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.KW
D356-F2×15 n110=59.5 Q110=163 ηM=90.56% n s=71.6 m.KW
D381-F19 n110=60 Q110=162.5 ηM=92.65% n s=72.9 m.KW
D381-F17 n110=59.8 Q110=152 ηM=93.41% n s=70.5 m.KW
D403-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.KW
A179-40 n110=62 Q110=184 ηM=91.3% n s=79.5 m.KW
A542-50 n110=61 Q110=181 ηM=92.5% n s=78.1 m.KW
A543-50 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。

巨型混流式机组的水力开发达到了世界先进水平。

东电开发用于三峡右岸机组的转轮D399、瀑布沟水电站D416A、锦屏一级电站D438C.
三峡D399转轮参数：700MW、ηmax=94.59%、ηw=92.56% 模型额定ηM=89.02% σmc=0.109 σmi=0.146 尾水管最大压力脉动8% 无叶区最大压力脉动4% 瀑布沟水电站D416A转轮参数（模型）：550MW、ηmax=94.82%、ηw=93.01%、ηr=91.23% 临界空化系数σc=0.07 σi=0.094 尾水管最大压力脉动7.2% 无叶
区最大压力脉动4.3%
锦屏一级电站D438C：600MW、ηmax=94.82%、ηw=93.43% 、ηr=92.72%、临界空化系数σc=0.048 σi=0.072 尾水管最大压力脉动5% 无叶区最大压力脉动4.5% 东电在混流式水轮机40～500米水头应用范围内，开发出模型转轮最高效率在93.5～
95.3%处于国际先进水平；在市场潜力巨大的50～250米水头段，绝大部分转轮模型
最高效率在94.5%以上。

空化性能及水力稳定性均优于国外提供的转轮。

哈电A772CηMmax=94.6% A797ηMma x=94.01%
120~150米水头段水轮机性能较优的模型转轮参数：
1、A673（150m）n110=72.5 Q110=730l/s ηM=93.49%
2、A696（150m）n110=72.5 Q110=753l/s ηM=93.79%
3、D118（150m）n110=69 Q110=805l/s ηM=92.5%
4、A630（150m）n110=72 Q110=770l/s ηM=94.7%
5、D316A（150m）n110=66.4 Q110=728l/s ηM=94.61%
6、D113（137m）n110=71 Q110=745l/s ηM=92.6%
7、A384（125m）n110=77.7 Q110=820l/s ηM=93.1%
8、A464（125m）n110=73 Q110=894l/s ηM=92.5%
9、A722C（120m）n110=77 Q110=715l/s ηM=94.5%
10、VGS（120m）n110=72.1 Q110=769l/s ηM=95.26%
混流式水轮发电机组最高使用水头已达到600米，混流式水泵水轮机最高达到700米。

2、机组选型：
水轮机的选型是根据电站的水文、水能等基础资料，结合工程总体布置和水轮机的水力特性、结构、材料及制造工艺等问题，按照技术先进、经济合理的原则，选择和确定水轮机的技术参数。

水轮机选型设计的主要工作有：确定单机容量及机组台数；确定机型与装置型式；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、轴向水推力及飞逸转速等参数；
绘制运转特性曲线等。

在水电站水轮机选型设计中，对各种初选方案进行综合的技术经济比较，最终确定最优方案。

水轮机运转综合特性曲线主要包括：等效率曲线、5%出力限制线分为两段，一段是在Hr~Hmax间水轮机出力受发电机的额定功率的限制，P=Pr的垂直线。

在H min～H r间由模型机组的出力限制线换算而得。

为了方便，只需要分别计算出H min和H r下的最大允许出力Pmin和Pr，把直线连接连点即可。

2.1 水轮机参数的选择：
●比转速ns和比速系数K的选择：比转速ns和比速系数K是水轮机的主要特征参数之一。

是衡量
水轮机能量特性、经济性和先进性的综合性能指标，同时亦反映了水轮机的设计创造水平。

提高水轮机的比转速ns可以减小机组和厂房尺寸、降低工程投资，同时在可能的条件下，倾向于选择较高的比转速ns和比速系数K。

比速系数K，目前除大古力Ⅱ水电站达到2548外，绝大多数电站的比速系数不超过2300。

*统计了国内外大型混流式机组电站作出的统计回归线：ns=2357/Hr0.538
*考虑了水轮机ns的基础上作出的ns=f(Hr)的关系曲线：ns=47406/(Hr+108.5),该统计公式用于当前水轮机的选型设计有较强的实用性。

