水轮机的选型计算

1、目 录一、水轮机选型计算的依据及其基本要求1 1 水轮机选型时需由水电勘测设计院提供下列原始数据1 2 水轮机选型计算应满足下述基本要求1二、反击式水轮机基本参数的选择计算1 1 根据最大水头及水头变化范围初步选定水轮机的型号1 2 按已选定的水轮机型号的主要综合特性曲线来计算转轮参数1 3 效率修正4 4 检查所选水轮机工作范围的合理性4 5 飞逸转速计算5 6 轴向推力计算5三、水斗式水轮机基本参数的选择计算10 1 水轮机流量10 2 射流直径d010 3 确定D1/d010 4 水轮机转速n10 5 功率与效率11 6 飞逸转速12 7 水轮机的水平中心线至尾水位距离A12 8 喷嘴数

2、Z0的确定129 水斗数目Z1的确定1210 水斗和喷嘴的尺寸与射流直径的关系1311 引水管、导水肘管及其曲率半径1312 转轮室的尺寸14A 水机流量17B 射流直径17C 水斗宽度的选择17D D/B的选择17E 水轮机转速的选择17F 单位流量的计算17G 水轮机效率18H 飞逸转速18I 转轮重量的计算18四、调速器的选择201 反击式水轮机的调速功计算公式20算机转112 冲击式水轮机的调速功计算公式20五、阀门型号、大小的选择211 球阀的选择212 蝴蝶阀的选择22水轮机的选型计算一、水轮机选型计算的依据及其基本要求1 水轮机选型时需由水电勘测设计院提供下列原始数据：1） 装机

3、容量、装机台数、单机额定出力Nr、最大出力Nmax和负荷性质；2） 水电站的设计水头Hr，最大水头Hmax，最小水头Hmin，加权平均水头Hcp；3） 水电站上下游水位与流量关系曲线，水头、流量过程线或保证率曲线，引水管损失等；4） 水电站的泥沙资料（含沙量、泥沙类别、特性等），水质资料（水温、化学成分、PH值、硬度、含气量等）；5） 水电站厂房形式，引水方式和引水管长度、直径；机组安装高程及允许吸出高度Hs；6） 制造厂与水电站间的运输条件、水电站的安装条件（允许最大挖深值等）。2 水轮机选型计算应满足下述基本要求：1） 具有优良的能量指标，所选择的水轮机应能经常运转于高效率区；2） 具有良

4、好的汽蚀性能及工作稳定性，机组的压力脉动要小，调节灵活，安全可靠；3） 尽可能选择较小尺寸的水轮机，如尽量选择比转速较高的水轮机转轮，选择单位转速n11值稍高于最优单位转速n110值，单位流量Q11近于最大单位流量Q11max值；4） 结构要先进合理，易损零部件能拆卸互换，做到因地制宜；5） 满员运输、安装、检修的要求。二、反击式水轮机基本参数的选择计算1 根据最大水头及水头变化范围初步选定水轮机的类型和转轮型号。目前，一般在水头H=330m范围内选用贯流式水轮机，H=360m范围内选用轴流式水轮机（一般Hmax/Hmin2，D2.0m时用转桨式），H=20600m范围内选用混流式水轮机，H=

5、3001000m范围内选用冲击式水轮机，在相同水头段内可使用不同的机型时，需对它们进行性能、技术经济的初步比较后再选定。对于只给出设计水头的中小型反击式水轮机，其工作水头范围可参考图2-1-1。2 按已选定的水轮机型号的主要综合特性曲线来计算转轮标称直径D1、额定转速n、最大吸出高度Hs。1） 关于流量的选择、计算：对混流式和轴流转桨式水轮机，一般取综合特性曲线上最优单位转速的（105%110%）与5%出力限制线的95%98%交点处所对应的单位流量Q11值，对轴流定桨式水轮机按相应105%110%最优单位转速的最优效率点取单位流量；受挖深限制时根据最大允许Hs选取单位流量Q11，其所取单位流量

