浙职院水电站教案

绪

论要求：建立水力发电的概念，了解水力发电、水能资源的特点及水电事业发展状况；理解本课程的性质，明确本课程的任务。第一节

水力发电概述一、

水力发电(一)水力发电的概念在天然河流上，修建水工建筑物，集中水头，通过一定的流量将“载能水”输送到水轮机中，使水能→旋转机械能→带动发电机组发电→输电线路→用户。

式中

N——水电站装机容量或水轮机的功率Q——通过水轮机的流量H——水轮机的水头η——水轮机的效率上述几项是水力发电的几个要素。(二)水力发电的转换原理(三)水电站在水力发电的过程中，为了实现电能的连续产生需要修建一系列水工建筑物，如进水、引水、厂房、排水等，安装水轮发电机组及其附属设备和变电站的总体称为水电站(水、机、电的综合体)。(四)水力发电特点(1)不耗燃料，成本低廉：

水电站建成投产以后不需要消耗燃料，节省能源。其运行和维修费用低，工程使用寿命长，总的劳动生产率高，一般只有相同容量的火电站运行人员的1/4~1/5。不需要运输发电所用的燃料，发电成本均比火电、核电低。(2)水火互济，调峰灵活：电力用户的用电量是时刻变化着的，电网中的日负荷有高峰也有低谷。火电站、核电站从开机到正常运行通常需要几个小时，宜担负基荷运行。水电站启动灵活，在1~2分钟内，就能从停机状态达到满负荷运行、并网供电，宜于担任调峰、调频，事故备用，与火电站配合运行，互相补充。

(3)综合利用，多方得益：

具有水库以调节水量的水电站，除发电外，还兼顾防洪、灌溉、航运、供水、旅游、水产养殖业等综合利用效益。(4)取之不尽可，用之不竭：水能资源是随水循环(降水——径流——蒸发——降水)周而复始地不断再生的能源，取之不尽，用之不竭。煤、石油、天然气、等矿物资源是不可再生的，越用越少。太阳能、风能、潮夕能等，也是再生能源，但由于大规模地开发利用的技术不成熟，发电不稳定，成本很高，目前还不能大量利用。(5)环境优美，能源洁净：水电站多建在僻静的山谷之中，远离城市、厂矿。大坝上游形成水库，环境幽静，水体纯洁，没有环境污染，空气清新，湖光山色，可以成为风景游览区。缺点：(1)受自然条件限制：水量、落差、地质、地形、地理、环境、土地淹没、移民、政治、经济、交通等。水能资源只能就地开发，不少地区的水能资源很丰富，但由于当地经济不发达，交通不便，难于充分开发和利用。大部分水电站至负荷中心或与电网联接点有相当距离，需要修建昂贵的输变电工程。

(2)一次性投资大，工期长：（水文季节、水工建筑施工、机械安装、移民、施工水平、资金到位）小型工程为3~5年，中型工程为8~10年，大型工程为10年以上。(3)故后果严重：水管破裂、溃坝等，设计、施工应安全可靠。二、我国的水能资源特点根据2005年公布的复查结果，全国水能蕴藏量1万kW及以上的河流共有3886条，水能总蕴藏量功率为69440万kW，年发电量60829亿kW.h；技术可开发54164万kW，相应的年发电量24740亿kW.h；经济可开发40180万kW，相应的年发电量17534亿kW.h，占世界首位。2004年底，已开发装机1亿kW，年发电量3310亿kW.h。(1)总量十分丰富，而人均资源量并不富裕水能资源：实际可开发量近378532MW、19233亿kW.h左右，居世界第一位。电量计：约占世界总量的15%人

口：占世界的21%到2050年后，我国达到中等发达国家水平，如按人均装机1kW计，全国电力总装机为15亿kW~16亿kW。常规水电即使全部开发出来，加上抽水蓄能电站，水电比例也只占30%~40%左右。注：实际可开发水能资源：由于受水量、落差、地形、地质、土地淹没、移民、政治、经济、交通、施工技术等因素的制约，一条河流的水能蕴藏量不能完全开发，只能开发其中的一部分。(2)地区分布极不均衡，与经济发展的现状更不匹配资源集中在经济相对滞后的西部，尤其是西南。云、贵、川、渝、陕、甘、宁、青、新、藏等10个省(自治区，直辖市)的水能资源占67.8%，其中西南的云、川、藏三省(自治区)就占全国总资源量的60%，经济发达的东部13个省(直辖市)(辽、吉、黑、京、津、冀、鲁、苏、浙、皖、沪、粤、闽)仅占7%左右。表

中国水能蕴藏量及可开发的水能资源

地

区水

能

蕴

藏

量可能开发的水能资源装机容量(MW)年发电量亿(kW.h/a)占全国比重(%)装机容量(MW)年发电量(亿kW.h/a)占全国比重(%)华北地区12299.31077.41.8691.98232.251.2东北地区12126.61062.31.81199.45383.912.0华东地区30048.82632.34.41790.22687.943.6中南地区64083.75613.89.56743.492973.6515.5西南地区41462.170.023234.3313050.3667.8西北地区84176.97373.912.54193.771904.939.9全

国59221.8100.037853.2419233.04100.0(3)总开发率很低，东西开发差异极大。全国平均开发率按电量算仅9.12%，位居世界第83位，排在很多发展中国家如印度、越南、泰国、巴西、埃及等国家之后，与中国是发展中大国的位置极不相称。东部，已开发70%以上：可开发的大型水电站只剩下4座，共161万kW，即黑龙江的尼尔基电站(25万kW)、浙江的摊坑电站(60万kW)、大均电站(46万kW)和福建的街面电站(30万kW)；西部，开发率仅7.5%：西部的水电开发才刚刚开始，因此21世纪，水电要结合国家的西部大开发战略，大力开发西部水电，实施大规模的西电东送，才能实现资源的优化配置和电源结构的合理调整。

