第三章水轮机选型
第三章水轮机选型
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，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。
水轮机选型设计是水电站设计中的一项重要工作。它不仅包括水轮机型号的选择和有关参数的确定，还应认真分析与选型设计有关的各种因素，如水轮发电机的制造、安装、运输、运行维护，电力用户的要求以及水电站枢纽布置、土建施工、工期安排等。因此，在选型设计过程中应广泛征集水工、机电和施工等多方面的意见，列出可能的待选方案，进行各方案之间的动能经济比较和综合分析，以力求选出技术上先进可靠、经济上合理的水轮机。
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，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教材。
二、水轮机转轮标称直径系列(cm)
三、水轮发电机标准同步转速
四、水轮机系列应用范围图
第二节水轮机选择
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
3.确定水轮机参数D1、n、H s、Z a；Z0、d0
4.绘制水轮机运转特性曲线
5.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。
6.调速器及油压装置选择
7.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
1.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。
2.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。
3.结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。
4.选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造厂商。
5.考虑适度合理的经济节省原则。
三、所需要的有关资料
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：河流梯级开发方案、水库的调节性能、水电站布置方案、
地形、地质、水质、泥沙情况、总装机容量、水电站运输、安装技术条件；
水文资料：特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。
3.水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年运行费等。
4.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、H s、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
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。
4、机组台数与电站运行维护工作的关系
台数多，运行灵活，事故影响小，但同时增加了事故的几率，也增加了管理人员、提高了运行费，所以不宜采用过多的台数。
总之，一般应采用较大的N
，较少的台数，但一般至少应选2台，少数情况下
单
可选1台。中大型电站一般选4~6台，根据机组的制造水平和装机容量也可以选用更多的台数，如葛洲坝共21台，装机271.5万千瓦，正在修建的三峡水电站装机26×70=1820万千瓦。
五、水轮机型号及主要参数的确定
依据：N
，特征水头(H max、H min、H av、H r)
单
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。
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，在系列范围总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。
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D 1，转速n 、吸出高H s 。
D 1、n 应该满足：在H r 下，发出N r ；在H av 时，η最高。 吸出高H s 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
1、D 1的确定
由于η2/3211
81.9r r H D Q N '=，所以：η
2
/31181.9r r
H Q N D '= (1) N r 为水轮机额定出力，N r = N f /ηf ，N f 为发电机功率。 (2) 用H =H r 计算。
(3) η为原型水轮机在限制工况下的效率，在D 1未确定时，一般先取η=ηM +△η (△η=2~3%)，求得D 1后再修正。
(4) Q 1'的取值。
在N = N r 时，取限制工况下的Q 1'，并查出限制工况的ηM 。
对混流水轮机而言，由综合特性曲线上的5%出力限制线和n'1得到，轴流式由汽蚀条件得到，或限制[H S ]反推σz ，以防止开挖过多。
[]H
H s z -?
-
=
90010σ 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)
η=ηM +△η
如计算出的η与假定出入太大，应重新计算。 3、转速的选择 按下式计算：
1
1D H
n n =
n 1'用最优单位转速n 10'，n 10'=n '10M +Δn 1'，水头H 采用H a 。 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D 1、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D 1、n 的合理性。
方法：根据N r 、D 1、H r 求出Q '1max ，由H max 、H min 、D 1、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。
5、H S 的计算 计算公式：r s H k H σ-?
-
=900
10 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。
第三节 水轮机运转特性曲线的绘制
研究目的：进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性，指导水轮机的安全运行。
水轮机运转特性曲线可以综合反映原型水轮机H 、N 、η、H s 等参数之间的关系。 运转特性曲线的组成：N 为横座标，H 为纵座标，绘有η=f (H ,N )，H s =f (H ,N ), 出力限制线。可以反映出水轮机的能量特性、汽蚀特性、运行限制范围。
绘制方法：根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。
水轮机运转特性曲线
一、HL水轮机运转特性曲线
1、等效率线η=f(H,N)的绘制步骤
(1) 在H max, H min之间，取4~6个H，其中包括H max，H min，H r，H a，绘制每个水头下的η=f(N)。
(2) 进行效率修正；
(3) 进行单位转速和单位流量的修正；
(4) 运转特性曲线的计算；
等效率曲线计算表
a)为了保证绘制运转综合特性曲线的精确性，在H、N网格上至少绘出三个水
头，其中包括H max、H min和H r(或H av)。对每一个水头，计算出对应的n'1。
b)在轮系综合特性曲线上绘制n'1的水平线，并查出其与等效率线交点的坐标(ηM,
Q'1)；
c)计算出原型水轮机的效率；
