第三章水轮机的特性及选型

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）装置方式。 (3)、确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、 Za（安装高程）、 Z0（台数）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。
四、轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线
第六节 水轮机的运转特性曲线

一、水轮机运转特性曲线（由模型综
合特性曲线换算而来的） 组成：N（出力）为横座标，H（水 头）为纵座标，绘有η=f (H 、 N)、 Hs=f (H 、 N)、出力限制线。反映能 量特性、汽蚀特性、运行限制范围。 （课本图3-11)

M
D1

ZZ：
max
1 (1 M max )[0.3 0.7(
D1M 1 / 5 H M 1 / 10 ) ( ) ] D1 H
2、 一般工况 M (1) HL： 式中：△η为最高效率点效率修正值。

max M max

第四节 水轮机的模型试验
一、模型试验的目的及任务 1、目的 ： 保证水轮机在工作范围内高效率、稳定 运行，研究水轮机在各种工况下的能量特 性、气蚀特性等 必须依靠水轮机模型试 验(因水流在转轮中的运动相当复杂，理 论分析困难，只有在最优工况下，作些假 定后才能进行)

反击式水轮机能量试验台
n1 M n1 n1 Q1
Q10 Q10 M Q1
max ) M n10 M( n n10 n Q10 1 10 M (1 M max
第三节、水轮机的比转速



1、定义：同一轮系水轮机H=1m，N=1KW时， 所具有的转速(单位转速与单位出力公式消去D1 得） n N 2、 公式： (m.kW) ns 5 / 4 3、 意义： H (1) 表示水轮机特征的一个综合参数(与D1无关)， 能将水轮机的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。 (2) 工况相似时，为常数，即随工况变化。 (3) 一般按设计（或最优）工况确定该水轮机轮 系的特征参数。

水轮机牌号中的转轮型号 —— 比转速

不同的轮系，有不同的比转速。目前，各种类型的水轮 机比转速的大致范围为： 贯流式：ns=600-1100
轴流式：ns=400-900
斜流式：ns=200-450 混流式：ns=60-350 水斗式：ns=10-70
不同比转速的转轮形状

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。大中 型电站为了主结线对称，大多选偶数台数，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:三峡装机 26×70=1820万千瓦。

二、机组台数及单机容量的选择
已知总装机容量(Z0台数×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
4讨论： (１)、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。 (２)、当H，Ｎ一定时：ｎｓ↑→n↑。机组尺寸缩 小，投资减少，因此提高比转速可以降低造价。 (３)、比转速增加，单位流量增加（式3-28）， b0/D1增大，叶片数目减少。 （课本3-2图） (４)、当水头和出力一定时，ｎｓ越高（ｎｓ ↑ →n↑Q↑→V2↑ （课本3-3图，汽蚀系数越大（式 3-31） ，增加厂房开挖。
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。 机组的安装维护工作量增加，总的来 说，在大多数情况下，水电站的投资 随机组台数增多而增大。
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。 (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。

二、水轮机的相似定律
相似定律：建立模型及原型水轮机各个参 数(H、n、N、η)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。（课本3-7）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n M D1M H M SM


nD1 H S
C
ηs (η )（水力效率）
H

2． 流量相似律：几何相似、相似工况下 流量之间的关系。（课本3-9）

三、水轮机型号及装置方式的选择
（一）型号选择 依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、 Hr ) 1 根据水轮机系列型谱选择 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。

4、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。

(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 (5)、国内外已运行同类型水轮机及水电 站资料。

2、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，反映全面，应用广。 ，n1 ) 坐标场， 模型综合特性曲线：以为 (Q1 绘制了η、a0、б等等值线。

二、混流式水轮机的模型综合特性曲线
2、 运动相似： 同一轮系水轮机、工况相似 (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成比 例，即速度三角形相似。

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。 对于水轮机介质为水，所以模型试验主要 保证重力、水流运动惯性力和压力相似， 对于粗糙度、粘滞力等次要因素先不计其 影响，在转换成原型成果时在依据经验修 正。

1 1
1 2 1
1
2 1
3/ 2
第二节 水轮机的效率换算与单位参数修正
一、 水轮机效率换算 上面的单位参数公式是在假定相似工况 下 M ，实际上 M (2%～7%)，因此 要把η 转换为η。 1、 最优工况下的效率修正 D HL： max 1 (1 M max )( 1M )1 / 5

NM D ( H M SM ) jM
2 1M 3/ 2

N D ( H S ) j
2 1 3/ 2
C

ηJ（ ηm机械效率）
三、单位参数
在进行水轮机模型试验时，由于各制
造厂家条件及装置不同（也不要求相 同），所以得到的模型参数也各不相 同，不便于同轮系不同模型试验成果 的比较；更难以进行在不同轮系之间 进行性能比较。
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 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。
水轮机设计、制造、选型、最佳运行方案、限 制条件。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。 试验研究：原型：尺寸大，试验困难，不经济。 模型：(D1: 250～460mm，H：2～ 6m)快、方便，易测量数据，较准确。 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。
(2) ZZ
M
max M max
二、单位参数的修正
也要加以修正 η不同， Q1 、 n1 1 最优工况时： max max n10 M n10 Q10 M Q10 M max M max

Q1 M Q1 2 其他工况时：
1、
等开度线 2、 等效率线 3、 5%出力限制线 4、 等气蚀系数线 例课本图3-12 HL240模型综合曲线
三、轴流式水轮机的模型综合特性曲线
1、
等开度线 2、 等效率线 3、 等叶片转角线 4、 等气蚀系数线 例课本图3-16ZZ440模型综合曲线
QM rM D12M H M SM
Q r D
2 1
H S
C
H M , D1M , H , D1 均为固定值，QM可以测得，
若η 、ηsM、ηr（ ηv容积效率）、ηs （ ηH 水力效率）已知，可求出Q。
rM
3. 出力相似律：即几何相似、相似工况下 原型和模型水轮机出力之间的关系。 （课本3-10）

一、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(较难) 几何相似: 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。
2、任务：水轮机模型试验是按一定比例 将原形水轮机缩小为模型水轮机，并采用 较低的模型水头HM和较小的QM 进行试验， 测出各工况下的工作参数，然后通过相似 公式换算和修正得出该轮系的综合参数。 能量试验:测定模型水轮机在各种工况下 的运行效率η ，通过测量n 、N 、Q 、H 四个基本参数，绘制水轮机综合特性曲线 和运转特性曲线。
第七节 水轮机的选型设计
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

M
M
M
M
M
能量试验数据记录计算表
第五节 水轮机模型综合特性曲线
一、水轮机参数及特性曲线 1、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 (3)、综合参数：轴功率N、η、б
单位参数：将模型试验结果化成为D1M=1m， HM=1m标准情况下的参数。 ，n1 ，N 1 ) 表示。 分别用 (Q1 nD n 1 单位转速： H (r/min) Q Q 2 单位流量： D H (m3/s) N N 3 单位出力： (KW) D H 同一轮系水轮机在不同工况，单位参数不 同)。(最优工况值：n´10、 Q´10 、 N´10)