水轮机特性及选型
水轮机型号
水轮机型号1. 导言水轮机是一种利用水流动能转换为机械能的装置，被广泛应用于水力发电和水资源利用的领域。
水轮机的种类繁多，每种型号都有其独特的特点和适用范围。
本文将介绍一些常见的水轮机型号及其特点。
2. 垂直轴水轮机垂直轴水轮机是水轮机的一种常见型号。
它的主要特点是水流与轴线垂直，可以分为斜流式和直流式两种。
2.1 斜流式垂直轴水轮机斜流式垂直轴水轮机是一种高效率的水轮机。
其水流流经引导叶片后，与叶片成45度斜角进入转子，从而减小了水流与叶片的冲击。
斜流式垂直轴水轮机适用于水量较少的场合，并具有低转速、大批量生产等特点。
2.2 直流式垂直轴水轮机直流式垂直轴水轮机是一种低转速、大功率的水轮机。
其与斜流式相比，转子上的直流片更多，使得转子能够承受更大的水力冲击。
直流式垂直轴水轮机适用于水流较大的场合，并具有高效率、稳定性好等特点。
3. 水平轴水轮机水平轴水轮机是另一种常见的水轮机型号。
它的主要特点是水流与轴线平行，可以分为反击式和作用式两种。
3.1 反击式水平轴水轮机反击式水平轴水轮机是一种高压高速水轮机。
其特点是水流从叶片进入转子后产生反击力，转子因反击力而转动。
反击式水平轴水轮机适用于水量较大、水头较高的场合，并具有高效率、节省空间等特点。
3.2 作用式水平轴水轮机作用式水平轴水轮机是一种低压低速水轮机。
其特点是水流与转子叶片的作用力直接作用于转子，使转子转动。
作用式水平轴水轮机适用于水量较大、水头较低的场合，并具有简单结构、可靠性高等特点。
4. 斜板水轮机斜板水轮机是一种特殊的水轮机型号。
其特点是水流经过斜板后产生反作用力，使得转子转动。
斜板水轮机适用于水量较大、水头较小的场合，并具有结构简单、安装方便的特点。
5. 混流水轮机混流水轮机是一种综合了斜流式和直流式水轮机优点的型号。
其特点是水流在流经叶片时既产生径向力也产生轴向力，使得转子得到更好的能量转换。
混流水轮机适用于水量较大、水头较小的场合，并具有高效率、运行稳定等特点。
水轮机的特性及选型.ppt
假定： s sM r rM j jM M
(实际上，原型效率大于模型效率，需修正)
1、 单位流量
Q1
Q D12 H
2、 单位转速
n1
nD1 H
3、 单位出力
N 1
N D12 H 3 / 2
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。
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：
根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要 设计任务之一，使水电站充分利用水能，安 全可靠运行
一、水轮机选型设计的内容及基本资料
(1) 确定机组台数及单机容量 (2) 选择水轮机型式（型号）及装置方式
(3) 确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、Za；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、
混流： 轴流：
max 1 (1 M max)5
D1M D1
max
1
(1 M
max)[0.3
0.7( D1M D1
)1/5 (
HM H
)1/10 ]
2、一般工况
HL、ZD： M max M max
ZZ ： M max M max
二、单位参数的修正
最优工况时：
Q10 Q10M
(二) 按综合特性曲线选择
中小型水电站水轮机选型与优化的探讨
中小型水电站水轮机选型与优化的探讨一、前言水力发电是一种利用水能转化为电能的清洁可再生能源，在全球范围内具有广泛的应用前景。
中小型水电站是水力发电系统的重要组成部分，其投资成本低、建设周期短、生产稳定可靠等优点，使得其在中国乃至全球水力发电市场上具有较大的发展潜力。
