水轮机转轮特性表
轴流式水轮机转轮叶片的强度和刚度分析
近些 年来 ， 电站 的安 全 、 定运行 已经 越来越 引 水 稳
起人 们 的重视 。水 轮机 叶片 裂纹 、 机组 振 动 严重 超 标 等问题 频频 出现 ， 轮发 电机组各 部件 中 ， 水 转轮是 整个 机组 的心脏 ， 性能 的好 坏 ， 其 直接 关 系到 电站 的发 电能 力， 因此 ， 转轮 的安 全 、 稳定 、 高效 运行 对整 个机组 十分 重要 。笔者采 用 Ａ Ｓ Ｓ程 序 对 某 电 站原 转 轮 和改 型 ＮＹ 转轮 的机械 强度进 行 了详 细 的计 算 与分析 。
２ 有 限元 分 析条 件
由于转 轮为周 期 性 对称 结 构 ， 用 周期 性 对 称 边 采 界条件 ， 转轮 的 １５作 为计算模 型 ， 取 ／ 对结 构进 行有 限 元 刚 强度计 算分 析 ， 按实 际情 况 对计 算 模 型 进 行边 界 条件处 理 ， 转轮有 限元 网络 见 图 ２计 算 用 叶片 数据 由 ， 设 计 人员 提 供 。针 对表 ２中的 ４种情况 下 的应 力 和变 形进行 了详细的计算 分析 。
２ ｈｔ ｕ Ｐｏ ｃ Ａ ｍｎ ｔｔｅＢ ｒ ｕ ｈｎ ａｇＷａ ｒ ｅ ｕｃｓ ｏ ｍｓｏ ，Ｃ ｉ ３３２ ｈｎ） ． ｓ ｉ ｒ ｅｔ ｄ ｉｓａ ｖ ｕｅ ，Ｃ ａ￣ｉ ｔ ｓ ｒ ｍ ｉｉ ｈ ｊ ｉｒｉ ａ ｎ ｅＲ ｏ ｅ Ｃ ｓ ｎ ｈ ｉ ７０ ，Ｃｉ ｂ４ ａ
轴 流式 水 轮 机 转轮 叶片 的 强度 和 刚度 分 析
姬晋廷 ， 一 罗兴 锖 郑晓波 郭鹏程 吴树林２涂 玉平２ ， ， ， ，
（． １西安理工大学水利水电学院 ， 陕西 西安 ７０４ ； ． １０８ ２长江水利委员会 陆水试验枢纽管理局 ， 湖北 赤 壁 ４７０ ） ３３２
水轮机组运行参数
机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。
1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。
1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。
1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。
水轮机特性曲线
二、工作特性曲线
n 、转是n速指尺不寸变（条D1件）下确，定其的主水要轮工机作，参在数水之头间H的
关系曲线，常见的有以下。
1.出力特性曲线 Q , ,a 0fP
PfH
2. 效率与水头关系曲线 fH
曲线特点: 当水头低于最高效率点所对应的水头时，水轮
机效率的变化比较急剧，相反，效率变化比较缓
慢。
3. 流量与水头关系曲线 Qf H
曲线特点: 在小开度时，曲线接近于直线，但在大开度 时，呈现非直线。
注意
不同比转速的水轮机其水头特性也不同: 从下图可以看出，
此类曲线常用于模型试验中，试验中改
n 变
比 H 改变容易得多。
常见的有以下。
1. 出力与转速关系曲线 Pf n
2. 效率与转速关系曲线
f n
3. 流量与转速关系曲线 Qf n
注意
不同比转速的水轮机其转速特性也不同: 从下图可以看出，
①低比转速水轮机的效率对转速的变化比较 敏感，在偏离额定转速时，水轮机的效率下降 较快，而高比转速水轮机的效率下降较慢。
思考题：为什么轴流式水轮机不绘制5% 的出力限制线？
⒋ 冲击式水轮机
冲击式水轮机的过流量与水轮机的转速无 关，仅与喷嘴的开度有关，因此，它的等开度 线是与 坐标轴垂直的直线。
思考题：冲击式水轮机为什么不绘制5% 的出力限制线和空化系数线？
二、不同型式水轮机模型综合特性曲线特征比较
⒈ 等开度线比较 ⑴ CJ式水轮机：等开度
水轮机综合特性曲线——表示水轮机两个以 上参数之间的关系曲线。
水泵水轮机全特性
水泵水轮机全特性1．水泵水轮机全特性曲线抽水蓄能电站的水泵水轮机均设有活动导叶，通过导叶调节水轮机运行时的流量，故水泵水轮机的特性曲线一般为一组不同导叶开度下的全特性曲线，其区域的划分与水泵的全特性区域划分一样，只是习惯上以正常水轮机运行工况的各参数为正。
同时抽水蓄能电站一般H 也总是正值，即在实际工程中实用也就是5个工况区，即水轮机工况、水轮机制动工况、水泵工况、反水泵工况、水泵制动工况。
水泵水轮机全特性曲线表示方法通常采用1111~n Q 和1111~n M 来表示。
图3-7和图3-8所示为某抽水蓄能电站水泵水轮机的四象限特性曲线。
图3-7 水泵水轮机流量特性曲线 图3-8 水泵水轮机力矩特性曲线2．水泵水轮机全特性曲线的特点通过对不同水泵水轮机的全特性分析可以看出，水泵水轮机全特性有着下述的规律与特点：（1）在水泵工况，大开度等导叶开度曲线汇集成一簇很窄的交叉曲线，说明在此区域水泵扬程与导叶开度的关系不大，开度的改变不会造成单位转速及单位力矩的很大的变化。
当导叶开度较小区域时随着导叶开度的减小其流量曲线及力矩曲线则加速分又，说明此时的导水机构可看作是节流装置，水头损失急剧增大，从而对水泵的力矩及流量产生较大的影响。
在水泵实际运行中导叶开度将随着扬程的变化而沿各导叶开度特性曲线的外包络线变化，使得水力损失最小，也即使得水泵的效率在此工况最高。
此外，随着单位转速的增大，也即水泵扬程的减小，水泵的流量及水力矩将快速增大，所以在水泵及电动机设计时应充分考虑此时水泵的力矩特性，电动机容量应根据可能的正常运行最低扬程工况进行设计，并留有一定的裕量；同时根据导叶小开度区域力矩分散的特性，在异常低扬程起动时（如初次向上水库异常低扬程充水时）可采取关小导叶开度来限制其水力矩，即限制水泵的入力在一定范围以内。
