1、第四章 水輪機(jī)選擇4.1 水輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)系列由于各開發(fā)河段的水力資源和開發(fā)利用的情況不同，水電站的工作水頭和引用流量范圍也不同，為了使水電站經(jīng)濟(jì)安全和高效率的運(yùn)行，就必須有很多類型和型式的水輪機(jī)來適應(yīng)各種水電站的要求。一、反擊式水輪機(jī)的系列型譜表41、42、43、44中給出了軸流式、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的參數(shù)。1)、水輪機(jī)的使用型號(hào)規(guī)定一律采用統(tǒng)一的比轉(zhuǎn)速代號(hào)。2)、每一種型號(hào)水輪機(jī)規(guī)定了適用水頭范圍。水頭上限是根據(jù)該型水輪機(jī)的強(qiáng)度和汽蝕條件限制的，原則上不允許超過；下限主要是考慮到使水輪機(jī)的運(yùn)行效率不至于過低。二、水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)表45，系列型譜尚未形成三、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪尺寸系列表（表46）四、水

2、輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速（表47）五、水輪機(jī)系列應(yīng)用范圍圖以H為橫座標(biāo)，N單為縱座標(biāo)繪制某一系列水輪機(jī)應(yīng)用范圍。1、根據(jù)Hr、Nr 范圍D1，n 。2、水輪機(jī)吸出高度的確定Hs：根據(jù)hsH的關(guān)系曲線確定。由Hr hs，Hs hs9004.2水輪機(jī)的選擇一、水輪機(jī)選擇的意義、原則、內(nèi)容1、意義水輪機(jī)是水電站中最主要?jiǎng)恿υO(shè)備之一，影響電站的投資、制造、運(yùn)輸、安裝、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益，因此根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機(jī)是水電站中主要設(shè)計(jì)任務(wù)之一，使水電站充分利用水能，安全可靠運(yùn)行。2、原則(1)、充分考慮電站特點(diǎn)（水文水能、電力系統(tǒng)技術(shù)條件，電站總體布置)。(2)、有利于降低電站投資、運(yùn)行費(fèi)、縮短工期，提前

3、發(fā)電(3)、提高水電站總效率，多發(fā)電(4)、便于管理、檢修、維護(hù)，運(yùn)行安全可靠，設(shè)備經(jīng)久耐用(5)、優(yōu)先考慮套用機(jī)組3、內(nèi)容(1)、確定機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量(2)、選擇水輪機(jī)型式（型號(hào)） (3)、確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1、n、Hs、Z a；Z0、d0(4)、繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(5)、估算水輪機(jī)的外形尺寸、重量及價(jià)格、蝸殼、尾水管的形式、尺寸、調(diào)速器及油壓裝置選擇(6)、根據(jù)選定水輪機(jī)型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上、材料、運(yùn)行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務(wù)書，最終由雙方共同商定機(jī)組的技術(shù)條件，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。4、有關(guān)資料(1)、水輪機(jī)產(chǎn)品技術(shù)資料：系列型譜、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品目錄、模型

4、綜合特性曲線。(2)、水電站技術(shù)資料：河流梯級(jí)開發(fā)方案、水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能、水電站布置方案、地形、地質(zhì)、水質(zhì)、泥沙情況、總裝機(jī)容量、水電站運(yùn)輸、安裝技術(shù)條件。(3)、水文情況：特征流量及特征水頭(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav) 、下游水位流量關(guān)系曲線(4)、水電站有關(guān)經(jīng)濟(jì)資料：機(jī)電設(shè)備價(jià)格、工程單價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)等二、機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量的選擇已知總裝機(jī)容量(=Z0N單)，N單不同，D1、n 、Hs、均不同1、機(jī)組臺(tái)數(shù)與機(jī)電設(shè)備制造的關(guān)系N總一定，Z0多N單尺寸（D1）小制造運(yùn)輸容易造價(jià)高(單位千瓦耗材多、制造量大)。所以一般選用較大的N單。2、機(jī)組臺(tái)數(shù)與電站投資的關(guān)系Z

5、0多單位千瓦投資閥門、調(diào)速、管道、輻設(shè)、電氣等增加廠房尺寸增加。N單D1尾水管高度低開挖少投資少3、機(jī)組臺(tái)數(shù)與運(yùn)行效率的關(guān)系Z0多平均效率提高(1) 擔(dān)任基荷時(shí)：出力變化小，流量變化穩(wěn)定，可用較少的臺(tái)數(shù)，使水輪機(jī)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以最優(yōu)工況運(yùn)行，其平均效率也比較高。(2) 擔(dān)任峰荷時(shí)：出力變化幅度大，應(yīng)該選用較多的臺(tái)數(shù)，以增加其運(yùn)行靈活性，提高整體運(yùn)行效率。(3) 對(duì)于軸流定漿和混流式水輪機(jī)，可以選用較多的臺(tái)數(shù)，而對(duì)于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)因其調(diào)節(jié)性能好，可以選用較少的機(jī)組。4、機(jī)組臺(tái)數(shù)與電站運(yùn)行維護(hù)工作的關(guān)系臺(tái)數(shù)多，運(yùn)行靈活，事故影響小，但同時(shí)增加了事故的幾率，也增加了管理人員、提高了運(yùn)行費(fèi)，所以不宜采

