第四章 水轮机特性及选型

1、水水 电电 站站 2014年6月 第四章第四章 水轮机的特性曲线及选型水轮机的特性曲线及选型 第一节第一节 水轮机的相似原理概述水轮机的相似原理概述 一、几个基本概念一、几个基本概念 1、水轮机特性、水轮机特性 各运行参数各运行参数(H，Q，n，N，)及参数之间的关系及参数之间的关系 理论理论: 基本方程式，水力学，计算方法基本方程式，水力学，计算方法 实验：实验： 原型实验，模型试验，计算机模拟原型实验，模型试验，计算机模拟 1 12 2 () huu Hrr g vv 2、模型试验、模型试验：(D : 250460mm，H ：26m) 基础性试验：寻找新产品基础性试验：寻找新产品 专门实验

2、：特定水电站，解决问题，最优水轮机专门实验：特定水电站，解决问题，最优水轮机 3、相似理论、相似理论 原型原型- 模型模型 怎样保证模型与原型相似？怎样相互换算参数？怎样保证模型与原型相似？怎样相互换算参数？ 二、水轮机相似条件二、水轮机相似条件 1、几何相似：、几何相似： (1) 对应角相等：对应角相等： b1b1M ；b2b2M ；M (2) 尺寸成比例：尺寸成比例： D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M. (3) 对应部位的相对糙率相等：对应部位的相对糙率相等： / D1M/D1M 几何相似的水轮机几何相似的水轮机轮系，系列，型号。轮系，系列，型号。 (1) 对应点的速度方向相同。对应点

3、的速度方向相同。 (2) 对应点的速度大小对成比例，对应点的速度大小对成比例， 即速度三角形相似。即速度三角形相似。 同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。同一轮系的水轮机才能建立运动相似和动力相似。 几何相似就运动相似吗？几何相似就运动相似吗？ 同一轮系水轮机，保持运动相似同一轮系水轮机，保持运动相似相似工况相似工况 2、运动相似：、运动相似： 3、动力相似、动力相似 对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。对应点所受的同名作用力方向相同、大小成比例。 (压力、惯性力、重力、粘滞力等压力、惯性力、重力、粘滞力等) MMMM pFG pFG 能否做到？能否做到？ 宏观流场，微观流场宏

4、观流场，微观流场 主要矛盾：建立关系主要矛盾：建立关系 次要矛盾；次要矛盾；参数修正参数修正 第二节第二节 水轮机的相似率、单位参数和比转速水轮机的相似率、单位参数和比转速 一、水轮机的相似定律一、水轮机的相似定律 相似定律：相似定律：水轮机在相似工况下运行时，各工作水轮机在相似工况下运行时，各工作 参数参数(H、n、N、)之间的固定关系。之间的固定关系。 流量相似律 转速相似律 出力相似律 1、流量相似律、流量相似律 有效流量：有效流量： C HD Q HD Q s sMMM MM 2 1 0 2 1 0 11Vm QF v 11 2 mmh KgH v v 2 11 FD 2 11 2 m

5、h V KDgH Q v 2 M1 2 M1MMM Vh Q Vh QDH QDH 或或 2、 转速相似律：转速相似律： C H nD H Dn ssMM MM 11 1 11 2 60 h Dn uKgH u 1 1 602 uh KgH n D 1M M1MM h n h DHn nDH 或或 C HD N HD N jsjMsMMM M 2/ 32 1 2/ 32 1 )()( 3、出力相似律、出力相似律 2 11 2 mh V KDgH Q v 9.81NQH 3 22 1 2 MM1MMM mh P mh HPD PDH 或或 v效率问题：效率问题： 效率未知效率未知 三个效率怎样分

6、开？三个效率怎样分开？ 假定：相等假定：相等 实际实际: 原型效率大于模型效率，原型效率大于模型效率，需修正需修正) v【例例】已知模型水轮机标称直径已知模型水轮机标称直径0.25m，模，模 型水头型水头3.5m，模型效率，模型效率90%，相应的模型转，相应的模型转 速速500r/min，流量，流量0.15m3/s。求标称直径。求标称直径5m、 水头水头87.5m的同型号原型水轮机的流量、转速的同型号原型水轮机的流量、转速 和出力各为多少？（假定原型与模型效率相和出力各为多少？（假定原型与模型效率相 等）等） 相似率解决的问题：相似率解决的问题： 同轮系水轮机的模型、原型参数换算同轮系水轮机的

7、模型、原型参数换算 未解决的问题：未解决的问题： 1. 不同轮系水轮机的性能比较不同轮系水轮机的性能比较 2. 同轮系水轮机不同工况性能比较？不同尺寸水轮同轮系水轮机不同工况性能比较？不同尺寸水轮 机性能比较？机性能比较？ 需要有一个统一标准需要有一个统一标准 二、单位参数二、单位参数 将模型试验成果按将模型试验成果按相似率相似率转化为转化为D1M=1m， HM=1m标准情况下的参数标准情况下的参数单位参数，单位参数， 假定：假定： )( 111 NnQ， sMs M00 jMj M 1、 单位流量单位流量 2、 单位转速单位转速 3、 单位出力单位出力 HD Q Q 2 1 1 HDQQ 2

