水轮机课程设计指导书

Fujian College of Water Conservancy and Electric Power
水轮机课程设计
指导书
福建水利电力职业技术学院
机电教研室编
2007.5
目录
笫一章水轮发电机组的选择 (1)
笫一节水能资料 (1)
笫二节机组台数与机型的选择 (1)
第三节水轮机主要参数的选择与计算 (2)
第四节配套发电机的选择 (4)
第五节机组方案的比较 (7)
第六节水轮机运转综合特性曲线的绘制 (8)
第七节蜗壳、尾水管外形尺寸的估算 (10)
第八节电站动能经济指标的计算 (12)
第二章进水阀与调速器设备的选择 (13)
第一节进水阀的选择 (13)
第二节调速设备的选择 (14)
笫一章水轮发电机组的选择
笫一节水能资料
根据设计任务书，列出水能设计计算和规划给出的以下特征值：
多年平均流量；水电站水库调节类型；水电站类型与厂房型式；水电站特征水头；水电站装机容量；水电站设计保证率；水电站保证出力；多年平均发电量；年利用小时数；电力系统设计水平年最大负荷；引水系统的引水方式；水电站下游水位与流量关系曲线。

在得到上述资料后，需要对资料进行适当的校核；其中重点是校核水电站特征水头。

笫二节机组台数与机型的选择
一、机组台数的选择：
1．台数与投资的关系
台数多，单机容量小，小机组单位千瓦造价高，同时，相应的主阀、调速器、附属设备及电气设备的套数增加，投资亦增加。

一般情况下，台数多对成本和投资不利。

2．台数对运行效率的影响
机组台数多，可以灵活改变机组运行方式，调整机组负荷，避开低效率区运行，以是电站保持较高的平均效率。

机组类型不同，台数对电厂平均效率的影响就不同。

轴流转浆式水轮机，由于单机的效率曲线平缓且高效区宽，台数多少对电厂的平均效率影响不明显；而混流式、轴流定浆式水轮机其效率曲线较陡，当出力变化时，效率变化较剧烈，适当增加台数可明显改善电厂运行的平均效率。

3．台数与运行维护的关系
台数多，运行方式灵活机动，事故停机影响小，单机检修易于安排，但对全厂检修麻烦；同时，台数多，机组开、停机操作频繁，事故的次数可能增加。

4．台数与其他因素的关系
4．1 台数与电网的关系
对于区域电网的单机：装机容量较小≯15%系统最大负荷（不为主导电站）；装机容量较大≯10%系统容量(系统事故备用容量)，因而，单机容量与台数选取不受限制。

4．2台数与保证出力的关系
根据设计规范要求，机组单机容量应以水轮机单机运行时其出力在机组的稳定运行区域范围内确定为原则。

不同型式的水轮机的稳定运行负荷区域如表1。

综上所述，可以确定机组台数选择的原则：
对中小型水电站，一般选择2～4台；保证在水头低于额定水头时，机组受阻容量尽量小；在可能的情况下尽量选用单机容量较大的水轮机，以降低设备造价。

二、转轮型号的选择
转轮型号的选择主要根据电站水头变化范围(H min ～H max )查相应的水轮机型谱参数表，以选择适用电站水头变化范围的水轮机型号为原则；若有多种型号可供选择，则需要列为备选方案，待进行参数计算比较后再确定。

第三节 水轮机主要参数的选择与计算
在确定了不同的备选方案后，应对所有的备选方案进行参数计算，为水轮机选择比较提供依据。

参数计算的内容和步骤如下： 1．水轮机转轮直径D 1
式中，ηf —发电机效率，通常中小型取0.93～0.96，大中型取0.96～0.98； Q 11——对混流式水轮机，取限制工况下的单位流量。