d)按照公式N=9.81Q'1D12H3/2η计算水轮机的出力。
(5) 辅助曲线的绘制：以效率η为纵坐标，出力N为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条工作特性曲线。见图。
(6) 运转综合特性曲线的绘制
a)以水头为纵坐标，水头为横坐标，绘出坐标系。见图。
b)在图2上绘出三个水头的水平线。
c)在图1上选取几个整数效率值，画出水平线，与辅助曲线形成一些交点。
d)将上面结点的坐标绘在图2上。
e)将相同效率数值的点用曲线相连。就绘成了水轮机运转综合特性曲线的等效
率曲线。
2、出力限制线的绘制
H r是N=N r时的最小水头，当H≥H r时，水轮机限制在N= N r内；即图中的A(N r，H r)点及其以上部分。
当H 出B(H min, N min)，连接A和B，即为H 出力限制线的绘制方法： 根据表中三个水头下所得到的出力，可以在运转综合特性曲线上绘出三个点。连接着三个点即可得到斜向阴影线。 在高水头下，水轮机的出力受发电机最大限制出力的限制，作竖向阴影线N=N f。 整个出力限制线由两部分组成：N=N f的竖直线段和三个水头下的斜向阴影线。这两条直线的交点即为机组的最终设计水头H r。 3. 等吸出高度线的绘制 (1) 针对每个水头进行列表计算。同样取4-6个水头进行计算，其中要包括H max， H min，H r，H a。 (2) 求出每个水头相应的n1'。 (3) 在模型综合特性曲线图上以n1'作水平线，与等空蚀系数线交于一些点，查出这些交点的σ和Q1'，列入计算表中。 在表内计算N、σ+Δσ、H s 等吸出高度线的绘制方法： (1) 作不同水头下Q1'= f(N)的辅助曲线，见图。 (2) 在相应的模型综合特性曲线上，作各水头下n 1'的水平线，它与空蚀系数线相交于许多点，记下各点(σ，Q 1)，列入表，由△σ～Hr 曲线查得△σ。 (3) 由Q 1可在N =f (Q 1)辅助曲线上查得相应的N 值，并记入表。 (4) 由公式计算出不同σ时的Hs 。 (5) 在H s =f (N )上，作H s =常数线，交点(H , N )，在H ～N 内绘出即可。 等吸出高度线给出了水轮机在其工作范围内，各运行工况下的最大允许吸出高度，以便进行方案比较，确定水轮机的安装高程。 二、轴流转浆式水轮机运转特性曲线 有不同的转角，所以进行效率修正时，应按不同的转角φ计算效率修正值。即在综合特性曲线上的n 1'水平线，选取与等φ线相交处的ηM 和Q 1'。 出力限制线的绘制。当H>H r时，水轮机出力受发电机额定出力的限制，为垂直线。当H 等吸出高曲线的绘制和混流式水轮机相同。 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。设置在尾水管末端。 (二) 型式 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，“T”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。 铸钢蜗壳：H>200m时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。 二、蜗壳的主要参数 1.断面型式与断面参数 金属蜗壳：圆形结构参数：座环外径r a、内径、导叶高度b0、蜗壳断面半径P、蜗壳外缘半径r。 混凝土蜗壳：“T”形。 (1) m=n时：称为对称型式 (2) m>n：下伸式 (3) m (4) n=0：平顶蜗壳 中间断面：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 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） 3、蜗壳进口平均流速： 进口断面流量： Q max ——水轮机的最大引用流量。 V c ↑→F c ↓→h w ↑； V c ↓→F c ↑→h w ↓； 任意断面处的蜗壳流量 0 m a x 360 φ Q Q c = V C 一般由H r ~V C 曲线确定 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 1、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。 已知条件：H r ，Q max ，b 0，D a ，D b ，φ0，V C 2、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V r 、V u 。 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，0 max b D Q V a r π==常数 圆周流速V u 的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩V u r = C 即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，V u 会随r 的增加而减小。 (2) 圆周流速V u =C ，即假定V u =V C =C 3. 蜗壳的水力计算按(V u =V C =C) (1) 金属蜗壳水力计算 (i) 蜗壳进口断面：c c c c V Q V Q F 00max φ== 断面半径：π φπ ρC c V Q F 0 max max 360= = 从轴心线到蜗壳外缘半径：max max 2ρ+=a r R (ii) 中间断面(i φφ=) max 0 360 Q Q i i φ= c i u i i V Q V Q F 0max 360φ= = π φρC i i V Q 0max 360= i a i r R ρ2+= 由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为： (i) 确定φ0和V C ； (ii) 求F c 、ρmax 、R max ； (iii) 由φi 确定F i 、ρi 、R i 。 (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F =F c 。 (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。见图。 (4) 测算出各断面的面积，绘出：F = f (R )关系曲线。 (5) 按C i u i i V Q V Q F 0max 360?== 绘出F = f (φ)直线。 (6) 根据φi 确定F i 、R i 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——适用于大中型电站。 弯肘型尾水管可以减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机多采用这种形式的尾水管。其组成包括：直锥段、肘管、出口扩散段。 直锥形 弯锥形 弯肘型 1. 进口直锥段 进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D 3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，D 3=0.937D 1，θ=8°~10°。 h 3——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。 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，其高/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 顶板仰角α=10°~13°，底板水平。 4.