(一)水电站水轮机选型设计方法及案例

水电站水轮机选型设计总体思路和基本方法

水轮机选型是水电站设计中的一项重要任务。水轮机的型式与参数的选择是否合理，对于水电站的动能经济指标及运行稳定性、可靠性都有重要的影响。

水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式、动能参数、水工建筑物的布置等，并考虑国内外已经生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选若干个方案进行技术经济的综合比较，最终确定水轮机的最佳型式与参数。

一 已知参数

1 电站规模：总装机容量：32.6MW 。

2 电站海拔：水轮机安装高程：▽=850m

3 水轮机工作水头：

max H =8.18m ，min H =8.3m ，r H =14.5m 。

二 机组台数的选择

对于一个确定了总装机容量的水电站，机组台数的多少将直接影响到电厂的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性，还将影响到电厂建设的投资等。因此，确定机组台数时，必须考虑以下有关因素，经过充分的技术经济论证。

1机组台数对工程建设费用的影响。 2机组台数对电站运行效率的影响。

3机组台数对电厂运行维护的影响。 4机组台数对设备制造、运输及安装的影响。 5机组台数对电力系统的影响。 6机组台数对电厂主接线的影响。

综合以上几种因素，兼顾电站运行的可靠性和设备运输安装的因素，本电站选定机组为：4×8.15MW 。

三 水轮机型号选择 1 水轮机比转速s n 的选择

水轮机的比转速s n 包括了水轮机的转速、出力与水头三个基本工作参数，它综合地反映了水轮机的特征，正确的选择水轮机的比转速，可以保证所选择的水轮机在实际运行中有良好的能量指标与空化性能。 各类水轮机的比转速不仅与水轮机的型式与结构有关，也与设计、制造的水平以及通流部件的材质等因素有关。目前，世界各国根据各自的实际水平，划定了各类水轮机的比转速的界限与范围，并根据已生产的水轮机转轮的参数，用数理统计法得出了关于水轮机比转速的统计曲线或经验公式。当已知水电站的水头时，可以用这些曲线或公式选择水轮机的比转速。

轴流式水轮机的比转速与使用水头关系 中国： s n =H

2300 （m ·KW ）

日本： s n =

5020

20000

++H （m ·KW ）

原苏联： s n =

H

2500 （m ·KW ）

将设计水头r H =14.5m 代入上述各式 中国： s n =H

2300=

5

.142300=604 （m ·KW ）

日本： s n =502020000++H =5020

5.1420000

++=630 （m ·KW ） 原苏联： s n =

H

2500=

5

.142500=657 （m ·KW ）

以上计算可见，我国生产的水轮机转轮的参数较低。

本电站为一普通的中小型水电站，没有别的特殊的任务和要求（比如兼顾试验），不准备考虑使用进口机组，使用国产机组即可。故本电站选择比转速为600m ·KW 左右的水轮机。 2 水轮机型式的选择

根据水电站的实际情况正确地选择水轮机的型式是水轮机选型设计的一个重要环节。虽然各类水轮机有明确的适用水头范围，但由于它们的适用范围存在着交叉水头段，因此，必须根据水电站的具体条件对可供选择的水轮机进行分析比较，才能选择出最适合的机型。 适合本电站比转速的水轮机有贯流式和轴流式两种，因此，必须要对这两种水轮机进行分析比较。 贯流式与轴流式的比较：

（1） 贯流式的水流条件好，同样过流面积时，贯流式水流通过容易，单位流量大，无蜗壳和肘形尾水管，流道水力损失小，运行效率比轴流式高。

（2） 贯流式水轮机可布置在坝体或闸墩内，可以不要专门的厂

房，土建工程量小且适于狭窄的地形条件。

（3） 贯流式水轮机为了满足安装高程的要求，需从引水室入口至尾水管全部开挖到相应的深度。而轴流式只需对尾水管部分进行深开挖，因此，贯流式的相应开挖量大。

（4） 灯泡贯流式水轮发电机组全部处于水下，要求有严密的封闭结构及良好的通风防潮措施，维护、检修较困难。

从水电站开挖量这一重要因素考虑，贯流式机组的相应开挖量大，而且贯流式机组技术要求较高，维护、检修较困难，故本电站选择使用轴流式机组。

3水轮机转轮型号的选择

在水轮机型谱中，适合本电站比转速的有ZZ600和ZZ560两种转轮可供选择，适合本电站使用水头的有ZZ560和ZZ460两种转轮可供选择，其中ZZ560模型效率较高。