比速系数K=ns*Hr0.5
●n11、Q11和η的选择：同一ns值，可有不同的n11、Q11和η组合来实现，提高n11、Q11都可
以达到提高η的目的。

水轮机的综合性能（如效率、空化系数、压力脉动值）的优劣，在很大程度上与模型转轮的单位转速和单位流量的匹配好坏关系极大，只有最优匹配时才能获得最优的水轮机综合性能。

1）最优单位转速n110可从适合电站水头段水轮机性能较优的模型转轮，可以获得n110的范围，结合同期转速的要求，可在该范围内选取。

2）为了得到较高的比转速，对混流式水轮机，单位转速和效率提高是有限的。

提高单位流量Q11除可以减小水轮机尺寸，降低设备造价外，还可以减小厂房尺寸，减少工程投资。

因此
提高Q11比提高n110更有利。

但较大的Q11可能会导致较大的空化和运行稳定性问题。

因
此Q11要综合考虑，以满足用户（标书）要求。

为了改善水轮机部分负荷时运行的稳定性和提高水轮机的加权平均效率，应适当提高Q11/n110的比值，有国外引进的二滩和三峡的水轮机，该比值在1.2～1.3之间。

按统计公式计算n11r，n110：
哈大电机n11r=[146.7*104/(482.6-ns)]0.5
苏联n11r=158.1/Hr0.165Q11=226674/Hr1.148
东方电机厂n110=50+0.1ns Q11=113.4[ns/(50+0.1ns)]2
3)水轮机效率的选择
根据电站提供的Hr、Qr、Pr的要求，一般初选用n110与5%的出力限制线的交点的Q11或偏小一点Q11作为额定设计点。

如果能达到额定出力Pr，效率ηT也能达到用户要求就可以进行下一步更详细的计算。

如变动n11及转轮直径等，选取相应的同步转速及修正后的转轮直径D1。

因为这样选出的水轮机直径D1是最小的，同步转速高，发电机尺寸也减小。

性价比是比较好的。

如果标书规定ηT和ηw，上述选点达不到要求，这就需要选用Q1’小一点的设计点，甚至Q11取到与Q110相同。

如果大Q11的σm值也增大，稳定性或压力脉动超标，也应减小Q11的值。

但是如果Q1r’取在最优区Q10’时，在部分负载时及加权η都会下降。

大型机组选用Q11/Q110=1.2~1.3，特性曲线就可以看出，此时的Q11基本上是5%或接近5%出力限制线点。

高效率区应包括在水轮机整个运行区域内，并趋于高水头段。

据已建成的电站实践经验，过高效率的转轮在偏离最优工况时，其水力稳定性往往较差。

4）空蚀性能
水轮机空蚀性能通常用空化系数σ来衡量。

空化系数σ的大小，关系到水轮机的安装高程（电站的开发深度）和水轮机的使用寿命。

空蚀性能与ns有关，一般来说，随着ns的提高，σ也增大。

国内转轮120～150水头段，转轮模型空化系数σm值为0.08～0.11之间，模型空化系数σm 统计公式：σm=0.035（ns/100）1.5
装置空化系数：σy =8*10-6ns1.8+0.01 σm/σy一般取1.3～1.4（K值）
大机组K值取得大些。