尾水管的高度与水平长度 尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。 H=h1+h2+h3+h4 h1，h2由转轮结构确定; h4为肘管高度，不易变动。 H取决于h3(直锥段长度)。h3大→开挖加大，工程投资增大； L：机组中心到尾水管出口，L大→F出大→V出小→ηw大→h f大→厂房尺寸加大，一般L=( 3.5～4.5)D1。 5.推荐尾水管尺寸 参考教材上的表。 6.尾水管局部尺寸的变更 厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，在不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺寸可作局部变更。 (1) 减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜6°~12° (2) 大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布置 (3) 地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面 (4) 加长h3、L(目前国内最长取到L=108D1)，但需要论证转轮出口的真空度和机组的抬机可能性。 水轮机的选型设计 水轮机选型时水电站设计的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的功能经济指标及运行稳定性，可靠性都有重要影响。 水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式，功能参数，水工建筑物的布置等，并考虑国内外已生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。 一：水轮机选型的内容，要求和所需资料 1：水轮机选择的内容 （1）确定单机容量及机组台数。 （2）确定机型和装置型式。 （3）确定水轮机的功率，转轮直径，同步转速，吸出高度及安装高程，轴向水推力，飞逸转速等参数。对于冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等。（4）绘制水轮机的运转综合特性曲线。 （5）估算水轮机的外形尺寸，重量及价格。 wertyp9 ed\结合水轮机在结构、材质、运行等方面的要求，向制造厂提出制造任务书。 2.水轮机选择的基本要求 水轮机选择必须要考虑水电站的特点，包括水能、水文地质、工程地质以及电力系统构成、枢纽布置等方面对水轮机的要求。在几个可能的方案中详细地进行以下几方面比较，从中选择出技术经济综合指标最优的方案。 （1）保证在设计水头下水轮机能发生额定出力，在低于设计水头时机组的受阻容量尽可能小。 （2）根据水电站水头的变化，及电站的运行方式，选择适合的水轮机型式及参数，使电站运行中平均效率尽可能高。 （3）水轮机性能及结构要能够适应电站水质的要求，运行稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能。在多泥沙河流上的电站，水轮机的参数及过流部件的材质要保证水轮机具有良好的抗磨损，抗空蚀性能。 （4）机组的结构先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。 （5）机组制造供货应落实，提出的技术要求要符合制造厂的设计、试验与制造水平。 （6）机组的最大部件及最重要部件要考虑运输方式及运输可行性。 3.水轮机选型所需要的原始技术材料 水轮机的型式与参数的选择是否合理、是否与水电站建成后的实际情况相吻合，在很大程度上取决于对原始资料的调查、汇集和校核。根据初步设计的深度和广度的要求，通常应具备下述的基本技术资料： （1）枢纽资料：包括河流的水能总体规划，流域的水文地质，水能开发方式，水库的调节性能，水利枢纽布置，电站类型及厂房条件，上下游综合利用的要求，工程的施工方式和规划等情况。还应包括严格分析与核准的水能基本参数，诸如电站的最大水头Hmax、最小水头Hmin,加权平均水头Ha，设计水头Hr，各种特征流量Qmin、Qmax、Qa,典型年（设计水平年，丰水年，枯水年）的水头、流量过程。此外还应有电站的总装机容量，保证出力以及水电站下游水位流量关系曲线。 （2）电力系统资料：包括电力系统负荷组成，设计水平年负荷图，典型日负荷 一、水轮机选型计算的依据及其基本要求.....................................................................1 1 水轮机选型时需由水电勘测设计院提供下列原始数据.................................1 2 水轮机选型计算应满足下述基本要求......................................................1 二、反击式水轮机基本参数的选择计算..................................................................1 1 根据最大水头及水头变化范围初步选定水轮机的型号.................................1 2 按已选定的水轮机型号的主要综合特性曲线来计算转轮参数.................................1 3 效率修正..........................................................................................4 4 检查所选水轮机工作范围的合理性.........................................................4 5 飞逸转速计算....................................................................................5 6 轴向推力计算....................................................................................5 三、水斗式水轮机基本参数的选择计算......................................................10 1 水轮机流量.......................................................................................10 2 射流直径d 0.......................................................................................10 3 确定D1/d 0.......................................................................................10 4 水轮机转速n ....................................................................................10 5 功率与效率................................................................................................11 6 飞逸转速..........................................................................................12 7 水轮机的水平中心线至尾水位距离A ......................................................12 8 喷嘴数Z 0的确定....................................................................................12 9 水斗数目Z1的确定.................................................................................12 10 水斗和喷嘴的尺寸与射流直径的关系...................................................13 11 引水管、导水肘管及其曲率半径.........................................................13 12 转轮室的尺寸..............................................................................14 A 水机流量..........................................................................................17 B 射流直径.............................................................................................17 C 水斗宽度的选择..........................................................................................17 D D/B 的选择.............................................................................................17 E 水轮机转速的选择.......................................................................................17 F 单位流量的计算..........................................................................................17 G 水轮机效率................................................................................................18 H 飞逸转速................................................................................................18 I 转轮重量的计算..........................................................................................18 四、调速器的选择.............................................................................................20 1 反击式水轮机的调速功计算公式.....................................................................20 2 冲击式水轮机的调速功计算公式.....................................................................20 五、阀门型号、大小的选择.................................................................................21 1 球阀的选择................................................................................................21 2 蝴蝶阀的选择 (22) 目 录 院校：河北工程大学水电学院专业班级：水利水电建筑工程01班姓名：苏华 学号： 093520101 指导老师：简新平 水电站水轮机的选型设计 摘要 本说明书共七个章节，主要介绍了大江水电站水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理以及调速设备和油压装置的选择。主要内容包括水电站水轮机、排水装置、油压装置所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。 关键词： 水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管、调速器、油压装置。 【abstract】 Curriculum project of hydrostation is a important course and practical process in curriculum provision of water-power engineering major . There are more contents and specialized knowledge in the curriculum project , which make students not to adapt themselves quickly to complete the design . In this paper , characteristic of the curriculum project is analyzed , causes of inadaptation to the curriculum project in students are found , rational guarding method are proposed , and a example of applying the guarding method is given . The results show that using provided method to guard student design is a good method , when teaching mode and time chart are given , students are guarded from mode of thinking and methodology , and design step are discussed and given . After the curriculum project of hydrostation , the capability of students to solve practical engineering problems is improved , and the confidence to engage in design is strengthened . 【Keyword】 Curriculum project of hydrostation ; guarding method ; mode of thinking ; methodology; design step. 第六章水轮机选型设计 由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同，水电站的工作水头和引用流量范围也不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。 