水轮机是中小型水电站的核心设备，其选型与优化对于水电站的运行效率、经济性和可靠性具有重要影响。
本文就中小型水电站水轮机选型与优化进行探讨，并提出一些相关的技术建议。
二、水轮机选型与分类1. 水轮机选型在中小型水电站的水轮机选型过程中，需要考虑到水轮机的流量、水头、装机容量等因素，以确保水轮机可以在水电站的运行条件下实现最佳的发电效率。
选择合适的水轮机型号和参数是确保水电站正常运行的基础。
根据水轮机的结构和工作原理，可以将水轮机分为内嵌式水轮机和外控式水轮机两大类。
内嵌式水轮机直接受到水流作用，其转动部件与水流接触，适用于水流比较稳定的小型水电站；外控式水轮机则通过导流装置调节水流作用力，可以适应水流波动较大的水电站。
三、水轮机优化1. 流道优化水轮机的流道是保证水轮机高效运行的关键部位。
通过对水轮机流道进行优化设计，可以减小流体的能量损失，提高水轮机的效率。
常见的流道优化措施包括改善流道内部的曲率、加装导流板、增加水流的扰流装置等。
2. 叶轮优化叶片是水轮机的动力转换部件，其叶片的设计与优化对于水轮机的性能具有重要影响。
采用现代流体动力学的分析方法，结合流场模拟和试验验证，可以实现叶轮的优化设计，提高水轮机的效率和稳定性。
3. 轴系优化水轮机的轴系部分包括轴承、密封装置、联轴器等组件，其设计与选型对于水轮机的安全可靠运行至关重要。
通过优化轴系的设计，可以减小机械损耗，提高水轮机的传动效率。
2. 运用现代流体动力学的分析方法，对水轮机的流道和叶轮进行优化设计，提高水轮机的效率和稳定性。
3. 注意水轮机轴系的设计与选型，确保水轮机的安全可靠运行。
水轮机型号 (2)
水轮机型号1. 引言水轮机是一种将水能转换成机械能的设备，广泛应用于水电站发电、灌溉和工业生产中。
不同型号的水轮机适用于不同的水力条件和功率要求。
本文将介绍几种常见的水轮机型号及其特点。
2. 斜流式水轮机斜流式水轮机又称为“Kaplan水轮机”，它是一种能够适应较大水头和较小流量的水轮机。
斜流式水轮机的叶片具有可调节的可变导叶，通过改变导叶的角度，可以控制水流进入叶轮的流速和流向。
斜流式水轮机具有高效率、运行稳定和灵活调节的特点。
特点：•适应大水头和小流量的水力条件•可调节叶片和可变导叶，灵活调节水流流速和流向•高效率和运行稳定3. 轴流式水轮机轴流式水轮机是一种适用于大流量和较小水头的水轮机。
它的叶轮和导叶间距小，使得水流通过叶轮时的速度变化较小，因此轴流式水轮机的出口速度与进口速度相差较小，能够更好地利用水能。
轴流式水轮机适用于涡轮发电机组和排灌用途。
特点：•适应大流量和较小水头的水力条件•出口速度与进口速度相差较小，能够更好地利用水能•适用于涡轮发电机组和排灌用途4. 超高速水轮机超高速水轮机是一种转速高达10000转/分钟以上的水轮机。
由于转速很高，超高速水轮机的叶片设计要考虑到离心力的影响，以防止叶片的损坏。
超高速水轮机适用于高压高速发电机组、氢分子制取设备等领域。
特点：•转速高达10000转/分钟以上•叶片设计要考虑离心力的影响，防止叶片损坏•适用于高压高速发电机组、氢分子制取设备等领域5. 混流式水轮机混流式水轮机是一种介于轴流式水轮机和斜流式水轮机之间的一种设计。
它的叶片既有轴流式水轮机叶片的特点，又有斜流式水轮机叶片的特点。
混流式水轮机适用于中水头和中流量的水力条件。
它具有结构简单、效率较高和运行稳定的特点。
特点：•介于轴流式水轮机和斜流式水轮机之间的设计•适应中水头和中流量的水力条件•结构简单、效率较高和运行稳定6. 级联水轮机级联水轮机是将两台或多台水轮机串联起来使用的一种方式。
7 水轮机的特性曲线与水轮机选型
17
19
21 Q11
4、不同类型水轮机特性曲线的比较
n11 中高比速 混流式 低比速 混流式 轴流转 桨式
ＺＤ
冲击式
比转速升高
Q11
H a0
第二讲水轮机模型特性曲线的绘制
一、混流式水轮机模型综合特性曲线绘制
