第六章 水輪機的選型設(shè)計

1、6-1 概述概述一、選型設(shè)計的任務(wù)一、選型設(shè)計的任務(wù) 由于每一個水電站所處的自然條件、水由于每一個水電站所處的自然條件、水力條件不同，因此，根據(jù)各水電站的特定條力條件不同，因此，根據(jù)各水電站的特定條件，選擇技術(shù)上合理、經(jīng)濟上能獲得最大效件，選擇技術(shù)上合理、經(jīng)濟上能獲得最大效益的水電站，便成為水輪機選型設(shè)計的主要益的水電站，便成為水輪機選型設(shè)計的主要任務(wù)。任務(wù)。二、選擇原則二、選擇原則1、選擇的水輪機經(jīng)濟指標(biāo)高、空化性能好。、選擇的水輪機經(jīng)濟指標(biāo)高、空化性能好。如：如： 、 、 、 （限（限制工況點）、制工況點）、 、2、選擇的水輪機技術(shù)性能好。、選擇的水輪機技術(shù)性能好。 在水電站給定水頭（即在

2、水電站給定水頭（即 ）范）范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪是否在高效率區(qū)域工作。圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪是否在高效率區(qū)域工作。 水輪機在設(shè)計水頭下，能否發(fā)出額定出力。水輪機在設(shè)計水頭下，能否發(fā)出額定出力。 水輪機的受阻容量要小。水輪機的受阻容量要小。Mn110MQ110M0max11QMsnMminmax HH3、水輪機運行穩(wěn)定、可靠、方便。、水輪機運行穩(wěn)定、可靠、方便。 4、結(jié)構(gòu)簡單、先進、牢固、操作、維護及、結(jié)構(gòu)簡單、先進、牢固、操作、維護及安裝、檢修方便。安裝、檢修方便。5、機組供應(yīng)落實，造價低，供貨周期短。、機組供應(yīng)落實，造價低，供貨周期短。6、對中、小型機組最好選用通用或套用機、對中、小型機組最好選用通用或套用機組。

3、組。三、選型所具備的原始資料三、選型所具備的原始資料1、地理位置、流域概況、環(huán)境生態(tài)、水文、地理位置、流域概況、環(huán)境生態(tài)、水文、氣候。氣候。2、水電站開發(fā)方式、水庫調(diào)節(jié)性能，在電力、水電站開發(fā)方式、水庫調(diào)節(jié)性能，在電力系統(tǒng)中的作用及主要任務(wù)。系統(tǒng)中的作用及主要任務(wù)。3、水能資料、水能資料 水頭范圍。如水頭范圍。如 水電站引用流量及相應(yīng)保證率曲線。水電站引用流量及相應(yīng)保證率曲線。 水電站裝機容量。水電站裝機容量。 電站水位。電站水位。cprHHHH,minmax4、水文資料。、水文資料。 年平均降雨量。年平均降雨量。 流域面積，河流經(jīng)流方式。流域面積，河流經(jīng)流方式。 水的硬度、酸堿度。水的硬度、

4、酸堿度。 水中含沙量、沙粒大小。水中含沙量、沙粒大小。5、電站所在的系統(tǒng)容量。、電站所在的系統(tǒng)容量。6、運輸條件。、運輸條件。7、國內(nèi)外已生產(chǎn)機組技術(shù)資料。、國內(nèi)外已生產(chǎn)機組技術(shù)資料。8、其他。、其他。一、內(nèi)容一、內(nèi)容1、確定機組臺數(shù)。、確定機組臺數(shù)。2、選擇水輪機型號及裝置方式。、選擇水輪機型號及裝置方式。3、計算水輪機轉(zhuǎn)輪標(biāo)準(zhǔn)直徑、計算水輪機轉(zhuǎn)輪標(biāo)準(zhǔn)直徑 、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速 4、計算最大吸出高度、計算最大吸出高度 ，確定機組的安裝高程，確定機組的安裝高程5、繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線。、繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線。6、確定蝸殼、尾水管的型號及主要尺寸。、確定蝸殼、尾水管的型號及主要尺寸。

5、1DnsH7、選配同步發(fā)電機的主要參數(shù)。、選配同步發(fā)電機的主要參數(shù)。8、選擇起重設(shè)備（通常帶軸轉(zhuǎn)子最重）。、選擇起重設(shè)備（通常帶軸轉(zhuǎn)子最重）。9、確定廠房平面尺寸、估算廠房總體尺寸。、確定廠房平面尺寸、估算廠房總體尺寸。10、各方案經(jīng)濟指標(biāo)的估算。、各方案經(jīng)濟指標(biāo)的估算。 機電設(shè)備的投資。機電設(shè)備的投資。a.水輪發(fā)電機組的造價（按重量估算）。水輪發(fā)電機組的造價（按重量估算）。b.輔助設(shè)備的造價。輔助設(shè)備的造價。c.起重設(shè)備的造價。起重設(shè)備的造價。d.電氣一次部分的造價。電氣一次部分的造價。e.上述設(shè)備的運輸、安裝費（大概占上述上述設(shè)備的運輸、安裝費（大概占上述投資的投資的10%）。）。 廠房的