对轴流转浆式水轮机，取最优工况与限制工况之间的单位流量；一般水头较高时取靠近下限值，水头较低时取靠近上限值。

η——取n 110与Q 11交点的效率，并加上1~3%修正值。

D 1（cm ）——根据计算结果，可适当取大一点，一般是取5的倍数关系的直径值。

2．原型水轮机最高效率与效率修正值
)(21max max ηηηηη∆+∆--=∆M
式中△η1——水轮机工艺误差引起的效率下降值，对大中型水轮机取1~2%，对中小型水轮机取2~4%；△η2——水轮机异形部件引起的效率下降值，一般取1~3%（中小型水轮机通常不予考虑） 3．水轮机转速计算与选择
式中 11110110n n n M ∆+=
ｎ取与计算结果接近的标准同步转速，原则上取相近偏大值；若在两同步转速中间附近需作进一步比较。

4．检验水轮机实际工作范围 ⑴水轮机计算点出力的校核
计算Hr 时的出力：
，要求N ≥Nr 且接近。

⑵水轮机实际工作范围的校核
η5
.1112181.9r H Q D N =5
1
max max )1(1D D IM
m ηη--=η
ηf r r
H Q P D 5
.111181.9=
1
110
D H n n w =
不修正，反之要修正。

若03.0 1max
max 11011
<-=∆M M n n ηη
分别求出求H max 、H W 、H r 、H min 下对应的单位转速，列表1—2，要求H W 下对应的ｎ11Ma 与ｎ11M0相近，H max 、H min 时对应的ｎ11Mmin 、ｎ11Mmax 在模型综合特性曲线图上，其范围应包含高效率区。

若是有两同步转速，分别计算出各水头对应的单位转速，并检查两方案的运行区域后，选择较优的转速方案。

5．水轮机最大允许吸出高度计算
K σ的取值方法：
混流式转轮：用不锈钢时，K σ≤1.1～1.2；易空化部位有抗空化措施时，K σ ＝1.2～1.4；采用优质碳钢时，K σ ≥1.4。

(对含砂量较大电站K σ适当取大些；多机组K σ取小些)
Hs 的选择：分别计算出在H r 、Nr 和H max 、Nr 时的Hs 值，选偏小的Hs ，以防止产生空化。

E －水轮机安装处的海拔高程，初设时可用最低尾水位Z xd 计算出。

6．实际的水轮机额定水头(重算)
因不同的D 1、ｎ与水能预算Hr 有差异：
式中η=ηM +△η ，ηM ──以r r H nD n 111=与Q 11查模型曲线交点处值。

7．水轮机额定流量(重算)
r r H D Q Q 2111=
式中Hr 采用上述（6）中的计算结果。

8．水轮机安装高程
式中：w Z 为电站的下游尾水位，单位m 。

水电站的下游尾水位是随电站的流量变化而变化的，它与机组运行方式、水库综合利用等有关。

在实际工程中，一般是根据水电站的最低尾水位来计算。

在初步设计阶段，对中小型水电站，若装机1～2台时，可按一台机组50%额定出力时相应的流量所对应的下游水位作为xw Z ；若装机大于3～4台时，可按一台机组满负荷时的流量所对应的下游尾水位作为xw Z 。

对于大中型水电站，下游水位需作方案比较和专题论证。

9．水轮机最大飞逸转速
11.run n 为该机型的单位飞逸转速，可通过相关设计资料查找得出。

10．水轮机轴向水推力、总轴向力
可按下式近似计算原型水轮机的轴向水推力：
1
max 11
.D H n n run run =r
M s H K E
H σσ--
=900
103
2
112
1)81.9(η
Q D P H r
r =2
0b H Z Z s w +
+=π
式中：D 1为转轮直径（m ）；H max 为最大水头（m ）；K 为转轮的轴向水推力系数（kN/m 3
），一般由经验统计方法得出，具体见表1-3和表1-4所示。

立轴水轮机总的轴向推力F z 包含除轴向水推力、转轮重量W r 和主轴重量W z ，初步设计时可按下式估算
F z = F t + W r +W z
水轮机转轮重量W r 计算式为
混流式： ()[]311310025.05.01081.9D D W r -+⨯⨯= （N ）
（若转论为分瓣转轮，需再增加10﹪的重量）
轴流式： 6
.211.0max 34.11081.9D H d W h r ⨯⨯= （N ），式中d h 为轮毂比。