1、等开度线的绘制
水轮机能量实验通常是在固定H和固定ao 下，通过控制水轮机转矩去调节水 轮机的转速n，从而测得同一导叶开度下一系列工况点的性能参数。按照各 实验工况点的水头 H 、流量Q及转速n，用相似率公式可以求出各工况点 的Q11和n11，将各工况点绘到图上如图所示的坐标系，用光滑曲线将各点连 接，即得到模型水轮机的等开度线。
n11
5
o
0o
5o
Q11
转桨式模型综合特性曲线绘制原理-1
线绘制: 各个单个单位转速下最 优工况点的联点
5
n11
o
0o
5o
Q11
转桨式模型综合特性曲线绘制原理-2
等效率线绘制 -各Φ角下等效率线的包络线
n11
5o
0o 5o
等效率线的绘制
n11(r/min)
Q11(L/s)
4、 出力限制线的绘制
绘制出力限制线的目的：
1）为了防止水轮机出现反调节； 2）都有一定余量； 3）保证水轮机负荷调节的线性度。
p11 n11
P11max P11max95%
n11=C
n11=C
Q11*
Q11
Q11*
5、等空化系数线绘制
n11=75 n11=70 n11=65 n11=60 n11 75 70 65 60 Q11
中小型水电站水轮机选型与优化的探讨
中小型水电站水轮机选型与优化的探讨水轮机是一种将水能转化为机械能的设备，被广泛应用于中小型水电站。
水轮机的选型与优化对于水电站的建设和运行具有重要意义。
本文将探讨中小型水电站水轮机选型与优化的相关问题，以期能够为该领域的研究和应用提供一定的参考。
一、中小型水电站水轮机的类型及选型原理中小型水电站的水轮机主要包括水轮式、混流式和斜流式等几种类型。
水轮机的选型需考虑到水轮机的叶轮叶片受流体力和引力作用而呈现的流动状态，并以流体动力学为基础，采用数值模拟或实验研究方法，结合实际工况及设备特性，选取最佳水轮机类型。
水轮机的选型主要受以下几个方面因素的影响：1.水电站的水头、流量和发电需求：水头和流量是水轮机的设计参数，需根据水电站的具体情况确定。
发电需求包括对水轮机的输出功率和效率的要求。
2.水力特性和流体动力学：不同类型的水轮机在不同水头和流量条件下有不同的效率和特性，需要根据水力条件确定最佳的水轮机类型。
3.水电站的地质和地形条件：地质和地形条件直接影响水轮机的安装和维护，需要选择适合实际条件的水轮机类型。
4.经济性和可靠性：水轮机的选型需考虑到其投资和运行成本，以及设备的可靠性和维护便捷性。
在确定了水轮机类型后，还需要进行水轮机参数的优化设计，以最大限度地提高水轮机的效率和性能。
二、中小型水电站水轮机性能的优化设计水轮机的性能优化设计主要包括叶轮、导叶和转子等部件的形状和结构优化，以及水轮机的调速和调节系统等方面。
性能优化设计的目标是提高水轮机的效率、稳定性和可靠性，降低设备成本和维护成本。
1.叶轮和导叶的形状和结构优化：叶轮和导叶是水轮机最关键的部件，其形状和结构对水轮机的性能有着重要影响。
通过数值模拟和实验研究，可以优化叶轮和导叶的外形曲线、叶片倾角和出口角等参数，以提高水轮机的水动力性能。
2.转子的结构优化：转子是水轮机的旋转部件，其结构参数和材料对水轮机的稳定性和可靠性有着决定性的影响。
优化转子的结构设计，可以减小转子的惯性力和扭矩，提高水轮机的响应速度和调速性能，降低设备运行中的振动和噪音。
(精品)水轮机特性及选型
n1
nD1 H
n n H D1
N1
N D12 H 3/ 2
N N1D12 H 3/ 2
❖ 单位参数是同轮系水轮机的“代表”参数，Q1'，n1' 表示水轮机的运行工况
❖ 同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数，不 同工况下单位参数分别为一常数(工况不同，单 位参数不同)
❖ 在最优工况下的单位参数——最优单位参数， (Q‘10, n’10, N‘10)，代表该轮系水轮机的工作性能。