6、土建投資。廠房的土建投資。 經(jīng)濟動能指標(biāo)（機組技術(shù)性能）。經(jīng)濟動能指標(biāo)（機組技術(shù)性能）。a.機組平均效率。機組平均效率。b.機組運行范圍。機組運行范圍。c.受阻容量的大小。受阻容量的大小。d.單位指標(biāo)。單位指標(biāo)。二、設(shè)計程序二、設(shè)計程序1、對所提供的原始資料進行核定和分析、對所提供的原始資料進行核定和分析。2、擬定待選方案。、擬定待選方案。 確定機組臺數(shù)確定機組臺數(shù) 和單機容量和單機容量 。 原則：原則： 在系統(tǒng)容量、工廠制造、運輸條件允在系統(tǒng)容量、工廠制造、運輸條件允許情況下，盡量采取大容量機組。許情況下，盡量采取大容量機組。 從制造角度來說，單機容量小，臺數(shù)從制造角度來說，單機容量小，臺數(shù)

7、多，便于安裝、運輸。多，便于安裝、運輸。 yPZ 臺數(shù)多，運行靈活，易滿足負(fù)荷變化要求臺數(shù)多，運行靈活，易滿足負(fù)荷變化要求 從水電站投資來說，臺數(shù)增加，機組尺寸將從水電站投資來說，臺數(shù)增加，機組尺寸將會減小，但機電設(shè)備的配套數(shù)增加，投資也將增會減小，但機電設(shè)備的配套數(shù)增加，投資也將增加，一般多臺數(shù)投資比少臺數(shù)投資增加加，一般多臺數(shù)投資比少臺數(shù)投資增加20%。 臺數(shù)增加，可改變投網(wǎng)臺數(shù)，避開水輪機在臺數(shù)增加，可改變投網(wǎng)臺數(shù)，避開水輪機在低效率區(qū)運行，從而可以提高機組的平均效率。低效率區(qū)運行，從而可以提高機組的平均效率。 其它方面。其它方面。a.臺數(shù)常用偶數(shù)，可節(jié)省電氣部分投資，采用臺數(shù)常用偶數(shù)，

8、可節(jié)省電氣部分投資，采用擴擴大單元出線（兩臺機共用一個母線出口）。大單元出線（兩臺機共用一個母線出口）。b.規(guī)范規(guī)定，第一臺機組投入運行時，區(qū)域電網(wǎng)規(guī)范規(guī)定，第一臺機組投入運行時，區(qū)域電網(wǎng)單機容量不超過系統(tǒng)容量的單機容量不超過系統(tǒng)容量的10%，或不要大于，或不要大于電網(wǎng)的事故備用容量。電網(wǎng)的事故備用容量。c.考慮到事故和檢修時有可靠的廠用電，一般要考慮到事故和檢修時有可靠的廠用電，一般要裝兩臺以上的機組。裝兩臺以上的機組。 選擇水輪機機型選擇水輪機機型 搭接水頭段不同類型水輪機的選擇。搭接水頭段不同類型水輪機的選擇。 3-15m，有，有GL式與式與ZL式可選擇；式可選擇； 3060m，有，有Z

9、L式與式與HL式可選擇；式可選擇； 300500m，有，有HL式與式與CJ式可選擇；式可選擇； 重疊區(qū)內(nèi)相同型式不同型號轉(zhuǎn)輪的比重疊區(qū)內(nèi)相同型式不同型號轉(zhuǎn)輪的比較較3、選擇水輪機主要參數(shù)計算、選擇水輪機主要參數(shù)計算4、計算各方案的吸出高度、計算各方案的吸出高度5、繪制各方案的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線、繪制各方案的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線6、確定各方案的安裝高程、確定各方案的安裝高程7、各方案分析比較、各方案分析比較8、結(jié)論、結(jié)論sH安主要參數(shù)主要參數(shù)主要介紹最常見的用模型綜合特性曲線選擇主要介紹最常見的用模型綜合特性曲線選擇參數(shù)的方法，基于幾點考慮：參數(shù)的方法，基于幾點考慮：原、模型水輪機滿足相似條件，因此，

