水轮机的特性及选型.ppt

将模型试验结果化成为D1M=1m，HM=1m标准 情况下的参数—单位参数，分别用 (Q1，n1，N1) 表示。
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
1、D1的确定
Nr 9.81Q1D12Hr Hr
D1
Nr
9.81Q1H
3 r
/
2
(1) Nr(水轮机额定出力) Nr= Nf／ηf
(2) H=Hr计算。 (3) η：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定
时 一般先取η=ηM+△η (△η=2~3%)，求得D1后再
四、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。
(一) 水轮机系列应用范围图
1、以H为横座标，N单为纵座标绘 制某一系列水轮机应用范围。 2、根据Hr、Nr → 范围→D1，n 。 3、水轮机吸出高度的确定Hs：根 据hs~H的关系曲线确定。 由Hr → hs， Hs＝ hs－▽／900 这种方法比较简单，但精度不够， 多用于小型水电站的初步设计
2、运动相似：
(1) 过流通道的对应点的速度方向相同
(2) 过流通道的对应点的速度大小对成比例，即速 度三角形相似。
同一轮系水轮机，保持运动相似的工作状况——相 似工况
3、动力相似 (压力、惯性力、重力、摩擦力等)
同一轮系水轮机，水流对应点所受的作用力是同 名力、方向相同、大小成比例。
三、水轮机的相似定律
(3) 综合参数：(Q1，n1，N1) ，轴功率N、η、б
(二) 特性曲线：各参数之间的关系曲线 (1) 线性特性曲线：反映2~3个参数之间的关系曲线 (2) 综合特性曲线：表示多个参数之间的关系，能较
完整地描述水轮机各运行工况的特性。
第六节 水轮机选型设计
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。
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
1、机组台数的选择及单机容量的选择
2、计算水轮机的参数(D1，n，Hs, Za)
3、绘制水轮机的工作特性曲线及运转特性曲线
Q Q1D12 H
n n H D1
N N1D12 H 3/ 2
通常用 Q1 n1， 表示水轮机的运行工况。当几何相 似，单位流量和单位转速对应相等时，两个水轮机工 况相似。
对同一轮系水轮机在不同的工况下单位参数分别为一
n1
常数(工况不同，单位参数不同)。
单位参数由模型试验得出→原形水轮机的参数(相应 工况)。
三、水轮机型号确定
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。
2、 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，有限套用已经生产国的机 组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。
5、HS的计算
计算公式：
Hs
10
900
kH
r
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。
作业、思考题
1.水轮机的相似条件和相似定律是什么？研究目的是什 么？
2.什么是水轮机的轮系、单位参数和比转速？比转速和 转速、机组尺寸、汽蚀系数有什么关系？
3.模型试验的目的任务及类型？能量试验的任务测量参 数是什么？
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。
建立模型与原型水轮机各个参数之间的关系。
1、 转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间
的关系。
nM D1M nD1 C
H M HM
HH
2、流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的关
系。(a=aM)
QMVM
QV C
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，汽蚀系数越大，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。
第五节 水轮机的特性曲线及其绘制
一、水轮机参数及特性曲线 (一) 水轮机参数：参数关系反映水轮机特性。 (1) 结构参数：转轮直径D1，导叶高度b0，导叶开度 a0，叶片转角Φ (2) 工作参数：H、Q、n 、Hs
第三章 水轮机的特性及选型
第一节 水轮机的相似原理及单位参数
一、几个基本概念 1、水轮机特性
水轮机在不同工况下运行时，各运行参数(H，Q，n ，N，η，б)及这些参数之间的关系，称水轮机的
特性。
由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机特性靠理论 与实验相结合。
2、模型试验 原型：尺寸大，试验困难，不经济。 模型：(D : 250～460mm，H ：2～6m)
ns
nN H 5/4
(m.k W )
表示水轮机特征的一个综合参数(与D1无关)，能将水轮机的各
个参数n、H、 N之间的关系综合反映出来，代表了水轮机的轮
系特征。
ns随工况变化,一般按H设、N额、n额确定该水轮机轮系的特征参 数。
ns
ne N e H r5/4
讨论：
相似水轮机，工况相似，ns相同，不同的ns ，反 映不同轮系水轮机特征。
3、相似理论 研究相似水轮机之间存在的相似规律，
并确立这些参数之间的换算关系的理论。
二、水轮机相似条件
1、几何相似： 过流通道几何形状相似
(1) 过流通道的对应角相等：βe1＝βe1M ；βe2＝βe2M ； Φ＝ΦM……
(2) 对应尺寸成比例：D1/D1M＝b0/b0M＝a0/a0M＝…….
(3) 对应部位的相对糙率相等：△/ D1＝△M/D1M 几何相似的大大小小的一套水轮机系列——轮系 同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。
(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单，较少的台数，但一 般至少应选2台，少数情况下可选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。
ε1=1%~2%(表示工艺水平)，ε2=1%~3%(表示异形部 件)
η=ηM+△η，与假定出入太大，应重新计算。
3、转速的选择
n n1 H D1
n n10 H a D1
n1 用最优单位转速n10， n10 n10M n1
水头H=Ha。
转速n随工况而变，要选发电机转速相近的标准同步 转速，
max M max
其他工况时：
n10 n10M
max M max
Q1 Q1M Q1
n1 n1M n1
Q1 Q10 Q10M n1 n10 n10M
第三节 水轮机的比转速(Specific speed)
定义：同一轮系水轮机，当其工作水头H=1m，出力N=1kW时 ，所具有的转速。
二、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。
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。
(3) 水文情况： 特征流量及特征水头(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav) 、下游水位流量关系曲线 (4) 水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年运行费 等
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多→平均效率提高 (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。
水轮机在最优工况下的单位参数——最优单位参数
，用 (Q10，n10，N1o ) 表示。
第二节 水轮机的效率换算与单位参数修正
单位参数公式是在假定相似工况下 M ，实际上
(2%～7%)，其原因是： M
H M H , D1M D1
→ M →
D1M D1
hw hwM
H
HM
1、最优工况下的效率修正
修正。
(4) Q1
在N= Nr时，取限制工况下的 Q1 ，并查出限制工况
的ηM
HL水轮机由5%出力限制线得到，ZL式由汽蚀条
件得到，或限制[HS]反推σz，以防止开挖过多。
σz为水轮机装置的汽蚀系数。
z
10
900
H s
H
2、η的修正计算
求得D1后，再查附表得出ηMmax，换算得出ηmax。
△η=ηmax-ηMmax-ε1-ε2
D12M H M HM
D12 HH
3、 出力相似律即原型和模型水轮机出力之间的关系。
NM D12M (HMHM )3/2mM
N D12(HH )3/2m
C
H M , D1M , H , D1 均为固定值，QM可以测得，若ηVM、
ηHM、ηV、ηH已知，可求出Q。
四、单位参数(在不同轮系之间进行比较)
4.水轮机的参数和特性曲线有哪些？模型综合特性曲线 的作用及其组成？轴流式和混流式水轮机的特性曲线 有什么区别？
5.水轮机选择的内容是什么？选择方法有几种？
6.水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线的用途、组成 及其绘制方法？
已知某电站的装机容量为550MW，水头范围为 Hmax=65m， Hmin=40m，设计水头Hr=50m ，平均 水头 Ha=57m。电站所在位置的海拔高程为 161.28m，下游设计水位为159.3m。