混流与轴流水轮机转轮流道几何参数
中小型混流式、轴流式水轮机模型参数及型谱表
， n1 (r/min)
20
95
22 24 26 28
18
90
62
12
16 14
68
72
76 78 80
30 32
85
10
82
0.04
80
84
75
Ao=8
σ =0.03
86 87 88
89
70
65
0.05
91
91
92 92.8%
90
.5
0.07
60
0.06
55
75
Ao=8
σ =0.03
89
70
90
70
60
55
600
700
800
900
1000
1100
δ =
60
55
600
700
800
900
1000
1100
模型转轮综合特性曲线
90
80
70
η = 60
δ
50
40
100
120
140
160
180
200
A244-35 转轮综合特性曲线
110
7 80 8
100
7 74 2 76
A244-35 转轮综合特性曲线
转轮综合特性曲线
δ =
δ =
δ =
δ =
η =
400
450
500
550
600
650
700
18.0
21.0
24.0
27.0
30.0
33.0
18.0
500
600
水轮机模型转轮型谱表
0
0.365 0.315 0.28 0.25 0.225 0.2 0.225 0.16 0.118 0.12 0.12
1.15 1.16 1.16 1.16 1.16 1.18 1.16 1.25 1.17 1.2 1.2
最优工况 Z0 n110 (r/min) 165 16 20 32 32 32 24 148 140 142 140 140 128 120 最优工况 Q110 (m /s) 1.1 1.08 1.08 0.95 0.955 0.65 0.69 0.548 0.313 0.32 0.203
1.175 1.255 1.16 1.16 1.16 1.16
表B.0.2中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 转轮型号 HL240 HL260/A244 HL260/D74 HL240/D41 HL220/A153 HL180/A194 HL180/D06A HL160/D46 HL110 HL120 HL90/D54 Z0 24 24 24 24 24 20 24 20 20 18 20 n110 (r/min) 72 80 79 77 71 70 69 67.5 61.5 62.5 62
0.348 Q11
0.393 Q11 0.416 Q11 0.416 Q11 0.57 Q11
180° 180° 180° 225°
对称型 对称型 对称型 对称型
自行设计 自行设计 自行设计 4号
>2.6D1 >2.4D1 >2.42D1 >2.71D1
σ 0.2 0.15 0.143 0.106 0.08 0.078 0.053 0.045 0.055 0.063 0.033
水轮机类型及工作参数
第一节水轮机的主要类型自然界有多种能源，其中有很多式可以开发利用的，目前已被利用的能源中主要有热能、水能、风能和核能。
其中水能是一种最经济的能源，水能的开发利用已受到越来越多的关注。
我国有着丰富的水力资源，对水能的开发利用已受到社会的广泛关注，对水能最重要的开发形式就是兴建各种各样的水电站。
水轮机作为将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机，是水电站中最重要的组成部分。
根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。
反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。
一、反击式水轮机反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。
当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。
1.混流式水轮机如图1-1所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。
混流式水轮机应用水头范围较广，约为20～700m，结构简单，运行稳定且效率高，是现代应用最广泛的一种水轮机。
图1-1 混流式水轮机1—主轴；2—叶片；3—导叶2．轴流式水轮机如图1-2所示，水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动，轴流式水轮机的应用水头约为3～80m。
轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。
根据其转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式水轮机两种。
轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定不动的，因而结构简单、造价较低，但它在偏离设计工况运行时效率会急剧下降，因此，这种水轮机一般用于水头较低、出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。
轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动，从而扩大了高效率区的范围，提高了运行的稳定性。
但是，这种水轮机需要有一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。
灯泡混流式水轮机流道系列的设计
０ 引言
灯泡混流式水轮机是一种采用类似于混流式水
轮机转轮和灯泡贯流式水轮机导水机构及流道形式 的一种新型水轮机 ， 取消了常规 的蜗壳式引水 ， 采用 球形导流室 ， 其固定导叶设计成扭 曲型， 承担转轮所 需要 的环量 ， 活动导叶设计成平板型 ， 分布在球形体 内， 起着调节流量 的作用 。该 型水轮机 避免了混流 式水轮机的一些水力方面 的缺点 ， 并具 备混 流式水 轮机空蚀性能好 ， 转轮强 度高， 适用于高水头（ 流 混
收稿 日期 ： ０ —６０ ２ ６０ —７ ０
基 金 项 目 ： 省 重点 科 技 计 划 项 目（ 号 ：１ Ｏ ４ ０ ） 四川 编 ０ ＧＧ ３ — ９
图 １ 灯泡混流式水轮机与常规混流式 水轮机的流道形式对 比
作者简介 ： 喻华全 （９ ２ ） 男 ， １ ７一 。 四川营 山人 ， 工程师 ， 主要从事水力机 械的设 计与制造ｌ 作方面的研究 。 丁
内部流动状况以及整个流道 的绕流情况 ， 通过其可
视化对流道结构几何参数进行 了优化 ， 灯泡混流式 水轮机适用于各种不同水头段 的流道几何参数见表
１ 表 以致于产生脱流 ， 诱发
严重的空蚀 ， 造成水力振动从而影响到活 动导 叶的 寿命 ， 同时过分扭曲的活动导叶在锥形 导流室布置 时， 又给导叶的密合封水及加工带来不便。灯泡混 流式水轮机也与一般混流式水 轮机一样 ， 只让活动 导叶形成很少部分环量或不形成环量 ， 仅起调节流 量的作用， 全部环量或绝 大部分 的水流环量 由导流 室中的固定导叶来形成 ， 这样 固定导叶设计成空 间 扭曲的， 在水力上相当于混流式水轮机庞大的蜗壳。
小型混流式水轮机转轮优化设计及数值模拟
小型混流式水轮机转轮优化设计及数值模拟张洪渠，余波，陈柱(西华大学能源与环境学院，四川I成都610039)摘要：针对某小型混流式水轮发机电组长期受到转轮流道堵塞、出力受阻闻题，提出在基本不改变水轮机原性能参数的条件下．以加大叶片开121为优化目标的转轮流道优化方案，并对优化后的水轮机转轮流道进行数值模拟。
数值模拟及现场运行表明了该转轮优化设计方案的正确性。
关键词：水轮机；转轮；优化设计；数值模拟；水电站O pt i m i z at i on D瞄i和and N um eri cal Si m ul a t i on of Sm a l l Fra nci s T ur bi ne R unn erZ hang H on gqu，Y u B o，C he n Z h u(School of E n er g y a nd E nvi ronm e nt，X i hua U ni ve r s i t y，Che ngdu Si chuan610039)A bs t r a ct：The r u nne r of Fr an ci s t ur bi ne i n a sm al l hydropew er s t at i on i s of t e n bl oc ke d by debr i s．For sol vi ng t he pr obl em，t he r u nne r i s r e des i gne d t o i ncr ease bl a de op e ni ng under t he con di t i on of n o c h a ng e t he basi c per f or m ance and pa r am et er s of t u r bi ne．T h e r u nne r opt i m i zat i on i s als o nu m er i ca l l ysi m ul at ed．T he si m ul at i on a nd f ield oper at i on s ho w s t hat t he r u nne r r e desi g n i sr eas onable．K e y W ords：t ur bi ne；runne r,opt i m a l des i gn；num er i c al si m ul at i on；hydr opow e r s t at i on中图分类号：TK730．2文献标识码：A文章编号：0559-9342(2010)08-0065-03四川I某水电站安装有3台单机容量为1600kW 的卧式混流式水轮发电机组，电站额定水头91．4m，水轮机型号为H L l60娟U--60，单机额定流量2．3m3／s。