10、可原、模型水輪機滿足相似條件，因此，可用相似公式計算原、模型水輪機主要參數(shù)。用相似公式計算原、模型水輪機主要參數(shù)。為慎重起見，又將所選定的原型參數(shù)反過為慎重起見，又將所選定的原型參數(shù)反過來換算成模型參數(shù)，在模型綜合特性曲線來換算成模型參數(shù)，在模型綜合特性曲線上檢驗所選水輪機是否理想。上檢驗所選水輪機是否理想。繪制運轉(zhuǎn)綜合特性曲線，進一步檢驗所選繪制運轉(zhuǎn)綜合特性曲線，進一步檢驗所選水輪機的工作范圍是否理想。水輪機的工作范圍是否理想。一、參數(shù)的計算一、參數(shù)的計算參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)輪標(biāo)準(zhǔn)直徑和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)輪標(biāo)準(zhǔn)直徑和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速1、計算標(biāo)準(zhǔn)直徑、計算標(biāo)準(zhǔn)直徑 由水輪機出力公式由水輪機出力公式 得得

11、式中式中: -水輪機的額定出力，單位水輪機的額定出力，單位kW。 其中其中 為同步發(fā)電機額定容量；為同步發(fā)電機額定容量； 為發(fā)電機效為發(fā)電機效率，中小型率，中小型 ，大中型，大中型 1D23211181. 9PHDQ2311181.9PHQDPffPP fPf%96%95f%98%96f -水輪機的設(shè)計水頭，單位水輪機的設(shè)計水頭，單位m。 -設(shè)計工況下的單位流量設(shè)計工況下的單位流量 對對HL式和式和ZD式水輪機，采用模型最優(yōu)單位式水輪機，采用模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 與模型出力限制線交點的單位流量值與模型出力限制線交點的單位流量值；對；對ZZ式水輪機，由于無出力限制線，出力受式水輪機，由于無出力限

12、制線，出力受氣蝕的限制，故選用小于型譜推薦的氣蝕的限制，故選用小于型譜推薦的 值。值。 -水輪機效率，可按單位流量取值點的水輪機效率，可按單位流量取值點的模型效率模型效率 ，先初略加上，先初略加上1%-3%的效率修的效率修正值進行計算。待求出正值進行計算。待求出 后，再按轉(zhuǎn)輪直徑后，再按轉(zhuǎn)輪直徑標(biāo)準(zhǔn)系列取與之接近的標(biāo)準(zhǔn)直徑（見課本標(biāo)準(zhǔn)系列取與之接近的標(biāo)準(zhǔn)直徑（見課本P17)。 取標(biāo)準(zhǔn)值后取標(biāo)準(zhǔn)值后,按效率換算公式進行換算。按效率換算公式進行換算。11Q11Q1DMn1101DMHHL、ZD式水輪機的效率換算公式：式水輪機的效率換算公式： ZL式水輪機的效率換算公式：式水輪機的效率換算公式：51

13、1maxmax11DDMM10511maxmax7 . 03 . 011HHDDMMMmaxmaxMM2、計算水輪機的轉(zhuǎn)速、計算水輪機的轉(zhuǎn)速式中式中: 已標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)輪直徑已標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)輪直徑，單位，單位m。 采用采用加權(quán)平均水頭加權(quán)平均水頭 ，加權(quán)平，加權(quán)平均水頭與設(shè)計水頭有以下關(guān)系。均水頭與設(shè)計水頭有以下關(guān)系。 河床式水電站河床式水電站 壩后式水電站壩后式水電站 引水式水電站引水式水電站初算時亦可以用初算時亦可以用 ，單位單位m。 n111DHnnr1DHcprHH9 . 0cprHH95. 0cprHH rHcpH 原型水輪機設(shè)計單位轉(zhuǎn)速，一般采原型水輪機設(shè)計單位轉(zhuǎn)速，一般采用用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速

14、最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 ，單位，單位r/min 求出轉(zhuǎn)速求出轉(zhuǎn)速 后，按發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)后，按發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)系列選取接近而偏大的同步轉(zhuǎn)速系列選取接近而偏大的同步轉(zhuǎn)速(見課本見課本P326) 作為水輪機的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。作為水輪機的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。rn11110n11110110nnnMn二、檢驗所選參數(shù)能否滿足要求二、檢驗所選參數(shù)能否滿足要求1、檢驗原型、檢驗原型水輪機出力水輪機出力能否滿足要求能否滿足要求常用兩種方法進行校核：常用兩種方法進行校核：方法（一）：校核出力是否滿足要求方法（一）：校核出力是否滿足要求求出求出 Hr 對應(yīng)的模型機單位轉(zhuǎn)速對應(yīng)的模型機單位轉(zhuǎn)速 用用 與與5%出力限制線相交，得出力限制

