第二章水轮机及其选择
水轮机的蜗壳
二、蜗壳的主要参数
1.断面型式与断面参数 1.断面型式与断面参数 金属蜗壳： 金属蜗壳：圆形结构 参数：座环外径、 参数：座环外径、内 导叶高度、 径、导叶高度、蜗壳 断面半径、 断面半径、蜗壳外缘 半径
混凝土蜗壳： 混凝土蜗壳：“T”形。 形 (1) m=n时：称为对称型 时 式 (2) m>n：下伸式 ： (3) m<n ：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳 ： 中间断面： 中间断面： 蜗壳顶点、 蜗壳顶点、底角点的变 化规律按直线或抛物线 确定。 确定。
α 2V2 2
2g
+ ∆ h2 − 5 )
∆E = EB − EA = H2 + (
α V −α V
2 2 2
2 5 5
2g
− ∆h2−5)
设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低， 设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了 真空现象，真空由两部分组成： 真空现象，真空由两部分组成： 静力真空： 落差) 静力真空：H2(落差)，也称为吸出高度Hs； 动力真空(转轮出口的部分动能) 动力真空(转轮出口的部分动能)
三、蜗壳的水力计算
水力计算的目的: 水力计算的目的 确定蜗壳各中间断面的尺寸， 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。 线图，为厂房设计提供依据。 已知： 已知：
H r ,Q
max
, b 0 , D a , D b , φ 0 ,V c
1. 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 环流)， 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 之后进入导叶 水流速度分解为Vr、Vu。 水流速度分解为 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求， 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求， Vr=常数。 常数。 常数
第二章 水轮机工作原理(蓝底)
v （绝对速度） w（相对速度） u（圆周速度）
由
，称为水流速度三角形。用来表示水流的运动状 态。如图所示
v
、u 、 w
三个矢量构成的封闭三角形
（2）分解 在实际应用时，常将 标分量表示。 在直角坐标系中分解
用它的三个坐 v
v vx v y vz
二、转轮内水流运动分析
1、转轮内水流运动 水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着扭 曲的转轮叶片作相对运动，同时，又随转轮旋 转，作园周运动。因此，转轮内的水流是一种 复杂的三维空间运动。 2、轴面与流面 由于水轮机是一种绕定轴旋转的机械，所以 常采用圆柱坐标体系来分析转轮中水流运动。
如图所示 Z轴—表示水轮机轴 线方向（轴向） r轴—表示垂直于轴线 的径向（径向） φ角—表示研究点所在 的径向平面与起始 径平面的夹角（辐 角）
直
4
(D d )
2 1 2 n
，方向与圆周速度垂
——轮毂直径，单位m。 （3）进口速度的圆周分量
dn
vu1i
Q ctg 0 b0 D1i
b0
——导叶高度，单位m。
作进、出口速度三角形应注意的问题：
①对于水头较高的低 为
1 0
n s 混流式水轮机，则认
l1 b0
②对于低 n s 的混流式水轮机，或水流呈轴对 称流动时，意味着转轮叶片无限多、无限薄， 水流紧贴着叶片离开转轮，则认为
根据轴流式转轮中水 流运动的特点，常认 为水流的径向分量很 小、可忽略，
vr 0
那么
vm vr v z v z
（1）进、出口圆周速度不变
u1 u2
郑州大学水利机械复习题及其答案
水力机械课程要点及复习思考题绪论：主要内容以及要了解和掌握要点：1、能源的种类；和其他类型的能源相比，水电的特点；我国水力资源的总量及水力发电在国民经济中所占的地位；我国水力资源的分布情况、开发程度以及规划利用前景；2、水力发电的生产流程以及和水电有关的主要技术参数和技术指标；水电站的基本类型；特点；主要建筑物及布置原则概述；第一章水力机械概述：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机的基本参数；水轮机的各种水头（设计水头，工作水头，最大和最小水头）及其含义；搞清水轮机的水头和水电站的水头不是一个概念；在设计水电站时如何协调两者之间的关系2、水轮机的主要类型及其构造；水轮机分为反击式和冲击式两大类原则，每一大类又可以分为几种不同的类型；常见和常用的水轮机类型都有那些各有什么特点；掌握常见水轮机如轴流式、混流式河水斗式水轮机的主要部件有那些，名称是什么，功用是什么，这些主要部件各处在水轮机的什么位置；3、水轮机的牌号极标称直径水轮机牌和的意义，作用，水轮机牌号的常规表示方法；目前水轮机牌号的使用现状；提出水轮机标称直径的目的；不同类型的水轮机标称直径的标注方法和具体位置；第二章水轮机的工作原理：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水流在反击式水轮机转轮中的运动；水流在反击式水轮机转轮内运动的复杂性（恒定流和非恒定流）；水流和转轮叶片作用的原理；水流做功原理；对水流或流场的描述方法（解析