容积效率：缝隙 机械效率；部件之间的摩擦 水力效率：粗糙度，水流粘滞力，流场
（沿程损失，局部损失）
第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正
二、水轮机效率换算经验公式
1、最优工况下的效率修正
1963年国际电工委员会推荐的公式：
混流：max 1 (1 M max)5
D1M D1
4-33
轴流：max
和出力各为多少？（假定原型与模型效率相 等）
相似率解决的问题： 同轮系水轮机的模型、原型参数换算
未解决的问题： 1. 不同轮系水轮机的性能比较 2. 同轮系水轮机不同工况性能比较？不同尺寸水轮
机性能比较？
需要有一个统一标准
二、单位参数
将模型试验成果按相似率转化为D1M=1m， HM=1m标准情况下的参数—单位参数，
D21M
hH hM H
M
2
P
或
NM
D12M (H MsM )3/2 jM
N
D12 (Hs )3/2 j
C
❖ 效率问题： 效率未知 三个效率怎样分开？
假定：相等 实际: 原型效率大于模型效率，需修正)
水轮机的特性曲线与选型—模型水轮机效率的修正
D1M D1
10
HM H
5.2.1 效率的修正
2、一般工况下的效率修正
• HL、ZD： M
max M max
• ZZ ：
M
m ax M m ax
• 注：轴流式水轮机，每个叶片转角对应一个最优工况。
5.2.1 效率的修正
冲击式水轮机：合理的直径比为D1/d0=10~20。当模型水轮机的射流直
注：运转综合特性曲线是原型水 轮机的特性曲线，曲线上的数据均 为原型水轮机数据。
HL220-LJ-410（n=136.4r/min ）水轮机运转综合特性曲线
1、最优工况下的效率修正
采用1963年国际电工委员会推荐的公式：
混流式水轮机 ：
当H≤150m时： max 1 (1 M max)5
D1M D1
轴流转桨式水轮机 ： 当H>150m时：
max
1 (1 M max ) 5
D1M D1
20
HM H
max
1 0.3(1M max ) 0.7(1M max ) 5
各类型水轮机转速特性的比较
5.2.3 线性特性曲线2、作特性曲线水轮机通常在固定的转速下运转，水头变化也较缓慢，但机组负荷则是经常变化的。为 表示水轮机工作在固定的转速和水头下的特性而绘制的曲线，即为水轮机工作特性曲线。
(a) Q、η、a~P曲线；(b) a、η、P~Q曲线；(c) Q、η、n～a曲线 水轮机工作特性曲线
水轮机的特性曲线与选型
1
水轮机的相似率
2
模型水轮机效率的修正
3
水轮机的选择
任务5 水轮机的特性曲线与选型
5.2模型水轮机效率的修正
5.2.1 效率的修正
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二、水轮机的主要（模型）综合特性曲线
综合：多参数之间的关系曲线。
横坐标： Q1'
纵坐标：n1 '
绘制：
(1) 等开度a0线 (2) 等效率η线 (3) 等汽蚀系数б线 (4) 5%出力限制线
混流式水轮机的模型综合特性曲线
(1) 等开度a0线 (2) 等效率η线 (3) 等汽蚀系数б线 (4) 5%出力限制线
PM D
2 1M
HM
3
2
N 2 3/ 2 N1 D1 H
D12 H 3 / 2 N N1
单位参数是同轮系水轮机的“代表”参数，Q1'，n1'
表示水轮机的运行工况
同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数，不
同工况下单位参数分别为一常数(工况不同，单 位参数不同) 在最优工况下的单位参数——最优单位参数， (Q‘10, n’10, N‘10)，代表该轮系水轮机的工作性能。 单位参数由模型试验得出→原形水轮机的参数 (相应工况)。
相似率解决的问题： 同轮系水轮机的模型、原型参数换算 未解决的问题： 1. 不同轮系水轮机的性能比较 2. 同轮系水轮机不同工况性能比较？不同尺寸水轮 机性能比较？
