水轮机选型方法介绍

2、专题研究法 对特别重要的工程或特别大型的水电站，为
了获得最优设计效果，根据水电站的具体参数 ，进行专门设计，但所需时间和费用高。
3、查系列范围图法 根据水电站的水头范围和单机出力，在系列
应用范围图中查出适应的型号，以及对应的转 轮直径、转速及吸出高度。当有两种机型可供 选择时，一般选用较大的直径。
3、机组台数与运行效率的关系
Z0↑→平均效率↑ (1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可
用较少的台数，使水轮机可以在较长时间内以最 优工况运行，其平均效率也比较高。
(2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较多 的台数，以增加其运行灵活性，提高整体运行效 率。
(3) 对于轴流定浆和混流式水轮机，可以选用较多 的台数，而对于轴流转浆式水轮机因其调节性能 好，可以选用较少的机组。
σz为水轮机装置的汽蚀系数。
2、η的修正计算 查综合特性曲线得出ηMmax，换算得出ηmax。
△η=ηmax-ηMmax-ε1-ε2
ε1=1%~2%(表示工艺水平)，ε2=1%~3%(表示异 形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和 尾水管不一样)
如η=ηM+△η，系列水轮机应用范围
4、采用套用机组 根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，
在特征水头相近、N单适当，经济技术指标相近时 ，优先套用已经生产过的机组，这样可以节省设 计时间、尽早供货、提前发电。
5、直接查产品样本 直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。
6、统计分析法 对大量已建水电站的参数进行统计，得出水轮机
绘出F = f(Φ)直线。
(6) 根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。
第五节 尾水管的型式及其主要尺寸
一、尾水管型式 直锥形——用于小型水轮机 弯锥形——用于卧轴水轮机 弯肘形——（大中型电站）
常见尾水管的形式 直锥形
常见尾水管的形式
弯锥形
弯肘形
弯肘型尾水管
❖ 减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮 机均采用弯肘型尾水管。 组成：直锥段、肘管、出口扩散段。
❖ 有较好的能量特性，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。
❖ 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行 稳定，可靠灵活。有良好的抗空蚀和抗磨损性能 ，对多泥沙河流的电站更应如此。
❖ 结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。 ❖ 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好
3、蜗壳进口平均流速： 进口断面流量 Qmax——水轮机的最大引用流量。 Vc↑→Fc↓→hw↑；Vc↓→Fc↑→hw↓；
一般由Hr~VC曲线确定VC
金属蜗壳流速系数 混凝土蜗壳进口断面流速系数
三、蜗壳的水力计算
❖水力计算的目的: 确定蜗壳各中间断面的尺寸， 绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。 已知：
水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年 运行费等。
电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行 方式等。
四、机组台数及单机容量的选择
已知总装机容量(=Z0×N单)，N单不同，D1、n 、Hs、
η均不同。 1、机组台数与机电设备制造的关系
N总一定，Z0多→N单↓→尺寸（D1）小→制造运输容 易→造价高(单位千瓦耗材多、制造量大)。 所以一般选用较大的N单。 2、机组台数与电站投资的关系 Z0多→单位千瓦投资↑→阀门、调速、管道、辐设、 电气等增加→厂房尺寸增加。 N单↓→D1↓→尾水管高度低→开挖少→投资少
，其中所列出的转轮，是经过长期实践验证在某 一水头段的性能优异的转轮。 ❖ 型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号 。 ❖ 轴流式、混流式、ZD760型、水斗式水轮机系列 型谱参数见表3-3~表3-7。
二、水轮机转轮标称直径系列(cm)
25 30 35 (40) 42 50 60 71 (80) 84 100 120 140 160 180 200 225 250 275 300 330 380 410 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
轴流式水轮机
混流式水轮机
1. 进口直锥段：
❖ 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为 直锥管进口直径，θ为锥管单边扩散角。
❖ 混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径) ， θ=7°~ 9°
❖ 轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1， θ=8°~ 10°。
❖ h3——直锥段高度，其长度增加将会导致开挖量 增加。一般在直锥段加钢板衬。
说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。
三、水轮发电机标准同步转速
磁极对数 3
4
同步转速n 1000 750
5
7
8
9
10
600 428.6 375 333.3 300
12 14 250 214.3
磁极对数 16 18
20
22
24
26
28
30 32
同步转速n 187.5 166.7 150 136.4 125 115.4 107.1 100 93.8
混凝土蜗壳和钢蜗壳。
1. 混凝土蜗壳
适用于低水头大流量 的水轮机。 H≦40m, 钢筋混凝土 浇筑，梯形断面。 当H>40m时，可用钢 板衬砌防渗(H 最大达 80m)
