水轮机选型培训I

1、浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 电电 站站2009年年2月月浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水轮机选型水轮机选型 水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影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、响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益。经济效益。 根据根据H、N的范围选择水轮机的范围选择水轮机是水电站主要是水电站主要设计任务之一，目标是使水电站设计任务之一，目标是使水电站充分利用水能，充分利用水能，安全可靠运行。安全可靠运行。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站

2、http:/ 水轮机的标准系列水轮机的标准系列一、水轮机的系列型谱一、水轮机的系列型谱v我国在我国在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，其中所列出的转轮，是经过长期实践验证在某一其中所列出的转轮，是经过长期实践验证在某一水头段的性能优异的转轮。水头段的性能优异的转轮。v型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号。型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号。v轴流式、混流式、轴流式、混流式、ZD760型、水斗式水轮机系列型、水斗式水轮机系列型谱参数见表型谱参数见表4-1表表4-5。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水轮机选择

3、水轮机选择一、水轮机选型设计的内容一、水轮机选型设计的内容v 确定机组台数及单机容量确定机组台数及单机容量v 选择水轮机型式（型号）及装置方式选择水轮机型式（型号）及装置方式v 确定水轮机参数确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d0v 绘制水轮机运转特性曲线绘制水轮机运转特性曲线1. 确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机确定蜗壳、尾水管的形式及其尺寸，估算水轮机的重量和价格。的重量和价格。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 调速器及油压装置选择调速器及油压装置选择v 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

4、、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。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 有较好的能量特性，在额定水头下能保证发出额有较好的能量特性，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小，水电定出力，额定水头以下的机组受阻容量小，水电站全厂机组平均效率高。站全厂机组平均效率高。v 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行稳定，可靠

5、灵活。有良好的抗空蚀和抗磨损性能，稳定，可靠灵活。有良好的抗空蚀和抗磨损性能，对多泥沙河流的电站更应如此。对多泥沙河流的电站更应如此。v 结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。v 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。v 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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。n水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年水电站有

6、关经济资料：机电设备价格、工程单价、年运行费等。运行费等。n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。三、所需要的有关资料三、所需要的有关资料浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 已知总装机容量已知总装机容量(=Z0N单单)，N单单不同，不同，D1、n 、Hs、均不同。均不同。 1、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 N总总一定，一定，Z0多多N单单尺寸（尺寸（D1）小）小制造运输容制造运输容易易造价高造价高(单位千瓦耗材多、制造量大单位千瓦耗材多、制造量大)。 所以一般选用较

7、大的所以一般选用较大的N单单。 2、机组台数与电站投资的关系、机组台数与电站投资的关系 Z0多多单位千瓦投资单位千瓦投资阀门、调速、管道、辐设、阀门、调速、管道、辐设、电气等增加电气等增加厂房尺寸增加。厂房尺寸增加。 N单单D1尾水管高度低尾水管高度低开挖少开挖少投资少投资少浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Z0平均效率平均效率(1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台数，使水轮机可以在较长时间内以最优较少的台数，使水轮机可以在较长时间内以最优工况运行，其平均效率也比较高。工况运行，其平均效率也比较高。(

8、2) 担任峰荷时：出力变化幅度大，应该选用较多的担任峰荷时：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。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，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。可以选用较少的机组。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 依据：依据：N单单，特征水头，特征水头(Hmax、Hmin、Hav、

9、Hr) 1、 根据水轮机系列型谱选择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。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。如果两种型号均可采用，应进行方案比较。 这种方法有时难以获得最优设计效果。这种方法有时难以获得最优设计效果。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 对特别重要的工程或特别大型的水电站，为对特别重要的工程或特别大型的水电站，为了获得最优设计效果，根