(4)我国水电资源相对集中在一些高山大河地区，不少水电站的装机容量超过1000MW。三峡(长江)1820万kW，溪落渡(金沙江)超过1000万kW。雅鲁藏布江下游的墨脱电站，计划开凿35km长的隧洞，引水2000m3/s以上，落差可超过2000m，电站装机可达4500万kW。大型电站，水头高、单机容量大，带来很多技术难题，且淹没损失大，移民数量多，这在人口较密的地区尤为突出。从长远看，能输出水电的主要是云、川、青、藏四省(自治区)，从河流看，能输出电能的主要是金沙江、雅鲁藏布江、雅砻江、澜沧江、怒江和黄河上游青海段。近期长江干流、乌江、红水河(含上游)均可视情况适量外送。三、我国水电发展概况到1998年底，全国已建水电站装机容量65060MW，年发电量2043亿kW.h时，继美国、加拿大之后居世界第3位，在建规模约46000MW。全国水电装机和发电量已占全国电力总装机和发电量的23.4％和17.8％。中国已建50万kW以上的水电站电站名称河

流所在省区装机容量(万kW)设计年发电量(亿kW.h)葛洲坝长江湖北271．5167李

家

峡黄

河青

海20058.3白山(二期)松花江吉林19.236/19.236漫

湾

云南15063水口闽江福建14049.5大朝山湄公河云南13559.31天生桥二级南盘江广西、贵州13282龙羊峡黄河青海12860刘家峡黄河甘肃122.557.0岩

滩

广

西12153隔河岩清江湖北12030.4南盘江丹江口汉江湖北9038.3安康汉江陕西85.2528.龚嘴大渡河四川7034.2新安江新安江浙江66.2518.6水丰鸭绿江辽宁63/239.3/2乌江渡乌江贵州6331.0铜街子大渡河四川6032.1鲁布革黄泥河云南、贵州6028.49丰满松花江吉林55.37518.9东江耒水湖南5013.2万安赣江江西5015.16中国在建的水电站（50万kW以上)电站名称河

流所在省区装机容量(万kW)设计年发电量(亿kW.h)开工/峻工日期三峡长江湖北1820846.81994.12/2009龙

滩红水河广

西420/540156/1872001/2009紫坪铺岷江四川76342000/2006小湾澜沧江云南420190.62002/百色右江广西5417.012001/公伯峡黄河青海15051.42001/2007洪家渡乌江贵州54171.52000/2006三板溪清水江贵州100234.92003/2008锦屏一级雅砻江四川330162.872005/待建构皮滩乌江贵州240/30095.292003/2011按规划我国水电发展分二步走：第一步是2001~2010年，这期间，三峡、龙滩、小湾、公伯峡、水布垭等一大批水电站将建成发电。到2010年，也就是中国开始水电建设100年时，水电装机容量达到(1.4~1.5)×105MW，超过美国居世界第一，实现从资源第一大国到生产第一大国的转变。水电装机的比例将由连年下滑转向攀升，从本世纪末的23%提高到30%左右；第二步是2011~2050年，基本完成水电的开发、开发率达到90%左右。这时装机约4.3×105MW，以38000MW的墨脱电站为代表的十几座5000MW以上的巨型电站基本开发完毕。西电东送的规模超过1.5×105MW，东中部受电区的抽水蓄能电站将得到大规模的发展，大库容的蓄能电站建设为东部沿海风电的大量开发，创造了有利条件。中国的水电开发技术将随着我国水电建设事业的发展达到世界领先水平。四、中国水电基地的开发情况20世纪70年代根据我国能源开发的规划，有关部门提出了开发10个水电基地的设想，即在那些水力资源丰富、开发条件良好的河流或河段上，比较集中地开发建设10个大型水电基地，作为本世纪末到下世纪初的骨干电源，以后又增加2个水电基地，共计12个水电基地。十二大水电基地可装机容量为205232MW，年发电量9458.8亿kW.h。

中国十二大水电基地规模及开发状况项目

基地名称总规模已建电站名称及装机容量(万kW)在建电站名称及装机容量

(万kW)待开发的主要电站名称及装机容量(万kW)装机容量(万kW)

金沙江石鼓—宜宾

4623.00

2610.0

虎跳峡600、洪门口375、梓里208、皮厂270观音岩270、乌东德560、白鹤滩830、溪落渡1000、向家坝500

雅砻江两河口—渡口

1940.00

1048.0

二滩330

锦屏一级300两河口200、牙根90、蒙古山160、大空100、杨房沟200、卡拉乡80、、锦屏二级300、官地140、桐子林40

大渡河双江口—铜街子

1805.50

924.70

龚嘴70/210铜街子60碧口

30宝珠寺64

独松136、马奈30、季家河坝180、猴子岩140、长河坝124、冷竹关90、泸定60、硬梁仓110、大岗山150、龙头石50、老鹰岩60、瀑布沟330、深溪沟36、枕头坝44

乌江干流

825.50

404.51乌江渡63普定7.5东风51洪家渡54构皮滩200

引子渡16、、索风营42、、思林84、沙沱80、彭水108、大溪口120长江上游宜宾—宜昌(包括清江)

2831.60

1219.9葛洲坝271.5隔河岩120高坝洲(20)三峡1820水布垭149、

石硼213、朱杨溪190、小南海100、

南盘江、红水河

1192.00

502.50恶滩6大化40/60鲁布革60岩滩120天生桥二级132天生桥一级120

龙滩420平班36、百龙滩18、桥巩50大腾峡120、恶滩50

澜苍江干流(云南省境内)

1978.00

1010.0

大朝山126漫湾125/150

小湾420溜筒江55、佳碧43、乌弄龙80、托巴164、黄登150、铁门坎150、功果桥75、、、糯扎渡450、景洪90、橄榄坝10、南阿河口40

黄河上游龙羊峡—青铜峡

1415.48

507.93刘家峡116、龙羊峡128盐锅峡39.6八盘峡18青铜峡27.李家峡2002

公伯峡150拉西瓦372积石峡80-100、寺色峡25、小峡30、大峡30、乌金峡13.2、小观音140、大柳树44、黄河中游河口镇—禹门口

579.20

196.90天桥12.8三门峡25万家寨102小浪底180

龙口40、碛口150军渡30、三交20龙门210、禹门口14.4湘西(湖南)资、沅、澧水，附清水江795.10318.23凤滩70?柘溪44.75马迹塘5.5三江口6.25东江50五强溪120