需要有一个统一标准
二、单位参数
将模型试验成果按相似率转化为D1M=1m，
HM=1m标准情况下的参数—单位参数，
，N1) (Q1，n1
冲击式水轮机的模型综合特性曲线
(1) 等开度a0线
(2) 等效率η线
没有等汽蚀系数б线 没有出力限制线
已知：H、N的范围
目标：台数、型号，使水电站充分利用水能，安 全可靠运行。
第五节 水轮机的选择（选型设计）
一、水轮机选型设计的内容 1. 确定机组台数及单机容量
2. 选择水轮机型式（型号）及装置方式
max n10M n10M ( n1 n10 1) Mmax
其他工况时：
Q1 Q1M Q1
n1 M n1 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
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。
2、 转速相似律：
πD1n u1 K u1 2 gH h 60
n 60 K u1 2 gH h πD1
H h n H M hM
n D1M nM D1
或
nM D1M nD1 C H MsM Hs
3、出力相似律
N 9.81QH
2 P m D h H P PM mM D hM H M 2 1 2 1M 3
假定： s sM
0 0 M
j jM
M
1、 单位流量
Q D
2 1
H
QM D
2 1M
HM
Q1
Q
2 D1
H
2 D1 Q Q1
H
2、 单位转速
n D1 nM D1M H HM
nD1 n1 H
n H n D1
3、 单位出力
P D H
2 1 3 2
p F G pM FM GM M
(压力、惯性力、重力、粘滞力等)
能否做到？
宏观流场，微观流场
主要矛盾：建立关系
次要矛盾；参数修正
第二节 水轮机的相似率、单位参数和比转速
一、水轮机的相似定律 相似定律：水轮机在相似工况下运行时，各工作 参数(H、n、N、η)之间的固定关系。 流量相似律 转速相似律 出力相似律
水力效率：粗糙度，水流粘滞力，流场
（沿程损失，局部损失）
第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正
二、水轮机效率换算经验公式 1、最优工况下的效率修正
1963年国际电工委员会推荐的公式：
D 混流： max 1 (1 M max )5 1M D1
4-33
D1M 1 / 5 H M 1 / 10 轴流： max 1 (1 M max )[0.3 0.7( ) ( ) ] D1 H
厂家提出制造任务书，最终双方共同商定机组
的技术条件，作为进一步设计的依据。
二、水轮机选型设计的基本要求
1. 有较好的能量特性，Hr-----Nr在额定水头下能 保证发出额定出力，额定水头以下的机组受阻容 量小，水电站全厂机组平均效率高。 2. 有良好的抗空蚀和抗磨损性能，运行稳定，可靠 灵活。 3. 结构设计合理，便于安装、操作、检修与维护、 运输。
3、相似理论 原型--------------- 模型
怎样保证模型与原型相似？怎样相互换算参数？
二、水轮机相似条件
1、几何相似： (1) 对应角相等： βb1＝βb1M ；βb2＝βb2M ；Φ＝ΦM…… (2) 尺寸成比例： D1/D1M＝b0/b0M＝a0/a0M＝……. (3) 对应部位的相对糙率相等： △/ D1＝△M/D1M
三、单位参数的修正
转速相似率 流量相似率
n D1M nM D1
H h H M hM
Q VM D QM V D
2 1 2 1M
H h H M hM
仅考虑水力损失，η=ηs ，令D1=lm、H=1m、D1m=lm、Hm=1m，
n10M n10
max M max
4-34
2、一般工况
HL、ZD： M
ZZ ：
max M max
max M max
M
max Mmax max Mmax
