第六章水轮机的选型设计

1、6-1 概述概述一、选型设计的任务一、选型设计的任务 由于每一个水电站所处的自然条件、水由于每一个水电站所处的自然条件、水力条件不同，因此，根据各水电站的特定条力条件不同，因此，根据各水电站的特定条件，选择技术上合理、经济上能获得最大效件，选择技术上合理、经济上能获得最大效益的水电站，便成为水轮机选型设计的主要益的水电站，便成为水轮机选型设计的主要任务。任务。二、选择原则二、选择原则1、选择的水轮机经济指标高、空化性能好。、选择的水轮机经济指标高、空化性能好。如：如： 、 、 、 （限（限制工况点）、制工况点）、 、2、选择的水轮机技术性能好。、选择的水轮机技术性能好。 在水电站给定水头（即在

2、水电站给定水头（即 ）范）范围内，转轮是否在高效率区域工作。围内，转轮是否在高效率区域工作。 水轮机在设计水头下，能否发出额定出力。水轮机在设计水头下，能否发出额定出力。 水轮机的受阻容量要小。水轮机的受阻容量要小。Mn110MQ110M0max11QMsnMminmax HH3、水轮机运行稳定、可靠、方便。、水轮机运行稳定、可靠、方便。 4、结构简单、先进、牢固、操作、维护及、结构简单、先进、牢固、操作、维护及安装、检修方便。安装、检修方便。5、机组供应落实，造价低，供货周期短。、机组供应落实，造价低，供货周期短。6、对中、小型机组最好选用通用或套用机、对中、小型机组最好选用通用或套用机组。

3、组。三、选型所具备的原始资料三、选型所具备的原始资料1、地理位置、流域概况、环境生态、水文、地理位置、流域概况、环境生态、水文、气候。气候。2、水电站开发方式、水库调节性能，在电力、水电站开发方式、水库调节性能，在电力系统中的作用及主要任务。系统中的作用及主要任务。3、水能资料、水能资料 水头范围。如水头范围。如 水电站引用流量及相应保证率曲线。水电站引用流量及相应保证率曲线。 水电站装机容量。水电站装机容量。 电站水位。电站水位。cprHHHH,minmax4、水文资料。、水文资料。 年平均降雨量。年平均降雨量。 流域面积，河流经流方式。流域面积，河流经流方式。 水的硬度、酸碱度。水的硬度、

4、酸碱度。 水中含沙量、沙粒大小。水中含沙量、沙粒大小。5、电站所在的系统容量。、电站所在的系统容量。6、运输条件。、运输条件。7、国内外已生产机组技术资料。、国内外已生产机组技术资料。8、其他。、其他。一、内容一、内容1、确定机组台数。、确定机组台数。2、选择水轮机型号及装置方式。、选择水轮机型号及装置方式。3、计算水轮机转轮标准直径、计算水轮机转轮标准直径 、标准转速、标准转速 4、计算最大吸出高度、计算最大吸出高度 ，确定机组的安装高程，确定机组的安装高程5、绘制水轮机运转综合特性曲线。、绘制水轮机运转综合特性曲线。6、确定蜗壳、尾水管的型号及主要尺寸。、确定蜗壳、尾水管的型号及主要尺寸。

5、1DnsH7、选配同步发电机的主要参数。、选配同步发电机的主要参数。8、选择起重设备（通常带轴转子最重）。、选择起重设备（通常带轴转子最重）。9、确定厂房平面尺寸、估算厂房总体尺寸。、确定厂房平面尺寸、估算厂房总体尺寸。10、各方案经济指标的估算。、各方案经济指标的估算。 机电设备的投资。机电设备的投资。a.水轮发电机组的造价（按重量估算）。水轮发电机组的造价（按重量估算）。b.辅助设备的造价。辅助设备的造价。c.起重设备的造价。起重设备的造价。d.电气一次部分的造价。电气一次部分的造价。e.上述设备的运输、安装费（大概占上述上述设备的运输、安装费（大概占上述投资的投资的10%）。）。 厂房的

6、土建投资。厂房的土建投资。 经济动能指标（机组技术性能）。经济动能指标（机组技术性能）。a.机组平均效率。机组平均效率。b.机组运行范围。机组运行范围。c.受阻容量的大小。受阻容量的大小。d.单位指标。单位指标。二、设计程序二、设计程序1、对所提供的原始资料进行核定和分析、对所提供的原始资料进行核定和分析。2、拟定待选方案。、拟定待选方案。 确定机组台数确定机组台数 和单机容量和单机容量 。 原则：原则： 在系统容量、工厂制造、运输条件允在系统容量、工厂制造、运输条件允许情况下，尽量采取大容量机组。许情况下，尽量采取大容量机组。 从制造角度来说，单机容量小，台数从制造角度来说，单机容量小，台数

