1、黑龙江大学水利电力学院第四章第四章 水轮机选择水轮机选择4.1 4.1 水轮机的标准系列水轮机的标准系列4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择4.3 4.3 水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定黑龙江大学水利电力学院第四章第四章 水轮机选择水轮机选择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，目标是使水电站充分利用水能
2、，安全可靠运行。黑龙江大学水利电力学院4.1 4.1 水轮机的标准系列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表4-1表4-5。黑龙江大学水利电力学院4.1 4.1 水轮机的标准系列水轮机的标准系列253035(40)42506071(80)8410012014016018020022525027530033038041045050055060065070075080085090095
3、01000说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。二、水轮机转轮标称直径系列二、水轮机转轮标称直径系列(cm)(cm)黑龙江大学水利电力学院4.1 4.1 水轮机的标准系列水轮机的标准系列三、水轮发电机标准同步转速磁极对数345789101214同步转速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁极对数161820222426283032同步转速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁极对数3436384042444850同步转速n88.283.3797571.468.262.5
4、60黑龙江大学水利电力学院4.1 4.1 水轮机的标准系列水轮机的标准系列四、水轮机系列应用范围图黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择一、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、Hs、Za；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。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择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
5、件，作为进一步设计的依据。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择二、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。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择三、所需要的有关资料 1.水轮机产品技术资料：系列型谱、
6、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。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择四、机组台数及单机容量的选择 已知总装机容量(=Z0N单)，N单不同，D1、n、Hs、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
7、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黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择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。黑龙
8、江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择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。中大型电站一般选46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2715MW，三峡26700共装机18200MW。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择五、水轮机型号及主要参数的确定依据：N单，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr)1、根据水轮机系列型
9、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。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择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。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择
10、水轮机的选择ZZ440系列水轮机应用范围黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择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。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择六、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
11、、吸出高Hs。D1、n应该满足：在Hr下，发出Nr；在Hav时，最高。吸出高Hs应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择七、按综合特性曲线选择水轮机1、D1的确定（1）Nr(水轮机额定出力)Nr=Nf /f （2）用 H=Hr计算。（3）：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定时，一般先取=M+(=23%)，求得D1后再修正。rrrHHDQN21181.92/31181.9rrHQND黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择(4)Q1在N=Nr时，取限制工况下的Q1，并查出限制工况的M混流水轮机由5%出力限制
12、线得到，轴流式由汽蚀条件得到，或限制HS反推z，以防止开挖过多。z为水轮机装置的汽蚀系数。HHsz90010黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择2、的修正计算 查综合特性曲线得出Mmax，换算得出max。=max-Mmax-1-2 1=1%2%(表示工艺水平)，2=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)如=M+，与假定出入太大，应重新计算。黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择3、转速的选择 n1用最优单位转速n10，n10=n10M+n1,水头H=Ha。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。
13、11011DHnnDHnna黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择4、工作范围的验算 求出水轮机的参数D1、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D1、n的合理性。方法：根据Nr、D1、Hr求出Q1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n1min和n1max，在综合特性曲线上以Q1max、n1min和n1max作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围 黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择黑龙江大学水利电力学院4.2 4.2 水轮机的选择水轮机的选择5、HS的计算 计算公式：水轮机方案确定后，根据水
14、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。rsHkH90010黑龙江大学水利电力学院4.3 4.3 水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线研究目的：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。综合反映原型水轮机H、N、Hs等参数之间的关系曲线组成：N为横座标，H为纵座标，绘有=f(H,N)Hs=f(H,N),出力限制线。反映能量特性、空蚀特性、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。黑龙江大学水利电力学院4.3 4.3 水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线水轮机运转特
15、性曲线黑龙江大学水利电力学院4.3 4.3 水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线一、HL水轮机运转特性曲线1.等效率线=f(H,N)（1）在Hmax,Hmin之间，取46个特征H，其中要包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，绘制每个水头下的=f(N)（2）效率修正；（3）单位转速和单位流量的修正；（4）运转特性曲线的计算；黑龙江大学水利电力学院4.3 4.3 水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线等效率曲线计算表5%出力限制线HmaxHrHHminH3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2
16、=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1MQ1NMQ1NMQ1NMQ1N黑龙江大学水利电力学院4.3 4.3 水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线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Hmax、Hmin和Hr(或Hav)。对每一个水头，计算出对应的n1。在轮系综合特性曲线上绘制n1的水平线，并查出其与等效率线交点的坐标(M,Q1)；计算出原型水轮机的效率；按照公式N=9.81Q1D12H3/2计算水轮机的出力；(5)辅助曲线的绘制：以效率为纵坐标，出力N为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制
