1、水輪機標(biāo)準(zhǔn)與選擇第四章第四章 水輪機選擇水輪機選擇水輪機是水電站中最主要動力設(shè)備之一，影響電站的投資、制造、運輸、安裝、安全運行、經(jīng)濟效益。 根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機是水電站主要設(shè)計任務(wù)之一，目標(biāo)是使水電站充分利用水能，安全可靠運行。4.1 4.1 水輪機的標(biāo)準(zhǔn)系列水輪機的標(biāo)準(zhǔn)系列一、水輪機的系列型譜 我國在1974年編制了反擊式水輪機暫行系列型譜，其中所列出的轉(zhuǎn)輪，是經(jīng)過長期實踐驗證在某一水頭段的性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)輪。型譜中，水輪機轉(zhuǎn)輪型號規(guī)定一律用比轉(zhuǎn)速代號。軸流式、混流式、ZD760型、水斗式水輪機系列型譜參數(shù)見表4-1表4-5。4.1 4.1 水輪機的標(biāo)準(zhǔn)系列水輪機的標(biāo)準(zhǔn)系列253035(

2、40)42506071(80)841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000說明：括號內(nèi)的數(shù)字表示僅適用于軸流式水輪機。說明：括號內(nèi)的數(shù)字表示僅適用于軸流式水輪機。二、水輪機轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑系列二、水輪機轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑系列(cm)(cm)4.1 4.1 水輪機的標(biāo)準(zhǔn)系列水輪機的標(biāo)準(zhǔn)系列三、水輪發(fā)電機標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速磁極對數(shù)345789101214同步轉(zhuǎn)速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁極對數(shù)161820222426283032同步轉(zhuǎn)速n187.5166.7

3、150136.4125115.4107.110093.8磁極對數(shù)3436384042444850同步轉(zhuǎn)速n88.283.3797571.468.262.5604.1 4.1 水輪機的標(biāo)準(zhǔn)系列水輪機的標(biāo)準(zhǔn)系列四、水輪機系列應(yīng)用范圍圖4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇一、水輪機選型設(shè)計的內(nèi)容1.確定機組臺數(shù)及單機容量2.選擇水輪機型式（型號）及裝置方式3.確定水輪機參數(shù)D1、n、Hs、Za；Z0、d04.繪制水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線5.確定蝸殼、尾水管的形式及其尺寸，估算水輪機的重量和價格。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇6.調(diào)速器及油壓裝置選擇7.根據(jù)選定的水輪機型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機在

4、結(jié)構(gòu)上、材料、運行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務(wù)書，最終雙方共同商定機組的技術(shù)條件，作為進一步設(shè)計的依據(jù)。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇二、水輪機選型設(shè)計的基本要求 1.有較好的能量特性，在額定水頭下能保證發(fā)出額定出力，額定水頭以下的機組受阻容量小，水電站全廠機組平均效率高。 2.性能要與水電站的整體運行方式和諧一致，運行穩(wěn)定，可靠靈活。有良好的抗空蝕和抗磨損性能，對多泥沙河流的電站更應(yīng)如此。 3.結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，便于安裝與操作、檢修與維護。 4.選擇生產(chǎn)實力強、制造技術(shù)水平高、合作信譽好的制造廠商。 5.考慮適度合理的經(jīng)濟節(jié)省原則。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇三、

5、所需要的有關(guān)資料 1.水輪機產(chǎn)品技術(shù)資料：系列型譜、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品目錄、模型綜合特性曲線。 2.水電站技術(shù)資料：河流梯級開發(fā)方案、水庫的調(diào)節(jié)性能、水電站布置方案、地形、地質(zhì)、水質(zhì)、泥沙情況、總裝機容量、水電站運輸、安裝技術(shù)條件；水文資料： 特征流量及特征水頭、下游水位流量關(guān)系曲線。 3.水電站有關(guān)經(jīng)濟資料：機電設(shè)備價格、工程單價、年運行費等。 4.電力系統(tǒng)資料：系統(tǒng)負(fù)荷構(gòu)成，水電站的作用及運行方式等。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇四、機組臺數(shù)及單機容量的選擇 已知總裝機容量(=Z0N單)，N單不同，D1、n 、Hs、均不同。 1、機組臺數(shù)與機電設(shè)備制造的關(guān)系 N總一定，Z0多N單尺寸

