水斗式水轮机的水力设计
水轮机结构设计方案
水轮机结构设计方案1绪论1.1罗洲坝水电站的概况罗洲坝水电站坐落在市武隆县的江口镇，地理位置优越，交通便利。
其供电目标主要是电网，在电网担任调峰、调频和事故备用的作用，该电站利用江口水电站的水库，正常蓄水位为300米，相应的库容为5.4亿立方米；死水位为260米，相应库容为2.7亿立方米，调节库容为3.4亿立方米，为季调节型水库。
设计洪水位为300.1米，校核洪水位304.1米，相应水库总库容5.8亿立方米，装机容量10万千瓦，额定水头106米。
1.2设计的基本参数水轮机额定出力：102Mw额定转速：214.3r/min额定流量：104.3m3/s最大允许吸出高度：-5.5m最大水头：120m额定水头：106m最小水头：73m安装高程：175.70m1.3 毕业设计的具体容（一）根据给定的罗洲坝水电站水轮机基本参数进行水轮机总体结构设计：1.根据参数选择水轮机型号和转轮直径等基本参数，确定水轮机的主要特征尺寸，对水轮机主要部件进行结构设计；2.根据机组型式和电站基本条件设计主轴密封和水导轴承；3.绘制水轮机总装配图。
（二）导水机构传动系统设计1.根据机组的型式进行导水机构传动系统设计；2.绘制导水机构装配图及导叶布置图；（三）绘制控制环零件图（四）外文翻译2.水轮机选型设计2.1基本参数水轮机额定出力：102Mw额定转速：214.3r/min额定流量：104.3m3/s最大允许吸出高度：-5.5m最大水头：120m额定水头：106m最小水头：73m安装高程：175.70m2.2方案初选作为一种水力原动机，水轮机的作用是将水流的能量转化为水力机械的机械能，进而带动发电机转子进行水力发电。
水轮机分为两种：分别是冲击式水轮机和反击式水轮机，冲击式水轮机又分为切击式、斜击式和双击式；反击式水轮机则可分为混流式、斜流式、轴流式以及贯流式水轮机。
混流式水轮机能适应的水头围很宽，是目前最受欢迎也是最常用的一种水轮机。
水斗式水轮机水电站
抵达水电站前池，并由此进入压力钢管，到达水电站 并进入水斗式水轮机。
水库内的水面高程随水量的多少而定高低 ， 不受人 为的控制。
ｇｎ
图 ３ 反击式水轮机 的特性曲线
水 电站上游最高水位与最低水位之差 ， 基本上决定 了水轮机工作水头 的波动范 围。因此 ，水轮机工作单
一
个库容很大的水库，水库就是所谓 的前池 （ ２ ， 图 ）
于此类水 电站水轮机工况点 的游动范 围同样是很宽
的。 水
坝
水库的 自由表面高程—— 即所谓的上游水位，是 自然 形成的，不受控制。工作水流经过进水 闸门，进入压 力管道 ，再 由水轮机主阀门导人水轮机 。电站的尾水 面—— 即下游水面高程也是 自然形成的，不受控制。 因此 ，电站 的毛水 头 便是 上 、下游 水 面高程 差 。下游
水斗式水轮机 的毛水头定义为 ：前池水位与喷嘴 口断面中心之间的高程差 日 扣除压力钢管中的水力 。
损失 Ａ ｈ，便是水斗式水轮机的工作水头 日 （ １ ｏ 图
Ｏ
Ｏ
水头无关 。 按此定义水斗式水轮机的水头是不应该的。 至于水 电站下游水位与水轮机的工作更是毫无关系 ， 它更不是确定水轮机工作水头的依据 。
水斗式水轮机不 同于反击式水轮机 ；水斗式水轮 机水 电站 ，当然也有别于反击式水轮机水电站 。作者 仅就此阐述有关个人的观点。
水轮机进 口——喷嘴进 口——水流相对于喷嘴出 口断
面 中心标高的比能。喷嘴口断面 中心与尾水面之间的 高程差 Ｚ ， 为结构所必需 ， 这段位能不为水轮机所利 用 ，所以 ，水斗式水轮机的毛水头不能说成是前池水 位与下游水位之差 。 前 池水 位 ，是水 电站 明渠 之 尾 ，与水库 水位 不能 混 同。 某水 电站 ， 最大 水头 １０ ．ｎ、 ２９６ ｌ 设计 水 头 １７ １５ｍ、 最小水头 １７ 水电站水库坝址与电站相距 １ 。 １１ ｍ。 ４ ｍ ｋ 其间以压力钢管相连 ，最大水头与最小水头之差则是 ３ ．ｉ，水轮机担任调峰任务。 ８ ６ｎ 本设计完全套 用反击式水轮 机水 电站 的设计方 法 ，将水斗式水轮机与反击式水轮机混同。 根本问题是如何认识水斗式水轮机 ，怎样才能最 高效地利用水斗式水轮机 。水斗式水轮机水电站应 以 明渠引水至前池 ， 而保证水电站水头的基本 “ 从 恒定” 。 水库水面高程的变化 ， 对水轮机的工作水头毫无影响， 所 以 ，其 最高 水位 或 最 低水 位与 水 斗式 水 轮机 的设计
水斗式水轮机工作原理
水斗式水轮机工作原理一、水能利用水斗式水轮机的工作原理基于水能的利用。
水能是一种可再生能源，通过水的落差和流速来转化成机械能或电能。
水轮机就是利用水能的一种装置，它通过水流驱动转轮旋转，从而将水能转化为旋转的机械能。