8、 11 H nD n 1 1 1 D Hn n 2/32 1 1 HD N N 2/32 11 HDNN 22 11 QQ DHDH M MM 11 n Dn D HH MM M M 33 22 22 11MM PP D HDH v 单位参数是同轮系水轮机的单位参数是同轮系水轮机的“代表代表”参数，参数，Q1，n1 表示水轮机的运行工况表示水轮机的运行工况 v 同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数，同型号的水轮机在相似工况下的单位参数为常数，不不 同工况下单位参数分别为一常数同工况下单位参数分别为一常数(工况不同，单工况不同，单 位参数不同位参数不同) v在最优工况下的单位参数在最优工况

9、下的单位参数最优单位参数，最优单位参数， (Q10, n10, N10)，代表该轮系水轮机的工作性能。代表该轮系水轮机的工作性能。 v单位参数由模型试验得出单位参数由模型试验得出原形水轮机的参数原形水轮机的参数 (相应工况相应工况)。 三、水轮机的比转速三、水轮机的比转速 v定义：同一轮系水轮机，当定义：同一轮系水轮机，当工作水头工作水头H=1m， 出力出力N=1kW时时，所具有的转速。，所具有的转速。 H nD n 1 1 ).( 4/5 kWm H Nn ns 2/32 1 1 HD N N 比转速工程意义比转速工程意义 v表示水轮机特征的综合参数表示水轮机特征的综合参数(与与D1无关无关

10、)，能，能 综合反映参数综合反映参数n、H、 N之间的关系，代表之间的关系，代表 了了水轮机的轮系特征水轮机的轮系特征。 vns随工况变化，随工况变化，用用最优比转速最优比转速，限制工况下，限制工况下 的比转速比较不同轮系水轮机性能，的比转速比较不同轮系水轮机性能， v比转速用来表示水轮机的型号，还用来划分比转速用来表示水轮机的型号，还用来划分 水轮机的类型。水轮机的类型。 v各种类型的水轮机比转速大致范围：各种类型的水轮机比转速大致范围： 贯流式：ns=600-1000 高 高水头小流量 轴流式：ns=200-850 高 斜流式：ns=150-350 中 中水头小流量 混流式：ns=50-3

11、00 中 水斗式：ns=10-70 低 低水头大流量 不同比转速的转轮形状不同比转速的转轮形状 讨论：讨论： v相似水轮机，工况相似，相似水轮机，工况相似，ns相同。不同的相同。不同的ns ，反，反 映不同轮系水轮机特征。映不同轮系水轮机特征。 v当当H一定时：一定时： ns Nn。机组尺寸缩小，投。机组尺寸缩小，投 资减少，因此资减少，因此提高比转速可以降低造价提高比转速可以降低造价。 v当当H和和N一定时，一定时，ns越高，空蚀系数越大越高，空蚀系数越大，需要增，需要增 加厂房开挖。加厂房开挖。 v比转速增加，单位流量增加，比转速增加，单位流量增加，b0/D1增大，叶片数增大，叶片数 目减

12、少。目减少。 第三节第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正水轮机的效率换算与单位参数修正 一、为什么效率换算一、为什么效率换算 1. 单位参数公式假定在相似工况下，单位参数公式假定在相似工况下，=M， 2.实际上实际上M(约约2%7%)。 原因：原、模型不能做到完全相似原因：原、模型不能做到完全相似 容积效率容积效率：缝隙：缝隙 机械效率；机械效率；部件之间的摩擦部件之间的摩擦 水力效率：粗糙度，水流粘滞力，流场水力效率：粗糙度，水流粘滞力，流场 （沿程损失沿程损失，局部损失），局部损失） 第三节第三节 水轮机的效率换算与单位参数修正水轮机的效率换算与单位参数修正 二、水轮机效率换算经验公式二

13、、水轮机效率换算经验公式 1、最优工况下的效率修正、最优工况下的效率修正 1963年国际电工委员会推荐的公式：年国际电工委员会推荐的公式： 混流：混流： 轴流：轴流： 5 1 1 maxmax )1(1 D D M M )()( 7 . 03 . 0)1 (1 10/15/1 1 1 maxmax H H D D MM M 4-33 4-34 2、一般工况、一般工况 vHL、ZD： vZZ ： MmaxmaxM maxmaxM M maxMmax 1%3% 2%5% 大中型水轮机， 中小型水轮机， maxMmax v三、单位参数的修正三、单位参数的修正 1M M1MM h h nDH nDH

14、m ax 1010 M M m ax nn 2 M1 2 M1MMM Vh Vh QDH QDH max 1010M Mmax QQ 仅考虑水力损失，仅考虑水力损失，=s ，令，令D1=lm、H=1m、D1m=lm、Hm=1m， 转速相似率转速相似率 流量相似率流量相似率 最优工况的修正最优工况的修正 三、单位参数的修正三、单位参数的修正 v 最优工况时：最优工况时： v其他工况时：其他工况时： max max 1010 M M QQ max max 1010 M M nn 111 QQQ M 111 nnn M 在工程实践中，当在工程实践中，当 时，单位转速不必修正时，单位转速不必修正 单位