6、（D1）小制造運輸容易造價高(單位千瓦耗材多、制造量大)。 所以一般選用較大的N單。 2、機組臺數(shù)與電站投資的關(guān)系 Z0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4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇3、機組臺數(shù)與運行效率的關(guān)系 Z0平均效率(1) 擔(dān)任基荷時：出力變化小，流量變化穩(wěn)定，可用較少的臺數(shù)，使水輪機可以在較長時間內(nèi)以最優(yōu)工況運行，其平均效率也比較高。(2) 擔(dān)任峰荷時：出力變化幅度大，應(yīng)該選用較多的臺數(shù)，以增加其運行靈活性，提高整體運行效率。(3) 對于軸流定漿和混流式水輪機，可以選用較多的臺數(shù)，而對于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機因其調(diào)節(jié)

7、性能好，可以選用較少的機組。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇4、機組臺數(shù)與電站運行維護工作的關(guān)系 臺數(shù)多，運行靈活，事故影響小，但同時增加了事故的幾率，也增加了管理人員、提高了運行費，所以不宜采用過多的臺數(shù)?？傊?，一般應(yīng)采用較大的N單，較少的臺數(shù)，但一般至少應(yīng)選2臺，少數(shù)情況下可選1臺。中大型電站一般選46臺，根據(jù)機組的制造水平和裝機容量也可以選用更多的臺數(shù)，如葛洲壩共21臺，裝機2715MW，三峽26700共裝機18200MW。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇五、水輪機型號及主要參數(shù)的確定依據(jù)：N單，特征水頭(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根據(jù)水輪機系列型譜選擇

8、型號的選擇主要取決于水頭。各種水輪機都有一定的使用范圍，根據(jù)電站運行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機的型號。 如果兩種型號均可采用，應(yīng)進行方案比較。 這種方法有時難以獲得最優(yōu)設(shè)計效果。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇2、專題研究法 對特別重要的工程或特別大型的水電站，為了獲得最優(yōu)設(shè)計效果，根據(jù)水電站的具體參數(shù)，進行專門設(shè)計，但所需時間和費用高。3、查系列范圍圖法 根據(jù)水電站的水頭范圍和單機出力，在系列范圍總圖中查出適應(yīng)的型號，以及對應(yīng)的轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速及吸出高度。當(dāng)有兩種機型可供選擇時，一般選用較大的直徑。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇ZZ440系列水輪機應(yīng)用范圍4.2

9、4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇4、采用套用機組 根據(jù)目前國內(nèi)設(shè)計、施工和運行的電站資料，在特征水頭相近、N單適當(dāng)，經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)相近時，優(yōu)先套用已經(jīng)生產(chǎn)過的機組，這樣可以節(jié)省設(shè)計時間、盡早供貨、提前發(fā)電。 5、直接查產(chǎn)品樣本 直接查設(shè)備廠家的產(chǎn)品樣本，適用于小型電站。6、統(tǒng)計分析法 對大量已建水電站的參數(shù)進行統(tǒng)計，得出水輪機各參數(shù)之間的統(tǒng)計關(guān)系，再根據(jù)本電站的參數(shù)選擇。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇六、反擊式水輪機主要參數(shù)的確定 確定了水輪機的型號后，再計算水輪機的主要參數(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，最高。 吸出高Hs應(yīng)滿

10、足：防止水輪機汽蝕，開挖深度合理。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇七、 按綜合特性曲線選擇水輪機1、D1的確定 （1）Nr(水輪機額定出力) Nr= Nf /f （2）用 H=Hr計算。 （3）：原型水輪機在限制工況下的效率，在D1未確定時，一般先取=M+ (=23%)，求得D1后再修正。rrrHHDQN21181. 92/31181.9rrHQND4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇(4) Q1在N= Nr時，取限制工況下的Q1，并查出限制工況的M混流水輪機由5%出力限制線得到，軸流式由汽蝕條件得到，或限制HS反推z，以防止開挖過多。 z為水輪機裝置的汽蝕系數(shù)。HHsz90010