清水江133.80沅水153.53、资水57.6、澧水203.67、

闽、浙、赣福建、浙江、江西省各河1416.82411.71古田溪26新安江66.25富春江30沙溪口30万安50水口140乌溪江20柘林18闽176.6浙10.8赣50闽380.04浙271.72赣289.02东北黑龙江、牡丹江、二道松花江、鸭绿江、浑江、嫩江1133.55309.36373.95

共规划各类电站33座，装机容量为759.60万kW总

计20523.29458.8

第二节本课程的性质、任务和特点

一、本课程的性质和任务

水电站是水利水电工程专业的专业课程，其主要任务是使学生获得有关水电站的基本理论、基本知识与基本技能，训练和培养学生综合的思维方法及分析问题和解决问题的能力，为今后从事水电站工程的规划、设计、运行和管理的打下基础。二、本课程内容及特点

第一篇

水力机械

动能

水轮

发电机

水流能量

机械能

电能势能

水泵

电动机

水

水轮机+发电机

————>水轮发电机组。功能：发电轮

水

泵+电动机

————>水泵抽水机组。功能：输水机

水泵+水轮机

————>抽水蓄能机组。功能：抽水蓄能

本篇重要内容：水轮机(turbine)水轮机是将水能转变为旋转机械能，从而带动发电机发出电能的一种机械，是水电站动力设备之一。研究的目的是充分利用水能资源，为厂房布置设计作准备。第一章

水轮机的主要类型、构造及其工作原理§1.1水轮机的工作参数(workingparameters)一、基本概念水流经引水道进入水轮机，由于水流和水轮机的相互作用，水流便把自己的能量传给了水轮机，水轮机获得能量后开始旋转作功。水流流经水轮机时，水流能量发生改变的过程——水轮机的工作过程。反映水轮机工作状况特性值的一些参数，称水轮机的基本参数。由水能出力公式:

N=9.81QHη可知，其基本参数包括：工作水头H、流量Q、出力N、效率η，此外还有工作力矩M、机组转速n。二、工作水头(workinghead)如图所示，A—A为引水道进口，B—B为水轮机进口，C—C为尾水管出口，D—D为尾水渠。根据能量方程可以推导出：1、水电站的毛水头(nominalproductivehead)Hm=EA-EC=ZA+HA=Z上—Z下2、水轮机的工作水头(workinghead)HG=EB-ED=HM-hA-B

毛水头-水头损失=净水头(即水轮机的工作水头)3、特征水头(characteristichead)水轮机的工作水头随上下游水位而变化，因此提出特征水头的概念，用于表示水轮机

的运行工况和运行范围。特征水头一般由水能规划计算确定。最大工作水头：

Hmax=Z正—Z下min—hA-BZ正为上游正常设计水位，Z下min为下游最低水位，一般取一台机组发电时下游水位。最小工作水头:

Hmin=Z死—Z下max—hA-BZ死为上游死水位，Z下max为下游最高水位，一般取全部机组发电时的下游水位或汛期下泄安全泄量时的水位。设计水头(计算水头)Hr水轮机发额定出力时的最小水头，一般由设计者根据电站情况确定。平均水头:

HCP=Z上CP—Z下CP

即上下游平均水位差。三、流量(flowquantity)单位时间内通过水轮机的水量Q(m3/s)。Q=f(H，N)Q随H、N的变化而变化，H、N一定时，Q也一定，当H=Hr、N=N额时，Q为最大。四、出力与效率(outputandefficiency)1出力N：

指水轮机轴传给发电机轴的功率(输出功率)。

水轮机的输入功率(水流传给水轮机的能量)为：(kW)。

水轮机的输出功率：。2效率：

η=N0/NI×100%一般η=80%~95%。η<100%的原因：水流通过水轮机时，存在水头损失、水量损失、机械损失等各种能量损失。五、工作力矩和转速(workingmomentandrotationalspeed)水轮机的出力使主轴旋转做功，因此出力也可以用旋转机械运动公式来表达：

M——主轴力矩，用来克服发电机对主轴产生的阻力矩；ω——水轮机旋转角速度，n——转速，rpm(revolutionperminute)，n=3000/pp——发电机磁极对数额定转速n：一般我国所用的电流频率为50赫兹，所以在正常情况下机组的转速保持为固定转速，该转速称为额定转速，并与发电的同步转速相等。

§1.2水轮机的主要类型水轮机主要利用水能做功，将水能转换为旋转机械能。列转轮进出口能量方程：

即Ep+Ec=1。根据水流作用原理分：

冲击式：Ep=0

EC=1

完全利用水流动能；

反击式：0<EP<1

Ep+Ec=1

以利用势能为主。一、

反击式水轮机(reactionwaterturbine)

混流式

轴流式

1特征：转轮的叶片为空间扭曲面，流过转轮的水流式连续的，而且在同一时间内，所有转轮叶片之间的流道都由水流通过，积水流充满转轮室。

2原理：水流通过转轮叶片时，水流流速的大小、方向均发生变化，因此动量也发生了改变，水流产生反作用力，作用与每个转轮叶片，使转轮产生旋转力矩，从而做功。3类型：(1)、混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。适用范围：H=30~700m,单机容量：几万kW~几十万kW优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，适用高水头小流量电站。（刘家峡）(2)、轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。(a)、轴流定浆式：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。结构简单，效率低。适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定），H：3~50m。

(b)、轴流转浆式：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度）。适用水头流量的变化，高效率区广，大中型电站多采用。H：3~80m。（葛洲坝：17万kW、12.5万kW，Hr=27m）。