2. 金属蜗壳
❖ 当H>40m时采用金属蜗 壳。其断面为圆形，适 用于中高水头的水轮机。
❖ 钢板焊接：H=40~200m， 钢板拼装焊接。
❖ 绘制水轮机运转特性曲线 ❖ 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机
的重量和价格。
❖ 调速器及油压装置选择 ❖ 根据选定的水轮机型式和参数，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
n1'用最优单位转速n10'， n10'=n'10M+Δn1',水头 H=Ha。 转速n随工况而变，要选发电机转速相近而偏 大的标准同步转速。
4、工作范围的验算
求出水轮机的参数D1、n后，在模型综合特性 曲线上绘出水轮机的相似工作范围，检验是否 包括了高效率区，以验证D1、n的合理性。 方法：根据Nr、D1、Hr求出Q'1max，由Hmax、 Hmin、D1、n求出：n'1min和n'1max，在综合特性 曲线上以Q'1max、n'1min和n'1max作直线，此范围 即为水轮机的相似工作范围
各参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选 择。
六、反击式水轮机主要参数的确定
确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主 要参数： 转轮直径D1，转速n、吸出高Hs。
D1、n应该满足：在Hr下，发出Nr；在Hav 时，η最高。
吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深 度合理。
七、 按综合特性曲线选择水轮机的主要参数
水轮机选型方法介绍
第四章 水轮机选型
水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影 响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行 、经济效益。
根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要 设计任务之一，目标是使水电站充分利用水能 ，安全可靠运行。
第一节 水轮机的标准系列
一、水轮机的系列型谱 ❖ 我国在1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱
2. 肘管：
90°变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为 矩形断面。F进/F出=1.3 ❖ 曲率半径R小——离心力大——压力、流速分 布不均匀—hw大。R=(0.6~1.0)D4 ❖ 为减小转弯处的脱 流及涡流损失，肘 管出口收缩断面 (hc)： 高/宽=0.25。
3、出口扩散段： ❖ 矩形扩散管，出口宽度B5， ❖B5很大时，加隔墩d5=(0.1~0.15) B5 ❖顶板 α=10°~13°，底板水平。
五、水轮机型号及主要参数的确定
依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)
1、 根据水轮机系列型谱选择 型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有
一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直 接查系列型谱，确定水轮机的型号。
如果两种型号均可采用，应进行方案比较。 这种方法有时难以获得最优设计效果。
蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确 定。
蜗壳中间断面
金属蜗壳
混凝土蜗壳
2. 蜗壳包角
❖ 蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0 (1) 金属蜗壳：φ0=340°~350°,常取345° (2) 混凝土蜗壳：φ0=180°~270°,一般取180°，一
大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转 轮不利）
5、HS的计算 计算公式：
水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、 水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定 。
第四节 水轮机蜗壳的形式及尺寸确定
一、蜗壳的功用及型式 (一) 功用
蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水 头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。 设置在压力水管末端。 (二) 型式
(2) 混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)
(1) 按进口流速求进口断面积；
(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面 尺寸，使其
(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)， 以虚线表示并画出1、2、3…….等中间断面。
(4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。
(5) 按
水流在蜗壳中的运动规律
水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流)，之后 进入导叶, 水流速度分解为Vr、Vu。 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，Vr= 常数。
圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩Vur= C 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘 性及摩擦力，Vu会随r的增加而减小。 (2) 圆周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C