，数值，速度三角形）；速度三角形中各速度示量的含义；2、水轮机的基本方程式推导水轮机基本方程三条假定的目的与意义；控制体的选择与研究对象；力矩的轴对称性，作用力和反作用力原理；水轮机基本方程的不同表现形式和物理意义；3、水轮机的效率及最优工况水轮机效率和能量损失的关系；水轮机能量损失的几种形式；不同损失产生的原因；无撞击进口和法向出口及最优工况条件；4、尾水管的工作原理动力真空和静力真空；尾水管回收能量的方式与原理；尾水管的作用；尾水管回收能量的程度；尾水管的水力损失系数和动能恢复系数；5、水轮机的空化与空蚀水轮机空化与空蚀的研究历史；水流空化的机理；空化压力和空化温度的关系；水轮机空蚀的机理；水轮机空蚀的破坏作用；水轮机空蚀的类型；水轮机空蚀的后果及表现形式；水轮机空蚀的预防或防护措施；6、水轮机的空蚀系数、吸出高及安装高程水轮机空蚀系数的来历；水轮机空蚀系数的意义；水轮机吸出高的来历；水轮机吸出高的确定；对不同水轮机吸出高的规定；对不同水轮机安装高程的规定与计算；第三章水轮机的相似原理及特性曲线：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机的相似原理概述相似概念及研究水轮机相似的目的；水轮机的相似条件；不同相似条件所对应的含义；相似的局限性和近似性；2、水轮机的相似率、单位参数和比转速流量相似率的含义；转速相似率的含义；出力相似率的含义；导出水轮机单位参数的目的与作用；导出水轮机比转速的目的与意义；3、水轮机的效率换算与单位参数修正水轮机效率换算的目的与意义；水轮机效率换算的依据与经验性；不同水轮机效率换算公式的适用条件；水轮机效率换算后再修正的原因；水轮机单位参数的修正；4、水轮机的主要综合特性曲线水轮机模型试验的目的；水轮机主要特性曲线的作用；常见类型水轮机综合特性曲线中所标示的内容；出力限制线的意义与作用；第四章水轮机选型：主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机的标准系列采用标准系列的目的；水轮机型谱的来历与演变；水轮机的尺寸系列；水轮机转速和发电机转速的关系；发电机标准同步转速的确定；2、水轮机选择水轮机选型设计的基本内容；水轮机选型设计的基本要求；水轮机选型设计需要收集和整理的基本资料；确定电站装机台数、单机容量的原则和要考虑的相关因素；确定水轮机型号、主要参数的基本方法及其适用条件；不同水轮机主要参数之间的比较及最终方案确定的一般原则；3、水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线的作用；水轮机运转特性曲线的绘制方法；水轮机的最优工作区域；水电站厂内优化运行的基本概念；4、水轮机蜗壳的型式及主要尺寸的确定水轮机基本型式；不同水轮机蜗壳的特点及适用场合；对蜗壳内水流运动规律的假定；蜗壳水力计算及轮廓尺寸确定的方法；蜗壳轮廓尺寸对水电站厂房尺寸的影响；5、尾水管的型式及主要尺寸的确定常见尾水管的型式及其特点；尾水管轮廓尺寸的确定；尾水管尺寸对水电站厂房尺寸的影响；尾水管尺寸可能变动的情况及对水轮机性能的影响；第五章水轮机调速器主要内容以及要了解和掌握要点：1、水轮机调节的基本概念水轮机调节的主要任务；水轮机调节的对象；目前调速器的附加功能；水轮机调速器应满足的特殊要求；2、调速器的类型及工作原理调速器的基本类型；水轮机调速器的发展趋势；微机调速器的优点；调速器的基本工作原理；调速器的工作稳定性及静、动特性曲线；有差调节和无差调节适用的场合；3、调速器的主要设备及选择调速器的主要设备及其功用；调速器的基本系列；调速设备选择的一般原则；水力机械课程复习思考题绪论部分：1、为什么说水力发电的可调节性比较好?P1电能不能储存，生产与消费必须同时。
第二节 水轮机选型设计
反击式水轮机转轮公称直径系列
25 30 35 (40) 42 50 60 71 (80) 84 100 120 140 160 180 200 225 250
275 300 330
380
410 450 500 550 850 900 950 1000
• 五、反击式水轮机的主要参数选择 • 2、转速n的选择
• 3、选择水轮机的型号： • （3）也可根据教材表8-4或图8-25确定水轮机的类型后， 或当用上述方法有两个型号接近的可选方案时，可用下 述方法选择水轮机的型号（比转速） • 轴流式 • 混流式
2300 ns Hr
2000 ns 20 Hr
• 贯流式：查下面曲线
• 2、装置方式选择 • 在大中型水电站中，其水轮发电机组的尺寸一般较大， 安装高程也较低，因此其装置方式多采用立轴式，即水 轮机轴和发电机轴在同一铅垂线上，并通过法兰盘联接。 这样使发电机的安装位置较高不易受潮，机组的传动效 率较高，而且水电站厂房的面积较小，设备布置较方便。 • 对机组转轮直径小于1m，吸出高度Hs为正值的水轮机， 常采用卧轴装置，以降厂房高度。而且卧式机组的安装、 检修及运行维护也较方便。
• 三、机组台数及单机容量的选择 • （2）运行效率 • 较大单机尺寸的机组，效率比较高。这对于预计经常满 负荷运行的水电厂获得的动能效益特别显著。 • 对变动负荷的水电厂，若采用过少的机组台数，虽单机 效率高，但在部分负荷时，由于负荷不便于在机组间调 节，因而不能避开低效率区。因此电厂的平均效率较低。
• 四、水轮机型号及装置方式的选择 • 1、根据电站装机总容量及机组台数，计算单机容量。
PZ P Z