由参考资料[1]第379~381页

ZZ600使用水头3~8m ，本电站设计工况下（取最优单位转速

110n =135r /min ，水轮机限制吸出高度[s H ]=0.5m 时对应的装置空化

系数z σ=0.60，110n 与等空化系数线σ=z σ=0.60交点）比转速为

s n =65.311n η11Q =65.3×135×80.075.1?=521 （m ·KW ） ZZ560使用水头10~22m ，本电站设计工况下（取最优单位转速

110n =130r /min 与等空化系数线σ=z σ=0.60交点）比转速为

s n =65.311n η11Q =65.3×130×84.075.1?=527 （m ·KW ） ZZ460使用水头15~30m ，本电站设计工况下（取最优单位转速

110n =117r /与等空化系数线σ=z σ=0.50交点）比转速为

s n =65.311n η11Q =65.3×117×81.058.1?=435 （m ·KW ） 经过分析比较，在设计工况下以ZZ560转轮的s n 与本电站的计算比转速最接近，且效率较高，故本电站决定选用ZZ560转轮。

四 水轮机基本参数的计算 １ 计算转轮直径1D 水轮机的额定出力 r P =

G

G

N η=

95

.08150

=8579 KW 取最优单位转速110n =130r /min 与等空化系数线σ=z σ=0.60交点的单位流量为设计工况点单位流量，则r Q 11=1.75s m /3，对应的模型效率M η=0.841，暂取效率修正值η?=3%，则设计工况原型水轮机效率η=M η+η?=0.841+0.03=0.871，水轮机转轮直径1D 为

1D =

η

5

.11181.9r r r H Q P =871.05.1475.181.98579

5.1???=23.3 m 按我国规定的转轮直径系列，计算值处于标准值3.0m 和3.3m 之间，计算直径更加接近3.3m ，故可取转轮直径1D =3.3m 。

2 效率η的计算

m ax η=)1(10M η--5

1

1D D M

=)900.01(1--5

3

.346

.0=933.0 η?=m ax η0M η-=900.0933.0-=033.0

限制工况原型水轮机效率为

η=M η+η?=841.0+033.0=874.0

3 转速n 的计算 n =

1

110D H n a

=

3

.31

.16130?=12.158 min /r 其中a H =r H /9.0=1.16m 。（参考资料[2]第169页）

转速计算值介于发电机同步转速150min /r 和166.7min /r 之间，需要对两个转速都进行检验。 4 水轮机设计流量r Q 的计算

r Q =r Q 1121D r H =5.143.375.12??=57.72 s m /3 5 几何吸出高度s H 的计算

在设计工况下，模型水轮机的空化系数M σ=0.60，根据技术规范，对于转桨式水轮机，水轮机的空化安全系数取σK =1.1（参考资料[2]第67页），吸出高度为

s H =-?-900/10σK M σr H =5.1460.01.1900/85010??--=51

.0-m

取s H =55.0-m 。 6 飞逸转速R n 的计算

由ZZ560水轮机模型飞逸特性曲线查得，在协联工况导叶开度

0a =28.5mm ，?=-5°时有最大单位飞逸转速R n 11=370min /r ，故水轮

机的飞逸转速为

R n =R

n 111

max D H =3

.38

.18370?

=16.486 min /r 7 转轮轴向水推力t F 的计算

ZZ560水轮机模型综合特性曲线图中未给出转轮轴向水推力系数

t K 的值，但ZZ460水轮机模型综合特性曲线图中给出的转轮轴向水推

力系数t K =0.69，ZZ600水轮机模型综合特性曲线图中给出的转轮轴向水推力系数t K =0.67。本电站取中间值t K =0.68。水轮机转轮轴向水推力为

