水輪機的選型計算

1、目 錄一、水輪機選型計算的依據(jù)及其基本要求1 1 水輪機選型時需由水電勘測設計院提供下列原始數(shù)據(jù)1 2 水輪機選型計算應滿足下述基本要求1二、反擊式水輪機基本參數(shù)的選擇計算1 1 根據(jù)最大水頭及水頭變化范圍初步選定水輪機的型號1 2 按已選定的水輪機型號的主要綜合特性曲線來計算轉輪參數(shù)1 3 效率修正4 4 檢查所選水輪機工作范圍的合理性4 5 飛逸轉速計算5 6 軸向推力計算5三、水斗式水輪機基本參數(shù)的選擇計算10 1 水輪機流量10 2 射流直徑d010 3 確定D1/d010 4 水輪機轉速n10 5 功率與效率11 6 飛逸轉速12 7 水輪機的水平中心線至尾水位距離A12 8 噴嘴數(shù)

2、Z0的確定129 水斗數(shù)目Z1的確定1210 水斗和噴嘴的尺寸與射流直徑的關系1311 引水管、導水肘管及其曲率半徑1312 轉輪室的尺寸14A 水機流量17B 射流直徑17C 水斗寬度的選擇17D D/B的選擇17E 水輪機轉速的選擇17F 單位流量的計算17G 水輪機效率18H 飛逸轉速18I 轉輪重量的計算18四、調速器的選擇201 反擊式水輪機的調速功計算公式20算機轉112 沖擊式水輪機的調速功計算公式20五、閥門型號、大小的選擇211 球閥的選擇212 蝴蝶閥的選擇22水輪機的選型計算一、水輪機選型計算的依據(jù)及其基本要求1 水輪機選型時需由水電勘測設計院提供下列原始數(shù)據(jù)：1） 裝機

3、容量、裝機臺數(shù)、單機額定出力Nr、最大出力Nmax和負荷性質；2） 水電站的設計水頭Hr，最大水頭Hmax，最小水頭Hmin，加權平均水頭Hcp；3） 水電站上下游水位與流量關系曲線，水頭、流量過程線或保證率曲線，引水管損失等；4） 水電站的泥沙資料（含沙量、泥沙類別、特性等），水質資料（水溫、化學成分、PH值、硬度、含氣量等）；5） 水電站廠房形式，引水方式和引水管長度、直徑；機組安裝高程及允許吸出高度Hs；6） 制造廠與水電站間的運輸條件、水電站的安裝條件（允許最大挖深值等）。2 水輪機選型計算應滿足下述基本要求：1） 具有優(yōu)良的能量指標，所選擇的水輪機應能經常運轉于高效率區(qū)；2） 具有良

4、好的汽蝕性能及工作穩(wěn)定性，機組的壓力脈動要小，調節(jié)靈活，安全可靠；3） 盡可能選擇較小尺寸的水輪機，如盡量選擇比轉速較高的水輪機轉輪，選擇單位轉速n11值稍高于最優(yōu)單位轉速n110值，單位流量Q11近于最大單位流量Q11max值；4） 結構要先進合理，易損零部件能拆卸互換，做到因地制宜；5） 滿員運輸、安裝、檢修的要求。二、反擊式水輪機基本參數(shù)的選擇計算1 根據(jù)最大水頭及水頭變化范圍初步選定水輪機的類型和轉輪型號。目前，一般在水頭H=330m范圍內選用貫流式水輪機，H=360m范圍內選用軸流式水輪機（一般Hmax/Hmin2，D2.0m時用轉槳式），H=20600m范圍內選用混流式水輪機，H=

5、3001000m范圍內選用沖擊式水輪機，在相同水頭段內可使用不同的機型時，需對它們進行性能、技術經濟的初步比較后再選定。對于只給出設計水頭的中小型反擊式水輪機，其工作水頭范圍可參考圖2-1-1。2 按已選定的水輪機型號的主要綜合特性曲線來計算轉輪標稱直徑D1、額定轉速n、最大吸出高度Hs。1） 關于流量的選擇、計算：對混流式和軸流轉槳式水輪機，一般取綜合特性曲線上最優(yōu)單位轉速的（105%110%）與5%出力限制線的95%98%交點處所對應的單位流量Q11值，對軸流定槳式水輪機按相應105%110%最優(yōu)單位轉速的最優(yōu)效率點取單位流量；受挖深限制時根據(jù)最大允許Hs選取單位流量Q11，其所取單位流量