(3)、斜流式：水流经过转轮时是斜向的。转轮叶片随工况变化而转动，高效率区广。

H=40~120m。

(4)、贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。H<20m,小型河床电站。全贯流式：发电机转子安装在转轮外缘。优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。半贯流式：轴伸式、竖井式、灯炮式。贯流式二、

冲击式水轮机(Inpulsewatertubine)1、

特征：由喷管和转轮组成。水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。2、

类型：(1)、水斗式：特点是由喷泉嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。

适用H：100~2000m；使用最广泛（高水头，小流量）。(2)、斜击式：H：25~300m。

斜击、双击水轮机构造简单，效率低，(3)、双击式：H：5~80m。

多用于小型电站。

小结§1-3

水轮机的基本构造(Turbinestructure)反击式水轮机的主要组成部件：(1)、进水（引水）部件—蜗壳：将水流均匀、旋转，以最小水头损失送入转轮。(2)、导水机构（导叶及控制设备）：控制工况(3)、转轮（工作核心）：能量转换，决定水轮机的尺寸、性能、结构。(4)、泄水部件——尾水管：回收能量、排水至下游。一、

混流式水轮机水流

——>蜗壳——>座环——>导叶

——>转轮——>尾水管——>下游

1、蜗壳蜗壳的作用是使水流产生圆周运动，并引导水流均匀地、轴对称地进入水轮机。2、座环：位于导水叶的外围。由上、下环和立柱组成

作用：水轮机的骨架，承受机墩及伟来的荷载，并伟到下部基础；支承活动导叶；

断面设计：流线形，保证强度、刚度。数目为活动导叶的一半。3、导水机构：作用：根据机组负荷变化，调节水轮机流量，改变出力；

引导水流按切向进入转轮，形成速度矩；组成：导水叶及其轴、调速器、接力器（转臂、连杆、控制环)1)、导水叶：导水机构的主体，上下端分别固定在底环和顶盖上，为流线形。

作用：改变导叶开度以改变流量。

导叶转动是通过调速成器和接力器来实现的。

导叶参数：导叶数、高度、开度

(2)、调速器

(3)、接力器4、转轮：

水能——>机械能

组成：轴、上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥5、尾水管尾水管的作用是引导水流进入下游河道，并回收部分动能和势能。二、

轴流式水轮机的构造轴流式水轮机除了转轮外，其它部件均与混流式相似。1、轴流式水轮机特点：(1)、转速高，当H，N相同时，是混流式的2倍，尺寸较小。(2)、转轮叶片可以转动（双调），H、N变化时，水轮机具有较高的效率。2、转轮构造：（轴流转浆式多用于低水头大流量大型电站）组成：叶片、轮毂、主轴、泄水锥、转动机构叶片：表面为曲面，断面为翼形，根部厚，边缘薄以承受水流作用的抟矩。叶片数目：与H大小有关，一般为4~8片；叶片转角Φ：最优工况时Φ=0，Φ>0，叶片开始启动，Φ<0向关闭方向转动。

-150>Φ<+200轮毂：外部连接叶片，内部安装转动机构。转动机构：安装在轮毂内，由调速器控制，高速导叶角度。三、斜击式水轮机构造

主要部件：座环、转轮及其叶片、导水机构、尾水管、主轴、导轴承等，与高水头轴流转浆式水轮机基本相同与轴流转浆式水轮机不同之处：叶片转动轴线与主轴成45°~60°的夹角。四、灯泡贯流式水轮机实际上是卧轴安装的轴流式水轮机，发电机安装在灯泡体内(红色的为转子)五、冲击式水轮机构造(水斗式)

1、水斗式水轮机的组成：喷管、折流板、转轮、机壳、尾水槽水流——>喷管——>折流板——>转轮——>机壳——>尾水槽(1)、转轮

组成：轮盘、斗叶（沿轮盘均匀分布）。连接方式：

螺拴、整体铸造、焊接。(2)、喷管组成：喷嘴、喷管体、导水叶栅、喷针头、喷杆、操作机构针阀：控制水轮机的过水流量，以行程表示。(3)、折流板使针阀缓慢关闭，降低水击压力，使水流偏离水斗，避免机组转速升高。(4)、机壳

把水斗中排出的水引导入尾水槽内。一般为铸钢件。(5)、引水板

防止水流随转轮飞溅到上方，造成附加损失。2、水斗水轮机的装置方式(1)、卧轴：中小型水轮机。单喷嘴、双喷嘴、单转轮、双转轮。(2)、立轴：大型水轮机。§1-4

水轮机的型号及标称直径一、

反击式水轮机的型号(由三部分组成)

HL240——LJ——410混流式水轮机，型号240（比转速)，立轴，金属蜗壳，转轮直径为410cm

ZZ440——LH——430轴流转浆式水轮机，型号440，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径430cm二、

冲击式水轮机的型号

2CJ30——W——120/2×10三、

各种水轮机转轮标称直径D1(图1-29)

HL：转轮叶片进口边上最大直径ZL、XL：转轮叶片轴心线相交处的转轮室直径CJ：转轮与射流中心线相切处节圆直径D1规定系列尺寸见表4—6

第二章

水轮机的工作原理§2.1

水流在反击式水轮机转轮中的运动

一、复杂的空间非恒定流水轮机内的水流运动是复杂的空间非恒定流(spatialtransientflow)1)、水头、流量在不断变化2)、叶片形状为空间扭曲面，水流在两叶片之间的流道内为复合运动，流速的大小、方向在不断地变化，而转轮本身也在运动。二、恒定流状态水轮机在某一工作状况时，(H、Q、N、η不变)，水流在水轮机的蜗壳、导水叶及尾水管的流动是恒定流。水流在转轮内的流动相对于转轮旋转坐标而言，也是恒定流。三、空间三元流水流运动是空间三元流，其运动规律用速度三角形表达。