• 2、选择水轮机的型号： • （1）根据水轮机系列应用范围综合图选择转轮型号 • 选型时可用已知的水电站设计水头和单机容量，在水轮 机系列应用范围综合图上找出适当的水轮机型号和装置 方式。有时可能有两种或三种适用的水轮机型号，这时 就需要根据具体情况，对不同机型方案进行全面的分析 比较，最后选用一种最优的机型。 • 常用于中小型机组的选择。
水轮机的标准与选择
水轮机的标准与选择1. 引言水轮机是一种将水的动能转化为机械能的装置，广泛应用于水力发电、灌溉、水泵等领域。
在选择和设计水轮机时，了解水轮机的标准和选择因素非常重要。
本文将介绍水轮机的标准和选择技巧。
2. 水轮机的标准水轮机的标准是确保其质量和性能的重要依据。
以下是一些常见的水轮机标准：2.1 国际标准国际标准主要由国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）制定。
这些标准涵盖了水轮机的设计、制造、安装和运行等方面。
2.2 国家标准各个国家都有自己的水轮机标准，根据当地的环境和需求来制定。
例如，中国的国家标准有GB/T标准系列。
2.3 行业标准水轮机行业也有一些行业标准，旨在规范行业内企业的生产和运作。
这些标准通常由行业协会或相关机构制定。
3. 水轮机的选择要素在选择水轮机时，需要考虑以下要素：3.1 水轮机类型水轮机有多种类型，包括水轮式、斜流式、混流式和螺旋式等。
不同类型的水轮机适用于不同的工况和流量要求。
3.2 功率需求根据需要的功率大小选择适当的水轮机。
功率需求与流量、水头等参数有关。
3.3 水头条件水头是指水轮机工作时水位差的高度，直接影响水轮机的效率和性能。
选择水轮机时，需要考虑水头条件和允许的变化范围。
3.4 流量要求流量是指单位时间内通过水轮机的水量。
根据流量要求选择合适的水轮机。
3.5 效率要求效率是指水轮机将水的动能转化为机械能的比例。
根据效率要求选择合适的水轮机。
3.6 经济性考虑除了满足技术要求外，还需要考虑水轮机的经济性。
包括水轮机的价格、维护成本、寿命等因素。
4. 水轮机的选择流程以下是选择水轮机的一般流程：4.1 确定需求根据具体需求确定所需的水轮机参数，包括功率、水头、流量等。
4.2 查找候选水轮机根据需求参数，查找符合要求的水轮机型号和制造商。
4.3 进行技术评估与水轮机制造商进行沟通，了解其技术规格，并进行技术评估，包括效率、可靠性、维护等方面。
4.4 经济评估根据水轮机的价格、维护成本以及预期寿命等因素进行经济评估，确保选择的水轮机经济合理。
水力机械第二章12
式中
v w u
v wu
——绝对流速（相对于大地） ——相对速度（水流质点相对于转轮 叶片从流道进口移动到出口） ——牵连（圆周）速度（水流质点随 转轮一起旋转）
绝对速度 v 与牵连速 度 u 之间的夹角a ，称为 绝对速度的方向角；相对 速度 w 与牵连速度 u 之间 的夹角 b ，称为相对速度 的方向角。
三、转速n
水轮机转速是指水轮机转轮每分钟内旋转的次数， 单位为r/min。 水轮机在稳定运行时的转速是固定不变的，称为水 轮机额定转速，并与发电机的同步转速相等。
机组丢弃全部负荷同时调速系统失灵时，导水叶不 能关闭，水流能量使转轮转速增加达到的最大值， 称为飞逸转速nrun，飞逸转速可达额定转速的1.8~ 3.0倍。 机组发生飞逸时，离心力非常大，它对机组的设计、 制造，对机组支撑结构及水电站厂房的振动都有较 大的影响。
以水流流线为母线绕水轮机主轴轴线旋转所形成的 若干回转面，称之为水流流面。 将流线与转轮叶片相割的流面展开，便可得到由 一系列叶片
翼型（即为
流面切割
叶片所得到
的剖面）所 组成的叶栅
剖面图。
混流式 轴流式
为了便于研究反击式水轮机转轮中复杂的水流运 动，做了如下假定：
（1）水流为理想流体； （2）转轮中水流的相对运动为定常运动（稳定流）； （3）叶片数无穷多，且叶片厚度无限薄（叶片翼型剖 面可以简化成无厚的骨线）；
已知条件
Di n
60
（1）u1和u2的大小和方向
u1 u2
方向：圆周切向方向
式中，Di 为同一流面上的转轮叶片进、出口计算点 所在圆直径，m。
（2）vm1和vm2的大小和方向
水轮发电机组中水轮机的选型设计
水轮发电机组中水轮机的选型设计摘要: 在水利水电系统中的建设过程, 怎样合理选择适用的水轮机组的类型对水轮机的性能是否优越十分重要。
因此应本着具体情况具体分析的原则设计相应的实践方案, 以提高其运行的灵活性。
本文着重阐述实践中应如何对水轮机组进行设计。
关键词: 水轮机组；特征；选型设计Abstract: In the water conservancy and hydropower system in the construction process, how to choose suitable hydraulic turbine type on turbine performance is superior is very important. It should be based on concrete analysis of the principles of design and the corresponding practices, in order to improve the operation flexibility. This paper focuses on the practice should be how to design of hydraulic turbine.Key words: turbine selection design; feature;0引言水轮机组的选型设计是水电站水力机械设计的重要组成部分。