10、据水电站的具体参数，了获得最优设计效果，根据水电站的具体参数，进行专门设计，但所需时间和费用高。进行专门设计，但所需时间和费用高。3、查系列范围图法、查系列范围图法 根据水电站的水头范围和单机出力，在系列根据水电站的水头范围和单机出力，在系列范围总图中查出适应的型号，以及对应的转轮直范围总图中查出适应的型号，以及对应的转轮直径、转速及吸出高度。当有两种机型可供选择时，径、转速及吸出高度。当有两种机型可供选择时，一般选用较大的直径。一般选用较大的直径。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在根据目前国内设计、施工和运行的电站资料

11、，在特征水头相近、特征水头相近、N单单适当，经济技术指标相近时，优适当，经济技术指标相近时，优先套用已经生产过的机组，这样可以节省设计时间、先套用已经生产过的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。尽早供货、提前发电。 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、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，得出水轮机对大量已建水电站的参数进行统计，得出水轮机各参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。各参数之间的统计关系，再根据本电站的参数选择。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水

12、电站http:/ 确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主确定了水轮机的型号后，再计算水轮机的主要参数：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：防止水轮机汽蚀，开挖深应满足：防止水轮机汽蚀，开挖深度合理。度合理。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 按综合特性曲线选择水轮机按综合特性曲线选择水轮机1、D1的确定的确定rrrHHDQN21181. 92/31181.9rrHQND Nr(水轮机额定出力水轮机额定出力) Nr=

13、Nf /f 用用 H=Hr计算。计算。：原型水轮机在限制工况下的效率，在：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定时未确定时 一般先取一般先取=M+ (=23%)，求得，求得D1后再修正。后再修正。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ Q1 在在N= Nr时，取限制工况下的时，取限制工况下的Q1，并查出限制工况，并查出限制工况的的M 混流水轮机由混流水轮机由5%出力限制线得到，出力限制线得到，轴流轴流式由汽蚀式由汽蚀条件得到，或限制条件得到，或限制HS反推反推z，以防止开挖过多。，以防止开挖过多。 z为水轮机装置的汽蚀系数。为水轮机装置的汽蚀系数。HHsz9001

14、0浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 查查综合特性曲线综合特性曲线得出得出Mmax，换算得出，换算得出max。 =max-Mmax-1-2 1=1%2%(表示工艺水平表示工艺水平)，2=1%3%(表示异表示异形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾形部件，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾水管不一样水管不一样) 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。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ n1用最优单位转速用最优单位转速n10， n10=n10M+n1,水头水头H=Ha。 转速转速n随工况而变，要选发电

15、机转速相近而偏大随工况而变，要选发电机转速相近而偏大的标准同步转速。的标准同步转速。11011DHnnDHnna浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 求出水轮机的参数求出水轮机的参数D1、n后，在模型综合特性曲后，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，以验证了高效率区，以验证D1、n的合理性。的合理性。 方法方法：根据：根据Nr、D1、Hr求出求出Q1max，由，由Hmax、Hmin、D1、n求出：求出：n1min和和n1max，在综合特性曲，在综合特性曲线上以线上以Q1max、n1min和和

16、n1max作直线，此范围即作直线，此范围即为水轮机的相似工作范围为水轮机的相似工作范围 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 计算公式：计算公式： 水轮机方案确定后，根据水轮机运行条件、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。水电站的开挖情况等进行技术经济比较后确定。 rsHkH90010浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线的绘制v研究目的研究目的：进一步分析比较原型水轮机各方案之进一步分析比较原型水轮机各方案之间的能量特性，指导水轮机的安全运行。间的能量

17、特性，指导水轮机的安全运行。v综合反映原型水轮机综合反映原型水轮机H、N、Hs等参数之间的等参数之间的关系曲线关系曲线v组成：组成：N为横座标，为横座标，H为纵座标，绘有为纵座标，绘有=f(H,N) Hs=f(H,N), 出力限制线。反映能量特性、空蚀特出力限制线。反映能量特性、空蚀特性、运行限制范围。性、运行限制范围。v绘制方法：绘制方法：根据模型综合特性曲线，通过相似定根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。律换算而来。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 等效率线等效率线=f(H,N)v 在在Hmax ,Hmin之间，取之间，取46个特征个特征H，其中要