——水流绝对流速（相对于地球）

——水流随转轮旋转牵连流速

——水流沿叶片流动的相对流速用速度三角形分析水流运动的方法是研究转轮流速场的重要方法。§2.2水轮机工作的基本方程式对反击式水轮机以一定的速度和方向流进转轮时，由于空间曲面叶片所形成的叶道对水流产生约束，使水流不断改变其运动速度和方向，水流给叶片以反作用力迫使转轮旋转作功。一、动量矩定理(principleofmomentummoment)单位时间内水流对转轮的动量徒工的改变，应等于作用在该水流上的外力对同轴的力矩总和：单位时间内水流对转轮的动量矩改变，应等于作用在该水流上的外力的力矩总和。即：

其中M为水流对转轮的力矩，方程右端为水流本身速度矩的变化。该式表达了水轮机中水流能量转换为旋转机械能的平衡关系。二、水轮机的基本方程在稳定工况下(n、Q、H均不变)，转轮内的水流运动时相对的恒定流，因此转轮的出力为：又：，为通过水轮机的水力效率。所以，水轮机的基本方程为：该方程式对反击式、冲击式水轮机均适用。方程的实质：由水流能量转换为旋转机械能的平衡方程。水流传给转轮的能量与水流在转轮进出口之间的动量矩的变化相平衡。没有这种动量矩的改变，转轮就不可能获得水流能量而做功。§2.3水轮机的效率及最优工况一、水轮机的效率(efficiency)水轮机的能量损失导致N<Ns，因此N/Ns=η（效率）效率是由水力效率、流量效率、机械效率组成。1、水力损失(headloss)及水力效率蜗壳、导叶、转轮、尾水管——沿程损失hl水流——∑h旋涡、脱流、撞击

——局部损失hw水轮机的水力效率为

H——为工作水头2、流量损失(waterloss)及流量效率（容积效率）水流通过转动部分与非转动部分间隙直流入尾水管的流量为q，此部分流量不经过转轮作功，称漏损。容积效率：

Q——水轮机的引用流量3、机械损失(frictionloss)和机械效率水轮机的输入功率：

Ne=9.81(Q-Σq)(H-Σh)ηsηr输出功率：

N=9.81QHηsηrηj机械效率：

ηj=N/Ne

由机械摩擦引起4、水轮机的总效率

η=ηsηrηj提高效率的有效方法是减小水头损失、流量损失、机械摩擦。η根据模型试验得到。二、水轮机的最优工况(optimalworkingcondition)η是出力N的函数，(D，H，n一定时)，一般情况下，水力损失最大，且随N的变化较大。流量损失和机械损失相对较小，且基本不变，而在水力损失中撞击和涡流损失最大。要提高效率就要减少撞击及涡流损失。1、叶片进口设计撞击损失主要发生在转轮叶片进口处。当β1(W1，U)=βe1(进口安放角)时，则为无撞击进口工况。2、叶片出口设计涡流损失主要发生在转轮叶片出口处。(1)、当V2⊥U2时，即α2=90°，水流平行主轴，Vu2=0，为法向出口，无涡流损失。

(2)、α2≠90°时，Vu2≠0，(出口旋转分速)产生涡流损失，尾水管中有脉动、汽蚀振动；

α2>90°时为大出力，存在有较小的涡流损失；

α2<90°时为小出力，存在有较大的涡流损失，应避免小出力。3、反击式水轮机最优工况同时满足β1=βe1、α2=90°(V2⊥U2)时，进口无撞击，出口无涡损，η最高，称为水轮机的最优工况。一般α2略小于90°时，效率较高，出力N=(85~90)%N额，运行稳定，汽蚀性能好。4、ZZ、XL水轮机在不同工况下，可以进行双调节(导叶开读a0、叶片角度φ)，一般可使水轮机在较大范围内达到或接近进口无撞击、出口无涡流，具有较宽广的效率区。§2.4尾水管的工作原理一、尾水管(draughttube或tailtube)的工作原理

尾水管空间图

尾水管原理示意图1、无尾水管时：假定转轮高出下游尾水面(5—5)。水轮机出口处的总能量损失：

当用相对压力表示式(p2=pa)：

水流出转轮后，进入大气，自由落入下游水面，部分能量未被利用。2、有尾水管时(设有一圆锥形尾水管)：尾水管的出口在水面以下，尾水管的全部保持密闭)，由2—2到5—5断面间的能量方程：

简化为：因此，设置尾水管以后，在转轮出口形成了压力降低，出现了真空现象，真空由两部分组成：(1)静力真空：(落差)，也称为吸出高度，(2)动力真空：有尾水管后转轮出口(2—2)能量损失：

3、尾水管的作用：有尾水管后水轮机多利用的能量

作用：(1)、汇集转轮出口水流，排往下游。

(2)、当Hs>0时，利用静力真空。

(3)、利用动力真空Hd。二、尾水管的动能恢复系数尾水管的静力真空Hs取决于水轮机的安装高程，与尾水管的性能无关；衡量尾水管性能好坏的标志是恢复动能的程度（与尾水管尺寸有关），一般用动能恢复系数ηw表示。

>0.8

时，效果较好；≦0.3～0.4时，效果较差。§2.5水轮机的汽蚀一、

汽蚀概述1、空化(cavitation)及汽化压力(vapouring)的概念水沸腾为汽化，汽化是由气压和水温决定的。水在一定压力下加温的汽化为沸腾；环境温度不变压力降低引起的汽化叫空化。在给定温度下，液体开始汽化的临界压力为该温度下的汽化压力(Pb)。2、水轮机的汽蚀(1)、汽蚀破坏的机理由