如梨园电站N=612.2MW ，模型临界空化系数σm=0.09～0.11装置空化系数σy=0.14～0.17
0.14/0.09=1.555（K值）0.17/0.11=1.545（K值）
5）安装高程
模型参数选定后，σm、K确定后，按Hs≤10-△/900-Kσm Hr （-1m）计算出允许的吸出高度。

根据电站的要求，按1台机、2台机或全部装机同时发电时，尾水高程△与流量的关系曲线得出尾水高程△多少作为基准面，就可以确定机组的安装高程。

6）水力稳定性（压力脉动值）
水力稳定性已和能量、空蚀被作为水轮机三大性能指标统一加以考虑。

尾水管压力脉动值的大小，直接影响机组的安全稳定运行。

水轮机水力稳定性指标，目前尚没有统一的指标可循，通常采用尾水管内压力脉动的双振幅值△H与运行水头H的比值A=△H/H来衡量，对高水头水轮机一般选用较小的压力脉动相对值，低水头水轮机选用较大的压力脉动相对值。

在主要工况【80%～100%】Pr，A，整个运行范围：Amax≤8%
7）水轮机的特征水头
水轮机选型时，要考虑几个特征水头的问题：
水头变幅：（Hmax-Hmin）/H0 最大水头与最小水头的比值：Hmax/ Hmin
最大水头与设计水头的比值：Hmax/ H0 最小水头与设计水头的比值：Hmin/ H0
最大水头与额定水头的比值：Hmax/ Hr
对这些特征水头处理不当，往往会造成机组不能安全稳定运行。

7.1 水头变幅：（Hmax-Hmin）/H0
一般工程设计要求混流式水轮机的水头变幅不超过30～40%>（Hmax-Hmin）/H0
7.2最大水头与最小水头的比值：Hmax/ Hmin
设计部门往往用最大水头与最小水头的比值来衡量水轮机水头变化的大小，Hmax/ Hmin>1.6
的水电站可视为水头变化偏大。

7.3 水头变幅大的混流式水轮机，为保证高水头区的稳定运行，一般的都偏高选择H0
推荐：Hmax/ H0=1.07～1.11 Hmin/ H0≥0.65
7.4最大水头与额定水头的比值：Hmax/ Hr
为保证高水头工况的水力稳定性，额定水头Hr可按Hmax/ Hr≤1.15选择，有些电站
Hmax/ Hr≥1.35致使高水头工况下导水叶的开度偏小，水力稳定性差，负荷调节范围小。

3. 小型水轮机使用大中型转轮型谱应注意的问题：
1）小容量混流式水轮机：不能按额定水头Hr相应的比转速ns的模型转轮特性曲线来选型，也就是说不能运用与该额定水头相同水头段转轮模型曲线来选型。

如果按与额定水头相同水头段的转轮模型曲线选型，会出现真机转轮直径偏小，转轮的额定转速很高，配不到合适的同步转速。

就算能勉强选到一个同步转速，但因转轮直径太小，与主轴把合联接的强度应力也通不过。

所以小型混流式水轮机选型选用高参数Q1’、n1’的模型转轮是行不通的。

此时可以选用斜击式、水斗式的模型曲线进行选型。

如果用户（标书）坚持要选用混流式水轮机，这时只好用比电站额定水头高得多的水头段的低比转速ns的模型转轮曲线来选型。

例：Hr=124m Qr=0.619m3/s Pr=630Kw 选用卧式混流式水轮机
ns=47406/(Hr+108.5)=203.9m.KW
比速系数K=ns*Hr0.5=203.9*1240.5=2270.5
选用HL220/A153 H=90~125 ns=220 m.KW
选型：Q1’=0.95，Q=Q1’ Hr0.5D120.619=0.95*1240.5 D12D1=0.242
nr=n1’ 1240.5/0.242=70* 1240.5/0.242=3221r/min
选用Q1’=0.5 0.619=0.5*1240.5 D12D1=0.333
nr=n1’ 1240.5/0.333=2340r/min
选的真机直径太小，额定转速太高，此方案不成立。