t F =9810t

K 4

π2

1D max H =8.183.3414.368.098102????=61007.1?N

五 检验水轮机的工作范围 设计工况的单位流量r Q 11 r Q 11=

5.12181.9r r H D P η=5

.125

.143.3874.081.98579

???=664.1 s m /3 当n =150min /r 时，最大、最小、平均水头所对应的单位转速 min 11n =max

1H nD =

8

.183.3150?=16.114 min /r

a n 11=

a

H nD 1=

1

.163.3150?=37.123 min /r m ax 11n =

min

1H nD =

3

.83.3150?=82.171 min /r

当n =166.7min /r 时，最大、最小、平均水头所对应的单位转速 min 11n =max

1H nD =

8

.183

.37.166?=87.126 min /r

a n 11=

a

H nD 1=

1

.163

.37.166?=01.137 min /r m ax 11n =

min

1H nD =

3

.83

.37.166?=95.190 min /r

把由上述参数绘制在ZZ560综合特性曲线图上，以检验水轮机运

行区域的效率高低。可以看出，单位转速的变化范围包含高效区第一个方案比第二个方案多，水轮机的平均效率较高。因此，选择工作范围较优的第一种方案。

六 水轮机综合特性曲线绘制 1 等效率曲线的绘制

（1） 对转轮叶片的每一个转角?求出一个效率修正值（表1-1）η?（?）

。若各?角下模型水轮机的最高效率为0M η（?），原型水轮机各?角下最高效率为0T η（?），则 0T η（?）=[])7

.03.0()(1110

1

10T

M

M

M H H D D +--?η η?（?）= 0T η（?）-0M η（?）

表1-1 转桨式水轮机效率修正值

（2） 在min H ～max H 间取若干水头，计算各水头对应的M n 11，其中

M n 11=

-H

nD 111n ?， 11n ?=M n 11（

10

max

-M ηη）。 过各M n 11作水平线与水轮机模型综合特性曲线的各等?线相交，找出各交点的11Q 、M η，其中M η由内插确定；一般情况下单位流量修正值较小，可不作修正。然后，计算个点的原型水轮机效率与出力

T η=M η+η?（?） P =T Q H D η115.12181.9

根据计算结果（表1-2）绘出各水头下的T η=)(P f 曲线（图1-1），同时绘出各水头下的11Q ～P 辅助曲线（辅助曲线图1-1）。

表1-2 转桨式水轮机等效率线计算表 单位：Q 11 （L/s ）， P （KW ）

2 出力限制线的绘制

原型水轮机的出力限制线表示水轮机在不同水头下可以发出或允许发出的最大出力。在水轮机与发电机配套的情况下，水轮机的出力受发电机额定出力的限制，因此，实际的出力限制线以设计水头r H 分为两个部分。在max H 与r H 之间，水轮机的出力受发电机额定容量的限制，是一条P =r P 的垂直线；在r H ～min H 之间，对于转桨式水轮机，水轮机的出力限制线一般由模型综合特性曲线中通过额定工况点的等开度线换算得到。

在模型综合特性曲线图中确定为出力限制线的等开度线上取系列

工况点，记下各个工况点的11Q 、11n 、M η，由相似换算公式（11n =

η

H nD 1，

11Q =

η

H D

Q 2

1

，P =ηQH 81.9）（参考资料[2]第41页）计算出各点对应

的水头H 及出力P ，将这些点绘在H ～P 坐标系中，连接各点即得到原型水轮机的出力限制线。

为了计算简便，一般是求出与min H 和r H 相对应的水轮机的出力

m in P 、r P ，将A 点（r H 、r P ），B 点（min H 、m in P ）在图上连成一条斜

线，此为H

由模型综合特性曲线图中0a =38.5mm 等开度线换算得：

r H =14.5m ， r P =8579KW

min H =8.3m ，

m in P =T D Q H η21115

.1min

81.9=873.03.36.13.881.925.1???? =3568 KW

3 等吸出高度线的绘制

等吸出高度线表达水轮机在各运行工况的最大允许吸出高度s H 。等s H 线是根据模型综合特性曲线的等σ线换算而求得的，计算与绘制等s H 线的步骤如下：

（1） 计算各水头相应转速M n 11，在模型综合特性曲线上过各M

n 11作水平线与各等σ线相交，记下各点的σ、11Q 、M η值。

（2） 根据吸出高度计算式s H =-?-900/10σK M σH 计算各点s H ，并计算各点出力P 。

（3） 根据各工况点的s H 、P 绘出各水头下的s H =)(P f 曲线。 （4） 在s H =)(P f 曲线上取某s H 值（例s H =-0.55m ）作水平线与各s H =)(P f 曲线相交，记下各交点的水头H 及出力P ，将这些点（P 、

H ）点到P —H 坐标系内并连成光滑曲线，即得某s H 的等吸出高度

线。

等吸出高度线的计算数据见表1-3. 表1-3等吸出高度线计算表

附图：

图1-1 等效率曲线的绘制

图1-2 出力限制线

图1-3 等吸出高度线

图1-4 运转综合特性曲线

辅助线1

辅助线2

辅助线3 ——文档结束——