水轮机由于它自身能量特性、汽蚀特性和强度条件的限制，每种水轮机适用的水头和流量范围比较窄，要作出很多系列和品种（尺寸）的水轮机，设计、制造任务繁重，生产费用和成本也大。因此有必要使水轮机生产系列化、标准化和通用化，尽可能减少水轮机系列，控制系列品种，以便加速生产、降低成本。在水电站设计中按自己的运行条件和要求选择合适的水轮机。 一、水轮机选型设计的任务及内容 1．任务 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，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。 2．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 (3) 确定水轮机的额定功率、转轮直径D1、同步转速n、吸出高度H s、安装高程Z a 、飞逸转速、轴向水推力；冲锤式水轮机，还包括喷嘴数目Z0、射流直径d0等。 (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、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。 二、选型设计 1．水轮机选型设计一般有三种基本方法 (1) 水轮机系列型谱方法: 中小型水电站水轮机选多此种方法或套用法。 第1章 概论 （一） 单项选择题 1．水轮机的工作水头是（ ）。 （A ）水电站上、下游水位差 （B ）水轮机进口断面和出口断面单位重量水流的能量差 2．水轮机的效率是（ ）。 （A ）水轮发电机出力与水流出力之比 （B ）水轮机出力与水流出力之比 3．反击式水轮机是靠（ ）做功的。 （A ）水流的动能 （B ）水流的动能与势能 4. 冲击式水轮机转轮是（ ）。 （A ）整周进水的 （B ）部分圆周进水的 5．喷嘴是（ ）水轮机的部件。 （A ）反击式 （B ）冲击式 （二）填空题 1．水电站中通过 把水能转变成旋转机械能，再通过 把旋转机械能转变成电能。 2．水轮机分为 和 两大类。 3．轴流式水轮机分为 和 两种。 4．水轮机主轴的布置形式有 和 两种。 5．冲击式水轮机有 、 和 三种。 （三）计算题 1．某水轮机的水头为18.6m ，流量为1130m 3/s ，水轮机的出力为180MW ，若发电机效率97.0=g η，求水轮机的效率和机组的出力g P 。 2．某水轮机蜗壳进口压力表的读数为a P 310650?，压力表中心高程为887m ，压力表所在钢管内径D = 6.0m ，电站下游水位为884m ，水轮机流量Q = 290 m 3/s ，若水轮机的效率%92=η，求水轮机的工作水头与出力。 第2章 水轮机的工作原理 （一） 单项选择题 1．水轮机中水流的绝对速度在轴面上的投影是（ ）。 （A ）轴向分量z v （B ）轴面分量m v 2．水轮机中水流的轴面分量m v 与相对速度的轴面分量m w （ ）。 （A ）相等 （B ）不相等 3．水轮机输出有效功率的必要条件是（ ）。 （A ）进口环量必须大于0 （B ）进口环量必须大于出口环量 4．无撞击进口是指水流的（ ）与叶片进口骨线的切线方向一致。 （A ）绝对速度 （B ）相对速度 5．法向出口是指（ ）。 （A ）出口水流的绝对速度是轴向的 （B ）出口水流的绝对速度与圆周方向垂直 （二）填空题 1．水轮机转轮中的水流运动是 和 的合成。 2．水轮机轴面上所观察到的水流速度分量是 和 。 摘要 水电站机电部分设计主要根据获得的设计材料中给定的水头范围进行的主机选型，根据选择的三方案中择优进行模型综合特性曲线的绘制，即选出一方案进行绘制，再根据效率，转速等选其一进行蜗壳、尾水管、水轮发电机外形的计算和绘图，最后进行水轮机的调节保证计算和调速器设备选择。 关键字：水轮机主机选型；水电站机电设备初步计算；外形设计；调节保证计算。 前言 毕业设计是高等教育教学中的最后一个教学环节，是实践性教育的环节。 毕业设计与其他教学环节构成有机的整体，也是各个教学环节的继续、深化补充和检验，是将分散、局部的知识内容加以全面的结合，这次设计提高了我们运用知识的综合能力，将知识化为能力，巩固和加深所学知识，培养知识，综合了系统化的运用。 目前，我国大陆水力资源理论蕴藏在1万KW以上的河流共3886条，水力资源理论蕴藏年发电量6082.9Tw·h；技术可开发装机容量541.64GW。经济可开发装机容量401.8GW。我国水力资源具有三个鲜明特点：第一、在地域上分布极不平衡，西部多，东部少。西部水利资源开发出了满足西部电力市场的需要，更重要的是考虑东部电力市场。第二、大多数河流年内、年际经流分布不均。第三、水力资源集中于大江大河，有利于集中开发和规模外送。 本次设计的主要内容为主机选型、蜗壳、尾水管、发电机确定和调节保证计算。设计过程中，依据资料水电站水头，单机引水流量，总装机，对水轮机发电进行初选，并根据单位转速，模型综合特性曲线，对水轮机型号，转速，效率出力等进行认真计算，校验，对选择方案的蜗壳水管，水轮机选型和绘图。对水轮机进行调节保证机算。 通过这次对相关专业知识的课题设计，更加深入的认识知识和实际应用，学会知识与实际结合、与实践结合，得以充分利用知识为以后工作打下了坚实的基础。 编者 2012年5月 目录 摘要 (1) 前言 (2) 目录 (3) 第一章水轮机型号选择 (5) 第一节水轮机型的选择 (5) 第二节初选水轮机基本参数的计算 (6) 第三节水轮机运转综合特性曲线的绘制 (17) 第四节待选方案的综合比较和确定 (19) 第二章蜗壳计算 (21) 第一节蜗壳形式、进口断面参数选择 (21) 第二节蜗壳各断面参数计算 (23) 第三节金属蜗壳图 (25) 第三章尾水管选型 (26) 第四章水轮发电机的初步选择计算 (27) 第五章调节保证计算及设备的选择 (33) 第一节调节保证计算 (33) 水轮机的选型设计 水轮机的选型设计 水轮机选型时水电站设计的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的功能经济指标及运行稳定性，可靠性都有重要影响。 水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式，功能参数，水工建筑物的布置等，并考虑国内外已生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。 一：水轮机选型的内容，要求和所需资料 1：水轮机选择的内容 （1）确定单机容量及机组台数。 （2）确定机型和装置型式。 （3）确定水轮机的功率，转轮直径，同步转速，吸出高度及安装高程，轴向水推力，飞逸转速等参数。对于冲击式水轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等。 （4）绘制水轮机的运转综合特性曲线。 （5）估算水轮机的外形尺寸，重量及价格。 wertyp9 ed\结合水轮机在结构、材质、运行等方面的要求，向制造厂提出制造任务书。 2.水轮机选择的基本要求 水轮机选择必须要考虑水电站的特点，包括水能、水文地质、工程地质以及电力系统构成、枢纽布置等方面对水轮机的要求。在几个可能的方案中详细地进行以下几方面比较，从中选择出技术经济综合指标最优的方案。 （1）保证在设计水头下水轮机能发生额定出力，在低于设计水头时机组的受阻容量尽可能小。 （2）根据水电站水头的变化，及电站的运行方式，选择适合的水轮机型式及参数，使电站运行中平均效率尽可能高。 （3）水轮机性能及结构要能够适应电站水质的要求，运行稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能。