混流式水轮机转轮
A897 转轮
• 构皮滩水电站（Hmax=200.0 m，5×600 MW），水头变 幅并不大，业主对水轮机最高效率要求高，而且要具有高 效宽广的效率圈。全部水力设计由“哈电” 独立完成， 采用创新设计理念，优化设计出A897 转轮，并进行了模 型效率试验。该转轮具有长短叶片，已用于构皮滩水电站， 2009 年首台机组发电。 • A897 转轮模型试验验收分国内和国外两个阶段， 分别在 “哈电”和瑞士洛桑EPFL-LMN 进行，其结论是一致的： 水轮机模型最高效率平均值为95.17%， 换算到原型最高 效率96.65%，原型水轮机加权平均效率为94.7%，水轮机 模型额定点效率平均值为91.5%，换算到原型为93.0%， 均满足合同的要求；在单位飞逸转速、模型各工况点的压 力脉动幅值等方面，均满足合同的要求；水轮机模型在运 行区域内没有出现空化现象。
7ljd399d294d398等转轮?东电自三峡左岸电站vgs水轮机模型验收试验后就在总结这一试验结果的基础上开始了历时4年的三峡右岸电站水轮机的水力开发工作进行了精心的水力设计和大量的模型试验研究水力开发工作围绕着在保持能量空化性能与左岸电站水轮机相当的前提下考虑如何最大限度地提高右岸电站水轮机水力稳定性消除左岸电站水轮机存在的部分负荷压力脉动带
混流式水轮机转轮
混流式水轮机转轮
F13 转轮
富春江水电设备厂为三门峡扩机而于1991 年6 月从 俄罗斯列宁格勒金属工厂引进了PO45/820 转轮技术，并 完成了模型试验及验收，其编号为F13。又将F13 模型机 组的尾水管换成按三门峡水电站实际流道设计的模型进行 了试验研究， 编号为F12。F12 转轮用于三门峡水电站的 6 号、7号机组（最高水头47.7 m，单机容量75 MW，水 轮机型号为HLF12-LJ-550，真机最优效率ηmax=94.2%）， 6 号机组于1993 年12 月投产。 在前苏联1982 年重新制定的轴流式和混流式水轮机 型谱中，PO45（PO 表示混流式, 45 表示可供使用的最大 水头( m) ） 是用于最低水头段的混流式水轮机，转轮推 荐使用最大水头为45 m。在JB/T6310—92《中小型轴流 式混流式水轮机转轮系列型谱》中F13 的推荐使用水头 Hmax=50 m。
轴流式水轮机基本结构
轴流式水轮机基本结构轴流式水轮机与混流式水轮一样属于反击式水轮机，二者结构上最明显的差别是转轮，其次是导叶高度。
根据转轮叶片在运行中能否调节，轴流式水轮机又分为轴流定桨式和轴流转桨式两种型式。
轴流式水轮机用于开发较低水头（3m~55m），较大流量的水能资源。
它的比转速大于混流式水轮机，属于高比转速水轮机。
在低水头条件下，轴流式水轮机与混流式水轮机相比较具有较明显的优点，当它们使用水头和出力相同时，轴流式水轮机由于过流能力大（图5-13），可以采用较小的转轮直径和较高的转速，从而缩小了机组尺寸，降低了投资。
当两者具有相同的直径并使用在同一水头时，轴流式水轮机能发出更多的功率。
但在相对高水头条件下，轴流式水轮机除了空化系数较大，厂房要有较大开挖量外，飞逸转速和轴向水推力较混流式水轮机高。
轴流转桨式水轮机，由于桨叶和导叶随着工况的变化形成最优的协联关系，提高了水轮机的平均效率，扩大了运行范围，获得了稳定的运行特性，是一种值得广泛使用的优良机型。
限制轴流式水轮机最大应用水头的原因是空化和强度两方面的条件。
由于轴流式水轮机的过流能力大。
单位流量和单位转速都比较大，转轮中水流的相对流速比相同直径的混流式转轮中的高，所以它具有较大的空化系数。
在相同水头下，轴流式水轮机由于桨叶数少，桨叶单位面积上所承受的压差较混流式叶片的大，桨叶正背面的平均压差较混流式的大，所以它的空化性能较混流式叶片的差。
因此，在同样水头条件下，轴流式水轮机比混流式水轮机具有更小的吸出高度和更深的开挖量。
随着应用水头的增加，将会使电站的投资大量增加，从而限制了轴流式水轮机的最大应用水头。
另一方面是由于轴流式水轮机桨叶数较少（3~8片），桨叶呈悬臂形式，所以强度条件较差。
当使用水头增高时，为了保证足够的强度，就必须增加桨叶数和桨叶的厚度，为了能够方便地布置下桨叶和转动机构，转轮的轮毂比，亦要随之增大，这些措施将减少转轮流道的过流断面面积，使得单位流量下降。
水轮机型谱
C.0.1 附 录C收集了四 张新模型转 轮参数表： 表C.0.1-1— —轴流转桨 式水轮机新 模型转轮主 要参数表； 表C.0.1-2— —轴流定桨 式水轮机新 模型转轮主 要参数表； 表C.0.1-3— —混流式水 轮机新模型 转轮主要参 数表； 表C.0.1-4— —水斗式水 轮机新模型 转轮主要参 数表。 C.0.2 附录C 各表中转轮 型号及参数 的符号表 示： A——哈尔滨 大电机研究 所研制的转 轮； D——东方电 机厂研究所 研制的转 轮； F——富春江 水电设备总 厂研制的转 轮； JK——中国 水利水电科 学研究院水 力机电研究 所研制的轴 流转桨式转 轮；
~140
35
0.25
14
1.18
24
49
JF2508
~140
35
0.25
14
1.18