6、應大于最優(yōu)單位流量。對軸流轉槳式水輪機，選取原則為：a) 按允許的吸出高度Hs來選?。籦) 從平均效率、電能產量、裝機臺數(shù)進行經濟分析確定Q11。對徑流式電站應考慮在最大水頭和最小水頭時均能得到電站保證出力；c) 從經濟性和運行的穩(wěn)定性著眼，選用的Q11一般不宜超出型譜表中推薦的范圍。流 量Q：由 （2-2-1） 其中：NP水輪機額定功率 水的重度（9.81KN/m3） 水水輪機效率單位流量Q11： （2-2-2）轉輪標稱直徑D1的計算：標稱直徑D1： （2-2-3） 其中：ND機組額定功率（發(fā)電機額定功率）（千瓦）； 水水輪機效率（0.880.93）； D發(fā)電機效率（0.900.97）； H

7、r額定水頭（米）。額定轉速n的計算：利用單位轉速n11j和水頭推算水輪機額定轉速：額定轉速ne： （2-2-4） 其中：n11j原型水輪機計算單位轉速，其值在綜合特性曲線上選定。為使水輪機能在大部分運轉時間內處于高效率區(qū)工作，一般希望對應于平均水頭的單位轉速接近于最優(yōu)單位轉速，故計算單位轉速n11j值為：對于軸流轉槳式水輪機可選取大于其最優(yōu)單位轉速n110值的1.051.15%；對于混流式水輪機可選取大于其最優(yōu)單位轉速n110值的1.021.1%；其中上限適用于較高比轉速混流式水輪機。 根據(jù)計算所得轉速ne，取略大的相近的發(fā)電機同步轉速為水輪機的額定轉速n。發(fā)電機同步轉速可按下式計算： （2-

8、2-5） 其中：f周波，我國為50Hz； P發(fā)電機磁極對數(shù)。允許吸出高度的計算： （2-2-6） 其中：水輪機位于高出海平面的標高；k汽蝕安全系數(shù)； c臨界汽蝕系數(shù)；Y裝置汽蝕系數(shù)（Y= k*c）式中汽蝕安全系數(shù)k值的選用可考慮如下情況確定：水中含沙、含汽量大時，或需延長檢修周期時k可適當取大些；轉輪葉片和下環(huán)，或轉輪室由不銹鋼制造時，取k1.11.2；汽蝕局部部位采取抗汽蝕措施時，可取k=1.21.4；轉輪由碳鋼制造時，一般取k=1.41.8；對多機組電站k值可取小些；轉輪接近其使用水頭最大值時k宜取較大值；地下廠房時，可適當取大值。式中汽蝕系數(shù)值的選?。阂话銖哪Ｐ途C合特性曲線上查取，如果沒

9、有則1：可從圖（2-2-1）中查取，對圖（2-2-1）亦可用經驗公式（2-2-7）給出： 圖（2-2-1）滿負荷時汽蝕系數(shù)與比轉速的關系 （2-2-7）2：根據(jù)70年代前半期統(tǒng)計的國外水電站水輪機裝置汽蝕系數(shù)平均值，由下式求出： 對混流式水輪機： （2-2-8）對軸流式水輪機： （2-2-9）3 效率修正初設時大致修正如下（含尺寸效應）：真機轉輪標稱直徑在60以下時，修正 -1.5% -2.5%6070cm時，修正 -0.5% -1% 70100cm時，修正 1.01.5%，0.51.0%（直徑小取大值） 100cm以上時，修正 -0.5% -1% （臥式） 100cm130cm時，修正 0%

10、 0.5% （立式） 130cm以上時，修正 1% （立式） 具體應用公式計算 對混流式水輪機效率的修正值一般按最優(yōu)工況點計算，其它各工況點一律按此等值修正；而對軸流式水輪機效率的修正值按最優(yōu)工況點計算，對應各轉角的其它各工況點取等值修正。 關于具體的效率問題詳見附錄一。4 檢查所選水輪機工作范圍的合理性由于所選擇的水輪機轉輪直徑D1和轉速n都是標準值，經常與計算結果稍有不同。另外，最初計算轉輪直徑時所取用的效率也是近似給定的，故必須在綜合特性曲線上對所選定水輪機的工作范圍是否處于最優(yōu)效率區(qū)進行檢查。首先，按最大水頭Hmax計算出最小單位轉速n11min,，按最小水頭Hmin計算出最大單位轉速