18、，其中要包括包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，绘制每个水头下，绘制每个水头下的的=f(N)v 效率修正；效率修正；v 单位转速和单位流量的修正；单位转速和单位流量的修正；v 运转特性曲线的计算；运转特性曲线的计算；浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 为了保证绘制运转综合特性曲线的精确性，在H、N网格上至少绘出三个水头，其中包括Hmax、Hmin和Hr(或Hav)。对每一个水头，计算出对应的n1。v 在轮系综合特性曲线上绘制n1的水平线，并查出其与等效率线交点的坐标(M, Q1)；v 计算出原型水轮机的效率；v 按照公式N=9.81Q1D12H3/2计算水轮机的出

19、力；(5) 辅助曲线的绘制：以效率辅助曲线的绘制：以效率为纵坐标，出力为纵坐标，出力N为横为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条工作坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条工作特性曲线。见图特性曲线。见图1。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 运转综合特性曲线的绘制运转综合特性曲线的绘制 以水头为纵坐标，出力为横坐标，绘出坐标系。见图2。 在图2上绘出几个特征水头的水平线。 在图1上选取几个整数效率值，画出水平线，与辅助曲线形成一些交点。 将上面结点的坐标绘在图2上。 将相同效率数值的点用曲线相连。就绘成了水轮机运转综合特性曲线的等效率曲线。浙江水专国家精品课程

20、浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 出力限制线的绘制出力限制线的绘制 Hr是是N= Nr时的最小水头，当时的最小水头，当HHr时，水轮机限时，水轮机限制在制在N= Nr内；内；A（Nr ，Hr） 当当HHr时，水轮机则受到时，水轮机则受到5%出力限制线的限制，对出力限制线的限制，对限制线上各点分别计算，得限制线上各点分别计算，得出出B(Hmin, Nmin)，连接，连接A和和B，即为，即为HHr时，水轮机出力受时，水轮机出力受发电机额定出力的限制，为垂直线。当发电机额定出力的限制，为垂直线。当H40m时，可用钢时，可用钢板衬砌防渗板衬砌防渗(H 最大达最大达80m)浙江水专国家精品课

21、程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 金属蜗壳金属蜗壳v当当H40m时采用金属蜗时采用金属蜗壳。其断面为圆形，适壳。其断面为圆形，适用于用于中高水头中高水头的水轮机。的水轮机。v钢板焊接：钢板焊接：H=40200m，钢板拼装焊接。钢板拼装焊接。v铸钢蜗壳铸钢蜗壳：H200m时，钢板太厚，不易焊接，与时，钢板太厚，不易焊接，与座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困座环一起铸造而成的铸钢蜗壳，其运输困难。难。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1.断面型式与断面参数断面型式与断面参数 金属蜗壳金属蜗壳：圆形结构：圆形结构参数参数：座环外径、内：座环外径、内径

22、、导叶高度、蜗壳径、导叶高度、蜗壳断面半径、蜗壳外缘断面半径、蜗壳外缘半径。半径。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (1) m=n时：称为对称型式时：称为对称型式 (2) mn：下伸式：下伸式 (3) mn：上伸式：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳：平顶蜗壳v中间断面：中间断面： 蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确蜗壳顶点、底角点的变化规律按直线或抛物线确定。定。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 混凝土蜗壳混凝土蜗壳浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 蜗壳包角蜗壳包角 v蜗壳末端蜗壳末端(

23、鼻端鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角到蜗壳进口断面之间的中心角0(1) 金属蜗壳：金属蜗壳：0=340350,常取常取345(2) 混凝土蜗壳：混凝土蜗壳：0=180270,一般取一般取180，一，一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利）不利） 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 3、蜗壳进口平均流速：、蜗壳进口平均流速： 进口断面流量进口断面流量 Qmax水轮机的最大引用流量。水轮机的最大引用流量。 VcFchw；VcFchw； 一般由一般由HrVC曲线确定曲线确定VC 0max360QQcrccHV浙江水