大中型水轮机， 中小型水轮机，
1% ~ 3% 2% ~ 5%
混流式水轮机等效率线的绘制
（a）等开度和等效率线；（b）辅助线
轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线
高效率区狭窄，随流量变化敏感
轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线
ZZ440模型综合曲线
轴流转浆式水轮机的模型综合特性曲线
(1) 等开度a0线
(2) 等效率η线
(3) 等汽蚀系数б线 （4）等转角线 没有出力限制线 受空蚀条件限制
各种类型的水轮机比转速大致范围： 贯流式：ns=600-1000 高 轴流式：ns=200-850 高
高水头小流量
斜流式：ns=150-350
混流式：ns=50-300 水斗式：ns=10-70
中
中 低
中水头小流量
低水头大流量
不同比转速的转轮形状
讨论：
相似水轮机，工况相似，ns相同。不同的ns ，反
试验 水 HM 头
转速
nM
(r/mi n)
PM
轴功 率
流量
QM
单位
Q1
单位转 效 速 率 流 n 量 1
（mm）
实验 序号
1 2 3 … 1 2
（m）
(kW)
(m3/s) (m3/s) (r/min)
(%)
a01
a02
3 …
PM π MnM M QM H M 30 QM H M
1、流量相似律
有效流量：Q
V
vm1F 1
2 gHh
vm1 K vm1 2 gHh
Q
K vm1 D12
V
H h Q H M hM
F 1 D
或
2 1
Q VM D 21 QM V D 21M
QM0 M D
2 1M
H MsM
Q0 2 C D1 Hs
Q10M Q10
max M max
最优工况的修正
三、单位参数的修正
Q10 M 最优工况时： Q10
max Q10M Q10M ( Q1 Q10 1) Mmax
max max n10 M n10 M max
M max
映不同轮系水轮机特征。
当H一定时： ns ↑→N↑→n↑。机组尺寸缩小，投 资减少，因此提高比转速可以降低造价。 当H和N一定时，ns越高，空蚀系数越大，需要增 加厂房开挖。
比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数
目减少。
第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正
一、为什么效率换算 1. 单位参数公式假定在相似工况下，η=ηM， 2.实际上η>ηM(约2%～7%)。 原因：原、模型不能做到完全相似 容积效率：缝隙 机械效率；部件之间的摩擦
《水 电 站》
水轮机的特性曲线及选型
第一节 水轮机的相似原理概述
一、几个基本概念 1、水轮机特性
各运行参数(H，Q，n，N，η，б)及参数之间的关系
Hh
g
( vu1r1 vu 2 r2 )
理论: 基本方程式，水力学，计算方法
实验： 原型实验，模型试验，计算机模拟
2、模型试验：(D : 250～460mm，H ：2～6m) 基础性试验：寻找新产品 专门实验：特定水电站，解决问题，最优水轮机
第四节 水轮机的主要综合特性曲线
一、水轮机模型试验简介 任务：
1 ）研究水轮机在各种工况下的能量特性、空
蚀特性等（绘制主要综合特性曲线）；
2） 为确定水轮机的受力特性、飞逸特性以
及稳定特性提供依据。
类型：
根据研究问题精度不同，可分为： （1）定性试验（比较性试验 ）：模型转轮性能的比较和筛选 （2）定量试验（保证性试验 ）：获得该系列模型 机的各种性能参数和指标 。 按用途分为： (1)能量试验：确定模型水轮机的运行效率。 (2)空蚀试验：确定水轮机抗空蚀特性。 (3)飞逸特性试验和轴向水推力特性试验：主要确定 水轮机的飞逸特性和轴向水推力特性。 (4)泥沙磨损试验。确定水轮机的泥沙磨损特性。