发电机由水轮机驱动，它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活。
水轮机组选型设计不仅为以后的电气部分、水工部分设计打下基础，同时也会影响到电站的机电设备投资、厂房投资及发电效益等经济指标。
因此，水轮机组的选型设计必须做到科学、准确、合理、先进，满足技术性能和经济指标的要求。
1水轮机选型设计的任务及内容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。
第二章水轮机工作原理
u1
nD1i
60
500 2
60
52.36 m
s
② 进口轴面速度
v1m
Q F
Q
b0 D1
15 0.2 2
11.9 m
s
③ 转轮的进口角
0 1 140
v1
vm1
sin 1
11.9 s in 14 0
49.2
vu1 vm1ctg1 11.9 ctg140 47.7
⒈ 转轮内水流运动 水流通过水轮机转轮流道时，一方面沿着扭
曲的转轮叶片作相对运动，同时，又随转轮旋 转，作园周运动。因此，转轮内的水流是一种 复杂的三维空间运动。 ⒉ 轴面与流面
由于水轮机是一种绕定轴旋转的机械，所以 常采用圆柱坐标体系来分析转轮中水流运动。
如图所示： ❖ Z轴—表示水轮机轴
线方向（轴向） ❖ r轴—表示垂直于轴
60 u1
方向为圆周切线方向
n ——水轮机转速，单位 r min
D1i ——研究点所在直径，单位m。
⑵ 轴面速度 vm1
v m1
Q F1i
方向与 u1垂直
F1i ——通过研究点的过水断面面积（即与vm1
垂直的过水断面面积），其大小由古鲁金定理得
F1i 1D1gl1
式中： 1 ——转轮叶片排挤系数，常取1
vz
vz
⑴ 进、出口圆周速度不变
u1
u2
nDi
60
方向为圆周切线方向
Di ——研究点所在直径，单位m。
⑵ 进、出口圆周速度均匀分布
Q
vm1
vm2
4
(D12
d
2 n
)
方向与圆周速度垂直
d n ——轮毂直径，单位m。
水轮机及其选择
第二章水轮机及其选择水力机械❑水轮机+发电机：水轮发电机组❑功能：发电❑水泵+电动机：水泵抽水机组。
❑功能：输水❑水泵+水轮机：抽水蓄能机组。
❑功能：抽水蓄能水轮机水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。
2.1 水轮机的类型和构造()()()()()()()()()()()()()()⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧ 双击式 斜击式 切击式水斗式冲击式贯流调桨式贯流定桨式贯流转桨式贯流式 斜流式 轴流调桨式 轴流定桨式 轴流转桨式轴流式 混流式反击式水轮机SJ XJ CJ GT GD GZ GL XL ZT ZD ZZ ZL HL一、反击式水轮机❑定义：利用水流的势能和动能做功的水轮机称为反击式水轮机。
❑特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流是连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都有水流通过，即水流充满转轮室。
反击式水轮机类型❑1.混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。
适用范围：H=30-700 m , 单机容量：几万kW-几十万kW适用于高水头小流量电站。
三峡水电站水轮机转轮❑2. 轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。
轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。
轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度)。
3. 斜流式：水流经过转轮时是斜向的。
转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。
常用于抽水蓄能水电站。
反击式水轮机类型4. 贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。
不设蜗壳，水流直贯转轮。
水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。
适用于低水头、大流量的河床式和潮汐水电站。
二、冲击式水轮机❑定义：利用水流的动能来做功的水轮机为冲击式水轮机。
❑特征：由喷管和转轮组成。
水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。
水轮机选型手册说明
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 、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
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。
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
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。
ZZ440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