主轴重量W z 计算式： W z =（0.4～1.0）W r
式中：比例系数按应用水头、主轴是否与发电机共用等因素选取，低水头或共用轴情况取下限系数。

第四节 配套发电机的选择
一、配套水轮发电机选择方法
对有现成配套的水轮发电机组，可查相关资料进行选择；若无现成配套的水轮发电机组，可通过计算方法选择水轮发电机组。

配套的水轮发电机的选择原则如下： 1．N f =Nr ηf
2．发电机ｎrf =水轮机ｎr 3．水轮机ｎRmax ≯发电机ｎRf ； 二、水轮发电机的型号表示方法
1．中、小型水轮发电机的型号表示 SF8000── 16/3250
│ └功率KW │ └定子铁芯外径mm └立式 └磁极对数 SFW800──10/1180
│ └功率kw │ └定子铁芯外径mm └卧式 └磁极对数 SFWG8000── 16/3250
│ └功率KW │ └定子铁芯外径mm └卧式贯流式 └磁极对数 2．大型水轮发电机的型号表示 SF15————28/5500
│└功率MW │ └定子铁芯外径mm └立式 └磁极对数 三、水轮发电机外形尺寸参数计算 （一）水轮发电机尺寸参数计算
1．极距τ
式中，S f ──发电机额定容量(KVA)；P ── 磁极对数；Kj ──系数，一般为8~10，容量大的取上限。

由上式求出τ后，应校核发电机在飞逸状态下，转子的飞逸线速度V f 是否在转子的允许材料范围内。

2．定子铁芯内径i D ： 3．定子铁芯长度t l
式中，ｎr —额定转速 (r/min)，C —系数，C=4×10-6～6.5×10-6，
S f —发电机容量，单位KVA 。

4．定子铁芯外径a D (机座号)
当ｎr ≤166.7r/min τ2.1+=i a D D (cm) 当ｎr ＞166.7r/min τ+=i a D D (cm)
计算出a D 后，可参考有关资料选取标准的a D (即机座号)，确定水轮发电机型号。

(二)水轮发电机的外形尺寸估算
水轮发电机的外形尺寸主要有定子机座外径D 1，风罩内径D 2，转子外径D 3等。

1．定子机座外径D 1
136.4≤ｎr ＜214r/min ，D 1=1.18a D 214≤ｎr ≤300r/min ， D 1=1.20a D
2．风罩内径D 2
S f ≤20000KVA D 2=D 1+2.0m S f ＞20000KVA D 2=D 1+2.4m
3．转子外径D 3
D 3=D i —2▽
式中▽——单边空气间隙，初步估算时可不计。

四、水轮发电机的重量估算
)
(24
cm p
S k f j =τ(cm)
2 π
τ
p D i =
(cm)
2r
i f t n CD S l =
水轮发电机的重量估算内容包括总重量（G f ）、转子重量（G ）和飞轮力矩GD 2
的计算。

1．发电机总重量G f
式中 N S —视在功率，G K —系数，悬式发电机取8～10， 2．转子重量G
3．飞轮力矩GD 2
t i L D K GD 5.322= (t ·m 2)
式中2K —系数，100≤ｎr ≤375r/min ，2K =5.2。

F G G 2
1=
3
2
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=N N
G F n S K G
第五节机组方案的比较
根据前述计算结果，将所有计算结果列表后进行比较，见表1－5。

在实际工程设计过程中，还需要进行电站投资的比较（包含主机设备投资、土建投资以及电站总投资），本设计过程主要对机组的性能和技术参数进行比较，对投资部分不作比较。

在进行方案的比较过程中，主要从以下几方面进行：
1．使用水头范围的比较：要求所选的水轮机的适用水头范围要符合水电站提出的要求；若电站水头高于所选水轮机的最大水头，则水轮机的各部件的强度将受工作水压的影响；若电站水头低于所选水轮机的最小水头，则水轮机在运行过程中容易出现因偏离额定工况过远，以至水流状态恶化，使得水轮机的工作效率下降的现象。