6、用過多的臺(tái)數(shù)?？傊?，一般應(yīng)采用較大的N單，較少的臺(tái)數(shù)，但一般至少應(yīng)選2臺(tái)，少數(shù)情況下可選1臺(tái)。中大型電站一般選46臺(tái)，根據(jù)機(jī)組的制造水平和裝機(jī)容量也可以選用更多的臺(tái)數(shù)，如葛洲壩共21臺(tái)，裝機(jī)271.5萬(wàn)千瓦，正在修建的三峽水電站裝機(jī)2670=1820萬(wàn)千瓦。三、水輪機(jī)型號(hào)確定依據(jù)：N單，特征水頭(Hmax、Hmin、Hav、Hr)1 根據(jù)水輪機(jī)系列型譜選擇型號(hào)的選擇主要取決于水頭。各種水輪機(jī)都有一定的使用范圍，根據(jù)電站運(yùn)行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機(jī)的型號(hào)。如果兩種型號(hào)均可采用，應(yīng)進(jìn)行方案比較。2 采用套用機(jī)組根據(jù)目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的電站資料，在特征水頭相近、N單適當(dāng)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)

7、指標(biāo)相近時(shí)，有限套用已經(jīng)生產(chǎn)國(guó)的機(jī)組，這樣可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、盡早供貨、提前發(fā)電。四、反擊式水輪機(jī)主要參數(shù)的確定確定了水輪機(jī)的型號(hào)后，再計(jì)算水輪機(jī)的主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪直徑D1，轉(zhuǎn)速n、吸出高Hs，D1、n應(yīng)該滿足：在Hr下，發(fā)出Nr；在Hav時(shí)，最高。吸出高Hs應(yīng)滿足：防止水輪機(jī)汽蝕，開挖深度合理。(一)、按綜合特性曲線選擇1、D1的確定(kW) (m) (4-4)(1)、Nr(水輪機(jī)額定出力) Nr= Nff Nf發(fā)電機(jī)額定出力（機(jī)組容量），f 發(fā)電機(jī)的效率，大中型：f=0.950.98(2)、：在N= Nr時(shí)，取限制工況下的(查附表1-2)，并查出限制工況的M。HL水輪機(jī)由5%出力限制線得到，軸

8、流式由汽蝕條件得到，或限制HS反推z，以防止開挖過多。 z為水輪機(jī)裝置的汽蝕系數(shù)。 (3)、取H=Hr計(jì)算。若取H=Hmax進(jìn)行計(jì)算，則求出的D1太小，除H=Hmax 以外，均不能發(fā)出Nr。若取H=Hmin進(jìn)行計(jì)算，則求出的D1太大，增加設(shè)備投資，不經(jīng)濟(jì)。(4)、：原型水輪機(jī)再現(xiàn)職工況下的效率，在D1未確定時(shí)，不能得出確切的。 一般先取=M+ (=23%)，求得D1后再修正。2、的修正計(jì)算求得D1后，再查附表1-2，得出Mmax，換算得出max。 =max-Mmax-1-2，1=1%2%(表示工藝水平)，2=1%3%(表示異形部件)最后的出現(xiàn)職工況下的=M+，與假定相比，如出入太大，應(yīng)重新計(jì)算

9、。3、轉(zhuǎn)速的選擇用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，。水頭H=Ha。轉(zhuǎn)速n隨工況而變，要選育發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相近的標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速，見表4-7。4、工作范圍的驗(yàn)算求出水輪機(jī)的參數(shù)D1、n后，在模型綜合特性曲線上繪出水輪機(jī)的相似工作范圍，檢驗(yàn)是否包括了高效率區(qū)，以驗(yàn)證D1、n的合理性。方法：根據(jù)Nr、D1、Hr求出Q1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n1min和n1max，在綜合特性曲線上以Q1max、n1min和n1max作直線，此范圍即為水輪機(jī)的相似工作范圍。5、HS的計(jì)算計(jì)算公式： 水輪機(jī)方案確定后，根據(jù)水輪機(jī)運(yùn)行條件、水電站的開挖情況等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。(二)、用系列應(yīng)用范圍圖選參數(shù)這種方法根據(jù)特征