水轮机的选型设计
水轮机的选型设计
首先，选型设计需要考虑水资源情况。
包括水流量、水头、流速等因素。
确定的水资源情况可以通过多年的水文资料、水文观测和实地调查等
方式获得。
水资源情况的精确测定对于选型设计的准确性具有重要意义。
其次，选型设计需要考虑工程项目的要求。
包括发电容量、发电效率、机组可靠性、运行稳定性、启闭机构、自动调节装置等方面的要求。
在满
足工程项目要求的基础上，尽量提高水轮机的效率和可靠性，减少发电设
备的故障率和停机时间，提高水轮机的经济性。
然后，选型设计需要考虑水轮机的技术指标。
包括水轮机的额定功率、转速、轮径、转矩、效率等参数。
这些指标与水资源情况和工程项目要求
有密切关系。
在确定水轮机的技术指标时，需要平衡各项指标之间的关系，并综合考虑各个方面因素的影响。
最后，选型设计需要进行经济性考虑。
在满足水资源情况、工程项目
要求和技术指标的基础上，要综合考虑水轮机的造价、运维成本、发电收
益等因素，以达到经济合理的选型。
选型设计不仅要考虑现有的水轮机型号和参数，还要根据工程要求和
技术进步的需要，进行改造和创新。
通过采用新材料、新工艺、新技术等
手段，进一步提高水轮机的效率和可靠性，降低水轮机的运维成本，提高
水轮机的经济性。
总之，水轮机的选型设计是一个复杂而重要的工作。
需要综合考虑水
资源情况、工程项目要求、技术指标和经济性等因素，并进行相应的设计
和改进。
只有经过科学合理的选型设计，才能获得满足工程需求和经济效
益的水轮机。
水电站课程设计之水轮机选型设计
水电站课程设计之水轮机选型设计学校：河北工程大学系别：水利水电工程班级：07水工本（5）班姓名：李啸云学号：070290515指导老师：袁吉栋第一章：基本资料基本设计资料某梯级开发电站，电站的主要任务是发电，并结合水库特性、地区要求可发挥水产养殖等综合效益。
电站建成后投入东北主网，担任系统调峰、调相及少量的事故备用容量，同时兼向周边地区供电。
该电站水库库容小不担任下游防洪任务。
经比较分析，该电站坝型采用混凝土重力坝，厂房型式为河床式。
经水工模型试验，采用消力戽消能型式。
经水能分析，该电站有关动能指标为：水库调节性能日调节保证出力 4万kw装机容量 16万kw多年平均发电量 44350 kwh最大工作水头 39.0 m加权平均水头 37.0 m设计水头 37.0 m最小工作水头 35.0 m平均尾水位 202.0 m设计尾水位 200.5 m发电机效率 98.0%第二章：机组台数与单机容量的选择水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。
根据已确定的装机容量，就可以拟订可能的机组台数方案，选择机组台数与单机容量时应遵守如下原则：1、机组台数与工程建设费用的关系在水电站的装机容量基本已经定下来的情况下，机组台数增多，单机容量减小。
通常大机组单位千瓦耗材少，整体设备费用低；另外，机组台数少，厂房所占的平面尺寸也会减小。
因此，较少的机组台数有利于降低工程建设费用。
2、机组台数与设备制造、运输、安装以及枢纽安装布置的关系单机容量大，可能会在制造、安装和运输方面增加一定的难度。
然而，有些大型或特大型水电站，由于受枢纽平面尺寸的限制，总希望单击容量制造得大些。
3、机组台数与水电站运行效率的关系水轮机在额定出力或者接近额定出力时，运行效率较高。
机组台数不同，水电站平均效率也不同。
机组台数越少，平均效率越低。
但是机组台数多到一定程度，再增加台数对水电站运行效率增加的效果就不显著。
当水电站在电力系统中担任基荷工作时，引用流量较固定，选择机组台数较少，可使水轮机在较长时间内以最大工况运行，使水电站保持较高的平均效率。
水轮机的选型设计2
混流式水轮机选型的有关问题1、混流式水轮机的适用范围在我所1992年编制的水轮机转轮系列型谱中，H=20～400米，共推荐了11个转轮型号。
转轮比转速n s0=84~249m.KW（模型转轮最优点）。
随着研究水平的提高，转轮特性最优区向大单位流量Q1’，高单位转速n1’发展，模型效率提高，而且要求转轮有良好的空蚀性能和压力脉动值缩小，机组稳定性好。
东方电机厂研究出最高使用水头H max=500米的转轮有：D361a-F19 n110=59 Q110=183 ηM=91.08% n s=3.13*59*(0.183*0.9108)0.5=75.4 m.KW D372-F19 n110=61.3 Q110=182.5 ηM=91.28% n s=78.3 m.KWD356-F2×15 n110=59.5 Q110=163 ηM=90.56% n s=71.6 m.KWD381-F19 n110=60 Q110=162.5 ηM=92.65% n s=72.9 m.KWD381-F17 n110=59.8 Q110=152 ηM=93.41% n s=70.5 m.KWD403-F19 n110=60.5 Q110=152 ηM=93.1% n s=71.2 m.KW一般来说，Q110小一些，ηM高一些。
哈电使用H max=400m的转轮有：A351-53 n110=66 Q110=209 ηM=92.9% n s=91 m.KWA179-40 n110=62 Q110=184 ηM=91.3% n s=79.5 m.KWA542-50 n110=61 Q110=181 ηM=92.5% n s=78.1 m.KWA543-50 n110=62.5 Q110=195 ηM=92.7% n s=83.2 m.KW随着我国三峡电站的兴建，大型混流式水轮机水利开发技术得到很大提高。