2．模型转轮各项指标参数的比较：对不同模型转轮的相应的最优单位转速、最优单位流量、设计比转速、模型最高效率、限制工况单位流量、限制工况空化系数以及模型曲线的曲率变化情况进行全面的比较；得出不同型式模型转轮相应的能量性能指标和空化性能指标的差异，并说明优势较大的模型转轮型号。

3．原型水轮机计算点的能量性能的比较：这需要比较三方面的参数指标，一是不同原型水轮机最高效率的比较，二是不同原型水轮机计算点效率和出力的比较，三是不同原型水轮机所包含的高效率区的比较；经过三方面比较后，得出效率最好的水轮机的型号结论。

4．原型水轮机转速的比较：转速高的水轮机，其发电机尺寸小，重量轻，一方面可以减少设备的造价，另一方面有利于减小厂房的平面尺寸，降低厂房的土建投资。

5．原型水轮机空化与空蚀性能的比较：一方面可以对计算点的空化系数进行比较，空化系数小的空化与空蚀性能更好；另一方面从吸出高度的大小进行比较，吸出高度较大的，厂房的开挖深度小，也有利于降低厂房的土建投资。

综合上述比较结果，可以选择其中优点占主导的方案作为推荐方案。

然后再对该方案涉及的设备的供应、厂家的制造加工水平、产品的技术先进性和应用广泛性，工程的投资、工期的各方面的因素进行综合比较，最后得出综合参数最佳的方案。

第六节水轮机运转综合特性曲线的绘制
水轮机运转综合特性曲线既是水轮机选型设计时方案分析、比较的依据，也是水电站运行管理、拟定机组运行方式以及考察机组动力特性的主要依据，是在机组运行过程中检查水轮机运行情况的依据之一。

水轮机的运转特性曲线采用以出力P为横坐标，以水头H
为纵坐标，并采用在坐标图上绘制()P H f ,=η的等效率曲线、出力限制线和
()P H f H s ,=的等吸出高曲线来综合表示水轮机的能量特性、空蚀特性和运行限制范围。

模型与原型等效率线参数的转换公式如下：
ηηη∆+=M
)(21max max ηηηηη∆+∆--=∆M
η11KQ P =
式中：2/32131081.9H D K -⨯=，n 11 的单位为r/min ，P 的单位为M W 。

椐椐计算出来的机组转速n (r/min)，转轮直径D 1(m)，对选定的5个特定水头按第一式换算为n 11 作水平线与模型等效率线相交查得Q 11和ηM ，然后依上述各式求得η与P ，把计算数值列在如下表1－6中。

绘制水轮机运转综合特性曲线时应注意：
1．在水轮机运转综合运转特性曲线上，额定水头应是水轮机实际的额定水头，而不是水电站的额定水头。

表1-6
水轮机等效率曲线计算表
同样，计算各水头下的吸出高度值填入下表1－7中。

2．绘制出力限制线的斜线部分（水轮机出力限制线）时，可用两种方法： 2．1 在H ～P 坐标内，连接（H r 、P r ）、（H min 、P min ）两点，其连线即为水轮机出力限制线的斜线部分；
2．2 在等效率曲线计算表中，把5%出力限制栏中的H 、P 值绘在运转特性曲线上，连接各点，即为出力限制线的斜线部分（水轮机的出力限制线）。

斜线与垂直线的交点水头即是实际的水轮机额定水头。

H
nD n n M 1
1111=
=
第七节 蜗壳、尾水管外形尺寸的估算
一、蜗壳
1．蜗壳型式的选择
可用金属蜗壳和砼蜗壳的两种型式(方案比较)，通常当水头H ≥30m 时，选用金属蜗壳，当水头H ＜30m 时，选砼蜗壳。