11、n11max。其次還應計算出保證最大功率時，對應最大水頭、最小水頭的單位流量值。以上計算出的數(shù)值在原型綜合特性曲線圖上可以繪出一個四邊形。若此四邊形包括了綜合特性曲線圖上的最優(yōu)效率區(qū)，則可認為水輪機基本參數(shù)選擇合理。若四邊形中心偏移最優(yōu)效率區(qū)中心較多，則應重新選擇轉輪直徑，或者水輪機轉速，或者兩者都重新選擇計算。對高水頭軸流轉槳式水輪機有時希望選用導葉開度允許條件下較小的單位流量Q11值，以此方法來降低汽蝕系數(shù)和保證允許吸出高度HS。5 飛逸轉速計算在設計工作中計算原型水輪機飛逸轉速時，應該考慮其最大工作水頭Hmax和最大可能導葉開口1.05a0max（即由底環(huán)上定位塊或導葉套筒處所定的開口）

12、工況點的飛逸轉速n11f，因此按所選定水輪機型號的模型水輪機飛逸特性曲線圖，利用式（2-5-1）計算出原型水輪機的飛逸轉速nf 。飛逸轉速： （2-5-1） 工程上經常以在同一水頭下飛逸轉速與額定轉速之比來表征水輪機的飛逸程度，并稱之為飛逸系數(shù)kf：飛逸系數(shù)kf： （2-5-2） 各種水輪機的飛逸系數(shù)大致如下： 對混流式或沖擊式水輪機kf=1.71.9； 對保持協(xié)聯(lián)關系的轉槳式水輪機kf=2.02.2； 對協(xié)聯(lián)關系破壞的轉槳式水輪機kf=2.42.8。6 軸向推力計算立軸水輪機的軸向推力包括：水流對轉輪的軸向水推力POC；水輪機轉動部分重量GZ。估算軸向水推力采用下式： 軸向水推力POC： （

13、噸） （2-6-1）式中：K與轉輪型號及排水方式有關的水推力系數(shù)，可通過試驗方法獲得。一些混流式水輪機采用轉輪上冠排水，泄水孔面積不小于轉輪止漏環(huán)密封間隙56倍的結構,其K值可由表(2-6-1)中查取。 表2-6-1轉輪型號HL310HL240HL230HL220HL200HL180HL160HL120HL110HL820HL100K0.370.450.340.410.180.220.280.340.220.280.220.280.200.260.100.130.100.130.260.050.11水質含泥沙，密封間隙有磨損，或轉輪直徑較小，需格外放大止漏環(huán)間隙比/D1的結構，取較大的K值。對

14、于軸流定槳或轉槳式水輪機系數(shù)K值取決于轉輪葉片數(shù)及葉片角度。在估算中可按表（2-6-2）選取。表2-6-2葉片數(shù)45678K0.850.870.900.930.95 或按下式計算： （2-6-2） 在飛逸工況下 （2-6-3） 2000年以前常用轉輪的水推力系數(shù)見表2-6-3，2-6-4，2-6-5。表2-6-3 混流式水輪機水推力系數(shù)123456轉輪型號A351-53A179-40A542-50A543-50A34-40A38-40水推力系數(shù)0.08-0.110.08-0.110.08-0.110.08-0.110.08-0.110.08-0.11789101112轉輪型號A45-40(10

15、0)A520-40A546-40A548-40A550-40A41-38(120)水推力系數(shù)0.08-0.110.09-0.130.09-0.130.09-0.130.09-0.130.11-0.13131415161718轉輪型號A332-35A340-35A337-35A334-35A342-35A338-35水推力系數(shù)0.1-0.130.1-0.130.1-0.130.1-0.130.1-0.130.1-0.13192021222324轉輪型號A339-50A32-38(110)A42-38A378-35A379-35A381-35水推力系數(shù)0.1-0.130.1-0.130.12-0.

16、150.2-0.260.2-0.260.2-0.26252627282930轉輪型號A438-35A194-35A195-35A678-37A319-35A215-35水推力系數(shù)0.2-0.260.2-0.260.2-0.260.2-0.260.2-0.260.2-0.26313233343536轉輪型號A73-25A153-46A331-35A353-35A356-35A444-35水推力系數(shù)0.2-0.260.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.34373839404142轉輪型號A445-35A446-35A497-35A553-35A398

17、-35A630-36水推力系數(shù)0.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.340.28-0.34434445464748轉輪型號A576-35A577-35A579-35A598-35A605-35A606-35水推力系數(shù)0.3-0.360.3-0.360.3-0.360.3-0.360.3-0.360.3-0.36495051525354轉輪型號A521-35A522-35A523-35A384-30.5A464-30.5A466-30.5水推力系數(shù)0.3-0.360.3-0.360.3-0.36(0.286)0.32-0.40.32-0.45556