通过引进技术，二次创新和实际应用，东方的水力开发技术发生了质的飞跃。
第二章水轮机工作原理(白底)
α—绝对水流角（绝对速度与圆周速度方向的夹 角） β—相对水流角（相对速度与圆周速度的反向 的夹角）
v v （轴向分量） v （径向分量） v （圆周分量） z r u vz vu
同理：
特别说明轴流式水轮机，由于水流沿轴向 流进转轮，又沿轴向流出转轮，因此，水流没 有径向分速度，即 r
式中： 1 ——转轮叶片排挤系数， 常取 1 =1 D1g ——进口过流断面母线ae的重心所在圆直径
l1
——进口过流断面母线ae的长度
实际计算时，其大小为：
F1i 1D1g l1 D1b0
则轴面速度为： 则： 则:
vm1
Q Q F1i D1b0
（3）绝对速度
1 0
流质点在轴面流道内运动所形成的流线）。
流面——以轴 面流线为母 线，绕主轴 轴线旋转一 周所得到的 空间曲面。
流面展开图 例如： HL式水轮机的轴面流 线为一条曲线，流面则为 一喇叭形，流面展开后为 一圆锥面（扇形）。 ZL式水轮机的轴面流线 为一条直线，流面则为一 圆柱形，流面展开后为一 圆柱面（方形）。
⑤若用绝对速度、相对速度、圆周速度
表示
v v u u w w Hs 2g 2g 2g
2 1 2 2 2 1 2 2 2 1
2 2
用动量矩定律推导水轮机基本方程式
一、动量矩定律 单位时间内水流质量对水轮机主轴的动量矩 变化等于作用在该质量上的全部外力对同一轴 的力矩总和。 取整个转轮分析，水流质量的动量矩与水流的 速度成正比，由于转轮中
（2）进、出口圆周速度均匀分布 Q vm1 vm 2 2 2 ( D1 d n ) 4 方向与圆周速度垂直
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，拟选假设干个方案进展技术经济的综合比拟，最终确定水轮机的最正确型式与参数。
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。
wertyp9ed\结合水轮机在构造、材质、运行等方面的要求，向制造厂提出制造任务书。
2.水轮机选择的根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展以下几方面比拟，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）水轮机性能及构造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）机组的构造先进、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、聚集和校核。
水轮机及其选择
一水电站主要机电设备一、填空题1.水轮机是将转变为的动力设备。
根据水能转换的特征，可将水轮机分为和两大类。
2.混流式水轮机的转轮直径是指；轴流式水轮机的转轮直径是指3.水轮机的引水室有与两大类。
4. 封闭式进水室中水流不具有自由水面，常见的有：、、三种。
5．水轮机工作过程中的能量损失主要包括、、三部分。
6．根据水轮机汽蚀发生的条件和部位，汽蚀可分为、、、种主要类型。
7．水轮机的吸出高度是指转轮中到的垂直距离。
8．水轮机的总效率包括、、，其关系是。
9．立式水轮机的安装高程是指高程，卧式水轮机的安装高程是指。
10．模型与原型水轮机相似，必须满足、和三个相似条件。
11．水轮机的综合特性曲线有曲线和曲线两种。
12．水轮机选型遵循的原则是：在满足水电站出力要求和与水电站工作参数相适应的条件下，应选用和的水轮机。
13．常用发电机的型式有、和。
14．发电机的布置方式主要有、、和三种。
15．发电机的通风方式与发电机的布置方式密切相关，主要有、、和等四种。
16．常用的发电机机墩形式有、、、、矮机墩、钢机墩等。
17．水轮机的调节是通过水轮机的设备改变的变化完成的。
18．水轮机调速系统的组成一般由、、三部分组成。
19．调速器选择时，中小型调速器以水轮机所需的为依据，大型调速器则是以形成标准系列的。
20．根据测速元件的不同，调速器可分为与两大类。
21．水电站厂房供水系统有，，及四种。
22．水电站厂房供水系统供给、及。
二、判断并改错1．水在某一温度下开始汽化的临界压力称为该温度下的汽化压力。
2．由于水轮机过流流道中低压区的压力达到（或低于）该温度下水的汽化压力引起的周期性的气泡产生、破灭而破坏水轮机过流金属表面的现象称为水轮机的汽蚀现象。
3．水轮机安装高程确定的越高，则水下开挖量越小，水轮机也不容易发生汽蚀。
4．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。
5．同轮系两水轮机动力相似就称此两水轮机为等角工作状态。
水电站教学大纲
《水电站》教学大纲(附: 说明书)河海大学水电系水电站教研室《水电站》教学大纲课程名称：水电站，４个学分预修课程：水力学，结构力学水利水电规划水电站电气设备教授对象：水利水电建筑工程专业本科班水电站教研室编１９９５. ５印一、课程内容第一章水轮机类型及组成部分水轮机主要类型(反击式、冲击式、混流式、轴流式、可逆式等)及其特点。
水轮机工作参数：水头、流量、出力、效率、力矩和转速等。
混流式水轮机主要组成部分：转轮、导水机构、蜗壳、尾水管。
轴流式水轮机主要组成部分：转轮(轮毂、叶片、泄水锥)、导水机构、蜗壳、尾水管。
水斗式水轮机主要组成部分：转轮、喷嘴、折流板。
蜗壳的功用和型式：蜗壳主要参数(包角、进口流速)选择。
蜗壳主要尺寸的确定。