24
50
TF13-43.4 ~145
43.4
0.261
13
1.145
24
51
A398-35
~150
35
0.225
17
1.18
24
52
A353-35
~150
35
0.225
14
1.18
24
63
A356-35
~150
35
0.225
14
1.18
24
54
A497-35
~150
35
0.225
15
1.2
20
55
A553-35
~150
35
0.225
16
1.25
20
56
A606-35
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转轮体通常用ZG30或ZG20MnSi 材料
轴流式水轮机转轮流道几何参数
一、设计工况和最优工况的关系：
n n f 1111)4.12.1(～=
Q Q f 1111)6.135.1(～= 式中－n f 11、Q
f 11为设计工况的单位转速、单位流量； n 11、Q 11
为最优工况的单位转速、单位流量； （适当选取较大的单位转速、单位流量作设计工况参数） 二、叶栅稠密度t
L （如下图所示）—比转速查算术平均值
栅距t ：Z R
t 1
2π=→R-圆柱层面半径 z 1－转轮叶片数
翼型弦长L ：翼形后端点和翼形中线与前端交点的连线的长度 叶栅稠密度t
L →是翼型弦长与栅距的比值： ａ.轮毂处的叶栅稠密度：)()()2.11.1(t L t
L av B ～= （此时计算栅距ｔ中的R 为轮毂半径） ｂ.轮缘处的叶栅稠密度：)(
)()95.085.0(A t L t L av
～= （此时计算栅距ｔ中的R 为转轮半径）
＿式中)(t L av
为叶栅稠密度的算术平均值（在下图取值）
三、转轮叶片数－算术平均值算叶片数
确定Z 1的原则是：不使叶片太长，且平面包角θ不太于90°；所谓平面包角－
指叶片位于水平位置时，叶片进出水边所对应的中心角
当叶片栅稠密度确定后，Z 1按下式计算取整：
)()(1360t
L Z av θ= 当θ＝70°～90°时，Z 1与)()(
L av 关系见下表： 四、转轮体
转轮体有环形与圆柱形两种外观形式：
球形转轮体（用于ZZ 式水机）时：转轮叶片内表面与转轮体之间的间隙较小，不同转角时间隙可保持不变。
圆柱形转轮体时：一般按最大转角确定转轮叶片与转轮体之间的间隙
附：相同直径下，采用球形转轮体的水机效率高于圆柱形转轮体水机
五、泄水锥
泄水锥长度系数指：转轮叶片转动轴线到泄水锥底部的高度。
其高度采用主：D L 1165.0=
同时，采用高度为0.4D 1与0.6D 1泄水锥的大型高水头ZZ 水机其水机效率一样
六、导叶相对高度-b 0、轮毂比-d h 及转轮叶片数Z 1与最大水头的关系 轮毂比计算式建议采用以下公式：
-
d h ＝－0.0005n s ＋0.75一
+0.065 或，-
d h ＝0.25＋
n S 64.94 式中－n s 为水轮机比转速（m ·hp ）
七、转轮室
ZL 式水轮机转轮室有圆柱形、球形和半球形三种
现多采用半球形转轮室：转轮叶片转动轴线以上采用圆柱形，在其以下采用球形
ZL 水机宜采用喉部（指转轮室直径最小的部位）直径为（0.955～0.985）D 1
的半球形转轮室较为适宜
混流式水轮机转轮流道几何参数
（40m ～450m 水头选混流式最为有利）
一、 设计工况和最优工况的关系：
120 m 水头段： n n f 1111)08.193.0(～= Q
Q
f 1111)91.069.0(～= 200m 水头段，有些转轮：n n f 111107.1=
Q Q f 111104.1= 式中－n f 11、Q
f 11为设计工况的单位转速、单位流量； n 11、Q 11
为最优工况的单位转速、单位流量； 二、 导叶相对高度-
b 0
三、上冠
上冠流线形状有直线形与曲线形两种；现多采用曲线形上冠，它可以增大单位流量与水力效率，但曲率不能太大－会加大出口附近上冠表面的局部所蚀
四、下环
下环形状有直线形与曲线形两种
(ａ)为低比转速水轮机（H ＞230ｍ）下环,一般为曲线形；最优直径比为
76.06.012～D D =
(ｂ)为中高比转速水轮机（H ＜115ｍ）下环,一般为直线形，用下环锥角α表示
扩散程度，一般α＜13°，
(ｃ)（115m ＜Ｈ＜230m ）范围的转轮，下环可做成圆锥形或圆柱形，
0.112=D D ；但（115m ＜Ｈ＜170m ）推荐采用10.19.012～D D =
五、叶片数Z 1与最大水头H m ax 、比转速n s 及叶片包角θ的关系
六、叶片进出水边位置
转轮轴面投影如图：1与3连线成进水边，2与4连线成出水边
D 1为标称直径；
D 113005.1或D D j =
D
j 1的大小与叶片进水角β1和单位转速n '1有关；有β1＞90°、β1＝90°和β1＜90°三种情况（如下图）：
一般按β1
＝90°计算： n D D g h j '
60111πη=
轮廓线绘制：叶片进水边－由1点向下引垂线，然后用弧线将垂线与3点相连 叶片出水边－参照相近比速的转轮确定
（所有尺寸均为转轮直径的倍数）。