6、应大于最优单位流量。对轴流转桨式水轮机，选取原则为：a) 按允许的吸出高度Hs来选取；b) 从平均效率、电能产量、装机台数进行经济分析确定Q11。对径流式电站应考虑在最大水头和最小水头时均能得到电站保证出力；c) 从经济性和运行的稳定性着眼，选用的Q11一般不宜超出型谱表中推荐的范围。流 量Q：由 （2-2-1） 其中：NP水轮机额定功率 水的重度（9.81KN/m3） 水水轮机效率单位流量Q11： （2-2-2）转轮标称直径D1的计算：标称直径D1： （2-2-3） 其中：ND机组额定功率（发电机额定功率）（千瓦）； 水水轮机效率（0.880.93）； D发电机效率（0.900.97）； H

7、r额定水头（米）。额定转速n的计算：利用单位转速n11j和水头推算水轮机额定转速：额定转速ne： （2-2-4） 其中：n11j原型水轮机计算单位转速，其值在综合特性曲线上选定。为使水轮机能在大部分运转时间内处于高效率区工作，一般希望对应于平均水头的单位转速接近于最优单位转速，故计算单位转速n11j值为：对于轴流转桨式水轮机可选取大于其最优单位转速n110值的1.051.15%；对于混流式水轮机可选取大于其最优单位转速n110值的1.021.1%；其中上限适用于较高比转速混流式水轮机。 根据计算所得转速ne，取略大的相近的发电机同步转速为水轮机的额定转速n。发电机同步转速可按下式计算： （2-

8、2-5） 其中：f周波，我国为50Hz； P发电机磁极对数。允许吸出高度的计算： （2-2-6） 其中：水轮机位于高出海平面的标高；k汽蚀安全系数； c临界汽蚀系数；Y装置汽蚀系数（Y= k*c）式中汽蚀安全系数k值的选用可考虑如下情况确定：水中含沙、含汽量大时，或需延长检修周期时k可适当取大些；转轮叶片和下环，或转轮室由不锈钢制造时，取k1.11.2；汽蚀局部部位采取抗汽蚀措施时，可取k=1.21.4；转轮由碳钢制造时，一般取k=1.41.8；对多机组电站k值可取小些；转轮接近其使用水头最大值时k宜取较大值；地下厂房时，可适当取大值。式中汽蚀系数值的选取：一般从模型综合特性曲线上查取，如果没

9、有则1：可从图（2-2-1）中查取，对图（2-2-1）亦可用经验公式（2-2-7）给出： 图（2-2-1）满负荷时汽蚀系数与比转速的关系 （2-2-7）2：根据70年代前半期统计的国外水电站水轮机装置汽蚀系数平均值，由下式求出： 对混流式水轮机： （2-2-8）对轴流式水轮机： （2-2-9）3 效率修正初设时大致修正如下（含尺寸效应）：真机转轮标称直径在60以下时，修正 -1.5% -2.5%6070cm时，修正 -0.5% -1% 70100cm时，修正 1.01.5%，0.51.0%（直径小取大值） 100cm以上时，修正 -0.5% -1% （卧式） 100cm130cm时，修正 0%

10、 0.5% （立式） 130cm以上时，修正 1% （立式） 具体应用公式计算 对混流式水轮机效率的修正值一般按最优工况点计算，其它各工况点一律按此等值修正；而对轴流式水轮机效率的修正值按最优工况点计算，对应各转角的其它各工况点取等值修正。 关于具体的效率问题详见附录一。4 检查所选水轮机工作范围的合理性由于所选择的水轮机转轮直径D1和转速n都是标准值，经常与计算结果稍有不同。另外，最初计算转轮直径时所取用的效率也是近似给定的，故必须在综合特性曲线上对所选定水轮机的工作范围是否处于最优效率区进行检查。首先，按最大水头Hmax计算出最小单位转速n11min,，按最小水头Hmin计算出最大单位转速