（2）水泵制动区力矩随单位转速的减小而逐渐增大，其中沿大导叶开度线要比小导叶开度线要明显得多；另外，各导叶开度线与单位转速坐标轴的交点集中，表明水泵水轮机冰泵的零流量点与导叶开度关系不大，同时各导叶开度线的切线基本为正斜率，表明随着水泵工况反向流量的增大其制动水力矩不断增大，但水力矩的增速逐渐变缓，同时单位转速减小，转速减小的速度逐渐加快，这主要是机组转动部件及水体有着惯性力矩的抑制作用。
02水轮机的基本类型、构造、特性参数及附属部件全
代号 GT GD CJ XJ SJ
23
四、水轮机的型号及标称直径
• 主轴布置形式和结构特征的代号
名称 立轴 卧轴 金属蜗壳 混凝土蜗壳 明槽式 有压明槽式
代号 L W J H M My
名称 罐式 全贯流式 灯泡式 竖井式 虹吸式 轴伸式
代号 G Q P S X Z
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四、水轮机的型号及标称直径
• 尾水管的型式
– 直锥形尾水管：结构简单，水力损失小，效率
高，但尾水管较长，适用于小型水电站
– 弯管直锥形尾水管：水力损失大，效率较低，
常用于小型卧轴混流式水轮机 – 弯肘形尾水管：适用于大中型立式机组水轮机
59
60
（二）冲击式水轮机主要过流部件
• 以水斗式水轮机为代表，冲击式水轮机的 主要过流部件有转轮、喷管、折向器、机 壳
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冲击式水轮机的类型
• 水斗式
– 特点是由喷泉嘴出来的射流沿圆周切线方向冲 击转轮上的水斗作功。
– 水斗式水轮机是冲击式水轮机中目前应用最广 泛的一种机型。
• 斜击式：射流中心线与转轮转动平面呈斜 射角度
• 双击式：水流穿过转轮两次作用到转轮叶 片上
– 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小
型电站
水轮机水头的加权平均值
17
2.流量(m3/s)
• 单位时间内通过水轮机的水量
– Q随H、P的变化而变化，H、P一定时，Q也一 定，当H=Hr、P=P额时，Q为最大
– 在Hr、nr、Nr 运行时—— Qr
18
3.转 速
• 水轮机单位时间内旋转的次数称为水轮机 的转数，用n表示，单位为r/min。
• 正常情况下机组的转速保持为固定转速， 该转速称为额定转速，并与发电机的同步 转速相等。
水轮机组运行参数
机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。
1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。
1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。
1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。
(精品)水轮机特性及选型
三峡(9.8m,700MW)、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级
2 、机组台数与机电设备制造的关系 台数多→N单↓→尺寸（D1）小→制造运输容易 （相反，大机组制造困难）
3、机组台数与运行效率的关系 单台机组：？ 整个电站：台数多↑→负荷分配灵活→平均效率↑ 担任基荷：可用较少的台数，在较长时间内以最优
1)
n1 n10 n10M n10M (
max M max
1)
❖其他工况时：
Q1 Q1M Q1 n1 n1M n1
在工程实践中，当 n1 0.03n10M 时，单位转速不必修正 单位流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正
第四节 水轮机的主要综合特性曲线
综合反映参数n、H、 N之间的关系，代表
了水轮机的轮系特征。
❖ns随工况变化，用最优比转速，限制工况下 的比转速比较不同轮系水轮机性能，
❖比转速用来表示水轮机的型号，还用来划分 水轮机的类型。
❖各种类型的水轮机比转速大致范围：
➢贯流式：ns=600-1000 高 高水头小流量
➢轴流式：ns=200-850 高
几何相似的水轮机——轮系，系列，型号。
2、运动相似：
(1) 对应点的速度方向相同。 (2) 对应点的速度大小对成比例， 即速度三角形相似。
同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。 几何相似就运动相似吗？ 同一轮系水轮机，保持运动相似——相似工况
3、动力相似
对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。
D21M
hH hM H
M
2
P
或
NM
水轮机组运行参数
机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。
1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。
1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。
1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。