在多泥沙河流上的电站，水轮机的参数及过流部件的材质要保证水轮机具有良好的抗磨损，抗空蚀性能。 （4）机组的结构先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。 （5）机组制造供货应落实，提出的技术要求要符合制造厂的设计、试验与制造水平。 （6）机组的最大部件及最重要部件要考虑运输方式及运输可行性。 3.水轮机选型所需要的原始技术材料 水轮机的型式与参数的选择是否合理、是否与水电站建成后的实际情况相吻合，在很大程度上取决于对原始资料的调查、汇集和校核。根据初步设计的深度和广度的要求，通常应具备下述的基本技术资料： （1）枢纽资料：包括河流的水能总体规划，流域的水文地质，水能开发方式，水库的调节性能，水利枢纽布置，电站类型及厂房条件，上下游综合利用的要求，工程的施工方式和规划等情况。还应包括严格分析与核准的水能基本参数，诸如电站的最大水头Hmax、最小水头Hmin,加权平均水头Ha，设计水头Hr，各种特征流量Qmin、Qmax、Qa,典型年（设计水平年，丰水年，枯水年）的水头、流量过程。此外还应有电站的总装机容量，保证出力以及水电站下游水位流量关系曲线。 水轮发电机的选择计算 一、 发电机型式的选择 水轮发电机按其轴线位置可分为立式布置和卧式布置两类，大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于中小型机组及贯流式机组。本电站采用立式布置，立式布置又分为悬式和伞式两种。悬式布置和伞式布置的适用条件，查参考【2】P 149表3-1，悬式适用于转速大于150/min r ，伞式适用于转速小于150/min r 。因为水轮机的标准转速为166.7r/min ，所以水轮发电机选用悬式布置。水轮发电机的冷却方式采用径向通风密闭式空气循环冷却。 二、 主要尺寸估算 待选水轮发电机的有关参数如下： 发电机型式：悬式 标准转速：166.7r/min 磁极对数：18 外形尺寸计算如下： 1、极距τ 根据统计资料分析,极距与每极的容量关系如下: 42p s K f j =τ cm 参考【2】P 159公式3-2 式中 9 ,,,10~8,:18 ;:); (:本设计中取线速度高的取上限容量大一般为系数磁极对数发电机额定容量j f K P p KVA s = f s =N f ／cos ＆, cos ＆为功率因数角，取cos ＆取0.875。 f s =247423／ 0.875=282769KV A 。 4 18 *2282769 *9=τ=84.73 cm 由上求出τ后,尚应校核发电机在飞逸状态下,转子飞逸线速度V f 是否在转子材料允许范围内。 V K V f f = 参考【2】P 160公式3-3 式中 飞逸线速度 秒时在数值上等于极距周当频率转子额定线速度的比值确定与额定转速机组的飞逸转速与水轮机型式有关或按飞逸系数:;/50,:;,:f e f f V f V n n K τ= f K = f n ／e n =308.4／166.7=1.85; V =τ=84.73 cm. V K V f f ==1.85*84.73=156.75m ／s 查参【2】P 160，转子磁轭的材料用整圆叠片。 2、定子内径i D 计算公式： τπ p D i 2== 3.784*18 *2π =971.43 cm 参考【2】P 160公式3-4 3、定子铁芯长度t l 计算公式： e i f t n CD S l 2= cm 参考【2】P 160公式3-5 式中： 冷却方式为空冷 取表见参考系数定子内径额定转速发电机额定容量,107,53]2[,:); (:);(:); (:6160-?=-C P C cm D rpm n KVA S i e f .7 166*3.4971*107282769 26-?= t l =256.79 cm 第一章 水轮机的选型设计 第一节 水轮机型号选定 一．水轮机型式的选择 根据原始资料，该水电站的水头范围为18-34m ， 二．比转速的选择 水轮机的设计水头为m H r 5.28= 适合此水头范围的有HL240和ZZ450/32a 三．单机容量 第二节 原型水轮机主要参数的选择 根据电站建成后,在电力系统的作用和供电方式, 初步拟定为2台,3台,4台三种方案进行比较。 首先选择HL240 n11=72r/min 一．二台 1、计算转轮直径 水轮机额定出力：kw N P G G r 67.66669 .0106.04 =?== η 上式中： G η-----发电机效率,取0.9 G N -----机组的单机容量（KW ） 由型谱可知，与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，则Q 11r =1.155m 3 /s,对应的模型效率ηm =85.5%，暂取效率修正值 Δη=0.03，η =0.855+0.03=0.885。模型最高效率为88.5%。 m H Q P D r r 09.2885 .05.28155.181.967 .666681.95 .15.1111=???== η 按我国规定的转轮直径系列（见《水轮机》课本），计算值处于标准值2m 和2.25m 之间，且接近2m ，暂取D 1=2m 。 2、计算原型水轮机的效率 914.02 46 .0)885.01(1)1(155 110max =--=--=D D M M ηη Δη=η max -ηM0=0.914-0.885=0.0.029 η=ηm +Δη=0.855+0.029=0.884 3、同步转速的选择 min /18.1972 95 .0/5.2872av 1110r D H n n =?== min /223.11855 .0884 .07210 M 0 T 11011r n n =-?=-=?）（ ）（ ηηmin /223.73223.172n 1111r 11r n n m =+=?+= 4、水轮机设计单位流量Q11r 的计算 r Q 11= r r r H D η5 .12181.9P =884.05.28281.967.66665.12???=1.2633 m /s 5、飞逸转速的计算 r n = 1 11max D H n r =73.223×28.33=212.851r/min 6、计算水轮机的运行范围 最大水头、平均水头和最小水头对应的单位转速 min)/609.66223.18.332 180.19711max 1min 11r n H nD n =-?=?-= min)/(777.70223.195 .0/5.282180.19711av 111r n H nD n a =-?=?-= 水电站水轮机选型设计总体思路和基本方法 水轮机选型是水电站设计中的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的动能经济指标及运行稳定性、可靠性都有重要的影响。 水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式、动能参数、水工建筑物的布置等，并考虑国内外已经生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。 一 已知参数 1 电站规模：总装机容量：32.6MW 。 2 电站海拔：水轮机安装高程：▽=850m 3 水轮机工作水头： max H =8.18m ，min H =8.3m ，r H =14.5m 。 二 机组台数的选择 对于一个确定了总装机容量的水电站，机组台数的多少将直接影响到电厂的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性，还将影响到电厂建设的投资等。因此，确定机组台数时，必须考虑以下有关因素，经过充分的技术经济论证。 1机组台数对工程建设费用的影响。 2机组台数对电站运行效率的影响。 3机组台数对电厂运行维护的影响。 4机组台数对设备制造、运输及安装的影响。 