11、4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇2、的修正計算 查綜合特性曲線得出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，即原型水輪機和模型水輪機的蝸殼和尾水管不一樣) 如=M+，與假定出入太大，應(yīng)重新計算。4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇3、轉(zhuǎn)速的選擇 n1用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10， n10=n10M+n1,水頭H=Ha。 轉(zhuǎn)速n隨工況而變，要選發(fā)電機轉(zhuǎn)速相近而偏大的標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速。11011DHnnDHnna4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇4、工作范圍的驗算 求出水輪機的參數(shù)D1、n后，在模型綜合特性曲線上繪出水輪

12、機的相似工作范圍，檢驗是否包括了高效率區(qū)，以驗證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，此范圍即為水輪機的相似工作范圍 4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇4.2 4.2 水輪機的選擇水輪機的選擇5、HS的計算 計算公式： 水輪機方案確定后，根據(jù)水輪機運行條件、水電站的開挖情況等進行技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。rsHkH900104.3 4.3 水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線研究目的：進一步分析比較原型水輪機各方案之間的

13、能量特性，指導(dǎo)水輪機的安全運行。綜合反映原型水輪機H、N、Hs等參數(shù)之間的關(guān)系曲線組成：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、空蝕特性、運行限制范圍。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。4.3 4.3 水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線4.3 4.3 水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線一、HL水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線1.等效率線=f(H,N)（1）在Hmax ,Hmin之間，取46個特征H，其中要包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，繪制每個水頭

14、下的=f(N)（2）效率修正；（3）單位轉(zhuǎn)速和單位流量的修正；（4）運轉(zhuǎn)特性曲線的計算；4.3 4.3 水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線等效率曲線計算表5%出力限制線HmaxHrHHminH3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1MQ1NMQ1NMQ1NMQ1N4.3 4.3 水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線為了保證繪制運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的精確性，在H、N網(wǎng)格上至少繪出三個水頭，其中包括Hmax、Hmin和H

15、r(或Hav)。對每一個水頭，計算出對應(yīng)的n1。在輪系綜合特性曲線上繪制n1的水平線，并查出其與等效率線交點的坐標(biāo)(M, Q1)；計算出原型水輪機的效率；按照公式N=9.81Q1D12H3/2計算水輪機的出力；(5) 輔助曲線的繪制：以效率為縱坐標(biāo)，出力N為橫坐標(biāo)，用表中的數(shù)據(jù)，對每個水頭繪制一條工作特性曲線。見圖1。4.3 4.3 水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線圖圖1 1圖圖2 24.3 4.3 水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線(6) 運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制以水頭為縱坐標(biāo)，出力為橫坐標(biāo)，繪出坐標(biāo)系。見圖2。在圖2上繪出

16、幾個特征水頭的水平線。在圖1上選取幾個整數(shù)效率值，畫出水平線，與輔助曲線形成一些交點。將上面結(jié)點的坐標(biāo)繪在圖2上。將相同效率數(shù)值的點用曲線相連。就繪成了水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的等效率曲線。4.3 4.3 水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機的工作特性曲線和運轉(zhuǎn)特性曲線2.出力限制線的繪制 Hr是N= Nr時的最小水頭，當(dāng)HHr時，水輪機限制在N= Nr內(nèi)；A（Nr ，Hr） 當(dāng)HHr時，水輪機則受到5%出力限制線的限制，對限制線上各點分別計算，得出B(Hmin, Nmin)，連接A和B，即為HHr時，水輪機出力受發(fā)電機額定出力的限制，為垂直線。當(dāng)H40m時，可用鋼板襯砌防滲(H 最大達(dá)80

17、m)4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定2. 金屬蝸殼當(dāng)H40m時采用金屬蝸殼。其斷面為圓形，適用于中高水頭的水輪機。鋼板焊接：H=40200m，鋼板拼裝焊接。鑄鋼蝸殼：H200m時，鋼板太厚，不易焊接，與座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運輸困難。4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定二、蝸殼的主要參數(shù)1.斷面型式與斷面參數(shù) 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。 4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定混凝土蝸殼：“T”形。 (1) m=n時：稱為對稱型

