第六章 水轮机的选型设计

三、选型所具备的原始资料
1、地理位置、流域概况、环境生态、水文、 气候。
2、水电站开发方式、水库调节性能，在电力 系统中的作用及主要任务。
3、水能资料
⑴ 水头范围。如 Hmax , Hmin , Hr , Hcp
⑵ 水电站引用流量及相应保证率曲线。 ⑶ 水电站装机容量。 ⑷ 电站水位。
4、水文资料。 ⑴ 年平均降雨量。 ⑵ 流域面积，河流经流方式。 ⑶ 水的硬度、酸碱度。 ⑷ 水中含沙量、沙粒大小。
nD1 Hr
n11
②用 n11M 与5%出力限制线相交，得 Q11M 、 M
再换算成原型机单位流量和效率
Q11 Q11M Q11
M
③计算该点的原型机出力
P
9.81Q11D12 H
3
2
若 P Pr （略大于），且 Pmin P Pr
说明所选转轮直径 D1 满足出力要求。
若 P P额 ，说明所选 D1 不满足出
Hs
10
900
M
H
若 Hs 6 ~ 7米 ，满足工程上的要求。
反之，不满足要求。
3、检验所选水轮机工作范围是否理想
求出 H max 和 Hmin 所对应的模型单位转速，即
n11M
nD1 H max
n11 C1
n11M
nD1 H min
n11 C2
在模型综合特性曲线上，找出这两个模型单位
7、选配同步发电机的主要参数。 8、选择起重设备（通常带轴转子最重）。 9、确定厂房平面尺寸、估算厂房总体尺寸。
10、各方案经济指标的估算。
⑴ 机电设备的投资。 a.水轮发电机组的造价（按重量估算）。 b.辅助设备的造价。 c.起重设备的造价。
d.电气一次部分的造价。 e.上述设备的运输、安装费（大概占上述 投资的10%）。 ⑵ 厂房的土建投资。 ⑶ 经济动能指标（机组技术性能）。 a.机组平均效率。 b.机组运行范围。 c.受阻容量的大小。 d.单位指标。
式中: D1 ——已标准化的转轮直径，单位m。
H ——采用加权平均水头 H cp ，加权平
均水头与设计水头有以下关系。
河床式水电站 Hr 0.9Hcp
坝后式水电站 Hr 0.95Hcp
引水式水电站 Hr Hcp
初算时亦可以用 H r ，单位m。
n11r ——原型水轮机设计单位转速，一般采
用最优单位转速 n110 ，单位r/min
制工况点）、 nsM 、 M
2、选择的水轮机技术性能好。
⑴ 在水电站给定水头（即 Hmax ~ Hmin ）范
围内，转轮是否在高效率区域工作。 ⑵ 水轮机在设计水头下，能否发出额定出力。 ⑶ 水轮机的受阻容量要小。
3、水轮机运行稳定、可靠、方便。 4、结构简单、先进、牢固、操作、维护及 安装、检修方便。 5、机组供应落实，造价低，供货周期短。 6、对中、小型机组最好选用通用或套用机 组。
第六章 水轮机的选型设计
§6-1 概述
一、选型设计的任务
由于每一个水电站所处的自然条件、水 力条件不同，因此，根据各水电站的特定条 件，选择技术上合理、经济上能获得最大效 益的水电站，便成为水轮机选型设计的主要 任务。
二、选择原则
1、选择的水轮机经济指标高、空化性能好。
如：n110M 、Q110M 、 0M 、 Q11max （限
5、电站所在的系统容量。 6、运输条件。 7、国内外已生产机组技术资料。 8、其他。
§6-2 水轮机选型设计的内容
一、内容
1、确定机组台数。
2、选择水轮机型号及装置方式。
3、计算水轮机转轮标准直径 D1 、标准转速 n
4、计算最大吸出高度
H
，确定机组的安装高程
s
5、绘制水轮机运转综合特性曲线。
6、确定蜗壳、尾水管的型号及主要尺寸。
② 重叠区内相同型式不同型号转轮的比 较
3、选择水轮机主要参数计算
4、计算各方案的吸出高度 H s
5、绘制各方案的运转综合特性曲线
6、确定各方案的安装高程 安
7、各方案分析比较
8、结论
§6-3 反击式水轮机主要参数计算
主要介绍最常见的用模型综合特性曲线选择 参数的方法，基于几点考虑：
①原、模型水轮机满足相似条件，因此，可 用相似公式计算原、模型水轮机主要参数。
M
Pr
9.81Q11D12
H
3
r 2
M
Q11M
M
Q11 Q11M Q11
Pmin
9.81Q11D12
H
3
2
min
三、确定水轮机最大允许吸出高度 H s
Hs
10
900
M
H
式中 M 取值，在初步计算时，可以用 H r 对
应模型单位转速与5%出力限制线交点处的空化