另选用于H=500米水头段的D381B
ns=3.13*n1’*(Q1’*η)0.5=3.13*60*(0.15*0.934)0.5=70.29 m.KW
经验公式：ns=47406/（Hr+108.5）=47406/608.5=77.9 m.KW
选型：Q1’=0.1309，Q=Q1’ Hr0.5D120.619=0.1309*1240.5 D12D1=0.651 取0.65 D1=0.65 Q1’=0.1316 n1’=58.37 nr=58.37*1240.5/0.65=1000r/min ηm=93.41% 该选型方案是合理的，完全满足了用户的要求。

水轮机型号HL381B-WJ-65
小型混流式机组一般均为卧式，而模型试验是根据大型混流式水轮机试验的，为立式，而且小型机组结构简化，如导叶数目减少等，流道为卧式，与试验流道有很大的差异，这些问题都会对η、Q、稳定性产生影响的，下面再论述效率修正、立式流道如何变化卧式流道，而使Q、η达到影响不大等问题。

2）异形部件效率修正
大、中型混流式水轮机水力模型参数，如导叶数目、布置园直径、流道尺寸、尾水管型线等，与小型混流式机组，尤其是卧式混流式机组有很大的差别。

大中性混流式导叶数目一般为Z0=24、32个，小型机组Z0=12、16个，导叶个数减少后，要关闭导水机构，导叶的长度要增大，导叶布置园相应要加大。

导叶数目较少后，转轮的水力效率要下降。

因此，效率除了不增加由于尺寸效应引起的η增加外，还要考虑流道、导叶等的不同引起的效率下降。

根据一些厂家的经验=-3～4%，真机基本能达到额定出力。

小型机组，特别是转轮叶片的制造，有很多小厂家质量还是达不到水轮机产品质量分等的要求，要考虑真机达到额定出力，可能工艺修正Δη2为负值。

3）大中型混流式机组模型试验均为立式装置，要采用卧式流道，需重新设计。

主要有：导叶数目减少，导叶布置园加大，相应座环、涡壳的尺寸随之变化；尾水管的变化更为显著，卧式机组转轮出口的直锥管、90度拐弯的弯管以及出口段的直锥管的形状、尺寸要根据原立式流道的转轮出口锥管、肘管和水平段的扩散管的形状尺寸流速等来全新设计，使其水力效率接近或等于原立式试验的η值。

要达到这目的可以按以下各点进行改型设计：
3.1）混流出口的直锥管段
混流式不同ns的转轮下环锥角是不同的，转轮出口的直锥管的锥角与转轮下环锥角一致，不要改变。

锥角变化会引起水力效率下降。

因此，可以把立式的转轮出口的锥管段不要任何改变，作为卧式机组水平布置的直锥管段。

3.2）立式机组的肘管变成卧式机组的90度拐弯的弯管
首先计算一下，肘管入口的面积及肘管出口段的面积。

卧式机组的弯管进口和出口与肘管的面积基本一致或稍大。

以前为了工艺方面，弯管采用等断面，其水力效率较低，天传所？设计变断面的弯管，并在HL300-WJ-25机组上进行了尾水管效率比较试验。

试验表明变断面弯管具有同4号系列肘管一样的效率，而且过流量却比4号系列肘管的大。

变断面弯管尺寸如图示。

3.3）卧式机组连接弯管的出口直锥管尺寸可以这样决定：
根据立式机组水平扩散段的长度L及出口断面积，作为卧式出口锥管的长度，并根据扩散段的出口面积计算出锥管出口直径的大小。

然后，根据出口锥管进口直径（即变断面弯管的出口直径）和出口直径，锥管高度，计算出锥管的扩散角度。

最后查一下L/D2=f(θ°)曲线，θ°是否是最佳锥角（恢复系数最大）。

如果不是最佳锥角，出口直径D2及锥角长度L，可以做适当修改即可。

这样进行卧式尾水管的设计，可以获得最优的水力效率。