15、流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正单位流量修正值与单位流量的比值较小，一般可不修正 110M 0.03nn m ax 11010M10M Mm ax (1)n nnn m ax 11010M10M Mm ax (1)Q QQQ 第四节第四节 水轮机的主要综合特性曲线水轮机的主要综合特性曲线 一、水轮机模型试验简介一、水轮机模型试验简介 v任务：任务： v1）研究水轮机在研究水轮机在各种工况下各种工况下的能量特性、空的能量特性、空 蚀特性等（绘制主要综合特性曲线）；蚀特性等（绘制主要综合特性曲线）； v2）为确定水轮机的受力特性、飞逸特性以为确定水轮机的受力特性、飞逸特性以 及稳定特性

16、提供依据。及稳定特性提供依据。 类型类型： 根据研究问题精度不同，可分为：根据研究问题精度不同，可分为： （1 1）定性试验（）定性试验（比较性试验比较性试验 ）：）：模型转轮性能的比较和筛选模型转轮性能的比较和筛选 （2 2）定量试验（保证性试验）定量试验（保证性试验 ）：获得该系列模型）：获得该系列模型 机的各种性能参数和指标机的各种性能参数和指标 。 v按用途分为：按用途分为： (1)(1)能量试验能量试验：确定模型水轮机的运行效率确定模型水轮机的运行效率。 (2)(2)空蚀试验：确定水轮机抗空蚀特性。空蚀试验：确定水轮机抗空蚀特性。 (3)(3)飞逸特性试验和轴向水推力特性试验：主要确

17、定飞逸特性试验和轴向水推力特性试验：主要确定 水轮机的飞逸特性和轴向水推力特性。水轮机的飞逸特性和轴向水推力特性。 (4)(4)泥沙磨损试验。确定水轮机的泥沙磨损特性。泥沙磨损试验。确定水轮机的泥沙磨损特性。 反击式水轮机能量试验台 1-压力水箱；压力水箱；2、11-静水栅；静水栅；3、10-溢流板；溢流板；4-标尺；标尺；5-测功器；测功器；6-引水管；引水管；7-模型水轮机；模型水轮机； 8-尾水管；尾水管；9-尾水槽；尾水槽；12-浮筒水位计；浮筒水位计；13-测流堰板；测流堰板；14-回水槽；回水槽；15-循环水泵循环水泵 MM M MMMM 30 PMn Q HQ H 01 a 0

18、a 02 a M H M nM Q 1 Q 1 n M P 导叶导叶 开开 度度 工况工况 点点 试验试验 水水 头头 转速转速轴功轴功 率率 流量流量单位单位 流流 量量 单位转单位转 速速 效效 率率 （mmmm）实验实验 序号序号 （m m）(r/mi(r/mi n)n) (kW)(kW)(m(m3 3/s)/s)(m(m3 3/s)/s)(r/min)(r/min)(%)(%) 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 MM M MMMM 30 PMn Q HQ H 综合：多参数之间的关系曲线。综合：多参数之间的关系曲线。 横坐标：横坐标： Q1 纵坐标：纵坐标：n1 绘制绘制：

19、 (1) 等开度等开度a0线线 (2) 等效率等效率线线 (3) 等汽蚀系数等汽蚀系数线线 (4) 5%出力限制线出力限制线 二、水轮机的主要（二、水轮机的主要（模型模型）综合特性曲线）综合特性曲线 混流式水轮机的模型综合特性曲线混流式水轮机的模型综合特性曲线 (1) 等开度等开度a0线线 (2) 等效率等效率线线 (3) 等汽蚀系数等汽蚀系数线线 (4) 5%出力限制线出力限制线 混流式水轮机等效率线的绘制 （a）等开度和等效率线；（b）辅助线 轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线 高效率区狭窄，随流量变化敏感高效率区狭窄，随流量变化敏感 轴流定浆式水轮机的模

20、型综合特性曲线轴流定浆式水轮机的模型综合特性曲线 ZZ440模型综合曲线模型综合曲线 轴流转浆式水轮机轴流转浆式水轮机的模型综合特性曲线的模型综合特性曲线 (1) 等开度等开度a0线线 (2) 等效率等效率线线 (3) 等汽蚀系数等汽蚀系数线线 （4）等转角线）等转角线 没有出力限制线没有出力限制线 受空蚀条件限制受空蚀条件限制 冲击式水轮机的模型综合特性曲线冲击式水轮机的模型综合特性曲线 (1) 等开度等开度a0线线 (2) 等效率等效率线线 没有等汽蚀系数没有等汽蚀系数线线 没有出力限制线没有出力限制线 已知：已知：H、N的范围的范围 目标：目标：台数、型号台数、型号，使水电站，使水电站充

21、分利用水能，安充分利用水能，安 全可靠运行。全可靠运行。 一、水轮机选型设计的内容一、水轮机选型设计的内容 1. 确定确定机组台数机组台数及及单机容量单机容量 2. 选择水轮选择水轮机型式（型号）机型式（型号）及及装置方式装置方式 3. 确定水轮机确定水轮机参数参数D1、n、Hs、Za；Z0、d0 4. 绘制绘制水轮机运转综合特性曲线水轮机运转综合特性曲线 (第六节第六节) 5. 确定确定蜗壳、尾水管蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机的形式及其尺寸，估算水轮机 的重量和价格。的重量和价格。 (第七节、第八节第七节、第八节) 第五节第五节 水轮机的选择（选型设计）水轮机的选择（选型设计） 6