15、線相交，得 、 再換算成原型機單位流量和效率再換算成原型機單位流量和效率11111nHnDnrMMn11MQ11M111111QQQMM計算該點的原型機出力計算該點的原型機出力若若 （略大于），且（略大于），且 說明所選轉(zhuǎn)輪直徑說明所選轉(zhuǎn)輪直徑 滿足出力要求。滿足出力要求。 若若 ，說明所選，說明所選 不滿足出不滿足出力要求。力要求。23211181. 9HDQP rPP rPPPmin1D額PP 1D方法（二）：校核流量是否滿足要求方法（二）：校核流量是否滿足要求根據(jù)水輪機額定出力根據(jù)水輪機額定出力 、設(shè)計水頭、設(shè)計水頭Hr、轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪直徑直徑 、水輪機效率、水輪機效率 ，計算出原型水輪機，

16、計算出原型水輪機的單位流量的單位流量 。將原型水輪機的單位流量將原型水輪機的單位流量 ，換算成模型，換算成模型水輪機的單位流量水輪機的單位流量 1D額P11Q2311181. 9PrHDQ11Q111111QQQM檢驗?zāi)Ｐ退啓C的單位流量是否超過限制工檢驗?zāi)Ｐ退啓C的單位流量是否超過限制工況點的單位流量況點的單位流量若若 (較接近為好），說明所選較接近為好），說明所選 能發(fā)出額定出力。能發(fā)出額定出力。若若 ，說明，說明 選小了，發(fā)不出選小了，發(fā)不出額定出力。不能滿足要求。額定出力。不能滿足要求。限MMQQ11111D限MMQQ11111D2、檢驗、檢驗吸出高度吸出高度 是否滿足是否滿足工程上的

17、要求工程上的要求 計算設(shè)計工況點的吸出高度，即用水輪機設(shè)計算設(shè)計工況點的吸出高度，即用水輪機設(shè)計水頭下所對應(yīng)的模型機單位轉(zhuǎn)速計水頭下所對應(yīng)的模型機單位轉(zhuǎn)速 與與5%出力限制線相交點的空化系數(shù)值出力限制線相交點的空化系數(shù)值 來計算。來計算。 若若 ，滿足工程上的要求。，滿足工程上的要求。反之，不滿足要求。反之，不滿足要求。sHMn11MHHsM90010米76sH3、檢驗所選水輪機、檢驗所選水輪機工作范圍工作范圍是否理想是否理想求出求出 和和 所對應(yīng)的模型單位轉(zhuǎn)速，即所對應(yīng)的模型單位轉(zhuǎn)速，即 在在模型綜合特性曲線模型綜合特性曲線上，找出這兩個模型單位上，找出這兩個模型單位轉(zhuǎn)速所包含的區(qū)間，這個區(qū)

18、間就是原型水輪機的轉(zhuǎn)速所包含的區(qū)間，這個區(qū)間就是原型水輪機的工作范圍。若這個區(qū)間在模型綜合特性圖上工作范圍。若這個區(qū)間在模型綜合特性圖上處于處于高效率區(qū)，則說明原型水輪機工作范圍理想，所高效率區(qū)，則說明原型水輪機工作范圍理想，所選參數(shù)配合合理。選參數(shù)配合合理。 maxHminH111max111CnHnDnM211min111CnHnDnM臺數(shù)臺數(shù)Z 標(biāo)準(zhǔn)直徑標(biāo)準(zhǔn)直徑 ffZPP2311181.9PHQD511maxmax11DDMMmaxmaxM標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速校核吸出高度1maxmax11011Mnn11110110nnnM1110DHnncp11111nHnDnMmaxHrHminHHHsM90010校核設(shè)計水校核設(shè)計水頭下的出力頭下的出力校核最小水頭下的出力方案編號方案編號MMMQ11MQ11MM111111QQQM111111QQQM23211181.9rrHDQP 23min2111min81.9HDQPrPminP三、確定水輪機三、確定水輪機最大允許吸出高度最大允許吸出高度 式中式中 取值，在初步計算時，可以用取值，在初步計算時，可以用 對應(yīng)模型單位轉(zhuǎn)速與對應(yīng)模型單位轉(zhuǎn)速與5%出力限制線交點處的空出力限制線交點處的空化系數(shù)值?；禂?shù)值。 實際計算時，可選擇實際計算時，可選擇 若干水若干水頭，由它們分別相應(yīng)的限制工況點的頭，由它們分別相應(yīng)的限制工況點的空化系數(shù)空化