二、导叶调节在水斗式水轮机中，导叶（也称为活动导叶或可调导叶）是一个重要的组成部分。
导叶的主要作用是调节进入水轮机的水流方向和流量，从而控制水轮机的输出功率和转速。
通过改变导叶的角度，可以改变进入转轮的水流方向和流量，从而实现水轮机的调节和控制。
三、转轮作用转轮是水斗式水轮机的核心部件，它由一系列的叶片组成。
当水流冲击转轮的叶片时，转轮受到水流的力矩作用而旋转。
水流通过转轮叶片的角度和形状，将水的动能使转轮旋转，进而将水能转化为机械能。
转轮的设计和制造对水轮机的效率和使用寿命有着重要影响。
四、水斗协同水斗式水轮机的名称来源于其特有的水斗结构。
水斗附着在转轮叶片上，当转轮旋转时，水斗将水引向转轮中心，然后沿切线方向抛出。
这种设计利用了水流的速度和动能，提高了水轮机的效率。
多个水斗协同工作，使水轮机能够充分利用水流能量，产生更大的机械功率。
五、转速控制转速控制是水斗式水轮机的重要技术之一。
通过调节导叶和流量，可以控制水轮机的转速。
在并网运行时，为了保持电网频率稳定，需要采取相应的控制策略来调整水轮机的输入功率，从而控制其转速。
此外，通过调节导叶和活动导叶的角度，可以实现对水轮机工况的快速响应和调整，以满足不同负荷需求的变化。
综上所述，水斗式水轮机的工作原理主要涉及水能的利用、导叶调节、转轮作用、水斗协同和转速控制等方面。
这些原理的运用使得水斗式水轮机能够有效地将水能转化为机械能，为电力生产和其他工业应用提供动力来源。
超大容量水斗式水轮机水力特性数值模拟分析
超大容量水斗式水轮机水力特性数值模拟分析
林云发;程永光;王斌
【期刊名称】《中国农村水利水电》
【年(卷),期】2024()2
【摘要】为满足超高水头、超大容量水电站建设需求,提出了一种额定水头1000 m,单机容量接近800 MW的三转轮立轴串联水斗式水轮机方案。
阐明了这种通过增多转轮来增大容量的设计理念和结构组成,给出了方案的理论设计参数,并应用CFD模拟预测了其水力特性、分析和优化转轮及转轮室流态。
研究表明:三转轮水斗式水轮机的额定工况效率可达87%,工作特性曲线变化平稳。
转轮室溅水干扰是影响效率的主要因素。
通过优化各层转轮相对位置和喷嘴方位,可一定程度提高效率,减小力矩振荡,保证出力稳定。
此初步尝试证明了概念的可行性,也发现溅水优化的重要性,能为后续优化研究提供参考。
【总页数】8页(P192-198)
【作者】林云发;程永光;王斌
【作者单位】武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TV734.1
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5.冲击式水轮机转轮水斗汛期泥沙磨损特性分析
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大中型水斗式水轮机的关键技术
大中型水斗式水轮机的关键技术高曾江】，冯雪萍2,刘世泽彳，宫让勤昭，高海军j王洪斌"，段伟赞"（1.甘肃电力明珠集团有限公司，兰州730070;2.国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂,甘肃永靖731000；3.水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），哈尔滨150040;4.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040）［摘要］水斗式水轮发电机组是开发高水头水力资源的理想机组，对环境影响较小，机组功率调节范围宽广，与风、光互补性强，机组在部分负荷运行的效率高且稳定性远优于其他任何水电机组。
以往因我国缺乏对大中型水斗式水轮发电机组的需求，我国企业在大中型水斗式水轮机研制方面投入不足，研制技术落后国外先进厂家。
随着我国水电资源开发向西南高水头地区扩展，大中型水斗式水轮机将迎来较大的应用空间。
本文对大中型水斗式水轮机国内外应用现状、研制参数选择、转轮水力设计、配水环管设计、抗磨蚀技术、转轮制造工艺等进行了综述，指出了大中型水斗式水轮机研制需要突破的难题并提出了相关的建议。