22、. 调速器及油压装置选择调速器及油压装置选择 （第五章）（第五章） 7. 根据选定的水轮机根据选定的水轮机型式和参数型式和参数，结合水轮机在，结合水轮机在 结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向 厂家提出厂家提出制造任务书制造任务书，最终双方，最终双方共同共同商定机组商定机组 的技术条件，作为进一步设计的依据。的技术条件，作为进一步设计的依据。 二、水轮机选型设计的基本要求二、水轮机选型设计的基本要求 1. 有较好的能量特性，有较好的能量特性，Hr-Nr在额定水头下能保在额定水头下能保 证发出额定出力，额定水头以下的机组受阻容量证发出额定出力，额定水头

23、以下的机组受阻容量 小，水电站全厂机组平均效率高。小，水电站全厂机组平均效率高。 2. 有良好的抗空蚀和抗磨损性能，运行稳定，可靠有良好的抗空蚀和抗磨损性能，运行稳定，可靠 灵活。灵活。 3. 结构设计合理，便于安装、操作、检修与维护、结构设计合理，便于安装、操作、检修与维护、 运输。运输。 4. 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好 的制造厂商。的制造厂商。 5. 考虑适度合理的经济节省原则。考虑适度合理的经济节省原则。 1.枢纽资料：（枢纽资料：（1）河流总体规划：梯级开发方案、水河流总体规划：梯级开发方案、水 库的调节性能库的调节性能 （2

24、）水电站：枢纽布置方案、电站总）水电站：枢纽布置方案、电站总 装机容量（装机容量（3）地形、地质、水质、泥沙情况（）地形、地质、水质、泥沙情况（4）水）水 文资料：文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲 线。线。 2.电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行 方式等。方式等。 3.水轮机产品技术资料：系列型谱、生产厂家、产品目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。录、模型综合特性曲线。 4.运输、安装技术条件运输、安装技术条件 5.其他其他 三、所需要的有关资料三

25、、所需要的有关资料 四、机组台数及单机容量的选择四、机组台数及单机容量的选择 实质：方案经济比较，与选型、参数选择交叉进行 1. 机组台数与电站投资的关系机组台数与电站投资的关系 台数多台数多单位千瓦（耗材多、制造量大）投资单位千瓦（耗材多、制造量大）投资阀门、调速、管道、阀门、调速、管道、 辐设、电气等增加辐设、电气等增加厂房尺寸增加。厂房尺寸增加。 一般选用较大的一般选用较大的N单 单 2 、机组台数与机电设备制造的关系、机组台数与机电设备制造的关系 台数多台数多N单 单尺寸（ 尺寸（D1）小）小制造运输制造运输容易容易 （相反，大机组制造困难）（相反，大机组制造困难） 三峡三峡(9.8m

26、,700MW)、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级、水布垭、小湾、龙滩、向家坝、溪洛渡、锦屏二级 3 3、机组台数与运行效率的关系、机组台数与运行效率的关系 单台机组：？单台机组：？ 整个电站：台数多整个电站：台数多负荷分配灵活负荷分配灵活平均效率平均效率 担任基荷：可用较少的台数，在较长时间内以最优担任基荷：可用较少的台数，在较长时间内以最优 工况运行，平均效率比较高。工况运行，平均效率比较高。 担任峰荷：应选用较多的台数，以增加其运行灵活担任峰荷：应选用较多的台数，以增加其运行灵活 性，提高整体运行效率。性，提高整体运行效率。 轴流定浆式：选用较多台数轴流定浆式：选用较多台数 轴

27、流转浆式和水斗式：选用较少台数。轴流转浆式和水斗式：选用较少台数。 4 4、机组台数与电站运行维护工作的关系、机组台数与电站运行维护工作的关系 v台数多，运行灵活，事故影响小，事故几率增台数多，运行灵活，事故影响小，事故几率增 加，管理人员增加、运行费提高加，管理人员增加、运行费提高 5. 5. 台数与电气主接线的关系台数与电气主接线的关系 v扩大单元接线：机组宜选偶数台数。扩大单元接线：机组宜选偶数台数。 v采用单元接线：不受奇偶台数限制采用单元接线：不受奇偶台数限制 v总之总之， v一般应采用较大的一般应采用较大的N N单 单，较少的台数，但一般至少 ，较少的台数，但一般至少 应选应选2

28、2台台 v中型电站一般中型电站一般4646台，大型电站一般台，大型电站一般6868台台 v葛洲坝共葛洲坝共2121台，装机台，装机2715MW2715MW， v三峡三峡2626700700，共装机，共装机18200MW18200MW（坝后厂房坝后厂房），），6 6台台 右岸地下厂房右岸地下厂房 。 五五 水轮机的标准系列水轮机的标准系列 1、水轮机的系列型谱、水轮机的系列型谱 v我国我国1974年编制了反击式水轮机暂行系列型谱年编制了反击式水轮机暂行系列型谱 大中型轴流式水轮机转轮参数大中型轴流式水轮机转轮参数 适用水适用水 头头 转轮转轮 型号型号 转轮转轮 叶片叶片 数数 Z1Z1 轮毂轮