尾水管的功用、类型和主要尺寸的确定。
第二章水轮机工作原理水流在转轮中的运动。
水轮机基本方程。
水轮机能量损失及效率：水力损失及水力效率，机械损失及机械效率，流量损失及流量效率。
水轮机汽蚀的物理过程及类型、翼型汽蚀的特性。
水轮机的汽蚀系数、吸出高度及安装高程。
第三章水轮机的特性及选型水轮机的相似条件：几何相似、运动相似和动力相似。
水轮机的相似定律及相似公式：单位转速、单位流量、比转速。
混流式水轮机主要综合特性曲线：等开度线、等效率线、出力限制线、等汽蚀系数线；轴流式水轮机主要综合特性曲线。
水轮机运转特性曲线、运转特性曲线的绘制、效率修正、飞逸转速。
水轮机台数和型号的确定，用图表选择水轮机主要参数的方法，水轮机选型中方案比较概念。
第四章水轮机调速设备水轮机调节的任务、水轮机调速器的基本原理、调速器的动特性和静特性、调速器的类型。
第五章水电站的典型布置及组成建筑物水电站的典型布置：坝式、河床式、引水式。
水电站的组成建筑物：挡水建筑物、泄水建筑物、水电站进水建筑物、水电站引水建筑物、水电站平水建筑物、发电、受电和配电建筑物、其它建筑物。
第六章水电站的进水建筑物水电站的进水建筑物的功用和要求。
第二章 水轮机及其选择
（3）转速P。 额定转速Pr
（4）功率P与效率η。 水轮机功率：
水轮机的Po输ut 入9功.81率QPHiP：
PiP=9.81QH （kW） 水轮机的效率η：
最优效率： Pout 100 %
Pin
习题
已知某水电站在设计工况下，上游水位63m，下 游水位44.4m 通过水轮机流量为825m3/s，发电机 效率为0.96，水轮机效率为0.86，忽略水力损失， 试求水轮机输出功率和机组效率。
水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流 动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。 在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而 不是全部。不适宜调峰运行。 适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高 接近2000m。
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 1. 混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。 适用范围：H=30-450 m , 最高水头已接近700米，
冲击式水轮机运行中
单喷嘴运行中
水斗: 特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向 冲击转轮上的水斗作功。
目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广 泛的一种机型。
斜击式： 由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮 上的水斗。
双击式：水流两次冲击转轮。 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型 电站。
《水 电 站》
第一篇 水力机械
水轮机+发电机： 水轮发电机组
功能：
发电
水 泵+电动机： 水泵抽水机组
功能：
输水
水 泵+水轮机： 抽水蓄能机组。
功能：
抽水蓄能
水轮机是将水
能转变为旋转机
水
械能，从而带动
水轮机选型——精选推荐
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、d04.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。
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第一篇 水力机械
水轮机+发电机： 水轮发电机组
功能：
发电
水 泵+电动机： 水泵抽水机组
功能：
输水
水 泵+水轮机： 抽水蓄能机组。
功能：
抽水蓄能
水轮机是将水
能转变为旋转机
水
械能，从而带动
轮
发
发电机发出电能
电
机
的一种机械，是
组
水电站动力设备
之一。
2.1 水轮机的类型及其构造
混流式HL
水斗式水轮机转轮
轮叶 轮盘
斜击式水轮机转轮
双击式水轮机转轮
1．水轮机的工作参数 （1）工作水头H 特征水头： 最大水头Hmax 最小水头HmiP 加权平均水头Hw 设计水头Hd(η, h净) 额定水头Hr(Pr，Wr，miP)
（2）流量Q。
设计流量Qd(wr，hd) 额定流量Qr(hr，Pr，wr) 空载流量Q0(hr，Pr，w=0)
水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流 动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。 在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而 不是全部。不适宜调峰运行。 适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高 接近2000m。
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 1. 混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。 适用范围：H=30-450 m , 最高水头已接近700米，