10、水頭、單機(jī)容量查水輪機(jī)應(yīng)用范圍圖選擇參數(shù)，比較簡(jiǎn)單，但精度不夠，多用于小型水電站的初步設(shè)計(jì)(三)、套用機(jī)組方法根據(jù)特征水頭、單機(jī)容量等選用已建成的相似電站的機(jī)組，我國(guó)采用較多。五、水斗式水輪機(jī)的參數(shù)選擇水斗式水輪機(jī)的參數(shù)選擇是在已知機(jī)組裝置型式、轉(zhuǎn)輪個(gè)數(shù)ZP、噴嘴個(gè)數(shù)Z0條件下，初步確定：射流直徑d0、噴嘴直徑dn、轉(zhuǎn)輪直徑D1、轉(zhuǎn)速n、水斗數(shù)目Z1。1 轉(zhuǎn)輪直徑D1已知： Q1單轉(zhuǎn)輪、單噴嘴在限制工況下的單位流量，查表4-5，P71。取M，為限制工況的效率，查模型特性曲線。2 射流直徑d0 取m=D1/d0，一般使m保持在1020之間。3 噴嘴直徑dn 4 轉(zhuǎn)速n 求出后，選定標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速。

11、為最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速。5 水斗數(shù)目Z1 4.3水輪機(jī)的工作特性曲線和運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線一、特性曲線概述1、研究目的：進(jìn)一步分析比較原型水輪機(jī)各方案之間的能量特性，計(jì)算水輪機(jī)能量指標(biāo)，以評(píng)定所選擇的水輪機(jī)各主要參數(shù)的正確性，指導(dǎo)水輪機(jī)的安全運(yùn)行。2、定義：反映原型水輪機(jī)在各種工況下參數(shù)之間的關(guān)系曲線水輪機(jī)特性曲線。（正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速n不變，當(dāng)H、N變化時(shí)，、隨之變化）3、工作特性曲線：H一定，=f(N)4、運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線：綜合反映H、N、Hs等參數(shù)之間的關(guān)系曲線。5、繪制方法：根據(jù)模型綜合特性曲線，通過相似定律換算而來。二、水輪機(jī)的工作特性曲線(=f(N) , H一定)1、H一定時(shí)，2、在模型綜合特性曲線上，

12、作，交點(diǎn)一組（M，Q1）則原型：=M+， 3、作曲線N曲線4、分析：1)、=0，N0，說明空載時(shí)，水輪機(jī)消耗Nx，維持在額定轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)。2)、c點(diǎn)：max；d點(diǎn)：Nmax；e點(diǎn)：5% Nmax，出力限制。由圖4-7可知 ZD：曲線陡，高效率區(qū)范圍窄。偏離最優(yōu)工況后，效率急劇下降； ZZ：高效率區(qū)范圍寬，變化平穩(wěn)，適用承擔(dān)負(fù)荷變化大而頻繁； HL：變化較大，較ZZ窄。三、水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制組成：N為橫座標(biāo)，H為縱座標(biāo)，繪有=f(H,N) Hs=f(H,N),出力限制線。反映能量特性、汽蝕特性、運(yùn)行限制范圍。(一)、HL水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線1、等效率線=f(H,N)(1)、在Hmax,Hmin

13、之間，取46個(gè)H，包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，繪制每個(gè)水頭下=f(N)(2)、作=1水平線，與=f(N)相交(H，N)，繪制=f(H,N)（上下對(duì)應(yīng)），或列表進(jìn)行，表4-10。2、出力限制線的繪制水輪機(jī)在運(yùn)行中，N受發(fā)電機(jī)的額定出力和5%出力限制線的限制 Nr=Nf/f，Nr為一定值，在HN坐標(biāo)場(chǎng)中表現(xiàn)為一垂直線。(1)、Hr是N= Nr時(shí)的最小水頭，當(dāng)HHr時(shí)，水輪機(jī)限制在N= Nr內(nèi)；A（Nr ，Hr）(2)、當(dāng)HHr時(shí)，水輪機(jī)則受到5%出力限制線的限制，對(duì)限制線上各點(diǎn)分別計(jì)算，得出B(Hmin,Nmin)，連接A、B，即為H40m時(shí)，可用鋼板襯砌防滲。適用于低水頭大流量的水輪機(jī)。

