《水 电 站》

1. 《水 电 站》 2009年2月

2. 第四章 水轮机选型 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。 根据H、N的范围选择水轮机是水电站主要设计任务之一，目标是使水电站充分利用水能，安全可靠运行。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

3. 第一节 水轮机的标准系列 一、水轮机的系列型谱 • 我国在1974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水头段的性能优异的转轮。 • 型谱中，水轮机转轮型号规定一律用比转速代号。 • 轴流式、混流式、ZD760型、水斗式水轮机系列型谱参数见表4-1~表4-5。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

4. 二、水轮机转轮标称直径系列(cm) 说明：括号内的数字表示仅适用于轴流式水轮机。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

5. 三、水轮发电机标准同步转速 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

6. 四、水轮机系列应用范围图 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

7. 第二节 水轮机选择 一、水轮机选型设计的内容 • 确定机组台数及单机容量 • 选择水轮机型式（型号）及装置方式 • 确定水轮机参数D1、n、Hs、Za；Z0、d0 • 绘制水轮机运转特性曲线 • 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

8. 调速器及油压装置选择 • 根据选定的水轮机型式和参数，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，最终双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

9. 二、水轮机选型设计的基本要求 • 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，水电站全厂机组平均效率高。 • 性能要与水电站的整体运行方式和谐一致，运行稳定，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。 • 结构设计合理，便于安装与操作、检修与维护。 • 选择生产实力强、制造技术水平高、合作信誉好的制造厂商。 • 考虑适度合理的经济节省原则。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

10. 三、所需要的有关资料 • 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。 • 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；水文资料： 特征流量及特征水头、下游水位流量关系曲线。 • 水电站有关经济资料：机电设备价格、工程单价、年运行费等。 • 电力系统资料：系统负荷构成，水电站的作用及运行方式等。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

11. 四、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 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

12. 3、机组台数与运行效率的关系 Z0↑→平均效率↑ (1) 担任基荷时：出力变化小，流量变化稳定，可用较少的台数，使水轮机可以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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

13. 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2715MW，三峡26×700共装机18200MW。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

14. 五、水轮机型号及主要参数的确定 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。 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《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

15. 2、专题研究法 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，根据水电站的具体参数，进行专门设计，但所需时间和费用高。 3、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，一般选用较大的直径。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

16. ZZ440系列水轮机应用范围 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

17. 4、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，优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。 5、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。 6、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《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

18. 六、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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

19. 七、 按综合特性曲线选择水轮机 1、D1的确定 • Nr(水轮机额定出力) Nr= Nf /ηf • 用 H=Hr计算。 • η：原型水轮机在限制工况下的效率，在D1未确定时 一般先取η=ηM+△η (△η=2~3%)，求得D1后再修正。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

20. (4) Q1' 在N= Nr时，取限制工况下的Q1'，并查出限制工况的ηM 混流水轮机由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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

21. 2、η的修正计算 查综合特性曲线得出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，即原型水轮机和模型水轮机的蜗壳和尾水管不一样) 如η=ηM+△η，与假定出入太大，应重新计算。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

22. 3、转速的选择 n1'用最优单位转速n10'， n10'=n'10M+Δn1',水头H=Ha。 转速n随工况而变，要选发电机转速相近而偏大的标准同步转速。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

23. 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 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

24. 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

25. 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

26. 第三节 水轮机运转特性曲线的绘制 • 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，指导水轮机的安全运行。 • 综合反映原型水轮机H、N、η、Hs等参数之间的关系曲线 • 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、空蚀特性、运行限制范围。 • 绘制方法：根据模型综合特性曲线，通过相似定律换算而来。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

27. 水轮机运转特性曲线 等效率线 等吸出高度线 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

28. 等效率线η=f(H,N) 在Hmax ,Hmin之间，取4~6个特征H，其中要包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，绘制每个水头下的η=f(N) 效率修正； 单位转速和单位流量的修正； 运转特性曲线的计算； 一、HL水轮机运转特性曲线 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

29. 等效率曲线计算表 5%出力限制线 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

30. 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n'1。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n'1。 • 在轮系综合特性曲线上绘制n'1的水平线，并查出其与等效率线交点的坐标(ηM, Q'1)； • 计算出原型水轮机的效率； • 按照公式N=9.81Q'1D12H3/2η计算水轮机的出力； (5) 辅助曲线的绘制：以效率η为纵坐标，出力N为横坐标，用表中的数据，对每个水头绘制一条工作特性曲线。见图1。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

31. 图1 图2 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

32. (6) 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《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

33. 出力限制线的绘制 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） 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和B，即为H<Hr时的出力限制线。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

34. 2. 出力限制线的绘制 • 根据表中三个水头下所得到的出力，可以在运转综合特性曲线上绘出三个点。连接着三个点即可得到斜向阴影线。 • 在高水头下，水轮机的出力受发电机最大限制出力的限制，作竖向阴影线N=Nf。 • 整个出力限制线由两部分组成：N=Nf的竖直线段和三个水头下的斜向阴影线。这两条直线的交点即为机组的最终设计水头Hr。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

35. 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

36. 3. 等吸出高度线的绘制 (1) 根据前面等效率曲线计算表的结果作不同水头下Q1'= f(N)的辅助曲线。 (2) 在相应的模型综合特性曲线 上，作各水头下n1’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，由△σ～Hr曲线查得△σ，见下页图 (3) 由Q1可在N=f(Q1)辅助曲线上查得相应的N值，并记入表。 • 由公式计算出不同σ时的Hs。 • 在表内计算N、 σ+Δσ、Hs(Δσ由图查出) 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

37. (6) 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

38. 空蚀系数的修正曲线 P52. 图2-16 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

39. 等吸出高度曲线计算表 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

40. 二、轴流转浆式水轮机运转特性曲线 • 有不同的转角，所以进行效率修正时，应按不同的转角φ计算效率修正值。即在综合特性曲线上的n1'水平线，选取与等φ线相交处的ηM和Q1'。 • 出力限制线的绘制。当H>Hr时，水轮机出力受发电机额定出力的限制，为垂直线。当H<Hr时，水轮机的出力受最大过水能力的限制，即导叶最大开度的限制。 • 等吸出高曲线的绘制和混流式水轮机相同。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

41. 轴流转浆式水轮机等效率曲线计算表 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

42. 第四节 水轮机蜗壳的形式及尺寸确定 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 混凝土蜗壳和钢蜗壳。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

43. 1. 混凝土蜗壳 适用于低水头大流量的水轮机。 H≦40m, 钢筋混凝土浇筑，“T”形断面。 当H>40m时，可用钢板衬砌防渗(H 最大达80m) 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

44. 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。 • 钢板焊接：H=40~200m，钢板拼装焊接。 • 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

45. 1.断面型式与断面参数 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。 二、蜗壳的主要参数 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

46. 混凝土蜗壳：“T”形。 (1) m=n时：称为对称型式 (2) m>n：下伸式 (3) m<n：上伸式 (4) n=0：平顶蜗壳 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。 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

47. 蜗壳中间断面 金属蜗壳 混凝土蜗壳 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

48. 蜗壳末端(鼻端)到蜗壳进口断面之间的中心角φ0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° (2) 混凝土蜗壳：φ0=180°~270°,一般取180°，一大部分水流直接进入导叶，为非对称入流，对转轮不利） 2. 蜗壳包角 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

49. 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 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/

50. 金属蜗壳流速系数 混凝土蜗壳进口断面流速系数 浙江水专国家精品课程《水电站》http://sdz.zjwchc.com/