18、57585960轉輪型號A12-25A28-25A232-35A430a-35A611-35A278-35水推力系數(shù)0.22-0.280.22-0.280.22-0.280.28-0.320.28-0.320.32-0.4616263646566轉輪型號A285-35A329-46A289-46A292-46A309-46A126-25水推力系數(shù)0.32-0.40.32-0.40.32-0.40.32-0.40.32-0.40.32-0.4676869707172轉輪型號A248-35A346-35A110-46A112-35A208-35A209-35水推力系數(shù)0.34-0.410.34-0

19、.410.34-0.410.34-0.410.34-0.410.34-0.41737475767778轉輪型號A244-35A286-35A296-35A295-35A551-35.2A702-35水推力系數(shù)0.34-0.410.34-0.410.34-0.410.34-0.410.45-0.460.32-0.4798081828384轉輪型號A703-35A723-35A500-34A501-34A525-34A253水推力系數(shù)0.32-0.40.32-0.40.45-0.480.45-0.480.45-0.480.3858687888990轉輪型號HL240HL260/A244HL260/

20、D74HL240/D41HL220/A153HL180/A194水推力系數(shù)0.34-0.410.34-0.410.360.330.28-0.340.2-0.26919293949596轉輪型號HL180/D06AHL160/D46HL110HL120HL90/D54水推力系數(shù)0.260.240.080.1-0.130.1979899100101102轉輪型號A575C820D87水推力系數(shù)0.2-0.260.26103104105106107108轉輪型號水推力系數(shù)表2-6-4 渾水混流式水輪機水推力系數(shù)123456轉輪型號A227-46A253-46A502-35A503-35A537-35

21、A560-35水推力系數(shù)0.28-0.320.28-0.320.28-0.320.28-0.320.28-0.320.28-0.32789101112轉輪型號A561-35A562-35A368-46A511-35A627-35A628-35水推力系數(shù)0.28-0.320.28-0.320.28-0.320.28-0.320.32-0.40.32-0.4131415轉輪型號A658-35A662-35A663-35水推力系數(shù)0.32-0.40.32-0.40.32-0.4表2-6-5 軸流式水輪機水推力系數(shù)123456轉輪型號A324-43A30a-46A30-46A146-46A190-46

22、ZZ440-46水推力系數(shù)0.850.850.850.870.870.9789101112轉輪型號A79-35A213-35A315-35A76-35水推力系數(shù)0.90.950.90.9131415161718轉輪型號水推力系數(shù)軸流式水輪機在甩負荷過渡過程中，當轉速上升到最大值時，軸向水推力為零。導葉繼續(xù)關閉，水輪機進入制動（水泵）工況，軸向力改變方向，成了軸向反水推力POC。對立軸軸流式水輪機，當POC大于機組轉動部分重量GZ時，將使轉動部分上抬。水輪機轉動部分的重量GZ包括轉輪重量GN和主軸重量GL，轉輪重量GN見式（2-6-2）、（2-6-3）和圖（2-6-1）、（2-6-2）。軸的重量

23、根據(jù)機組布置型式具體計算，近似估算時，對高水頭混流式水輪機可取GLGN；對中水頭混流式水輪機可取GL=（0.40.5）GN（較小水頭或大機組取較小值）；對一根主軸布置的機組，混流式中取GL=（0.70.8）GN，轉槳式中取GL=（0.40.6）GN（高水頭轉槳式輪轂比大，取大值）?；炝魇睫D輪的重量估算：（噸） （2-6-2）若轉輪是分瓣結構，則按上式計算結果應增加10%重量?；炝魇睫D輪的重量曲線見圖（2-6-1）。轉槳式轉輪的重量估算：（噸） （2-6-3） 其中：d轉輪輪轂比； Hmax最高水頭（米）； D1轉輪標稱直徑（米）。 轉槳式轉輪的重量曲線見圖（2-6-2）。水輪機總的軸向推力軸向

24、推力P： （噸） （2-6-4）三、水斗式水輪機基本參數(shù)的選擇計算水斗式水輪機從結構上可以分為橫軸和立軸二種形式，橫軸又可做成單輪單噴嘴，單輪雙噴嘴，雙輪雙噴嘴等等。中、大型水斗式水輪機一般為立軸布置雙噴嘴、四噴嘴，乃至五、六噴嘴。對于國內水斗式水輪機的選擇（以A237為例）可參考如下：1 水輪機流量： (米3/秒) （3-1-1）式中Np水輪機額定功率，ND機組額定功率；D發(fā)電機效率0.970.98；水輪機效率0.860.87。2 射流直徑d0 (米) （3-2-1）3 確定D1/d0根據(jù)水頭大小，從圖（3-3-1）選取一個噴嘴合適的比轉速ns，然后根據(jù)比轉速ns與比值D1/d0存在的關系，