7、多，便于安装、运输。多，便于安装、运输。 yPZ 台数多，运行灵活，易满足负荷变化要求台数多，运行灵活，易满足负荷变化要求 从水电站投资来说，台数增加，机组尺寸将从水电站投资来说，台数增加，机组尺寸将会减小，但机电设备的配套数增加，投资也将增会减小，但机电设备的配套数增加，投资也将增加，一般多台数投资比少台数投资增加加，一般多台数投资比少台数投资增加20%。 台数增加，可改变投网台数，避开水轮机在台数增加，可改变投网台数，避开水轮机在低效率区运行，从而可以提高机组的平均效率。低效率区运行，从而可以提高机组的平均效率。 其它方面。其它方面。a.台数常用偶数，可节省电气部分投资，采用台数常用偶数，

8、可节省电气部分投资，采用扩扩大单元出线（两台机共用一个母线出口）。大单元出线（两台机共用一个母线出口）。b.规范规定，第一台机组投入运行时，区域电网规范规定，第一台机组投入运行时，区域电网单机容量不超过系统容量的单机容量不超过系统容量的10%，或不要大于，或不要大于电网的事故备用容量。电网的事故备用容量。c.考虑到事故和检修时有可靠的厂用电，一般要考虑到事故和检修时有可靠的厂用电，一般要装两台以上的机组。装两台以上的机组。 选择水轮机机型选择水轮机机型 搭接水头段不同类型水轮机的选择。搭接水头段不同类型水轮机的选择。 3-15m，有，有GL式与式与ZL式可选择；式可选择； 3060m，有，有Z

9、L式与式与HL式可选择；式可选择； 300500m，有，有HL式与式与CJ式可选择；式可选择； 重叠区内相同型式不同型号转轮的比重叠区内相同型式不同型号转轮的比较较3、选择水轮机主要参数计算、选择水轮机主要参数计算4、计算各方案的吸出高度、计算各方案的吸出高度5、绘制各方案的运转综合特性曲线、绘制各方案的运转综合特性曲线6、确定各方案的安装高程、确定各方案的安装高程7、各方案分析比较、各方案分析比较8、结论、结论sH安主要介绍最常见的用模型综合特性曲线选择主要介绍最常见的用模型综合特性曲线选择参数的方法，基于几点考虑：参数的方法，基于几点考虑：原、模型水轮机满足相似条件，因此，可原、模型水轮机

10、满足相似条件，因此，可用相似公式计算原、模型水轮机主要参数。用相似公式计算原、模型水轮机主要参数。为慎重起见，又将所选定的原型参数反过为慎重起见，又将所选定的原型参数反过来换算成模型参数，在模型综合特性曲线来换算成模型参数，在模型综合特性曲线上检验所选水轮机是否理想。上检验所选水轮机是否理想。绘制运转综合特性曲线，进一步检验所选绘制运转综合特性曲线，进一步检验所选水轮机的工作范围是否理想。水轮机的工作范围是否理想。一、参数的计算一、参数的计算参数主要包括转轮标准直径和标准转速参数主要包括转轮标准直径和标准转速1、计算标准直径、计算标准直径 由水轮机出力公式由水轮机出力公式 得得式中式中: -水

11、轮机的额定出力，单位水轮机的额定出力，单位kW。 其中其中 为同步发电机额定容量；为同步发电机额定容量； 为发电机效为发电机效率，中小型率，中小型 ，大中型，大中型 1D23211181. 9PHDQ2311181.9PHQDPffPP fPf%96%95f%98%96f -水轮机的设计水头，单位水轮机的设计水头，单位m。 -设计工况下的单位流量设计工况下的单位流量 对对HL式和式和ZD式水轮机，采用模型最优单位式水轮机，采用模型最优单位转速转速 与模型出力限制线交点的单位流量值与模型出力限制线交点的单位流量值；对；对ZZ式水轮机，由于无出力限制线，出力受式水轮机，由于无出力限制线，出力受气蚀

12、的限制，故选用小于型谱推荐的气蚀的限制，故选用小于型谱推荐的 值。值。 -水轮机效率，可按单位流量取值点的水轮机效率，可按单位流量取值点的模型效率模型效率 ，先初略加上，先初略加上1%-3%的效率修的效率修正值进行计算。待求出正值进行计算。待求出 后，再按转轮直径后，再按转轮直径标准系列取与之接近的标准直径（见课本标准系列取与之接近的标准直径（见课本P17)。 取标准值后取标准值后,按效率换算公式进行换算。按效率换算公式进行换算。11Q11Q1DMn1101DMHHL、ZD式水轮机的效率换算公式：式水轮机的效率换算公式： ZL式水轮机的效率换算公式：式水轮机的效率换算公式：511maxmax1