18、式 (2) mn：下伸式 (3) mn：上伸式 (4) n=0：平頂蝸殼中間斷面： 蝸殼頂點、底角點的變化規(guī)律按直線或拋物線確定。 4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼中間斷面金屬蝸殼金屬蝸殼 混凝土蝸殼混凝土蝸殼4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定2. 蝸殼包角蝸殼末端(鼻端)到蝸殼進口斷面之間的中心角0(1) 金屬蝸殼：0=340350,常取345(2) 混凝土蝸殼：0=180270,一般取180，一大部分水流直接進入導(dǎo)葉，為非對稱入流，對轉(zhuǎn)輪不利） 4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺

19、寸的確定3、蝸殼進口平均流速： 進口斷面流量 Qmax水輪機的最大引用流量。 VcFchw；VcFchw； 一般由HrVC曲線確定VC 0max360QQcrccHV4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定金屬蝸殼流速系數(shù)金屬蝸殼流速系數(shù)混凝土蝸殼進口斷面流速系數(shù)混凝土蝸殼進口斷面流速系數(shù)4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定三、蝸殼的水力計算1.水力計算的目的: 確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪出蝸殼單線圖，為廠房設(shè)計提供依據(jù)。 已知：2.水流在蝸殼中的運動規(guī)律 水流進入蝸殼后，形成一種旋轉(zhuǎn)運動(環(huán)流)，之后進入導(dǎo)葉, 水流速度分

20、解為Vr、Vu。 進入座環(huán)時，按照均勻軸對稱入流的要求，Vr=常數(shù)。cbarVDDbQH,00max0maxbDQVar4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定圓周流速Vu的變化規(guī)律，有兩種基本假定： (1) 速度矩Vur= C 假定蝸殼中的水流是一種軸對稱有勢流，忽略粘 性及摩擦力，Vu會隨r的增加而減小。 (2) 圓周流速Vu=C：即假定Vu=VC=C4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定3. 蝸殼的水力計算按(Vu=VC=C)（1）金屬蝸殼水力計算4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定(i

21、) 蝸殼進口斷面：斷面半徑： 從軸心線到蝸殼外緣半徑： ccccVQVQF00max360CcVQF00maxmax360maxmax2arR4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定(ii) 中間斷面( )由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：(i) 確定0 和VC ；(ii) 求Fc、max、Rmax；(iii) 由i確定Fi、i、Ri。max0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max360iairR2i4.4 4.4 蝸殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定(2) 混凝土蝸殼的水力計算(半解析法)4.4 4.4 蝸

22、殼的型式及其主要尺寸的確定蝸殼的型式及其主要尺寸的確定(1) 按進口流速求進口斷面積；(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) 測算出各斷面的面積，繪出：F = f(R)關(guān)系曲線。(5) 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。ciuiiVQVQF0max360cFF4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的型式及其主要尺寸的確定一、尾水管型式一、尾水管型式 直錐形用于小型水輪機 彎錐形用于臥軸水輪機 彎肘形（大中型電站）

23、4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的型式及其主要尺寸的確定直錐形直錐形常見尾水管的形式4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的型式及其主要尺寸的確定彎錐形彎錐形彎肘形彎肘形常見尾水管的形式4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的型式及其主要尺寸的確定 減小廠房開挖深度，水力性能好，大中型號水輪機均采用彎肘型尾水管。組成：直錐段、肘管、出口擴散段。軸流式水輪機 混流式水輪機4.5 4.5 尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的型式及其主要尺寸的確定1. 進口直錐段： 進口直錐段是一個垂直的圓錐形擴散管，D3為直錐管進口直徑，為錐管單邊擴散角。 混流式：直錐管與基礎(chǔ)環(huán)相接，(轉(zhuǎn)輪出口直徑)， =7 9 軸流式：與轉(zhuǎn)輪室里襯相連接，D3=0.937D1，=8 10。 h3直錐段高度，其長度增加將會導(dǎo)致開挖量增加。一般在直錐段加鋼板襯。4.5 4.5 尾水管的型