11、n11max。其次还应计算出保证最大功率时，对应最大水头、最小水头的单位流量值。以上计算出的数值在原型综合特性曲线图上可以绘出一个四边形。若此四边形包括了综合特性曲线图上的最优效率区，则可认为水轮机基本参数选择合理。若四边形中心偏移最优效率区中心较多，则应重新选择转轮直径，或者水轮机转速，或者两者都重新选择计算。对高水头轴流转桨式水轮机有时希望选用导叶开度允许条件下较小的单位流量Q11值，以此方法来降低汽蚀系数和保证允许吸出高度HS。5 飞逸转速计算在设计工作中计算原型水轮机飞逸转速时，应该考虑其最大工作水头Hmax和最大可能导叶开口1.05a0max（即由底环上定位块或导叶套筒处所定的开口）

12、工况点的飞逸转速n11f，因此按所选定水轮机型号的模型水轮机飞逸特性曲线图，利用式（2-5-1）计算出原型水轮机的飞逸转速nf 。飞逸转速： （2-5-1） 工程上经常以在同一水头下飞逸转速与额定转速之比来表征水轮机的飞逸程度，并称之为飞逸系数kf：飞逸系数kf： （2-5-2） 各种水轮机的飞逸系数大致如下： 对混流式或冲击式水轮机kf=1.71.9； 对保持协联关系的转桨式水轮机kf=2.02.2； 对协联关系破坏的转桨式水轮机kf=2.42.8。6 轴向推力计算立轴水轮机的轴向推力包括：水流对转轮的轴向水推力POC；水轮机转动部分重量GZ。估算轴向水推力采用下式： 轴向水推力POC： （

13、吨） （2-6-1）式中：K与转轮型号及排水方式有关的水推力系数，可通过试验方法获得。一些混流式水轮机采用转轮上冠排水，泄水孔面积不小于转轮止漏环密封间隙56倍的结构,其K值可由表(2-6-1)中查取。 表2-6-1转轮型号HL310HL240HL230HL220HL200HL180HL160HL120HL110HL820HL100K0.370.450.340.410.180.220.280.340.220.280.220.280.200.260.100.130.100.130.260.050.11水质含泥沙，密封间隙有磨损，或转轮直径较小，需格外放大止漏环间隙比/D1的结构，取较大的K值。对

14、于轴流定桨或转桨式水轮机系数K值取决于转轮叶片数及叶片角度。在估算中可按表（2-6-2）选取。表2-6-2叶片数45678K0.850.870.900.930.95 或按下式计算： （2-6-2） 在飞逸工况下 （2-6-3） 2000年以前常用转轮的水推力系数见表2-6-3，2-6-4，2-6-5。表2-6-3 混流式水轮机水推力系数123456转轮型号A351-53A179-40A542-50A543-50A34-40A38-40水推力系数0.08-0.110.08-0.110.08-0.110.08-0.110.08-0.110.08-0.11789101112转轮型号A45-40(10

15、0)A520-40A546-40A548-40A550-40A41-38(120)水推力系数0.08-0.110.09-0.130.09-0.130.09-0.130.09-0.130.11-0.13131415161718转轮型号A332-35A340-35A337-35A334-35A342-35A338-35水推力系数0.1-0.130.1-0.130.1-0.130.1-0.130.1-0.130.1-0.13192021222324转轮型号A339-50A32-38(110)A42-38A378-35A379-35A381-35水推力系数0.1-0.130.1-0.130.12-0.