可知，当V↑→P↓,当P=Pb时，水开始汽化→汽泡（水蒸气+空气）→进入高压区（汽泡时蒸气变成水，汽泡内气体稀薄，出现强大真空，汽泡外面的水流质点在内外压差的作用下急速向汽泡中心压缩、冲击）在汽泡内形成很大的微观水击压力（可达几百大气压）；汽泡产生反作用力向外膨胀，压力升高，水流质点向外冲击。大量汽泡连续不断地产生与溃灭，水流质点反复冲击，使过流通道的金属表面遭到严重破坏—→机械破坏，叫疲劳剥蚀。汽泡被压缩，由于体积缩小，汽化破坏时水流质点相互撞击，引起局部升高(300度)，汽泡的氧原子与金属发生化学反应，造成腐蚀；同时由于温度升高，产生电解作用→化学腐蚀。(2)、水轮机汽蚀定义汽泡在溃灭过程中，由于汽泡中心压力发生周期性变化，使周围的水流质点发生巨大的反复冲击，对水轮机过流金属表面产生机械剥蚀和化学腐蚀破坏的现象，—水轮机的汽蚀。二、

水轮机汽蚀类型1、翼形（叶片）汽蚀：

转轮叶片背面出口处产生的汽蚀，与叶片形状、工况有关。2、间隙汽蚀：当水流通过间隙和较小的通道时，局部流速增大，压力降低而产生汽蚀。3、空腔汽蚀：在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生汽蚀破坏，造成尾水管振动。4、局部汽蚀：在过流部件凹凸不平因脱流而产生的汽蚀。

三、

汽蚀造成的危害1、使过流部件机械强度降低，严重时整个部件破坏。2、增加过流部件的糙率，水头损失加大，效率降低，流量减小，出力下降。3、机组产生振动，严重时造成厂房振动破坏。四、

防止汽蚀措施流速和压力是产生汽蚀最重要的两个原因，因此要控制流速和压力的急剧变化。1、设计制造方面：合理选型，叶型流线设计，表面光滑，抗汽蚀钢衬(不锈钢)。2、工程措施：合理选择安装高程，采取防沙、排沙措施，防止泥沙进入水轮机。3、运行方面：避开低负荷、低水头运行，合理调度，必要时在尾水管补气。§2.6水轮机的汽蚀系数、吸出高和安装高程一、水轮机的汽蚀系数反击式水轮机发生汽蚀破坏的根本原因是过流通道中出现了p<pb的情况，因此防止汽蚀的措施是限制p的降低，使p≥pb。影响水轮机效率的主要原因是翼型汽蚀，所以衡量水轮机汽蚀性能好坏一般是针对翼型汽蚀而言，其标志为汽蚀系数。汽蚀系数б是水轮机汽蚀特征的一个标志，б越大，越容易破坏。通过研究叶片上的压力分布情况，得到叶片上压力最低点（一般为叶片背面靠近转轮叶片出口处)K点的压力为：

K点的真空值Hk.v：

Hs——叶片K点致下游尾水的距离Hk.v由动力真空与静力真空组成。静力真空Hs是吸出高度，取决于水轮机的安装高程，与水轮机的性能无关，，动力真空hk与转轮叶型、水轮机工况、尾水管性能有关，因此表明汽蚀性能的只是动力真空：

(1)、б称水轮机的汽蚀系数，是动力真空的相对值。(2)、б与叶型、工况有关(影响Wk,W2和叶道压力分布)Wk大——W2大——б大。(3)、б与尾水管的性能有关，ηw↑→б↑，汽蚀性能差。(4)、几何形状相似的水轮机，工况相似，б相同；对任一水轮机在既定工况下，б也是定值。(5)、б值影响因素复杂，理论难以确定，广泛使用的方法是进行水轮机模型试验得出бm,并认为б=бm。二、水轮机的吸出高度保证水轮机内不发生汽蚀的条件：pk≥pb

由

工况一定，бH一定，因此，选择Hs限制pk降低。则：

或

水轮机吸出高度Hs是转轮叶片压力最低点到下游水面的垂直高度Zk，但一般K点较难确定，并随工况而改变，规定如下：(1)、立轴混流式水轮机：Hs导叶下部底环平面到下游尾水垂直高度(2)、立轴轴流式水轮机：Hs转轮叶片轴线到下游尾水垂直高度(3)、卧轴贯流式水轮机：Hs叶片出口最高点到下游尾水垂直高度(4)、设计尾水位高于上述高程Hs为负，反之为正(5)、为保证水轮机在运行中不发生汽蚀，对各种工况下Hs进行试验，取其中较小值。三、水轮机的安装高程(Turbinesittinghight)1、立轴HL：导叶中心平面高程

b0

水轮机导叶高度

Za=▽w+Hs+b0/2

▽w

水电站设计尾水位2、立轴ZL：导叶中心平面高程

D1

转轮直径

Za=▽w+Hs+xD1

x轴流水轮机高度系数，随型号变化3、卧轴HL和GL：立轴中心高程

Za=▽w+Hs-D1/2

注：▽w——选用水电站最低尾水位（一台机级组满负荷运行时）§2.7水斗式水轮机的工作原理一、水斗式水轮机的工作特点：(1)、水斗式水轮机的喷嘴将压力水管引来的高压水流的压能转变为自由射流的动能。(2)、射流仅对转轮上几个水斗冲击作功。(3)、作功的整个过程都是在大气压力下进行的，不存在翼形汽蚀问题。(4)、适用于高水头、小流量，当H>300m时，可考虑水斗式水轮机。二、水斗式水轮机工作的基本方程与反击式相同（能量转换方程）：

V0为射流速度：

Kv为射流系数0.97～0.98，H：水轮机设计水头。三、水斗式水轮机的能量损失1、喷嘴损失：沿程、局部（转弯、断面变化、分流）射流收缩、空气阻力2、水斗损失(1)、进口撞击损失：进口V0发生急剧变化(2)、摩擦损失：水斗中急剧转弯扩散(3)、出口损失：没有尾水管，转轮在尾水以上，出口动能和从射流中心到下游之间的落差不能回收。3、容积损失：水斗在转轮上不连续，一小部分水流未能进入水斗作功4、机械损失：主轴在轴承中的磨擦损失、转轮在运动中风阻损失。四、水斗式水轮机效率：