29、毂 比比 导叶相导叶相 对高度对高度 最优单最优单 位转速位转速 推荐使推荐使 用的单用的单 位最大位最大 流量流量 模型空化系模型空化系 数数 3 38 8ZZ600ZZ6004 40.330.330.4380.438142142200020000.70.7 10102222ZZ560ZZ5604 40.400.400.400.40130130200020000.590.590.770.77 15152626ZZ460ZZ4605 50.500.500.3820.382116116175017500.60.6 20203636ZZ440ZZ4406 60.500.500.3750.37511

30、5115165016500.380.380.650.65 30303535ZZ360ZZ3608 80.550.550.3500.350107107130013000.230.230.400.40 (m)H 1 / g d D 01 /bD 10(r/min) n 1(L /s) Q M (m )H 01 /bD10(r /min) n 1(L/s) Q M 适用水头适用水头 转轮转轮 型号型号 导叶相对导叶相对 高度高度 最优单位转最优单位转 速速 推荐使用的推荐使用的 单位最大流单位最大流 量量 模型空化系数模型空化系数 3030HL310HL3100.3910.39188.388.314

31、0014000.3600.360* * 25254545HL240HL2400.3650.36572.072.0124012400.2000.200 35356565HL230HL2300.1350.13571.071.0111011100.1700.170* * 50508585HL220HL2200.2500.25070.070.0115011500.1330.133 9090125125HL200HL2000.2000.20068.068.09609600.1000.100 9090125125HL180HL1800.2000.20067.067.08608600.0850.085 11

32、0110150150HL160HL1600.2240.22467.067.06706700.0650.065 140140200200HL110HL1100.1180.11861.561.53803800.0550.055* * 180180250250HL120HL1200.1200.12062.562.53803800.0600.060 230230320320HL100HL1000.1000.10061.561.52802800.0450.045 大中型混流式水轮机转轮参数大中型混流式水轮机转轮参数 2、水轮机转轮标称直径系列、水轮机转轮标称直径系列(cm) 253035(40)4250

33、6071(80)84 100120140160180200225250275300 330380410450500550600650700750 8008509009501000 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。 3、水轮发电机标准同步转速、水轮发电机标准同步转速 磁极对数磁极对数345789101214 同步转速同步转速n1000750600428.6375333.3300250214.3 磁极对数磁极对数161820222426283032 同步转速同步转速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8

34、 磁极对数磁极对数3436384042444850 同步转速同步转速n88.283.3797571.468.262.560 4、水轮机系列应用范围图、水轮机系列应用范围图 中小型水轮机应用范围图中小型水轮机应用范围图 五、水轮机型号及主要参数的确定五、水轮机型号及主要参数的确定 依据：依据：N单 单，特征水头 ，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根据水轮机系列型谱选择根据水轮机系列型谱选择 查系列型谱查系列型谱 水轮机型号。水轮机型号。 模型综合特性曲线模型综合特性曲线 主要参数主要参数 （下一问题下一问题） 如果两种以上型号适用，应进行如果两种以上型号适用，应进行方案比较方

35、案比较。 受标准系列的限制有时难以获得最优设计效果。受标准系列的限制有时难以获得最优设计效果。 适用：大中型水电站适用：大中型水电站 2 2、专题研究法、专题研究法 特别重要或大型水电站，需进行专门研究，所需特别重要或大型水电站，需进行专门研究，所需 时间和费用高。时间和费用高。 3 3、查系列范围图法、查系列范围图法 水头范围和单机出力水头范围和单机出力 型号、转轮直径、转速及吸出高度。型号、转轮直径、转速及吸出高度。 。 适用适用:中小型中小型，或电站规划、任务书和可行性研究阶段，或电站规划、任务书和可行性研究阶段 ZZ440系列水轮机应用范围系列水轮机应用范围 4 4、采用套用机组、采用

36、套用机组 特征水头、特征水头、N N单 单，经济技术指标相近时，优先套用已用机组 ，经济技术指标相近时，优先套用已用机组 适用：适用：小型的选型设计，大中型的小型的选型设计，大中型的初步初步选型选型 5 5、直接查产品样本、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。直接查设备厂家的产品样本，适用于小型电站。 6 6、统计分析法、统计分析法 对大量已建水电站的参数进行统计，建立水轮机各对大量已建水电站的参数进行统计，建立水轮机各 参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。 七、反击式水轮机主要参数的确定（七、反击式水轮机主要参数的确定

