水轮机选择经典Word格式文档下载.docx

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（6）、根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。

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：

河流梯级开发案、水库的调节性能、水电站布置案、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

二、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、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

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单，较少的台数，但一般至少应选2台，少数情况下可选1台。

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。

三、水轮机型号确定

依据：

N单，特征水头（Hmax、Hmin、Hav、Hr）

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围，根据电站运行水头的围，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，应进行案比较。

2采用套用机组

根据目前国设计、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，有限套用已经生产国的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。

四、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、吸出高Hs，D1、n应该满足：

在Hr下，发出Nr；

在Hav时，η最高。

吸出高Hs应满足：

防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。

（一）、按综合特性曲线选择

1、D1的确定

（kW） 

（m） 

（4-4）

（1）、Nr（水轮机额定出力） 

Nr=Nf／ηf

Nf—发电机额定出力（机组容量），ηf——发电机的效率，大中型：

ηf=0.95～0.98

（2）、

：

在N=Nr时，取限制工况下的

（查附表1-2），并查出限制工况的ηM。

HL水轮机由5%出力限制线得到，轴流式由汽蚀条件得到，或限制HS反推σz，以防止开挖过多。

σz为水轮机装置的汽蚀系数。

（3）、取H=Hr计算。

若取H=Hmax进行计算，则求出的D1太小，除H=Hmax以外，均不能发出Nr。

若取H=Hmin进行计算，则求出的D1太大，增加设备投资，不经济。

（4）、η：

原型水轮机再现职工况下的效率，在D1未确定时，不能得出确切的η。

一般先取η=ηM+△η 

（△η=2~3%），求得D1后再修正。

2、η的修正计算

求得D1后，再查附表1-2，得出ηMmax，换算得出ηmax。

△ 

η=ηmax-ηMmax-ε1-ε2，ε1=1%~2%（表示工艺水平），ε2=1%~3%（表示异形部件）

最后的出现职工况下的η=ηM+△η，与假定相比，如出入太大，应重新计算。

3、转速的选择

用最优单位转速

，

。

水头H=Ha。

转速n随工况而变，要选育发电机转速相近的标准同步转速，见表4-7。

4、工作围的验算

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围，检验是否包括了高效率区，以验证D1、n的合理性。

法：

根据Nr、D1、Hr求出Q’1max，由Hmax、Hmin、D1、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，此围即为水轮机的相似工作围。

5、HS的计算

计算公式：

水轮机案确定后，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。

（二）、用系列应用围图选参数

这种法根据特征水头、单机容量查水轮机应用围图选择参数，比较简单，但精度不够，多用于小型水电站的初步设计

（三）、套用机组法

根据特征水头、单机容量等选用已建成的相似电站的机组，我用较多。

五、水斗式水轮机的参数选择

水斗式水轮机的参数选择是在已知机组装置型式、转轮个数ZP、喷嘴个数Z0条件下，初步确定：

射流直径d0、喷嘴直径dn、转轮直径D1、转速n、水斗数目Z1。

1转轮直径D1

已知：

Q'