η=ηsηrηj

(85%～90%)五、

水斗式水轮机的安装高程（转轮要尾水位以上)。1、立轴式：

喷嘴射流中心高程

2、卧轴式：

主轴中心高程

hp——排水高度（转轮相对于下游水面），hp=(1.0～1.5)D1

ht——通风高度（排水道机壳底对于下游水面距离）

▽w——下游设计最高尾水位

第三章

水轮机的相似理论及综合特性曲线§3.1

相似理论概述一、几个基本概念1、水轮机特性水轮机在不同工况下运行时，各运行参数(H，Q，n，N，η，б)及这些参数之间的关系，称水轮机的特性。水轮机设计、制造、选型、最佳运行方案、限制条件。由于水轮机水流条件复杂，研究水轮机特性靠理论与实验相结合。2、模型试验试验研究：

原型：尺寸大，试验困难，不经济。

模型：(D:250～460mm，H：2～6m)快、方便，易测量数据，较准确。3、相似理论研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确立这些参数之间的换算关系的理论。二、水轮机相似条件保证模型水轮机与原型水轮机相似，只有符合一定的相似条件(水流运动相似)。1、几何相似：过流通道几何形状相似

(1)、过流通道的对应角相等：βe1＝βe1M；βe2＝βe2M；Φ＝ΦM……(2)、对应尺寸成比例：D1/D1M＝b0/b0M＝a0/a0M＝…….(3)、对应部位的相对糙率相等：△/D1＝△M/D1M

几何相似:大大小小的一套水轮机系列——轮系，同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。2、运动相似：同一轮系水轮机、工况相似

(1)、过流通道的对应点的速度方向相同(2)、过流通道的对应点的速度大小对成比例

即速度三角形相似。3、动力相似：(压力、惯性力、重力、摩擦力等)同一轮系水轮机，水流对应点所受的作用力是同名力、方向相同、大小成比例。3.2水轮机的相似定律、单位参数及比转速一、水轮机的相似定律相似定律：建立模型击原型水轮机各个参数(H、n、N、η)之间的关系。1．流量相似律：几何相似、相似工况下流量之间的关系。(a=aM)

均为固定值，QM可以测得，若ηrM、ηsM、ηr、ηs已知，可求出Q。2.转速相似律：即原型和模型水轮机转速之间的关系。

3.出力相似律：即原型和模型水轮机出力之间的关系。

二、单位参数(在不同轮系之间进行比较)将模型试验结果化成为D1M=1m，HM=1m标准情况下的参数——单位参数，分别用表示。假定：，，，(实际上，原型效率〉模型效率，需修正)1单位流量：

(m3/s)2单位转速：

(r/min)3单位出力：

(KW)单位参数对同一轮系水轮机在不同的相似工况下分别为一常数(工况不同，单位参数不同)。单位参数由模型试验得出→原形水轮机的参数(相应工况)。冲击式水轮机的单位参数：

通常用，表示水轮机的运行工况。当几何相似，，对应相等时，两个水轮机工况相似。(略去效率、吸出高度和汽蚀系数的影响)三、水轮机的比转速(Specificspeed)1、定义：同一轮系水轮机，当其工作水头H=1m，出力N=1KW时，所具有的转速。2、公式：(m.kW)3、意义：(1)

表示水轮机特征的一个综合参数(与D1无关)，能将水轮机的各个参数n、H、N之间的关系综合反映出来，代表了水轮机的轮系特征。(2)

工况相似时，=常数，即不随工况变化。(3)

一般按H设、N额、n额确定该水轮机轮系的特征参数。

(m.kW)——特征参数水轮机型谱规定

ZL：

HL：

用单位参数表示：

(m.kW)水斗式水轮机：

(m.kW)4、

讨论：

(1)、相似水轮机，工况相似，相同，不同的，反映不同轮系水轮机特征。(2)、当H一定时：↑→Q’1η↑,n’1↑→N↑→n↑。机组尺寸缩小，投资减少，因此提高比转速可以降低造价。(3)、当水头和处理一定时，ns越高，汽蚀系数越大，增加厂房开挖。(4)、比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数目减少。§3.3水轮机的效率换算与单位参数修正一、

水轮机效率换算上节的单位参数公式是在假定相似工况下，实际上(2%～7%)，因此要把转换为η。的原因：→

→。一般只考虑水力效率代，且只考虑最优工况下的水力损失(只有沿程损失)。1、

最优工况下的效率修正

m≈1/4或1/5ZD、HL：

ZZ：

通过模型试验确定，代入上式即可求出原形水轮机效率。2、

一般工况

式中：为最高效率点效率修正值。，为制造工艺误差。(1)

HL、ZD：

，(2)

ZZ

，(3)

水斗式：

当：，不做修正。二、单位参数的修正(η不同，，也要加以修正)只考虑ηs时(即用ηs代替η)：

1最优工况时：

2其他工况时：

一般不作的修正，当时，△忽略不计。§3.5水轮机的模型试验一、模型试验的目的、任务及类型1、目的任务

目的：保证水轮机在工作范围内高效率、稳定运行——研究水轮机在各种工况下的能量特性、汽蚀特性等——必须依靠水轮机模型试验(因水流在转轮中的运动相当复杂，理论分析困难，只有在最优工况下，作些假定后才能进行)任务：水轮机模型试验是按一定比例将原形水轮机缩小为模型水轮机，并采用较低的模型水头HM和较小的QM进行试验，测出各工况下的工作参数，然后通过相似公式换算和修正得出该轮系的综合参数。2、具体事项1)、D1M：250

