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1、浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 电电 站站2009年年2月月第四章第四章 水轮机选型水轮机选型 水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影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、响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益。经济效益。根据根据H、N的范围选择水轮机的范围选择水轮机是水电站主要是水电站主要设计任务之一，目标是使水电站设计任务之一，目标是使水电站充分利用水能，充分利用水能，安全可靠运行。安全可靠运行。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水轮机的标准系列水轮机的标准系列一、水轮机
2、的系列型谱一、水轮机的系列型谱v我国在我国在1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱，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。水头段的性能优异的转轮。v型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号。型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号。v轴流式、混流式、轴流式、混流式、ZD760型、水斗式水轮机系列型、水斗式水轮机系列型谱参数见表型谱参数见表4-1表表4-5。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水轮机选择水轮机选择一、水轮机选型设计的内容一、水轮机选型设计的内
3、容1.确定机组台数及单机容量确定机组台数及单机容量2.选择水轮机型式（型号）及装置方式选择水轮机型式（型号）及装置方式3.确定水轮机参数确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d04.绘制水轮机运转特性曲线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。的重量和价格。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 已知总装机容量已知总装机容量(=Z0N单单)，N单单不同，不同，D1、n、Hs、均不同。均不同。1、机组台数与机电设备制造的关系、机组台数与机电设备制造的关系 N总总一定，一定，Z0多多N
4、单单尺寸（尺寸（D1）小）小制造运输容易制造运输容易造价高造价高(单位千瓦耗材多、制造量大单位千瓦耗材多、制造量大)。所以一般选用较大的所以一般选用较大的N单单。2、机组台数与电站投资的关系、机组台数与电站投资的关系 Z0多多单位千瓦投资单位千瓦投资阀门、调速、管道、辐设、阀门、调速、管道、辐设、电气等增加电气等增加厂房尺寸增加。厂房尺寸增加。N单单D1尾水管高度低尾水管高度低开挖少开挖少投资少投资少浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Z0平均效率平均效率(1)担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台数，使水轮机
5、可以在较长时间内以最优较少的台数，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。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。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，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。可以选用较少的机组。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 依据：依据：N
6、单单，特征水头，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)1、根据水轮机系列型谱选择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。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。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。这种方法有时难以获得最优设计效果。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 对特别重要的工程或特别大型的水电站，为对特别重要的工
7、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，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。进行专门设计，但所需时间和费用高。3、查系列范围图法、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，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。一般选用较大的直径。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 根据目前国内设计、施工和运行的电站
8、资料，在根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、特征水头相近、N单单适当，经济技术指标相近时，优先适当，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。早供货、提前发电。5、直接查产品样本、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。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、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。各参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。浙江
9、水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数：要参数：转轮直径转轮直径D1，转速，转速n、吸出高、吸出高Hs。D1、n应该满足：在应该满足：在Hr下，发出下，发出Nr；在；在Hav时，时，最高。最高。吸出高吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。度合理。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ /f(2)用用 H=Hr计算。计算。(3)：原型水轮机在限制工况下的效率，在：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定时未确定时 一般先取一
10、般先取=M+(=23%)，求得，求得D1后再修正。后再修正。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 在在N=Nr时，取限制工况下的时，取限制工况下的Q1，并查出限制工况，并查出限制工况的的M 混流水轮机由混流水轮机由5%出力限制线得到，出力限制线得到，轴流轴流式由汽蚀式由汽蚀条件得到，或限制条件得到，或限制HS反推反推z，以防止开挖过多。，以防止开挖过多。z为水轮机装置的汽蚀系数。为水轮机装置的汽蚀系数。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 查查综合特性曲线综合特性曲线得出得出Mmax，换算得出，换算得出max。=max-Mmax-1-2
11、1=1%2%(表示工艺水平表示工艺水平)，2=1%3%(表示异表示异形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾水管不一样水管不一样)如如=M+，与假定出入太大，应重新计算。，与假定出入太大，应重新计算。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ n1用最优单位转速用最优单位转速n10，n10=n10M+n1,水头水头H=Ha。转速转速n随工况而变，要选发电机转速相近而偏大随工况而变，要选发电机转速相近而偏大的标准同步转速。的标准同步转速。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 求出水轮机的参数求出水轮机的