37、（模型综合特性曲线）模型综合特性曲线） 反击式主要参数：反击式主要参数： 转轮直径转轮直径D1，转速，转速n、吸出高、吸出高Hs。 D1、n应该满足：在应该满足：在Hr下，发出下，发出Nr；在；在Hav时，时，最高。最高。 吸出高吸出高Hs应满足：防止水轮机空蚀，开挖深度合理应满足：防止水轮机空蚀，开挖深度合理。 冲击式：冲击式： 转轮直径转轮直径D1，转速，转速n ，喷嘴数，喷嘴数Z0、射流直径、射流直径d0， ，水 水 斗数斗数Z1等等 方法：方法： 1、D1的确定（的确定（额定水头发出额定出力额定水头发出额定出力） rrr HHDQN 2 11 81. 9 2/3 1 1 81. 9 r

38、 r HQ N D 9.81 rrr PQ H 1 2 1 r r Q Q DH 额定出力：额定出力： 查转轮标称直径系列，选用相近而偏大的标准直径： (1) Nr(水轮机额定出力水轮机额定出力) Nr= Nf /f (2) 用用 H=Hr计算。计算。 (3)：原型水轮机的效率（在限制工况下），：原型水轮机的效率（在限制工况下）， 一般先取一般先取=M+ (=23%)，求得，求得D1 后再修正。后再修正。 与假定相近，与假定相近，D1正确；否则，重新计算正确；否则，重新计算。 2/3 1 1 81.9 r r HQ N D (4) Q1 : 在在N= Nr时，取限制工况下的时，取限制工况下的Q

39、1和和M 混流式混流式: 最优单位转速与最优单位转速与5%出力限制线交点，出力限制线交点， 轴流轴流式式: 限制工况由空蚀条件决定，为防止开挖过大，常采限制工况由空蚀条件决定，为防止开挖过大，常采 用限制水轮机吸出高度用限制水轮机吸出高度HS反推反推Q1 和和z 。 装置空蚀系数。装置空蚀系数。 最优单位转速与空蚀系数最优单位转速与空蚀系数交点交点 H H s z 900 10 2、的修正计算的修正计算 查查综合特性曲线综合特性曲线得出得出Mmax， 换算换算max： ： =max-Mmax-1-2 1=1%2%(表示工艺水平表示工艺水平)，2=1%3%(表示异形部件，即表示异形部件，即 原型

40、水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾水管不一样原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾水管不一样) 如如=M+，与假定出入太大，应重新计算。，与假定出入太大，应重新计算。 5 1 1 maxmax )1 (1 D D M M 3 3、转速的选择、转速的选择 n n1 1 用用最优单位转速最优单位转速n n10 10 ， ， n n10 10= =n n 10M 10M+ + n n1 1, 水头水头H=HH=Ha a。 选发电机转速选发电机转速相近而偏大相近而偏大的标准同步转速。的标准同步转速。 1 10 1 1 D Hn n D Hn n a 4 4、工作范围的验算、工作范围的验算 在模型综合特性曲线上绘出

41、水轮机的工作范围，检验是否在模型综合特性曲线上绘出水轮机的工作范围，检验是否 包括了高效率区包括了高效率区 1 1）按水轮机的按水轮机的额定水头额定水头和选定的直径计算水轮机以和选定的直径计算水轮机以额定额定 出力出力工作时的最大单位流量工作时的最大单位流量Q Q1max 1max， ， 2 2）按最大水头，最小水头以及选定的直径、转速，分别）按最大水头，最小水头以及选定的直径、转速，分别 计算出最小和最大单位转速和。计算出最小和最大单位转速和。 在综合特性曲线上以在综合特性曲线上以Q Q 1max 1max、 、n n 1min 1min和 和n n 1max 1max作直线，此范围 作直线

42、，此范围 即为水轮机的相似工作范围即为水轮机的相似工作范围 HD Q Q 2 1 1 9.81NQH 1 1 n D n H 5 5、H HS S的计算的计算 采用水轮机额定水头发出额定出力工况的参数采用水轮机额定水头发出额定出力工况的参数 水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、水电站的开水轮机方案确定后，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。挖情况等进行技术经济比较后确定。 1 1 n D n H 10() 900 sr HH HD Q Q 2 1 1 方案比较分析方案比较分析 (m)H 10(r/min) n 10(L/s) Q Mmax(%) (m)H 1(m)

43、 D (r / m in)n m ax (% ) 3 (m /s)Q ( m) s H 推荐使用的水头范围推荐使用的水头范围 序号序号项目项目HL240HL240ZZ440ZZ440 1 1 模型转模型转 轮参数轮参数 2525454520203636 2 2最优单位转速最优单位转速7272115115 3 3最优单位流量最优单位流量11001100800800 4 4最高效率最高效率92928989 5 5空化系数空化系数0.1950.1950.420.42 6 6 原型水原型水 轮机参轮机参 数数 工作水头范围工作水头范围24.7224.7235.8735.8724.7224.7235.8

44、735.87 7 7转轮直径转轮直径3.33.33.33.3 8 8转速转速125125214.3214.3 9 9最高效率最高效率94.694.691.691.6 1010额定出力额定出力 N N（KWKW）17750177501775017750 1111最大引用流量最大引用流量69.0169.0170.9370.93 1212吸出高度吸出高度3.273.27-3.14-3.14 ？ 第六节第六节 水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线的绘制 模型综合特性曲线模型综合特性曲线运转综合特性曲线运转综合特性曲线 对象对象模型水轮机模型水轮机原型水轮机原型水轮机 坐标坐标（Q Q1 1 ,