5机组台数对电力系统的影响。 6机组台数对电厂主接线的影响。 综合以上几种因素，兼顾电站运行的可靠性和设备运输安装的因素，本电站选定机组为：4×8.15MW 。 三 水轮机型号选择 1 水轮机比转速s n 的选择 水轮机的比转速s n 包括了水轮机的转速、出力与水头三个基本工作参数，它综合地反映了水轮机的特征，正确的选择水轮机的比转速，可以保证所选择的水轮机在实际运行中有良好的能量指标与空化性能。 各类水轮机的比转速不仅与水轮机的型式与结构有关，也与设计、制造的水平以及通流部件的材质等因素有关。目前，世界各国根据各自的实际水平，划定了各类水轮机的比转速的界限与范围，并根据已生产的水轮机转轮的参数，用数理统计法得出了关于水轮机比转速的统计曲线或经验公式。当已知水电站的水头时，可以用这些曲线或公式选择水轮机的比转速。 轴流式水轮机的比转速与使用水头关系 中国： s n =H 2300 （m ·KW ） 日本： s n = 5020 20000 ++H （m ·KW ） 水轮机型号选择 根据已知的水能参数初选水轮机型号 最大工作水头：H max =Z 上max -Z 下min -△h=609.86-573.12-1.732=35 m 最小工作水头：H min =Z 上min -Z 下max -△h=607.78-574.27-1.732=31.77m 平 均 水 头：H a =12 (H max +H min )= 1 2 ×(35.85+31.35)=33.4 m 查水电站机电设备手册根据我国小型反击式水轮机适应范围参考表初选水轮机型号。 初选水轮机型号：HL240-LJ-140 水轮机类型 混流式 转轮型号 HL240 最大水头 35m 最小水头 31.77m 设计水头 33m 出力 3400kw 校核机组的稳定性 水轮机主要参数的计算： HL240-LJ-140型水轮机方案主要参数的计算: 转轮直径计算 Nr=3400/0.95=3368.42kw Hr=33.4m D 1= M Hr Q Nr η23 181.9' (1-3) 式中： Nr-为水轮机的额定出力（kw ） D 1 -为水轮机的转轮直径（m ） ηM -为水轮机的效率 Hr-为设计水头（m ） Q 1′--为水轮机的单位流量（m 3/s ） 由水力机械课本附表1中查得Q 1′=12.4 L/s=1.24m 3/s,同时在附表1中查得 水轮机模型在限制工况下的效率ηM =90.4%，由此可初步假定水轮机在该工况的效率为92.0% 将Nr=3400kw, Q 1′=1.24 m 3/s, Hr=33.4m, ηM =92%得 m D 12.192 .04.3324.181.942 .33682 31=???= 选择与之接近而偏大的标准直径D 1=1.40m 效率的修正值计算 由水力机械课本附表1查得水轮机模型在最优工况下的效率ηMmax =89.6%,模 型转轮直径D 1M =0.46m, 则原型水轮机的最高效率η max ，即： η max =1-（1-η Mmax ）5 1 1D D M (1-4) 式中： ηmax --为原型水轮机的最高效率 η Mmax --为水轮机模型在最优工况下的效率 D 1M --为模型转轮直径 （m ） D 1 --为原型转轮直径 （m ） 将η Mmax =91.0% ，D 1M =0.46m, D 1=1.4m 带入得: η Mmax =1-（1-η max ）5 1 1D D M =1-（1-0.91）54 .146.0 =92.8% 考虑到制造工艺水平的情况取ε1=1%由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为ε2=0，则效率修正值Δη为： Δη=ηmax -η Mmax -ε 1 式中： Δη--为效率修正值 ηmax --为原型水轮机的最高效率 η Mmax --为水轮机模型在最优工况下的效率 将ηmax=0.928，ηMmax=0.91，ε1= 0.01带入上式得： 第四章水轮机选择 §4.1 水轮机的标准系列 由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同，水电站的工作水头和引用流量范围也不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。 一、反击式水轮机的系列型谱 表4—1、4—2、4—3、4—4中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。 1)、水轮机的使用型号规定一律采用统一的比转速代号。 2)、每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。 二、水斗式水轮机转轮参数 表4—5，系列型谱尚未形成 三、水轮机转轮尺寸系列表（表4—6） 四、水轮发电机标准同步转速（表4—7） 五、水轮机系列应用范围图 为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。 以H为横座标，N 单 1、根据H r、N r→范围→D1，n。 2、水轮机吸出高度的确定H s：根据h s~H的关系曲线确定。 由H r→h s，H s＝h s－▽／900 §4.2水轮机的选择 一、水轮机选择的意义、原则、内容 1、意义 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，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。 2、原则 (1)、充分考虑电站特点（水文水能、电力系统技术条件，电站总体布置)。 (2)、有利于降低电站投资、运行费、缩短工期，提前发电 (3)、提高水电站总效率，多发电 (4)、便于管理、检修、维护，运行安全可靠，设备经久耐用 (5)、优先考虑套用机组 3、内容 (1)、确定机组台数及单机容量 (2)、选择水轮机型式（型号） (3)、确定水轮机转轮直径D1、n、H s、Z a；Z0、d0 (4)、绘制水轮机运转特性曲线 水电站作业 水轮机型号及主要参数的选择： 已知某水电站最大水头H max=245m，加权平均水头H av=242.5m，设计水头H r=240m，最小水头H min=235m，水轮机的额定出力为12500kw，水电站的海拔高程为2030m，最大允许吸出高Hs≥-4.0m。 要求： 1、选择两种机型（HL120-38，HL100-40）进行选择。 2、对选择的机型进一步绘制其运转特性曲线， ` （一）水轮机型号的选择 根据题目条件已知要用HL120-38和HL100-40型水轮机进行选择，对比计算分别如下： （二）水轮机主要参数的计算 HL120-38型水轮机方案主要参数的计算 1、转轮直径的计算 1D = 式中： '3112500;240; 380/0.38/r r N kW H m Q L s m s ==== 同时在附表1中查得水轮机模型在限制工况的效率=88.4%M η，由此可初步假定水轮机在该工况的效率为90.4% 将以上各值代入上式得 10.999D m = = 选用与之接近而偏大的标准直径1 1.00D m =。 2、效率修正值的计算 由附表一查得水轮机模型在最优工况下的max =90.5%M η，模型转轮直径10.38M D m =，则原型水轮机的最高效率max η可依下式计算，即 max max =1M ηη-（1- 1(10.93593.5%=--== 考虑到制造工艺水平的情况取11%ε=；由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为20ε=，则效率修正值η?为： max max 10.9350.9050.010.02M ηηηε?