14、2、金屬蝸殼：當(dāng)H40m時(shí)采用金屬蝸殼。其斷面為圓形，適用于中高水頭的水輪機(jī)。(1) 鋼板焊接：H=40200m，鋼板拼裝焊接。(2) 鑄鋼蝸殼：H200m時(shí)，鋼板太厚，不易焊接，與座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運(yùn)輸困難?；炷廖仛?金屬蝸殼二、蝸殼的主要參數(shù)1、斷面型式與斷面參數(shù)(1) 金屬蝸殼：圓形。結(jié)構(gòu)參數(shù)：座環(huán)外徑、內(nèi)徑、導(dǎo)葉高度、蝸殼斷面半徑、蝸殼外緣半徑(2) 混凝土蝸殼：“T”形。有四種型式： (i) n=0：平頂蝸殼，b/a=1.51.7，=1015。使用較多。特點(diǎn)：接力器布置方便，減小下部塊體混凝土，但水流條件不太好。 (ii) m=0：上伸式：b/a=1.51.7，=30，

15、廠房開挖量小，采用較少。 (iii) mn，1.85, =2030，=1020。(iv) mn，=2030，=2035。m=n時(shí)，稱為對(duì)稱型式。中間斷面：蝸殼頂點(diǎn)、底角點(diǎn)的變化規(guī)律按直線或拋物線確定。2、 蝸殼包角蝸殼末端(鼻端)到蝸殼進(jìn)口斷面之間的中心角0：(1) 金屬蝸殼：0=340350，常取3450大，過流條件好，但平面尺寸增大，廠房尺寸加大。金屬蝸殼的流量小，尺寸小，一般取較大包角；從構(gòu)造上講，最后100內(nèi)，斷面為橢圓，但仍按圓形計(jì)算。(2)、混凝土蝸殼：Q大，為減小平面尺寸，0=180270，一般取180，有時(shí)0=135，使水輪機(jī)布置在機(jī)組段中間。（一大部分水流直接進(jìn)入導(dǎo)葉，為非對(duì)

16、稱入流，對(duì)轉(zhuǎn)輪不利）3、蝸殼進(jìn)口平均流速：進(jìn)口斷面流量：Qmax水輪機(jī)的最大引用流量。VcFchw；VcFchw；一般由HrVC曲線確定VC。三、水流在蝸殼中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律水流進(jìn)入蝸殼后，形成一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(環(huán)流)，之后進(jìn)入導(dǎo)葉。水流速度分解為Vr、Vu。進(jìn)入座環(huán)時(shí)，按照均勻軸對(duì)稱入流的要求，Vr=常數(shù)。 圓周流速的變化規(guī)律，有兩種基本假定：(1) 速度矩Vur=Const假定蝸殼中的水流是一種軸對(duì)稱有勢(shì)流，忽略粘性及摩擦力，Vu會(huì)隨r的增加而減小。(2) 圓周流速Vu=Const：即假定Vu=VC=Const四、蝸殼的水力計(jì)算水力計(jì)算的目的：確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪出蝸殼單線圖，為廠房設(shè)計(jì)提供

17、依據(jù)。已知：等斷面型式下進(jìn)行：按Vu=VC=Const假定計(jì)算(也可按Vur=Const)1、金屬蝸殼水力計(jì)算 (1）蝸殼進(jìn)口斷面：斷面半徑： 從軸心線到蝸殼外緣半徑： (2) 中間斷面() 由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：(a) 確定0 和VC ；(b) 求Fc、max、Rmax；(c) 由I確定Fi、i、Ri。2 混凝土蝸殼的水力計(jì)算(半解析法)(1) 按求進(jìn)口斷面積；(2) 根據(jù)水電站具體情況選擇斷面型式，并確定斷面尺寸，使其(3) 選擇頂角與底角點(diǎn)的變化規(guī)律(直線或拋物線)，以虛線表示并畫出1、2、3.等中間斷面。(4) 測(cè)算出各斷面的面積，繪出：F = f(R)關(guān)系曲線。(5

18、) 按，繪出F = f()直線。(6) 根據(jù)i確定Fi、Ri及斷面尺寸，繪出平面單線圖。4.5尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的作用是排水、回收能量。其型式、尺寸影響、廠房基礎(chǔ)開挖、下部塊體混凝土尺寸。尾水管尺寸越大，越高，工程量及投資增大。型式：直錐形、彎錐形、彎肘形（大中型電站）一、 直錐形尾水管（小型電站）1、 進(jìn)口直徑：D3=D1+(0.51.0)cm 2、出口流速：V5=(0.2350.7)H1/2 L/ D3=34 =1214 3、尾水渠尺寸：， ， 尾水管淹沒深度：4、 材料：鋼板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于小型水輪機(jī)。二、彎錐形適用于：臥軸混流式水輪機(jī)，布置方便，見圖4-34，其水頭損失大，。三、彎肘型尾水管大中型水輪機(jī)所采用的尾水管，為了減小開挖深度，均采用彎肘型尾水管。由直錐段、肘管、出口擴(kuò)散段組成。 1、 進(jìn)口直錐段：進(jìn)口直錐段是一個(gè)垂直的圓錐形擴(kuò)散管，D3為直錐管進(jìn)口直