16、150.2-0.260.2-0.260.2-0.26252627282930转轮型号A438-35A194-35A195-35A678-37A319-35A215-35水推力系数0.2-0.260.2-0.260.2-0.260.2-0.260.2-0.260.2-0.26313233343536转轮型号A73-25A153-46A331-35A353-35A356-35A444-35水推力系数0.2-0.260.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.34373839404142转轮型号A445-35A446-35A497-35A553-35A398

17、-35A630-36水推力系数0.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.34434445464748转轮型号A576-35A577-35A579-35A598-35A605-35A606-35水推力系数0.3-0.360.3-0.360.3-0.360.3-0.360.3-0.360.3-0.36495051525354转轮型号A521-35A522-35A523-35A384-30.5A464-30.5A466-30.5水推力系数0.3-0.360.3-0.360.3-0.36(0.286)0.32-0.40.32-0.45556

18、57585960转轮型号A12-25A28-25A232-35A430a-35A611-35A278-35水推力系数0.22-0.280.22-0.280.22-0.280.28-0.320.28-0.320.32-0.4616263646566转轮型号A285-35A329-46A289-46A292-46A309-46A126-25水推力系数0.32-0.40.32-0.40.32-0.40.32-0.40.32-0.40.32-0.4676869707172转轮型号A248-35A346-35A110-46A112-35A208-35A209-35水推力系数0.34-0.410.34-0

19、.410.34-0.410.34-0.410.34-0.410.34-0.41737475767778转轮型号A244-35A286-35A296-35A295-35A551-35.2A702-35水推力系数0.34-0.410.34-0.410.34-0.410.34-0.410.45-0.460.32-0.4798081828384转轮型号A703-35A723-35A500-34A501-34A525-34A253水推力系数0.32-0.40.32-0.40.45-0.480.45-0.480.45-0.480.3858687888990转轮型号HL240HL260/A244HL260/

20、D74HL240/D41HL220/A153HL180/A194水推力系数0.34-0.410.34-0.410.360.330.28-0.340.2-0.26919293949596转轮型号HL180/D06AHL160/D46HL110HL120HL90/D54水推力系数0.260.240.080.1-0.130.1979899100101102转轮型号A575C820D87水推力系数0.2-0.260.26103104105106107108转轮型号水推力系数表2-6-4 浑水混流式水轮机水推力系数123456转轮型号A227-46A253-46A502-35A503-35A537-35

21、A560-35水推力系数0.28-0.320.28-0.320.28-0.320.28-0.320.28-0.320.28-0.32789101112转轮型号A561-35A562-35A368-46A511-35A627-35A628-35水推力系数0.28-0.320.28-0.320.28-0.320.28-0.320.32-0.40.32-0.4131415转轮型号A658-35A662-35A663-35水推力系数0.32-0.40.32-0.40.32-0.4表2-6-5 轴流式水轮机水推力系数123456转轮型号A324-43A30a-46A30-46A146-46A190-46

22、ZZ440-46水推力系数0.850.850.850.870.870.9789101112转轮型号A79-35A213-35A315-35A76-35水推力系数0.90.950.90.9131415161718转轮型号水推力系数轴流式水轮机在甩负荷过渡过程中，当转速上升到最大值时，轴向水推力为零。导叶继续关闭，水轮机进入制动（水泵）工况，轴向力改变方向，成了轴向反水推力POC。对立轴轴流式水轮机，当POC大于机组转动部分重量GZ时，将使转动部分上抬。水轮机转动部分的重量GZ包括转轮重量GN和主轴重量GL，转轮重量GN见式（2-6-2）、（2-6-3）和图（2-6-1）、（2-6-2）。轴的重量

23、根据机组布置型式具体计算，近似估算时，对高水头混流式水轮机可取GLGN；对中水头混流式水轮机可取GL=（0.40.5）GN（较小水头或大机组取较小值）；对一根主轴布置的机组，混流式中取GL=（0.70.8）GN，转桨式中取GL=（0.40.6）GN（高水头转桨式轮毂比大，取大值）。混流式转轮的重量估算：（吨） （2-6-2）若转轮是分瓣结构，则按上式计算结果应增加10%重量。混流式转轮的重量曲线见图（2-6-1）。转桨式转轮的重量估算：（吨） （2-6-3） 其中：d转轮轮毂比； Hmax最高水头（米）； D1转轮标称直径（米）。 转桨式转轮的重量曲线见图（2-6-2）。水轮机总的轴向推力轴向