冲击式水轮机运行中
单喷嘴运行中
水斗: 特点是由喷嘴出来的射流沿圆周切线方向 冲击转轮上的水斗作功。
目前，水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广 泛的一种机型。
斜击式： 由喷嘴出来的射流沿圆周斜向冲击转轮 上的水斗。
双击式：水流两次冲击转轮。 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，用于小型 电站。
（3）转速P。 额定转速Pr
（4）功率P与效率η。 水轮机功率：
水轮机的Po输ut 入9功.81率QPHiP：
PiP=9.81QH （kW） 水轮机的效率η：
最优效率： Pout 100 %
Pin
习题
已知某水电站在设计工况下，上游水位63m，下 游水位44.4m 通过水轮机流量为825m3/s，发电机 效率为0.96，水轮机效率为0.86，忽略水力损失， 试求水轮机输出功率和机组效率。
竖井式贯流机组：发电机安装在竖井内。
灯泡式水轮机组
轴伸式贯流机组
竖井贯流式水轮机
(二)、冲击式水轮机(IPpulse water tubiPe)
定义：利用水流的动能来做功的水轮机 特征：由喷管和转轮组成。
水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流 动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。 在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而 不是全部。不适宜调峰运行。 适用：水头高，流量小，多用于400m以上，最高 接近2000m。
反击式水轮机原理
水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向 均发生变化，因此动量也发生了改变，水流产 生反作用力，作用与 每个转轮叶片，使转 轮产生旋转力矩，从 而做功。
(二)、冲击式水轮机(IPpulse water tubiPe)
定义：利用水流的动能来做功的水轮机 特征：由喷管和转轮组成。
轴流式ZL轴轴流流定转桨桨式式ZZDZ
水轮机反击式贯斜流流式式GXLL 贯 轴贯贯 流 流流流 定 调调转 桨 桨桨桨 式 式式式 GGGZT DTZ
水斗式切击式CJ
水轮机型式的代号
水轮机型式
代号
混流式
HL
斜流式
XL
轴流转桨式
蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水管 出口都是轴向的。H<20m，小型河床电站。
贯流式机组分类
全贯流式：发电机转子安装在水轮机转轮外缘， 其密封困难，现在较少使用。
半贯流式：
灯泡贯流式：发电机组安装在密闭的灯泡体内，使用 较广泛，机组结构紧凑，流道形状平直，水力效率高。
轴伸式贯流机组：发电机安装在外面，水轮机轴伸出 到尾水管外面。
平行于主轴。
适用于大流量、低水头。一般水头在50m以下。 轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。高效率区
较小，适用于水Biblioteka 变化不大的小型电站。 轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调 节（导叶开度、叶片角度)。适用于大型水电站。
轴流调浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行单重调 节（叶片角度)。
单机容量：几万kW-几十万kW 特点：适用水头范围广，结构简单，运行稳定，
效率高，适用中高水头电站。 三峡水电站即采用了这种水轮机，单机容量70
万kW。是世界上单机容量最大的机组。
混流式水轮机
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 2. 轴流式： 特点：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终
2．水轮机的型号及公称直径
水轮机型号排列顺序如下：
反击式
水轮机型式 + 转轮型号（比转数）+主轴布置型式 + 水 轮机室特征 + 转轮标称直径（cm） 冲击式
同轴安装的转轮数 + 水轮机型号 + 转轮型号（比转数） + 主轴布置型式 + 转轮标称直径（cm）+ 每个转轮上喷 嘴数 + 设计射流直径（cm）
冲击式 斜击式XJ
双击式SJ
一、主要类型
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 定义：利用水流的压力能和动能做功的水轮机 特征：转轮的叶片为空
间扭曲面，流过转轮的 水流是连续的，而且在 同一时间内，所有转轮 叶片之间的流道都有水 流通过，水流充满转轮 室。
轴流式水轮机
轴流转浆式水轮机转轮
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 3. 斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随
工况变化而转动，高效率区广。
(一)、反击式水轮机 (reactioP water turbiPe) 4. 贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设