2．按等速度假设计算 2.1蜗壳进口断面的计算
金属蜗壳的进口断面型式一般都作成圆形，为钢板制作。

(蜗壳是沿座环圆周焊接在上下碟形边上，由于过流量的减小，蜗壳断面也随之减小，为使小断面能和碟形边相接，在某一包角后均采用椭圆断面)
进口断面的面积：
式中 max Q ，为水轮机的最大引用流量，m 3
/s ；
o φ，为蜗壳包角，对于金属蜗壳一般取345°；
c
V 为进口断面的平均流速，由由水轮机的设计水m ，查蜗壳进口断面平均流速曲线(书
上或手册)查表得，m/s 。

所以
即可求出进口断面的半径，m 。

从轴中心线到蜗壳外缘的半径：
max max 2ρ+=a r R m
a r ——蜗壳座环外半径，查有关资料的蜗壳座环尺寸系列表，可以得到座环尺寸，即2/a a D r =。

2.2. 对蜗壳中间的任一断面
设为从蜗壳鼻端起算至计算断面处的包角，则该计算断面处有：
根据上面计算式，可按30°（或15°）作为计算包角，分别计算出i
Q ，
i
ρ，
i
R 填入
c
c c c V Q V Q F ο3600
m ax φ=
=c
c
V Q F πφπ
ρο3600
max max =
=
max
360
Q Q i
i ο
φ=
c
i i V Q πφρο360max =
i
a i r R ρ2+=
3．蜗壳单线图的绘制
由上表计算结果，在作图纸上绘制出蜗壳单线图。

二、尾水管
1．尾水管的尺寸计算
尾水管主要由进口直锥段、肘管段和出口扩散段组成，其外形尺寸是以水轮机的型号为依据，在有关资料上查找相应的标准尾水管的型式，再根据转轮及尾水管相应部位的尺寸，对标准尾水管进行尺寸放大即可得出尾水管各相应部位的尺寸。

计算出尾水管各部位尺寸值后，填入尾水管尺寸表1－9中。

2．尾水管单线图的绘制
根据上面表1－9中的计算结果，在作图纸上绘制出绘制出尾水管单线图。

第八节 电站动能经济指标的计算
按规范机型确定后，要确定多年平均电能和装机年利用小时数。

一、水轮机平均效率 用面积法(图解法即数方格)
根据所绘制的水轮机运转综合曲线，由水轮机工作范围内不同效率所占的面积，求出水轮机平均效率。

Α─────运转曲线上，两相邻等效率线之间的面积（水轮机工作范围内）。

η1、η2──运转曲线上，两相邻等效率线的效率值。

二、重新估算平均年发电量E ，年平均功率P 和装机年利用小时数y h
原水能设计时，出力系数α 取8.0
f 81.9ηηα原=
η原──原水能设计估算的水轮机效率
QH P α=
则：
平均年发电量 ：
年平均出力：
装机年利用小时数
三、机组主要设备的投资概算(本设计略)
∑
+=A
A 2
)(21ηηηf
a
ηη81.9=
原原原
E E ηη=
8760
E P =
y
y P E h /=
第二章进水阀与调速器设备的选择
第一节进水阀的选择
一、进水阀的设置条件
水轮机进水阀在一些水电站起着上述的重要作用，但是，进水阀造价昂贵，而且增大水电站的土建和安装工作量，因而在设置进水阀时，一般应符合下列条件：（1）联合供水方式的电站，应在每台水轮机前设置进水阀。

（2）单元供水方式的电站（一台机组一根压力管道），当水头高于120m或引水管道较长时，为了保护机组和运行方便，可考虑在每台水轮机前设置进水阀。

（3）当最大水头低于120m且引水管较短时，一般不设置进水阀，但应在引水管进水口设置快速闸门。

如需设置水轮机进水阀，应经过技术经济的论证。

二、进水阀的型式
电站常用的进水阀有蝴蝶阀、闸阀和球阀等。

各种阀门的结构型式和代号见表2—1。

在这些阀门中，以蝴蝶阀使用最为广泛。

1．进水阀的型式选择
通常，当水头在200m以下的水电站，多选择蝴蝶阀；当水头在200m以上的水电站，多选择球阀；而闸阀适用于高水头、小管径的水电站，对于700～800m以下，管径在1000mm 以下均可采用。