=--=--= 第三章水轮机选型 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，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。 水轮机选型设计是水电站设计中的一项重要工作。它不仅包括水轮机型号的选择和有关参数的确定，还应认真分析与选型设计有关的各种因素，如水轮发电机的制造、安装、运输、运行维护，电力用户的要求以及水电站枢纽布置、土建施工、工期安排等。因此，在选型设计过程中应广泛征集水工、机电和施工等多方面的意见，列出可能的待选方案，进行各方案之间的动能经济比较和综合分析，以力求选出技术上先进可靠、经济上合理的水轮机。 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，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教材。 二、水轮机转轮标称直径系列(cm) 三、水轮发电机标准同步转速 四、水轮机系列应用范围图 第二节水轮机选择 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 3.确定水轮机参数D1、n、H s、Z a；Z0、d0 4.绘制水轮机运转特性曲线 5.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。 6.调速器及油压装置选择 7.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 1.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 第四章 水轮机的特性曲线与选型 第一节 水轮机的相似律 一、水轮机的相似条件 在进行模型试验时，模型与原型水轮机之间应满足的条件称为水轮机的相似条件。模型和原型水轮机之间应满足几何相似、运动相似和动力相似三个相似条件。 1.几何相似（必要非充分）（同轮系） 几何相似是指两个水轮机的过流部件形状相同（即过流部件几何形状的所有对应角相等），尺寸大小成比例。即： == = m m m a a b b D D 000011 式中 ：01b D 、、0a ——水轮机的转轮直径、导叶高度、导叶开度。 满足几何相似的一系列大小不同的水轮机，称为同轮系（或同型号）水轮机。只有同轮系的水轮机才能建立起运动相似或动力相似。 2.运动相似（等角工作状态） 运动相似是指同一轮系的水轮机，水流在过流通道中对应点的同名流速方向相同，大小成比例，即相应点的速度三角形相似。即 两水轮机运动相似就称此两水轮机为等角工作状态。 3.动力相似 动力相似是指同一轮系水轮机在等角工作状态下，水流在过流部件对应点的作用力（惯性力、重力、粘滞力、摩擦力等），同名力的方向相同，大小成比例。 二、轮机的相似律 在满足相似条件的基础上原型与模型水轮机各参数之间的相互关系称为水轮机的相似律，也称为水轮机的相似公式。 1.转速相似律 s m s m m H D H D n n ηη1 1= s H D n η1 1∝ 2.流量相似律 sm m m s vm m v H D H D Q Q ηηηη2121= s V H D Q ηη21∝ 式中：v Q η—有效流量。 称为水轮机的流量相似律，亦称为流量方程式。 在应用中，直径m D 1、1D 、水头m H 、H 为定值，若效率vm η、sm η、v η、s η为已知时，则可由测得的m Q 求得原型水轮机的流量Q 。 3.出力相似律 ()() jm sm m m j s m H D H D N N η ηηη23 2123 2 1 = 2 3 2 1 s H D N η∝ 称为水轮机的出力相似律，亦称出力方程式。 同理，在已知其它参数时，也可由测得的模型水轮机出力m N 求得原型水轮机的出力 N 。 假定sm s ηη=、vm v ηη=、jm j ηη=和m ηη=时，得出近似相似律公式如下： m m m H D H D n n 1 1= 1 n 11'== m m m H D n H nD m m m H D H D Q Q 2121= 1 Q 212 1 '== m m m H D Q H D Q 23 212 3 21m m m H D H D N N = 1 N 2 3 2 12 32 1'== m m m H D N H D N 第二节 水轮机的单位参数及比转速 一、水轮机的单位参数 H nD n 11 = ' H D Q Q 2 1 1 =' 2 3 211 H D N N = ' 由上述表达式可看出：当水轮机转轮直径1D =1m 、水头1=H m 时，1 n '、1Q '、1N '分别等于水轮机的转速、流量和出力，所以1 n '、1Q '、1N '分别被称为单位转速、单位流量和单位出力，统称为单位参数。 对于同轮系水轮机，单位参数随着工作状态（工况）的改变而改变，当工作状态（工况）一定时，则单位参数是不变的三个常数，工作状态（工况）变化时，单位参数则又 是三个对应于工作状态（工况）的常数。显然可知：（1 n '、1Q '、1N '）就代表了同轮系 埃塞俄比亚GD-3电站水轮机选型说明 1.水轮机参数 水轮机模型参数表 HLA550-LJ-250 转速428.6r/min水轮机运转特性曲线 HLA892-LJ-245 转速428.6r/min水轮机运转特性曲线 2.选型分析 ①能量特性水轮机能量特性通常用水轮机的效率来评定，在转轮的选择上，我公司着重考虑：<1>在额定工况具有较高效率；<2>在整个运行范围内其加权平均效率较高；<3>最佳的运行范围。 从上面的效率表和能量特性表可以看出： 从上面比较可以看出，HLA550-LJ-250额定点效率较高,而HLA892-LJ-245最高效率较高。从上面提供的水轮机运转特性曲线可以看出:HLA550-LJ-250的额定点在第一圈效率线以内；而HLA892-LJ-245的额定点在第二圈与第三圈效率线之间,故HLA892-LJ-245的整个运行范围更右边一些。这点来看,HLA892-LJ-245具有更高的加权效率(由于没有加权因子,只能定性分析)。 ②空蚀特性水轮机的空蚀性能好坏直接影响电站的开挖深度以及今后电站的稳定运行，水轮机空蚀性能差将不仅破坏机组，引起噪声、振动和效率的下降，而且还影响水轮机的寿命，严重时将使机组无法安全运行。 从上面的水轮机主要参数表可以看出： 对于本电站水轮机，HLA550-LJ-250的额定点吸出高度为-8.66m，而HLA892-LJ-245 的额定点吸出高度为-2.65m。HLA892-LJ-245具有更好的汽蚀性能。 ③运行稳定性效率、空化和稳定性是水轮机的三个最重要的指标。效率关系到水能的利用程度，空化关系到机组的寿命，而水轮机稳定性的重要性在于机组能否安全正常运行。我们通过上面的水轮机运转特性曲线可以看出，对于本电站，HLA550-LJ-250只包含有很一部分最优区，而HLA892-LJ-245包含了绝大部分最优区。故从机组的运行稳定性上来说， HLA892-LJ-245具有更好的机组运行稳定性。。 综上所述，我公司推荐GD-3电站水轮机转轮采用：HLA892-LJ-245（转速428.6r/min）。 3.转轮业绩 HLA892是哈尔滨电气集团公司研发的转轮，曾应用于巴基斯坦马兰Ⅲ电站，该电站机组于2008年6月成功发电。从电站运行情况来看，该转轮性能优良。水轮机的选型设计说明
水轮机的选型计算
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水轮发电机选择
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(一)水电站水轮机选型设计方法及案例
水轮机选型
水轮机选择(经典)
水轮机计算
水轮机选型
水轮机特性曲线及选型
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