13、1DDMM10511maxmax7 . 03 . 011HHDDMMMmaxmaxMM2、计算水轮机的转速、计算水轮机的转速式中式中: 已标准化的转轮直径已标准化的转轮直径，单位，单位m。 采用采用加权平均水头加权平均水头 ，加权平，加权平均水头与设计水头有以下关系。均水头与设计水头有以下关系。 河床式水电站河床式水电站 坝后式水电站坝后式水电站 引水式水电站引水式水电站初算时亦可以用初算时亦可以用 ，单位，单位m。 n111DHnnr1DHcprHH9 . 0cprHH95. 0cprHH rHcpH 原型水轮机设计单位转速，一般采原型水轮机设计单位转速，一般采用用最优单位转速最优单位转速

14、，单位，单位r/min 求出转速求出转速 后，按发电机同步转速标准后，按发电机同步转速标准系列选取接近而偏大的同步转速系列选取接近而偏大的同步转速(见课本见课本P326) 作为水轮机的标准转速。作为水轮机的标准转速。rn11110n11110110nnnMn二、检验所选参数能否满足要求二、检验所选参数能否满足要求1、检验原型、检验原型水轮机出力水轮机出力能否满足要求能否满足要求常用两种方法进行校核：常用两种方法进行校核：方法（一）：校核出力是否满足要求方法（一）：校核出力是否满足要求求出求出 Hr 对应的模型机单位转速对应的模型机单位转速 用用 与与5%出力限制线相交，得出力限制线相交，得 、

15、 再换算成原型机单位流量和效率再换算成原型机单位流量和效率11111nHnDnrMMn11MQ11M111111QQQMM计算该点的原型机出力计算该点的原型机出力若若 （略大于），且（略大于），且 说明所选转轮直径说明所选转轮直径 满足出力要求。满足出力要求。 若若 ，说明所选，说明所选 不满足出不满足出力要求。力要求。23211181. 9HDQP rPP rPPPmin1D额PP 1D方法（二）：校核流量是否满足要求方法（二）：校核流量是否满足要求根据水轮机额定出力根据水轮机额定出力 、设计水头、设计水头Hr、转轮、转轮直径直径 、水轮机效率、水轮机效率 ，计算出原型水轮机，计算出原型水轮

16、机的单位流量的单位流量 。将原型水轮机的单位流量将原型水轮机的单位流量 ，换算成模型，换算成模型水轮机的单位流量水轮机的单位流量 1D额P11Q2311181. 9PrHDQ11Q111111QQQM检验模型水轮机的单位流量是否超过限制工检验模型水轮机的单位流量是否超过限制工况点的单位流量况点的单位流量若若 (较接近为好），说明所选较接近为好），说明所选 能发出额定出力。能发出额定出力。若若 ，说明，说明 选小了，发不出选小了，发不出额定出力。不能满足要求。额定出力。不能满足要求。限MMQQ11111D限MMQQ11111D2、检验、检验吸出高度吸出高度 是否满足是否满足工程上的要求工程上的要

17、求 计算设计工况点的吸出高度，即用水轮机设计算设计工况点的吸出高度，即用水轮机设计水头下所对应的模型机单位转速计水头下所对应的模型机单位转速 与与5%出力限制线相交点的空化系数值出力限制线相交点的空化系数值 来计算。来计算。 若若 ，满足工程上的要求。，满足工程上的要求。反之，不满足要求。反之，不满足要求。sHMn11MHHsM90010米76sH3、检验所选水轮机、检验所选水轮机工作范围工作范围是否理想是否理想求出求出 和和 所对应的模型单位转速，即所对应的模型单位转速，即 在在模型综合特性曲线模型综合特性曲线上，找出这两个模型单位上，找出这两个模型单位转速所包含的区间，这个区间就是原型水轮

18、机的转速所包含的区间，这个区间就是原型水轮机的工作范围。若这个区间在模型综合特性图上工作范围。若这个区间在模型综合特性图上处于处于高效率区，则说明原型水轮机工作范围理想，所高效率区，则说明原型水轮机工作范围理想，所选参数配合合理。选参数配合合理。 maxHminH111max111CnHnDnM211min111CnHnDnM台数台数Z 标准直径标准直径 ffZPP2311181.9PHQD511maxmax11DDMMmaxmaxM标准转速标准转速校核吸出高度1maxmax11011Mnn11110110nnnM1110DHnncp11111nHnDnMmaxHrHminHHHsM90010校核设计水校核设计水头下的出力头下的出力校核最小水头下的出力方案编号方案编号MMMQ11MQ11MM111111QQQM111111QQQM23211181.9rrHDQP 23min2111min81.9HDQPrPminP三、确定水轮机三、确定水轮机最大允许吸出高度最大允许吸出高度 式中式中 取值，在初步计算时，可以用取值，在初步计算时，可以用 对应模型单位转速与对应模型单位转速与5%出力限制线交点处的空出力限制线交点处的空化系数值。化系数值。 实际计算时，可选择实际计算时，可选择 若干水若干水头，由它们分别相应的限制工况点的空化系数头，由它们分别相应的限制工况点的空化系