45、, n n1 1 ）（N, HN, H） 组成组成等开度等开度a0a0线线 等效率等效率线线 等汽蚀系数等汽蚀系数线线 5%5%出力限制线出力限制线 等转角线（等转角线（ZZZZ） 等效率等效率线线 等吸出高度等吸出高度HsHs线线 发电机出力限制线发电机出力限制线 + +水轮机出力限制线水轮机出力限制线 等转角线（等转角线（ZZZZ） 反映内容反映内容同轮系水轮机特性同轮系水轮机特性某一原型水轮机特性某一原型水轮机特性 绘制依据绘制依据模型试验数据模型试验数据模型综合特性曲线模型综合特性曲线 相似理论相似理论 用途用途 产品研发、制造、选型产品研发、制造、选型 设计、运行设计、运行 HL式水

46、轮机运转特性曲线式水轮机运转特性曲线 等效率线等效率线 等吸出等吸出 高度线高度线 发电机发电机 水轮机出力限制线水轮机出力限制线 ZZ600-LH-330水轮机运转综合特性曲线水轮机运转综合特性曲线 等效率等效率线线 等吸出高度等吸出高度Hs线线 发电机出力限制线发电机出力限制线 +水轮机出力限制线水轮机出力限制线 等转角线（等转角线（ZZ） 1. 等效率线等效率线=f(H,N) 准备工作：准备工作： 效率：效率： 单位转速：单位转速： 单位流量：单位流量： 出力：出力： 9.81NQH M 1 1M111 nD nnnn H 1 1 n D n H 1 2 1 Q Q DH maxMmax

47、 max 11010M10M Mmax (1)nnnn max 11010M10M Mmax (1)QQQQ N=9.81D12H3/2Q1 5 1 1 maxmax )1 (1 D D M M H Hmax max H Hr rH HH Hmin min = = N=9.81DN=9.81D1 12 2H H3/2 3/2Q Q1 1 = = N=9.81DN=9.81D1 12 2H H3/2 3/2Q Q1 1 = = N=9.81DN=9.81D1 12 2H H3/2 3/2Q Q1 1 = = N=9.81DN=9.81D1 12 2H H3/2 3/2Q Q1 1 M MQQN

48、NM MQQ1 1N NM MQQ1 1N NM MQQ1 1N N 87878787 88888888 89898989 5%出力限制线 88.588.59090 等效率曲线计算表等效率曲线计算表 1 1 1 n H nD n M 1 1 1 n H nD n M 1 1 1 n H nD n M 1 1 1 n H nD n M 5 1 1 maxmax )1(1 D D M M 做水平线做水平线 取多个水头取多个水头 修正修正 计算计算N 绘制辅助曲线绘制辅助曲线 ()fP 效率特性曲线 对应到（对应到（H,N）坐标中）坐标中 顶点的绘制顶点的绘制 步骤：步骤： v1. 1. 取多个水头

49、取多个水头 v2.2.计算单位转速计算单位转速n n1 1，并修正到模型，并修正到模型n n1m 1m v3. 3. 做单位转速做单位转速n n1m 1m 水平线与效率曲线相交，记水平线与效率曲线相交，记 录交点数据录交点数据(m m，Q1) ，修正，修正Q1、 ，计算，计算N N v4. 4. 做不同水头做不同水头效率效率- -出力出力辅助曲线辅助曲线 v5.5.对应到水头对应到水头- -出力坐标系中，成为等效率曲线出力坐标系中，成为等效率曲线 (1)(1)发电机额定出力限制线。发电机额定出力限制线。 当当HHr时，水轮机限制时，水轮机限制Nr内；内； 出力限制线是过点出力限制线是过点A（N

50、r ，Hr） 的垂直线。的垂直线。 2.出力限制线的绘制出力限制线的绘制 （2）水轮机出力限制线）水轮机出力限制线 当当HHr时，水轮机出力受发时，水轮机出力受发 电机额定出力的限制，为垂直线。当电机额定出力的限制，为垂直线。当H40m时，可用钢板衬砌防渗。时，可用钢板衬砌防渗。 适用：低水头大流量电站适用：低水头大流量电站 图2-3 混凝土蜗壳 包角：0=180270，一般 取180，有时0=135 包角：从鼻端到蜗壳进口断面之间的中心角包角：从鼻端到蜗壳进口断面之间的中心角0 断面：梯形 混凝土蜗壳锥管段施工混凝土蜗壳锥管段施工 2、金属蜗壳： 断面：圆形。 包角：345 适用： H40m

51、。中高水头电站。 v（1 1）钢板焊接：）钢板焊接：H=40200mH=40200m，钢板拼装焊接。，钢板拼装焊接。 v（2）铸钢蜗壳：H200m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。 （铸焊和铸造） 金属蜗壳施工中金属蜗壳施工中 蜗壳管节吊装中蜗壳管节吊装中 金属蜗壳金属蜗壳与与混凝土蜗壳混凝土蜗壳比较比较 水头水头类型类型适用适用备注备注 金属蜗壳金属蜗壳H40m 按按 制制 造造 方方 法法 焊接焊接 尺寸较大，尺寸较大， 中、低水头中、低水头 混流式水轮混流式水轮 机机 铸造蜗壳刚铸造蜗壳刚 度大，可作度大，可作 为水轮机的为水轮机的 支承点，一支承点，一