12、参数D1、n后，在模型综合特性曲后，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，以验证了高效率区，以验证D1、n的合理性。的合理性。方法方法：根据：根据Nr、D1、Hr求出求出Q1max，由，由Hmax、Hmin、D1、n求出：求出：n1min和和n1max，在综合特性曲，在综合特性曲线上以线上以Q1max、n1min和和n1max作直线，此范围即作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围为水轮机的相似工作范围 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 计算公式：计算公式：水轮机方案确定后，根据水轮机运行条
13、件、水水轮机方案确定后，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。电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线的绘制v研究目的研究目的：进一步分析比较原型水轮机各方案之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。间的能量特性，指导水轮机的安全运行。v综合反映原型水轮机综合反映原型水轮机H、N、Hs等参数之间的等参数之间的关系曲线关系曲线v组成：组成：N为横座标，为横座标，H为纵座标，绘有为纵座标，绘有=f(H,N)Hs=f(H,N),出力限制线。反
14、映能量特性、空蚀特出力限制线。反映能量特性、空蚀特性、运行限制范围。性、运行限制范围。v绘制方法：绘制方法：根据模型综合特性曲线，通过相似定根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。律换算而来。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Hr是是N=Nr时的最小水头，当时的最小水头，当HHr时，水轮机限时，水轮机限制在制在N=Nr内；内；A（Nr，Hr）当当HHr时，水轮机则受到时，水轮机则受到5%出力限制线的限制，对出力限制线的限制，对限制线上各点分别计算，得限制线上各点分别计算，得出出B(Hmin,Nmin)，连接，连接A和和B，即为，即为HHr时，水轮机出力受时，
15、水轮机出力受发电机额定出力的限制，为垂直线。当发电机额定出力的限制，为垂直线。当H40m时，可用钢时，可用钢板衬砌防渗板衬砌防渗(H 最大达最大达80m)浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1.断面型式与断面参数断面型式与断面参数 金属蜗壳金属蜗壳：圆形结构：圆形结构参数参数：座环外径、内：座环外径、内径、导叶高度、蜗壳径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘断面半径、蜗壳外缘半径。半径。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 混凝土蜗壳混凝土蜗壳浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v蜗壳末端蜗壳末端(鼻端鼻端)
16、到蜗壳进口断面之间的中心角到蜗壳进口断面之间的中心角0(1)金属蜗壳：金属蜗壳：0=340350,常取常取345(2)混凝土蜗壳：混凝土蜗壳：0=180270,一般取一般取180，一大部，一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Qmax水轮机的最大引用流量。水轮机的最大引用流量。VcFchw；VcFchw；一般由一般由HrVC曲线确定曲线确定VC 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动水流进入蜗壳后，形成一种旋转
17、运动(环流环流)，之后，之后进入导叶进入导叶,水流速度分解为水流速度分解为Vr、Vu。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=常常数。数。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘 性及摩擦力，性及摩擦力，Vu会随会随r的增加而减小。的增加而减小。(2)圆周流速圆周流速Vu=C：即假定：即假定Vu=VC=C浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1）金属蜗壳水力计算）金属蜗壳水力计算浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课
18、程水电站水电站http:/ 和和VC；(ii)求求Fc、max、Rmax；(iii)由由i确定确定Fi、i、Ri。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 绘出绘出F=f()直线。直线。(6)根据根据i确定确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。及断面尺寸，绘出平面单线图。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 尾水管的型式及其主要尺寸尾水管的型式及其主要尺寸一、尾水管型式 直锥形直锥形用于小型水轮机用于小型水轮机 弯锥形弯锥形用于卧轴水轮机用于卧轴水轮机 弯肘形弯肘形（大中型电站）（大中型电站）浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站
19、水电站http:/ 混流式水轮机浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 9v轴流式：与转轮室里衬相连接，轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，=8 10。vh3直锥段高度，其长度增加将会导致开挖量直锥段高度，其长度增加将会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。增加。一般在直锥段加钢板衬。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ h1，h2由转轮结构确定由转轮结构确定;h4为肘管为肘管高度，不易变动。高度，不易变动。H取决于取决于h3(直锥段长度直锥段长度)。h3大大开挖加大，工程开挖加大，工程投资增大；投资增大；vL：机组中心到尾水
20、管出口，：机组中心到尾水管出口，L大大F出出大大V出出小小w大大hf大大厂房尺寸加大，一般厂房尺寸加大，一般L=(3.54.5)D1。5.推荐尾水管尺寸：表推荐尾水管尺寸：表4-15。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 业业1.水轮机模型试验的目的任务及类型？能量试验水轮机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？的任务测量参数是什么？2.水轮机的参数和特性曲线有哪些？模型综合特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？机的特性曲线有什么区别？3.水
21、轮机选择的内容是什么？选择方法有几种？水轮机选择的内容是什么？选择方法有几种？4.水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线的用途、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？组成及其绘制方法？浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ kW，水头范围，水头范围为为Hmax=35.87m，Hmin=24.72m，设计水头，设计水头Hr=28.5m，平均水头，平均水头 Ha=30.0m。电站所在位置。电站所在位置的海拔高程为的海拔高程为24.0m。1、计算水轮机的参数、计算水轮机的参数(D1，n，Hs)2、绘制水轮机的运转特性曲线、绘制水轮机的运转特性曲线浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/