17、一条工作特性曲线。见图1。黑龙江大学水利电力学院4.3 4.3 水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线图图1 1图图2 2黑龙江大学水利电力学院4.3 4.3 水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线(6)运转综合特性曲线的绘制以水头为纵坐标，出力为横坐标，绘出坐标系。见图2。在图2上绘出几个特征水头的水平线。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。将上面结点的坐标绘在图2上。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。黑龙江大学水利电力学院4.3 4.3 水轮机的工作特性曲线和运转
18、特性曲线水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线2.出力限制线的绘制 Hr是N=Nr时的最小水头，当HHr时，水轮机限制在N=Nr内；A（Nr，Hr）当HHr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(Hmin,Nmin)，连接A和B，即为HHr时，水轮机出力受发电机额定出力的限制，为垂直线。当H40m时，可用钢板衬砌防渗(H 最大达80m)黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定2.金属蜗壳当H40m时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。钢板焊接：H=40200m，钢板拼装焊接。铸钢蜗壳：H200m时，
19、钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定二、蜗壳的主要参数1.断面型式与断面参数 金属蜗壳：圆形结构参数：座环外径、内径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘半径。黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定混凝土蜗壳：“T”形。(1)m=n时：称为对称型式(2)mn：下伸式(3)mn：上伸式(4)n=0：平顶蜗壳中间断面：蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定
20、蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳中间断面金属蜗壳金属蜗壳 混凝土蜗壳混凝土蜗壳黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定2.蜗壳包角蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角0(1)金属蜗壳：0=340350,常取345(2)混凝土蜗壳：0=180270,一般取180，一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定3、蜗壳进口平均流速：进口断面流量 Qmax水轮机的最大引用流量。VcFchw；VcFchw；一般由HrVC曲线确定VC 0max3
21、60QQcrccHV黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定金属蜗壳流速系数金属蜗壳流速系数混凝土蜗壳进口断面流速系数混凝土蜗壳进口断面流速系数黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定三、蜗壳的水力计算1.水力计算的目的: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。已知：2.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)，之后进入导叶,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，Vr=常数。cbarVDDbQH,00max0maxb
22、DQVar黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定：(1)速度矩Vur=C 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，Vu会随r的增加而减小。(2)圆周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定3.蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C)（1）金属蜗壳水力计算黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定(i)蜗壳进口断面：断面半径：从轴心线到蜗壳外缘半径：ccc
23、cVQVQF00max360CcVQF00maxmax360maxmax2arR黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定(ii)中间断面()由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：(i)确定0 和VC；(ii)求Fc、max、Rmax；(iii)由i确定Fi、i、Ri。max0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2i黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定(2)混凝土蜗壳的水力计算(半解析法)黑龙江大学水利电力学院4.4 4.4 蜗壳的型式及
24、其主要尺寸的确定蜗壳的型式及其主要尺寸的确定(1)按进口流速求进口断面积；(2)根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其(3)选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线)，以虚线表示并画出1、2、3.等中间断面。(4)测算出各断面的面积，绘出：F=f(R)关系曲线。(5)按 绘出F=f()直线。(6)根据i确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。ciuiiVQVQF0max360cFF黑龙江大学水利电力学院4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定一、尾水管型式一、尾水管型式 直锥形用于小型水轮机 弯锥形用于卧轴水轮机 弯肘形（大中型电站）黑龙江大
25、学水利电力学院4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定直锥形直锥形常见尾水管的形式黑龙江大学水利电力学院4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定弯锥形弯锥形弯肘形弯肘形常见尾水管的形式黑龙江大学水利电力学院4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定 减小厂房开挖深度，水力性能好，大中型号水轮机均采用弯肘型尾水管。组成：直锥段、肘管、出口扩散段。轴流式水轮机 混流式水轮机黑龙江大学水利电力学院4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定1.进口直锥段：进口直锥
26、段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为直锥管进口直径，为锥管单边扩散角。混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径)，=7 9 轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，=8 10。h3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。黑龙江大学水利电力学院4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定2.肘管：90变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。F进/F出=1.3曲率半径R小离心力大压力、流速分布不均匀hw大。R=(0.61.0)D4为减小转弯处的脱流及涡流损失，肘管出口收缩断面(hc)：高/宽=0.25。黑龙江大学水利电力学院4
27、.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定3、出口扩散段：矩形扩散管，出口宽度B5，B5很大时，加隔墩d5=(0.10.15)B5顶板=1013，底板水平。黑龙江大学水利电力学院4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定4.尾水管的高度与水平长度尾水管的总高度和总长度是影响尾水管性能的重要因素。H=h1+h2+h3+h4 h1，h2由转轮结构确定;h4为肘管高度，不易变动。H取决于h3(直锥段长度)。h3大开挖加大，工程投资增大；L：机组中心到尾水管出口，L大F出大V出小w大hf大厂房尺寸加大，一般L=(3.54.5)D1。5.
28、推荐尾水管尺寸：表4-15。黑龙江大学水利电力学院4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的确定尾水管的型式及其主要尺寸的确定6.尾水管局部尺寸的变更厂房设计中，由于地形、地质条件，布置厂房的原因，在不影响尾水管能量指标的前提下，对选出的尾水管尺寸可作局部变更。减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜612大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布置地下电站：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面加长h3、L(目前国内最长取到L=108D1)，但需要论证转轮出口的真空度和机组的抬机可能性。黑龙江大学水利电力学院作业：1.某水电站最大水头Hmax=42.7m，加权平均水头Ha=39.6m，设计水头Hp=37.9m，最小水头Hmin=35.2m，发电机单机容量Ne=12500kW，发电机效率F=0.96，选择水轮机。=20m 黑龙江大学水利电力学院作业：2某电站安装的是轴流式水轮机，转轮直径为2.5m，设计水头60m，设计流量35m3/s，座环高度1.0m，外径4.0m，内径3.7m，试确定蜗壳尺寸。若水头为11.5m，其它参数不变，试确定蜗壳尺寸。绘制单线图。
