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。

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η2/321181.9r r H D Q N '=，所以：η2/31181.9r rH 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。

[]HH 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-ε2ε1=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：11D Hn 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-∇-=90010 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<H r时，水轮机则受到5%出力限制线的限制，对限制线上各点分别计算，得出B(H min, N min)，连接A和B，即为H<Hr时的出力限制线。

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。