1——单转轮、单喷嘴在限制工况下的单位流量，查表4-5，P71。

η取ηM，为限制工况的效率，查模型特性曲线。

2射流直径d0

取m=D1/d0，一般使m保持在10~20之间。

3喷嘴直径dn

4转速n

求出后，选定标准同步转速。

为最优单位转速。

5水斗数目Z1

4.3水轮机的工作特性曲线和运转特性曲线

一、特性曲线概述

1、研究目的：

进一步分析比较原型水轮机各案之间的能量特性，计算水轮机能量指标，以评定所选择的水轮机各主要参数的正确性，指导水轮机的安全运行。

2、定义：

反映原型水轮机在各种工况下参数之间的关系曲线—水轮机特性曲线。

（正常运行时，转速n不变，当H、N变化时，η、σ随之变化）

3、工作特性曲线：

H一定，η=f（N）

4、运转特性曲线：

综合反映H、N、η、Hs等参数之间的关系曲线。

5、绘制法：

根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。

二、水轮机的工作特性曲线（η=f（N）,H一定）

1、H一定时，

2、在模型综合特性曲线上，作

，交点一组（ηM，Q1）

则原型：

η=ηM+△η，

3、作曲线η～N曲线

4、分析：

1）、η=0，N≠0，说明空载时，水轮机消耗△Nx，维持在额定转速下空转。

2）、c点：

ηmax；

d点：

Nmax；

e点：

5%Nmax，出力限制。

由图4-7可知

ZD：

曲线陡，高效率区围窄。

偏离最优工况后，效率急剧下降；

ZZ：

高效率区围宽，η变化平稳，适用承担负荷变化大而频繁；

HL：

变化较大，η较ZZ窄。

三、水轮机运转特性曲线的绘制

组成：

N为横座标，H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、运行限制围。

（一）、HL水轮机运转特性曲线

1、等效率线η=f（H,N）

（1）、在Hmax,Hmin之间，取4～6个H，包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，绘制每个水头下η=f（N）

（2）、作η=η1水平线，与η=f（N）相交（H，N），绘制η=f（H,N）（上下对应），或列表进行，表4-10。

2、出力限制线的绘制

水轮机在运行中，N受发电机的额定出力和5%出力限制线的限制Nr=Nf/ηf，Nr为一定值，在H～N坐标场中表现为一垂直线。

（1）、Hr是N=Nr时的最小水头，当H≥Hr时，水轮机限制在N=Nr；

A（Nr，Hr）

（2）、当H<

Hr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、B，即为H<

Hr时的出力限制线。

3、等吸出高度线的绘制

（1）、根据等效率线计算表4-10中的Q1和N，作不同水头下N=f（Q1）的辅助曲线

（2）、在相应的模型综合特性曲线上，作各水头下n1M常数的水平线，它与汽蚀系数线相交于多点，记下各点（σ，Q1），列入表4-11，由△σ～Hr曲线查得△σ

（3）、由Q1可在N=f（Q1）辅助曲线上查得相应的N值，并记入表4-11

（4）、由公式

计算出不同σ时的Hs，列表4-11

（5）、在Hs=f（N）上，作Hs=C线，交点（H,N），在H～N绘出即可。

等吸出高度线给出了水轮机在其工作围，各运行工况下的最大允吸出高度，以便进行案比较，确定水轮机的安装高程。

（二）、ZZ水轮机运转特性曲线的绘制

由于转角可以调节，因此其运转特性曲线也不同。

1、等效率线

2、出力限制线

四、水轮机的总特性曲线

在水电站运行中，根据电力系统中负荷的需要，可能使一台、多台或全部机组投入运行，为使平均效率最高，研究在不同出力各机组之间最优负荷分配问题，解决机组投入最佳次序和最优工作台数问题。