系数值。
二、设计程序
1、对所提供的原始资料进行核定和分析 。
2、拟定待选方案。
⑴ 确定机组台数 Z 和单机容量 Py 。
原则： ① 在系统容量、工厂制造、运输条件允 许情况下，尽量采取大容量机组。 ② 从制造角度来说，单机容量小，台数 多，便于安装、运输。
③ 台数多，运行灵活，易满足负荷变化要求 ④ 从水电站投资来说，台数增加，机组尺寸将 会减小，但机电设备的配套数增加，投资也将增 加，一般多台数投资比少台数投资增加20%。 ⑤ 台数增加，可改变投网台数，避开水轮机在 低效率区运行，从而可以提高机组的平均效率。 ⑥ 其它方面。 a.台数常用偶数，可节省电气部分投资，采用扩 大单元出线（两台机共用一个母线出口）。
n110 n110M n11
n 求出转速 后，按发电机同步转速标准
系列选取接近而偏大的同步转速(见课本P326) 作为水轮机的标准转速。
二、检验所选参数能否满足要求
1、检验原型水轮机出力能否满足要求
常用两种方法进行校核：
方法（一）：校核出力是否满足要求
①求出 Hr 对应的模型机单位转速
n11M
转速 n110M 与模型出力限制线交点的单位流量值
；对ZZ式水轮机，由于无出力限制线，出力受
气蚀的限制，故选用小于型谱推荐的 Q11 值。
----水轮机效率，可按单位流量取值点的
模型效率 M ，先初略加上1%---3%的效率修正
值进行计算。待求出 D1 后，再按转轮直径标 准系列取与之接近的标准直径（见课本P17)。
②为慎重起见，又将所选定的原型参数反过 来换算成模型参数，在模型综合特性曲线 上检验所选水轮机是否理想。
③绘制运转综合特性曲线，进一步检验所选 水轮机的工作范围是否理想。
一、参数的计算
参数主要包括转轮标准直径和标准转速
1、计算标准直径 D1
由水轮机出力公式
P
9.81Q11D12 H
3
2
得
P
D1
3
实际计算时，可选择 Hmax , Hmin , Hr 若干水
头，由它们分别相应的限制工况点的空化系数 M
计算出 H s值，从中选取最小值作为最大允许吸
出高度 H s 。
四、绘制运行综合特性曲线，作进一步比较。
五、待选方案各项指标的综合比较，可列表进 行。
待选方案各项指标的综合比较表
项目
方案
机组台数
b.规范规定，第一台机组投入运行时，区域电网 单机容量不超过系统容量的10%，或不要大于 电网的事故备用容量。 c.考虑到事故和检修时有可靠的厂用电，一般要 装两台以上的机组。
⑵ 选择水轮机机型
① 搭接水头段不同类型水轮机的选择。 3-—15m，有GL式与ZL式可选择； 30——60m，有ZL式与HL式可选择； 300——500m，有HL式与CJ式可选择；
曲线确定）
2、利用面积法求平均效率
cp
1
2
S12 2
2 3 S23 3 4 S12 S23 S34
S34
其中：S12 表示等效率曲线 1,2 所包围的面积
3、受阻容量-----是指工作水头低于额定水头 时，水轮机的出力小于水轮机额定出力的部
分。 P Pmin Pr
型号：HL
n11
n110
max M max
1
n110 n110M n11
n n110 H cp D1
标准转速
n11M
nD1 H
n11
H max Hr H min
校核吸出高度
Hs
10
900
M
H
校核设计水 头下的出力
Pr
校核最小水 头下的出力
Pmin
方案编号
M
Q11M
Q11 Q11M Q11
机组额定出力（kW）
水轮机转轮型号
转轮标准直径 （m）
水轮机标准转速（r/min）
比转速 （m.kW）
最高效率 （%） 平均效率 （%） 吸出高度 飞逸转速 （r/min） 水轮机设计水头 受阻容量 （kW） 机组重量（吨） 机电设备投资（万元）
注意：
1、比转速
ns n
P
5
H4
其中： H 表示水轮机的设计水头（由运转特性
转速所包含的区间，这个区间就是原型水轮机的
工作范围。若这个区间在模型综合特性图上处于
高效率区，则说明原型水轮机工作范围理想，所
选参数配合合理。
初选水轮机基本参数表
台数Z
P Pf Z f
D1
P
3
9.81Q11H 2
标准直径
max
1 1 M max
5
D1M D1
max M max
力要求。
方法（二）：校核流量是否满足要求
①根据水轮机额定出力 P额 、设计水头Hr、转轮
直径 D1、水轮机效率 ，计算出原型水轮机