ；d 点：N max ；e 点：5% N max ，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，η变化平稳，适用承担负荷变化大而频繁； HL ：变化较大，η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η=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η=f(H,N)(1)、在H max,H min之间，取4～6个H，包括H max，H min，H r，H a，绘制每个水头下η=f(N)(2)、作η=η1水平线，与η=f(N)相交(H，N)，绘制η=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=N f/ηf，Nr为一定值，在H～N坐标场中表现为一垂直线。