24、推力P： （吨） （2-6-4）三、水斗式水轮机基本参数的选择计算水斗式水轮机从结构上可以分为横轴和立轴二种形式，横轴又可做成单轮单喷嘴，单轮双喷嘴，双轮双喷嘴等等。中、大型水斗式水轮机一般为立轴布置双喷嘴、四喷嘴，乃至五、六喷嘴。对于国内水斗式水轮机的选择（以A237为例）可参考如下：1 水轮机流量： (米3/秒) （3-1-1）式中Np水轮机额定功率，ND机组额定功率；D发电机效率0.970.98；水轮机效率0.860.87。2 射流直径d0 (米) （3-2-1）3 确定D1/d0根据水头大小，从图（3-3-1）选取一个喷嘴合适的比转速ns，然后根据比转速ns与比值D1/d0存在的关系，

25、可从图（3-3-2）选取D1/d0值。4 水轮机转速n (转/分) （3-4-1）式中由图综合特性曲线选取，初步计算时可取=40.541.5。计算结果，采用相近的同期转速，同时对节圆直径作相应的修正。如存在两个相近的同期转速可供选择时，则应进行经济比较确定。5 功率与效率如真机与模型的D1/d0相等，则根 据综合特性曲线按相似关系换算。真机与模型的D1/d0如不相等，由于水斗损失、风损和进水角度不同而效率有所差异，但在保证Ku系数不变的情况下，在一定比转速范围内，效率变化是不大的，因此近似按原综合特性曲线计算效率。换算关系可按射水直径或喷针行程进行，先根据综合特性曲线作出QI*=*M和SnM之

26、间的关系曲线QI*=f(SM)；不同水头对应的nI下的=(SM)曲线如图（3-5-1）。然后按真机和模型间的行程关系S= SMdn/dnm 在类似图（3-5-1）上求得QI*和M，这样即可求得流量： （3-5-1）式中d0M 模型射流直径（=35毫米）；喷针角45，喷嘴角6256（见图3-5-2） d0 真机射流直径； SM 模型喷针行程； S 真机喷针行程； QI*1米水头下的流量。水轮机的功率： （3-5-2）式中 真机保证效率，取=M（模型效率）（修正效率）。单位流量： （3-5-3）6 飞逸转速： （3-6-1）7 水轮机的水平中心线至尾水位距离A：对于立式水斗式水轮机，距离A可由图（

27、3-7-1）查取，对于卧式机组可按式（3-7-1）决定。 （3-7-1）8 喷嘴数Z0的确定：水斗式水轮机的比转速与喷嘴数的成正比。在一定的水头与功率下，增加喷嘴数,可以使水轮机结构做得小些,可以提高发电机的转速和机组的运行效率。但是喷嘴增加，会使水轮机结构，分叉管制造，以及电站布置复杂化。因此应进行技术经济比较。在比值D1/d0容许的情况下，尽量采用12个喷嘴的方案。尤其是在水头很高的情况下，引水管道弯头的损失很大，为减少水力损失，采用单喷嘴方案往往是有利的。增加1119 水斗数目Z1的确定：如图（3-9-1），理论间距 （3-9-1） （3-9-2） （3-9-3）射流由A点运动到B所需时