［关键词］水斗式水轮机；效率；飞逸转速；泥沙磨损；转轮制造［中图分类号］TK735［文献标志码］A［文章编号］1000-3983(2021)03-0063-06Key Technologies of Large and Medium-sized Pelton-TurbineGAO Zengjiang1,FENG Xueping2,LIU Shize2,GONG Rangqin3,4,GAO Haijun4,WANG Hongbin4,DUAN Weizan4(1.Gansu Electric Power Mingzhu Group Co.,Ltd.,Lanzhou730070,China;2.Liujiaxia Hydropower Station,State Grid Gansu Electric Power Company,Yongjing731000,China;3.State Key Laboratory of Hydropower Equipment(HILEM),Harbin150040,China;4.Harbin Electric Machinery Company Limited,Harbin150040,China)Abstract:Pelton-turbine generator set is the ideal unit for the development of high water head hydraulic resources,the environmental impact is small,the unit power adjustment range is broad,and the strong complementarity with wind and light,the unit in part of the load operation of high efficiency and stability is far better than any other hydropower unit.In the past,due to the lack of demand for large and mediumsized Pelton-turbine generator units in China,the investment of enterprises in the development of large and medium-sized Pelton-turbine is insufficient,and the development technology lags behind foreign advanced manufacturers.With the development of hydroelectric resource in China expanding to high-head areas in Southwest China,large and medium-sized Pelton-turbine will be used in a larger application space.The application status of large and medium-sized Pelton-turbine at home and abroad,and the key technologies of R&D of large and medium-sized Pelton-turbine such as selection of parameters, runner designing,water distribution ring pipe designing,anti-erosion technology,runner manufacturing process are summarized in this paper.The problems that need to be solved in the development of large and medium-sized Pelton-turbine are pointed out and relevant suggestions are put forward.Key words：Pelton-turbine;efficiency;runaway speed;sand erosion;manufacturing of runner0前言水斗式水轮机适用水头范围为40m到2000m,出力范围可从0.05MW到800MW甚至更高（目前我国正在论证单机容量1000MW的水斗式水轮发电机组），特别是在水头大于800m的高水头区，当其他类型水轮机无法适用时，水斗式水轮机的优势更明显：无须建筑大型水坝，下游尾水系统简单，电站的单位千瓦投资比其他类型机组低，对自然环境影响较小。
DLT 5186—2004 水力发电厂机电设计规范 条文说明