350

460mm；HM：2~6m；QM：20~30L/s≯2000L/s2)、实际电站正常运行：n=ne

不变，H、Q随N、水库调节变化改变了水轮机工况；模型试验中工况改变：(变化HM较复杂)，一般取HM=C，改变nM和QM。3、类型能量试验、汽蚀试验、飞逸试验、轴向水推力试验等。二、能量试验的任务1、测定模型水轮机在各种工况下的运行效率ηM，通过测量nM、NM、QM、HM四个基本参数，绘制水轮机综合特性曲线和运转特性曲线。2、能量试验台的组成：压力水箱(相当上游水库)，引水室(引水、进水设备)，明槽或压力管道，模型水轮机，尾水槽(尾水渠)，堰槽(测流量)，回水槽(循环用水，用泵打入压力水箱)3、试验参数的测量(1)、HM：HM为压力水箱和尾水槽水位差，用毛水头代替工作水头。(2)、QM：通过测堰顶水头，(3)、nM：机械转速表，由电子脉冲器、光电测速仪(4)、：模型水轮机轴输出功率，通过测动力矩M=P.L

NM=Mω=PLnM/9549.3(kW)

ω=2πnM4、试验方法(1)、HM=const；(2)、选择一定的导叶开度a0M，改变负荷P，使M改变，测量各工况下(nM、NM、QM、HM)，计算η

§3.6水轮机模型综合特性曲线一、

水轮机参数及特性曲线1、水轮机参数：参数关系反映水轮机特性。(1)、结构参数：转轮直径D1，导叶高度b0，导叶开度a0，叶片转角Φ(2)、工作参数：H、Q、n、Hs(3)、综合参数：，轴功率N、η、б2、特性曲线：各参数之间的关系曲线(1)、线性特性曲线：反映2~3个参数之间的关系曲线(2)、综合特性曲线：表示多个参数之间的关系，反映全面，应用广模型综合特性曲线：以为坐标场，绘制了η、a0、б等到值线。二、混流式水轮机的模型综合特性曲线HL240模型综合曲线

首先计算各个工况点

1、等开度线绘制2、等到效率线绘制3、5%出力限制线绘制4、等汽蚀线绘制三、轴流式水轮机的模型综合特性曲线ZZ440模型综合曲线四、冲击式水轮机的模型综合特性曲线

第四章水轮机选择§4.1水轮机的标准系列由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同，水电站的工作水头和引用流量范围也不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。水轮机由于它自身能量特性、汽蚀特性和强度条件的限制，每种水轮机适用的水头和流量范围比较窄，要作出很多系列和品种（尺寸）的水轮机，设计、制造任务繁重，生产费用和成本也大。因此有必要使水轮机生产系列化、标准化和通用化，尽可能减少水轮机系列，控制系列品种，以便加速生产、降低成本。在水电站设计中按自己的运行条件和要求选择合适的水轮机。一、反击式水轮机的系列型谱

表4—1、4—2、4—3、4—4中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。1)、水轮机的使用型号规定一律采用统一的比转速代号。2)、每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。二、水斗式水轮机转轮参数表4—5，系列型谱尚未形成三、水轮机转轮尺寸系列表（表4—6）四、水轮发电机标准同步转速（表4—7）五、水轮机系列应用范围图以H为横座标，N单为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。1、根据Hr、Nr→范围→D1，n。2、水轮机吸出高度的确定Hs：根据hs~H的关系曲线确定。由Hr→hs，Hs＝hs－▽／900§4.2水轮机的选择一、水轮机选择的意义、原则、内容1、意义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，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。2、原则(1)、充分考虑电站特点（水文水能、电力系统技术条件，电站总体布置)。(2)、有利于降低电站投资、运行费、缩短工期，提前发电(3)、提高水电站总效率，多发电(4)、便于管理、检修、维护，运行安全可靠，设备经久耐用(5)、优先考虑套用机组3、内容(1)、确定机组台数及单机容量(2)、选择水轮机型式（型号）

(3)、确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、Za；Z0、d0(4)、绘制水轮机运转特性曲线(5)、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择(6)、根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方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。(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。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，如葛洲坝共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。2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，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／ηfNf—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，此范围即为水轮机的相似工作范围。5、HS的计算计算公式：

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。(二)、用系列应用范围图选参数这种方法根据特征水头、单机容量查水轮机应用范围图选择参数，比较简单，但精度不够，多用于小型水电站的初步设计(三)、套用机组方法根据特征水头、单机容量等选用已建成的相似电站的机组，我国采用较多。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方案之间的能量特性，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、绘制方法：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，高效率区范围窄。偏离最优工况后，效率急剧下降；

ZZ：高效率区范围宽，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、运行限制范围。(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内；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许多点，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内绘出即可。等吸出高度线给出了水轮机在其工作范围内，各运行工况下的最大允许吸出高度，以便进行方案比较，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：当H>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、内径、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：接力器布置方便，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°~30°，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：(1)金属蜗壳：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°内，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=180°~270°，一般取180°，有时φ0=135°，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。

圆周流速的变化规律，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)圆周流速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。已知：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)cm2、

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，布置方便，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=0.253、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、4-186、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：为使岩石稳定，尾水管采用窄深断面(4)加长h3、L2

第五章

水轮机的调速设备§5.1

水轮调节的基本概念一、

水轮机调节任务

电压变化→发电机电压调节系统完成（自动)使U=U电力系统负荷变化

流频率变化f，f=k(p,n)，p不变，只有调节转速n

→f稳定(f=50Hz)，由水轮机调速器完成。水轮机调节的任务：1、随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。2、保持机组转速和频率变化在规定范围内。3、启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节(负荷分配)。二、水轮机调节原理(一)、原理：水轮发电机组的运动方程式为：

式中：——水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)；

——发电机的阻力矩(发电机定子对转子的作用力矩与相反)；

——机组惯性矩；

——角加速度；(1)当=时，=0，(2)N↓→↓→〉→〉0→n↑(3)N↑→↑→〈→〈0→n↓所以当负荷变化时，应调节，使=，，f=50Hz。又：要使，一般不能改变H和效率η(做不到或不经济)，而是通过改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的。调节流量的途径：反击式：通过改变导叶开度a0ZZ：同时改变叶片转角。

冲击式：通过改变喷嘴开度(二)、水轮机调节的定义：随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度(或针阀行