52、 般不全埋入般不全埋入 混凝土；焊混凝土；焊 接蜗壳刚度接蜗壳刚度 小，常埋入小，常埋入 混凝土混凝土 铸焊铸焊 D13m高高 水头混流式水头混流式 水轮机水轮机 铸造铸造 混凝土蜗壳混凝土蜗壳Hn，=20 30， ，=10 20 (b-n)/a=1.21.7 。 。 特点：特点：可以降低水轮机层的地面高程，缩短主轴长度可以降低水轮机层的地面高程，缩短主轴长度, ,接力器布置接力器布置方便。方便。 (iii) mn，=20 30， ，=20 35。 。(b-m)/a=1.21.7 特点：特点：提高水轮机层的地面高程，主轴长度加大提高水轮机层的地面高程，主轴长度加大, , 对于蜗壳下面布置泄水底

53、孔的溢流式厂房较适用。对于蜗壳下面布置泄水底孔的溢流式厂房较适用。 (iv) n=0：平顶蜗壳，b/a=1.51.7，=1015 优点优点：（：（1）接力器布置方便；接力器布置方便； （2）减小下部块体混凝土；）减小下部块体混凝土； （3）降低水轮机层的地面高程，缩短主轴长度；降低水轮机层的地面高程，缩短主轴长度； （4 4）水流条件不太好。水流条件不太好。 问题问题; ; (1)(1)金属蜗壳断面做成方形、梯形，可以吗？金属蜗壳断面做成方形、梯形，可以吗？ （2 2）混凝土蜗壳断面做成圆形、方形怎么样？）混凝土蜗壳断面做成圆形、方形怎么样？ 3、蜗壳进口平均流速： 进口断面流量：进口断面流量

54、： 0 max 360 Q Q c Qmax水轮机的最大引用流量。 VC=QC/FC 三、蜗壳的水力计算及外轮廓尺寸确定 目的：确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘单线图：确定蜗壳各中间断面的尺寸，绘单线图 0 图2-3 混凝土蜗壳 怎么求怎么求? A =Q/V 1. 蜗壳断面流量蜗壳断面流量 进口断面：进口断面： 任意断面：任意断面： Qmax Qmax 0max 0 360 c Q Q m ax 0 360 i i Q Q 2. 断面平均流速 进口平均流速： VcFchw； VcFchw； cr vKH 1- 1960年前国内产品的统计曲线； 2- 19601970年国内产品的统计曲 线 3- 推

55、荐曲线 混凝土蜗壳进口断面平均流速曲线 其他断面： （1） （2）Vu=VC=Const u v rK 图2-8 蜗壳中水流运动 3、金属蜗壳断面尺寸 (1) )蜗壳进口断面：蜗壳进口断面： c c c c VQ V Q F 0 0max 360 断面半径： C c V QF 0 0max max 360 断面外半径： maxmax 2 a rR 断面中心距： maxmax a ra Rmax (2) 中间断面( ) i max 0 360 QQ i i c i u i i V Q V Q F 0 max 360 C i i V Q 0 max 360 iai rR2 iai ra 流量：流量

56、： 面积：面积： 断面半径：断面半径： 断面中心距：断面中心距： 断面外半径断面外半径; (3)绘制蜗壳断面单线图和平面单线图绘制蜗壳断面单线图和平面单线图 v在蜗壳接近尾部处按等面积法修正成椭圆断面在蜗壳接近尾部处按等面积法修正成椭圆断面 平面单线图平面单线图 断面单线图断面单线图 其步骤为：其步骤为：(a) (a) 确定确定0 0 和和V VC C ； (c) 由I确定Fi、i、Ri。 (b) 求Fc、max、Rmax； 2、 混凝土蜗壳 (半解析法) (1) 选择蜗壳包角，选择蜗壳包角，180？ (2) 选择进口平均流速，计算进选择进口平均流速，计算进 口面积口面积 (3) 假定进口断面

57、形式和尺寸，假定进口断面形式和尺寸， a,b,m,n,，计算进口面积，计算进口面积 F0，计算平均流速，计算平均流速vc，判断，判断 是否合理。是否合理。 c c c V Q F 01a Rra （4）假定断面顶角连线变化规律）假定断面顶角连线变化规律 直线：AB线: ni = k1 ai k1= n / a CD线: mi = k2 ai k2= m / a tan 2 1 tan 2 1 22 iiiii nmbaF (5). 绘制单线图绘制单线图 a。设定多个中间断面，求。设定多个中间断面，求 出相应的外缘半径出相应的外缘半径Ri、 面积、包角和平均流速面积、包角和平均流速 tan 2 1 tan 2 1 22 iiiii nmbaF 0 0 F F i i i i i F Q v iai Rra 根据i确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。 另一种做法另一种做法 b 绘制= f (R)辅助线辅助线 第八节、尾水管的型式及其主要尺寸的确定 作用：排水、回收能量。：排水、回收能量。 型式型式：直锥形、弯