DLT 5186—2004 水力发电厂机电设计规范条文说明中华人民共和国电力行业标准PDL/T5186-2004条文讲明中国电力出版社水力发电厂机电设计规范主编部门：水电水利规划设计总院批准部门：中华人民共和国国家经济贸易委员会2004 北京目次1 范畴52 引用标准53 总则54 水力机械54.1 水轮机选择 54.2 进水阀214.3 调速系统及调剂保证244.4 主厂房起重机304.5 技术供、排水系统及消防给水32 4.6 压缩空气系统414.7 油系统464.8 水力监测系统485. 电气515.1 水电厂接入电力系统515.2 电气主接线 565.3 水轮发电机/发电电动机74 5.4 主变压器815.5 高压配电装置875.6 厂用电及厂坝区供电925.7 过电压爱护和接地装置1015.8 照明 1065.9 电缆选型与敷设1076. 操纵爱护和通信1116.1 总体要求 1116.2 全厂集中监视操纵1156.3 励磁系统 1266.4自动操纵1276.5 运算机监控系统1286.6 继电爱护 1366.7 电测量和电能计量1376.8 二次接线 1376.9 厂用直流及操纵电源1416.10 通信 1457 机电设备布置及对土建和金属结构的要求1477.1 一样要求1477.2 主厂房1507.3 副厂房1537.4 变压器场地 1547.5 高压配电装置布置1587.6 中央操纵室及其它1657.7 直流设备室1717.8 水轮机/水泵水轮机输水系统1727.9 电梯1758 辅助设施1768.1 机械修配厂 1768.2 电气实验室 177附录A 水力机械术语、符号1781 范畴无需讲明。
2 引用标准无需讲明。
3 总则无需讲明。
4 水力机械4.1 水轮机选择4.1.1 水轮机型式及适用水头范畴见表1。
表1 水轮机型式及适用水头范畴混流式30～700 冲击式射流式水斗式300～1700当水电厂的水头段有两种以上机型可供选择时，应从技术特性（D1、nr、t、Hs）、经济指标（机组设备及起重设备造价、厂房土建工程量及其估价、多年平均发电量）、运行可靠性（包括水轮机运行的水力稳固性、设备使用的成熟可靠程度），以及设计制造体会、制造难度等方面，经技术经济比较后选定。
水斗式水轮机的水力设计
2. 水斗式水轮机的水力设计本章对冲击式水轮机水斗内的流动进行了经典的分析，在实验室的测量结果的例子中也提到了，包括现代CFD分析中对水斗内流动的可能出现的不确定性的讨论。
2.1. 水斗式水轮机水斗内流动的图形化分析当下冲击式水轮机水斗的水力设计是基于非平稳自由面的CFD分析。
此方法在不断改进中，但它仍然需要一段很长的路要走来得到正确的解决方案，而且模型试验仍是目前制造高效率的水斗的唯一的办法。
值得感兴趣的是了解到94年前冲击式水轮机式水斗的非平稳流的流动分析是在图形分析方法的基础上进行的，并由挪威科技大学研发成功的。
这是H.Christie在硕士期间开发的方法，他后来任上述的水轮机制造公司KVAERNER首席官。
这个分析的原理是基于一个表面微粒的加速度表面必须垂直于水斗内的水面，然后，此方法的使用者_必须首先绘制水斗内假定的移动表面符合假设的粒子路径，一步一步地及时使用小的增量得射流越过水斗，直至射流所切取的部分冲出水斗。
图7. 取自图形化分析的动态水面在某个时间点“冻结”，还显示出了水面上的粒子径。
此分析的目的是找到水斗的一个最优的水力形状如出口角度和水的射流进口部分，以免产生分流水和击中相邻水斗背面侧的水。
关于冲击式水轮机水斗的CFD流动分析工作在[2]中有提到，但在本文中不会介绍。
2.2 . 冲击式水轮机模型试验测量结果目前CFD分析得到广泛使用，但对受尖端引起的中心尾流和气流损失引起的打开面影响的喷嘴内的速度分布的分析是不正确的[3]。
如图8所示，由挪威科技大学的微型毕托管测量喷嘴内的速度分布。
因为射流的速度分布的改变取决于喷嘴的距离，没有正确的射流速度分布的CFD分析也将是不正确的。
图8上面的入口点到水斗的射流速度分布的测量值（左），首次触摸到射流的9/100秒后，模型水轮机水斗内的水流频闪照片（右）(Hn=100m)出于对CFD分析的控制和改进，水斗的表面压力也已被测量，测量结果表示于图9。
水轮机水力设计10计算机辅助设计及CFD
T gQH
T —转轮扭矩（N m）
Q—流量（m3 s )
H —水头（m）
H = Pt，inflow - Pt，outflow
g
水力损失分析
水力损失：
h
=
Pt，inflow
- Pt，outflow g
固定导叶改进
转轮优化
改进叶轮
输出改进设计CAD
输出至ICEM CFD进行网格划分
新转轮的CFD计算
opt21
gv30 gv30
gv30
gv45 gv45 gv45
gv52 gv52 gv52
Pt(inflow)
61999.
61999. 66999.
6199 66999. 73999.