28、间： （3-9-4）式中 ； ； ； 。 实际间距还与水斗缺口形状及刃切圆有关。对于CJ20转轮实际间距取为理论间距的0.8倍，大于0.8倍需经过论证。由间距tn，即可求得水斗数： 或 （3-9-5）实际采用的水斗数一般要比容积损失为零求得的水斗数多，但水斗数过多往往会增加工艺上的困难。另外，多喷嘴机组一般避免其射流夹角为相邻水斗夹角的倍数。10 水斗和喷嘴的尺寸与射流直径的关系：若设计射流直径为d0，则一般可取：水半直径 db=1.05 d0喷嘴直径 dn=1.228 d0喷针最大行程 sn=1.16 d0水斗设计尺寸允许在db=(0.91.02) d0的范围内通用，效率作相应修正。11 引

29、水管、导水肘管及其曲率半径：如图（3-11-1）所示，引水管内流速： （3-11-1）式中K流速系数，可由图（3-11-2）上查取。 一个引水管的直径： （3-11-2）式中Q保证功率时的流量（米3/秒） Z0喷管数目。 其余尺寸选择参见图（3-11-1）： 60。； R=2.5 de； L22.5 de 。12 转轮室的尺寸：卧式机组转轮尺寸可参照图（3-12-1）和表（3-12-1）选取，表中d0为保证功率时的射流直径。立式机组机壳：图（3-12-2）中给出了两种国内外已经使用过的机壳型线。其转轮节圆直径为1米，直径比D0/D12.5。有的制造厂家采用较大的D0，有的D0/D1比值达3以上

30、。 图（3-12-2a）为铸造机壳，b为焊接机壳。对于大型机组，机壳对效率影响不显著，焊接结构的形状可尽量简化。 表3-12-1名 称ns1212ns18ns 18转轮室宽度 B5 d0介于其间59d0机坑宽度 Z6 d010d0转轮室长度 A5 d0+ D110 d0+ D1机坑长度 L6.5 d0+ D113 d0+ D1 我厂初选时，基本参数选择过程如下： 可先用下图(3-1)来大致确定转速、出力、转轮直径等等。 图 3-1 上图中所示各特征量如喷嘴直径d、引水管直径DN以及阀门直径Dv、单双喷嘴水轮机结构尺寸等等，可见下图： 具体计算过程如下：A. 水机流量： (米3/秒) （3-A-

31、1）B. 射流直径： （3-B-1）C. 水斗宽度的选择（B）：B/d0=3.1 （单喷嘴） =3.2 （双喷嘴） =3.3 （四、五喷嘴） =3.4 （六喷嘴或更多）B/d0最小值为3。D. D/B的选择：为减少水斗汽蚀，按电站水头查允许的D/B值。小机组希望D/B3.23.5。具体可查图（3-D-1）：E. 水轮机转速的选择：(转/分) （3-E-1）式中：F. 单位流量的计算： （3-F-1） （3-F-2）G. 水轮机效率： （3-G-1） 效率修正可查曲线（3-G-1） D/B3.5 H. 飞逸转速： （3-H-1）I. 转轮重量的计算：（Kg）（3-I-1） 关于喷嘴：内接力器喷嘴

32、流道平顺，水力效率比外接力器喷嘴高0.3%左右。多用于立式多喷嘴机组，能缩小厂房平面尺寸。下图12喷嘴流道常被用于外接力器喷嘴，图3是适用于内接力器的喷嘴流道。四、调速器的选择中、小型机械液压式自动调速器（BWT型、HFBDT型等）的选择方法为：根据水轮机的出力和水头等有关参数，利用估算公式算出所需要的调速功（工作容量），以及机组调节保证计算定出的水轮机导叶关闭时间，结合产品供应情况来选择调速器。水轮机的调速功与水力、制造和安装等因素有关，因此调速功的公式之间有时相差较大，应根据具体情况选用合适的计算公式。1 反击式水轮机的调速功计算公式： （4-1-1） （4-1-2） （4-1-3）式中 A调速器工作容量（调速功）（公斤*米）； K系数，金属蜗壳的K=1.4，明槽式的K=2.3； Hmax水轮机的最大工作水头（米）； N水轮机的出力（