2．进水阀的直径选择
可根据蜗壳进口断面尺寸来确定进水阀的直径，然后确定进水阀的类型和操作方式。

3．进水阀的承压能力选择
在选择不同型式的进水阀时，应充分考虑进水阀的承压能力，要能够承受水电站工作水头及其在紧急关机是，引水管中产生的水锤压力的上升值。

注：进水阀采用液压操作时，需考虑选用专用的进水阀油压装置。

1
max 0max 16.113.1D D D z D z a a O OM
o o
om o -=⨯⨯⨯
=第二节 调速设备的选择
一、调速器的选择原则
调速器的选择原则是应在任何水头、流量下，平稳可靠地操作水轮发电机组，其关闭时间要满足调节保证计算的要求。

根据机组所需要的调速功大小及导叶关闭时间，从产品系列中选取调速器型号。

二、调速器工作容量的选择计算
调速器的大小与活动导叶上承受的水力矩和阻力矩有关，还与机组的制造、安装质量有关。

1．中小型调速器的调速功计算公式：
2．大型水轮机导叶接力器的调速功：
1max max 0D H Kb W α= (kgf.m)
K —－系数，对轴流式及混流式水轮机，当D 1＞3m 时，可取K=0.3；对混流式水轮机，当D 1＜3m 时，可取K=0.4。

如W ≥3000kgf ·m ，即为大型调速器。

大型调速器的容量选择主要是选择合适的主配压阀直径。

目前有80，100，150，200，250mm 等规格。

（1）导叶接力器的容积计算
式中： c d ——接力器直径（m ），b 0——导叶高度（ m ）， λ ——计算系数，可根据资料查取。

正曲率导叶用于水头H=40～100 m ，具有全包角的蜗壳，并工作在较大开度的低比速轴流式水轮机和高比速的混流式水轮机。

对称形导叶用于水头低于40 m ，具有混凝土蜗壳的轴流式水轮机。

（2)接力器容积：
式中m ax s ——接力器最大行程，S d =（1.4～1.8），max o a ——原型水轮机导叶最大开度（m ）由水机确定。

（3）初步选择主配压阀直径：
式中：V ——导水机构或折向器接力器的总容积（ m 3
），v ——管路中油的流速（m/s ），当油压装置额定工作压力为25kg/cm 2
时，一般取v ≤4～5m/s 。

T S ——接力器关闭时间（s ）。

)
()3020(1m kg D H Q A MaX ⋅-=)
(1
01m D b H D d Max
c λ=S
vT V d π4=
2
max
2S d V c π=
d算出必须取接近偏大的标准值。

三、调速器选取
由调速功W或主配压阀直径选取调速器。

1．调速器的型式：选用单调节的、灵敏度高的、调节品质好、控制方便、自动化程度较高的电气液压式调速器和微机调速器。

2．调节规律的选择：对于水电站的单机容量较小，承担基荷以及引水管道较短的，宜采用PI型调节规律；而对于单机容量较大，承担调頻任务或峰荷、引水管较长的，则采用PID型调节规律。

此外，近年来生产的电调大多数为PID型调节规律，微机型和集成电路改进型的电液调速器都属于PID型调速器。

四、调速器参数的整定范围计算：对PID规律，算出其调节参数的最佳整定值：
微分时间常数：Tn= 0.5Tw (s)
缓冲时间常数：Td=3Tw (s)
暂态转差系数：bt=1.5Tw (s)
五、确定调速器型号：
确定选用调速器型号，以符合调速器最调节参数计算要求。

调速器容量划分见表2－2。