24、专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 水力计算的目的水力计算的目的: 确定蜗壳各中间断面的尺寸，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。绘出蜗壳单线图，为厂房设计提供依据。 已知：已知：n 水流在蜗壳中的运动规律水流在蜗壳中的运动规律 水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动水流进入蜗壳后，形成一种旋转运动(环流环流)，之后，之后进入导叶进入导叶, 水流速度分解为水流速度分解为Vr、Vu。 进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，进入座环时，按照均匀轴对称入流的要求，Vr=常常数。数。cbarVDDbQH,00max0maxbDQVar浙江水专国家精品课程浙江

25、水专国家精品课程水电站水电站http:/ 圆周流速圆周流速Vu的变化规律，有两种基本假定：的变化规律，有两种基本假定： (1) 速度矩速度矩Vur= C 假定蜗壳中的水流是一种轴对称有势流，忽略粘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，性及摩擦力，Vu会随会随r的增加而减小。的增加而减小。 (2) 圆周流速圆周流速Vu=C：即假定：即假定Vu=VC=C浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 蜗壳的水力计算按蜗壳的水力计算按(Vu=VC=C) （1 1）金属蜗壳水力计算）金属蜗壳水力计算浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 蜗

26、壳进口断面：蜗壳进口断面：v断面半径：断面半径： v从轴心线到蜗壳外缘半径：从轴心线到蜗壳外缘半径： ccccVQVQF00max360CcVQF00maxmax360maxmax2arR浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 中间断面中间断面( )由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：由此可以绘出蜗壳平面图单线图。其步骤为：(i) 确定确定0 和和VC ；(ii) 求求Fc、max、Rmax；(iii) 由由i确定确定Fi、i、Ri。max0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2 i浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品

27、课程水电站水电站http:/ 混凝土蜗壳的水力计算混凝土蜗壳的水力计算(半解析法半解析法) 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 按进口流速求进口断面积；按进口流速求进口断面积；(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其寸，使其(3) 选择顶角与底角点的变化规律选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线直线或抛物线)，以，以虚线表示并画出虚线表示并画出1、2、3.等中间断面。等中间断面。(4) 测算出各断面的面积，绘出：测算出各断面的面积，绘出：F = f(R)关系曲线。关系曲线。(5) 按按 绘出绘出F

28、= f()直线。直线。(6) 根据根据i确定确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图。及断面尺寸，绘出平面单线图。 ciuiiVQVQF0max360cFF浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 尾水管的型式及其主要尺寸尾水管的型式及其主要尺寸一、尾水管型式 直锥形直锥形用于小型水轮机用于小型水轮机 弯锥形弯锥形用于卧轴水轮机用于卧轴水轮机 弯肘形弯肘形（大中型电站）（大中型电站） 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 混流式水轮机浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 进口直锥段：进口直锥段：v进口直锥段是一个垂

29、直的圆锥形扩散管，进口直锥段是一个垂直的圆锥形扩散管，D3为为直锥管进口直径，直锥管进口直径，为锥管单边扩散角。为锥管单边扩散角。v混流式：直锥管与基础环相接，混流式：直锥管与基础环相接，(转轮出口直径转轮出口直径)， =7 9v轴流式：与转轮室里衬相连接，轴流式：与转轮室里衬相连接，D3=0.937D1，=8 10。vh3直锥段高度，其长度增加将会导致开挖直锥段高度，其长度增加将会导致开挖量增加。一般在直锥段加钢板衬。量增加。一般在直锥段加钢板衬。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 肘管：肘管： 90变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为变断面的弯管，进口为圆形断面，出口为矩形断面。矩形断面。F进进/F出出=1.3v曲率半径曲率半径R