相同容量、相同型式（相同特性水轮机）：

运行水轮机之间等负荷分配最优。

据此绘制总工作特性曲线和总运转特性曲线。

图4-19，其作用：

1、提供负荷分配

2、求多年平均发电量

4.4蜗壳的型式及其主要尺寸的确定

一、蜗壳的功用及型式

（一）、功用：

蜗壳是水轮机的进水部件，把水流以较小的水头损失，均匀对称地引向导水机构，进入转轮。

设置在尾水管末端。

（二）、型式

1、混凝土蜗壳：

H≦40m。

节约钢材，钢筋混凝土浇筑，“T”形断面。

当H>

40m时，可用钢板衬砌防渗。

适用于低水头大流量的水轮机。

2、金属蜗壳：

40m时采用金属蜗壳。

其断面为圆形，适用于中高水头的水轮机。

（1）钢板焊接：

H=40~200m，钢板拼装焊接。

（2）铸钢蜗壳：

H>

200m时，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。

混凝土蜗壳 

金属蜗壳

二、蜗壳的主要参数

1、断面型式与断面参数

（1）金属蜗壳：

圆形。

结构参数：

座环外径、径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘半径

（2）混凝土蜗壳：

“T”形。

有四种型式：

（i）n=0：

平顶蜗壳，b/a=1.5~1.7，γ=10°

~15°

使用较多。

特点：

接力器布置便，减小下部块体混凝土，但水流条件不太好。

（ii）m=0：

上伸式：

b/a=1.5~1.7，δ=30°

，厂房开挖量小，采用较少。

（iii）m>

n，

1.85,δ=20°

~30°

，γ=10°

~20°

（iv）m≤n，

，δ=20°

，γ=20°

~35°

m=n时，称为对称型式。

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。

2、蜗壳包角

蜗壳末端（鼻端）到蜗壳进口断面之间的中心角φ0：

φ0=340°

~350°

，常取345°

φ0大，过流条件好，但平面尺寸增大，厂房尺寸加大。

金属蜗壳的流量小，尺寸小，一般取较大包角；

从构造上讲，最后100°

，断面为椭圆，但仍按圆形计算。

（2）、混凝土蜗壳：

Q大，为减小平面尺寸，φ0=°

~270°

，一般取180°

，有时φ0=°

，使水轮机布置在机组段中间。

（一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）

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。

Vc↑→Fc↓→hw↑；

Vc↓→Fc↑→hw↓；

一般由Hr—VC曲线确定VC。

三、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。

圆流速的变化规律，有两种基本假定：

（1）速度矩Vur=Const

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）圆流速Vu=Const：

即假定Vu=VC=Const

四、蜗壳的水力计算

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。

等断面型式下进行：

按Vu=VC=Const假定计算（也可按Vur=Const）

1、金属蜗壳水力计算

（1）蜗壳进口断面：

断面半径：

从轴心线到蜗壳外缘半径：

（2）中间断面（

）

由此可以绘出蜗壳平面图单线图。

其步骤为：

（a）确定φ0和VC；

（b）求Fc、ρmax、Rmax；

（c）由φI确定Fi、ρi、Ri。

2混凝土蜗壳的水力计算（半解析法）

（1）按

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（Φ）直线。

（6）根据φi确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。

4.5尾水管的型式及其主要尺寸的确定

尾水管的作用是排水、回收能量。

其型式、尺寸影响、厂房基础开挖、下部块体混凝土尺寸。

尾水管尺寸越大，η越高，工程量及投资增大。

型式：

直锥形、弯锥形、弯肘形（大中型电站）

一、 

直锥形尾水管（小型电站）

1、进口直径：

D3=D1+（0.5~1.0）cm

2、 

出口流速：

V5=（0.235~0.7）H1/2 

L/D3=3~4θ=12°

~14°

3、尾水渠尺寸：

，

， 

尾水管淹没深度：

4、材料：

钢板，结构简单，

，适用于小型水轮机。

二、弯锥形

适用于：

卧轴混流式水轮机，布置便，见图4-34，其水头损失大，

三、弯肘型尾水管

大中型水轮机所采用的尾水管，为了减小开挖深度，均采用弯肘型尾水管。

由直锥段、肘管、出口扩散段组成。

1、 

进口直锥段：

进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为直锥管进口直径，θ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），

轴流式：

与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，θ=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。

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=（0.6~1.0）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

3、出口扩散段：

矩形扩散管，出口宽度B5=肘管出口宽度B6

顶板α=10°

~13°

，L2=L-L1=（2～3）D1 

底板水平，B5很大时，加隔墩

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肘管高度确定，不易变动。

H取决于h3。

h3大→hw小→ηw大→开挖加大，工程投资大；

L：

机组中心到尾水管出口，L大→F出大→V出小→ηw大→hf大→厂房尺寸加大，一般L=（3.5～4.5）D1。

5、推荐尾水管尺寸：

表-17、4-18

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。

（1）减小开挖，h不动，扩散段底板向上倾斜6°

~12°

（2）大型反击式水轮机，为减小厂房长度，尾水管不对称布置

（3）地下电站：

为使岩稳定，尾水管采用窄深断面

（4）加长h3、L2