水力机械传统水力设计法一般流程
1. 根据设 计要求进 行初步设 计
2. 以一元 和二元理 论为主进 行水力设 计
不满足设计要求
3. 以经验 公式进行 水力设计 的修改
4. 进行 水力性 能预估
是否满 足设计 要求
6. 水力 设计完 成 是
不满足设计要求
模型试验
是否满 足设计 要求 是 结束水力设计
基于CFD水轮机水力设计一般过程
Thickness View
Auxiliary View
Blade to Blade View
截面（流面）
Meridional View
Angle View
Auxiliary View Thickness View
如何从木模图 bladegen文件
iges
1. Hub 2. Shroud 3. Blade
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2. 水斗式水轮机的水力设计
本章对冲击式水轮机水斗内的流动进行了经典的分析，在实验室的测量结果的例子中也提到了，包括现代CFD分析中对水斗内流动的可能出现的不确定性的讨论。
2.1. 水斗式水轮机水斗内流动的图形化分析
当下冲击式水轮机水斗的水力设计是基于非平稳自由面的CFD分析。
此方法在不断改进中，但它仍然需要一段很长的路要走来得到正确的解决方案，而且模型试验仍是目前制造高效率的水斗的唯一的办法。
值得感兴趣的是了解到94年前冲击式水轮机式水斗的非平稳流的流动分析是在图形分析方法的基础上进行的，并由挪威科技大学研发成功的。
这是H.Christie在硕士期间开发的方法，他后来任上述的水轮机制造公司KVAERNER首席官。
这个分析的原理是基于一个表面微粒的加速度表面必须垂直于水斗内的水面，然后，此方法的使用者_必须首先绘制水斗内假定的移动表面符合假设的粒子路径，一步一步地及时使用小的增量得射流越过水斗，直至射流所切取的部分冲出水斗。
图7. 取自图形化分析的动态水面在某个时间点“冻结”，还显示出了水面上的粒子径。
此分析的目的是找到水斗的一个最优的水力形状如出口角度和水的射流进口部分，以免产生分流水和击中相邻水斗背面侧的水。
关于冲击式水轮机水斗的CFD流动分析工作在[2]中有提到，但在本文中不会介绍。
2.2 . 冲击式水轮机模型试验测量结果
目前CFD分析得到广泛使用，但对受尖端引起的中心尾流和气流损失引起的打开面影响的喷嘴内的速度分布的分析是不正确的[3]。
如图8所示，由挪威科技大学的微型毕托管测量喷嘴内的速度分布。
因为射流的速度分布的改变取决于喷嘴的距离，没有正确的射流速度分布的CFD分析也将是不正确的。
图8上面的入口点到水斗的射流速度分布的测量值（左），首次触摸到射流的9/100秒后，模型水轮机水斗内的水流频闪照片（右）(Hn=100m)
出于对CFD分析的控制和改进，水斗的表面压力也已被测量，测量结果表示于图9。
/参考.3 /
例如2000年，挪威科技大学做的关于冲击式水轮机水斗中的测量压力的实验，是由当时还是硕士的Anna Luise Martinsen完成的，如图9所示。
为了避免流动扰动，要通过压力传感器在水斗的表面平齐位置进行仔细定位。
应该指出的是第一压力从进入的射流上的点2和接下来预期的点4处上升。
此外有趣的是，点（4），（3），（1）和射流核心附近的点（6）处产生最高压力，与此同时，射流侧的点（5）和（2）处产生了较低的压力。
图9.运行在100 m净水头处测得的模型水轮机的冲击式水斗的表面压力
从实验测试和呈现的图形化分析建立了水斗形状并在实验室进行调整，40年前即实现效率接近92％。
目前仍然需要对模型水轮机进行调整，以期实现模型水轮机的效率高于92.5％，
原型机高于92％以上。
原因是与模型机相比，原型机效率有所降低。
作者认为该模型水轮机是在比原型机低的水头进行实验，由表面破坏和泡沫形成的射流损失在原型机中有所增加。
由于规模效应，对于水斗式水轮机来说，很难建立由模型机到原型机效率的规范。
因为旧规范不正确，国际电工委员会仍在进行工作，制定以降低由模型机到原型机效率的规模的新规范。
3.结论
对于混流式转轮特别是高比转速转轮来说，设计压力平衡式叶片是非常重要的。
而对于低比转速转轮来说，对由叶片通过导叶的压力波的进一步研究是很重要的，这是为了减少压力脉动，避免噪音和叶片开裂。
对于冲击式转轮来说，重要的是要完善建立在正确的射流模型速度分布基础上的CFD 分析。
研究的基础是实验室里对速度和压力分布进一步的工作研究。
参考文献
[1] Brekke He 2006 Safety and Life Time of Hydraulic Turbines 23th IAHR Sympo.Yokohama,
Japan, 2006)
[2]Hana M 1999 Numerical analysis of non-stationary free surface flow in a Pelton bucket PhD
dissertation (NTNU TRONDHEIM, Norway) (Ref. ITEV-rapport) p02
[3]Berntsen G S 2003 Numerical analysis of the two-phase Pelton jet flow using a single-phase
model and analytical discussion of the Pelton jet surface break up phenomenon PhD
dissertation (NTNU TRONDHEIM, Norway) (Ref. ENERGI-OG PROSSESTEKNIKK
Dr.ing.- avhandling) p2。