25、可從圖（3-3-2）選取D1/d0值。4 水輪機轉速n (轉/分) （3-4-1）式中由圖綜合特性曲線選取，初步計算時可取=40.541.5。計算結果，采用相近的同期轉速，同時對節(jié)圓直徑作相應的修正。如存在兩個相近的同期轉速可供選擇時，則應進行經濟比較確定。5 功率與效率如真機與模型的D1/d0相等，則根 據(jù)綜合特性曲線按相似關系換算。真機與模型的D1/d0如不相等，由于水斗損失、風損和進水角度不同而效率有所差異，但在保證Ku系數(shù)不變的情況下，在一定比轉速范圍內，效率變化是不大的，因此近似按原綜合特性曲線計算效率。換算關系可按射水直徑或噴針行程進行，先根據(jù)綜合特性曲線作出QI*=*M和SnM之

26、間的關系曲線QI*=f(SM)；不同水頭對應的nI下的=(SM)曲線如圖（3-5-1）。然后按真機和模型間的行程關系S= SMdn/dnm 在類似圖（3-5-1）上求得QI*和M，這樣即可求得流量： （3-5-1）式中d0M 模型射流直徑（=35毫米）；噴針角45，噴嘴角6256（見圖3-5-2） d0 真機射流直徑； SM 模型噴針行程； S 真機噴針行程； QI*1米水頭下的流量。水輪機的功率： （3-5-2）式中 真機保證效率，取=M（模型效率）（修正效率）。單位流量： （3-5-3）6 飛逸轉速： （3-6-1）7 水輪機的水平中心線至尾水位距離A：對于立式水斗式水輪機，距離A可由圖（

27、3-7-1）查取，對于臥式機組可按式（3-7-1）決定。 （3-7-1）8 噴嘴數(shù)Z0的確定：水斗式水輪機的比轉速與噴嘴數(shù)的成正比。在一定的水頭與功率下，增加噴嘴數(shù),可以使水輪機結構做得小些,可以提高發(fā)電機的轉速和機組的運行效率。但是噴嘴增加，會使水輪機結構，分叉管制造，以及電站布置復雜化。因此應進行技術經濟比較。在比值D1/d0容許的情況下，盡量采用12個噴嘴的方案。尤其是在水頭很高的情況下，引水管道彎頭的損失很大，為減少水力損失，采用單噴嘴方案往往是有利的。增加1119 水斗數(shù)目Z1的確定：如圖（3-9-1），理論間距 （3-9-1） （3-9-2） （3-9-3）射流由A點運動到B所需時

28、間： （3-9-4）式中 ； ； ； 。 實際間距還與水斗缺口形狀及刃切圓有關。對于CJ20轉輪實際間距取為理論間距的0.8倍，大于0.8倍需經過論證。由間距tn，即可求得水斗數(shù)： 或 （3-9-5）實際采用的水斗數(shù)一般要比容積損失為零求得的水斗數(shù)多，但水斗數(shù)過多往往會增加工藝上的困難。另外，多噴嘴機組一般避免其射流夾角為相鄰水斗夾角的倍數(shù)。10 水斗和噴嘴的尺寸與射流直徑的關系：若設計射流直徑為d0，則一般可?。核胫睆?db=1.05 d0噴嘴直徑 dn=1.228 d0噴針最大行程 sn=1.16 d0水斗設計尺寸允許在db=(0.91.02) d0的范圍內通用，效率作相應修正。11 引

29、水管、導水肘管及其曲率半徑：如圖（3-11-1）所示，引水管內流速： （3-11-1）式中K流速系數(shù)，可由圖（3-11-2）上查取。 一個引水管的直徑： （3-11-2）式中Q保證功率時的流量（米3/秒） Z0噴管數(shù)目。 其余尺寸選擇參見圖（3-11-1）： 60。； R=2.5 de； L22.5 de 。12 轉輪室的尺寸：臥式機組轉輪尺寸可參照圖（3-12-1）和表（3-12-1）選取，表中d0為保證功率時的射流直徑。立式機組機殼：圖（3-12-2）中給出了兩種國內外已經使用過的機殼型線。其轉輪節(jié)圓直徑為1米，直徑比D0/D12.5。有的制造廠家采用較大的D0，有的D0/D1比值達3以上

30、。 圖（3-12-2a）為鑄造機殼，b為焊接機殼。對于大型機組，機殼對效率影響不顯著，焊接結構的形狀可盡量簡化。 表3-12-1名 稱ns1212ns18ns 18轉輪室寬度 B5 d0介于其間59d0機坑寬度 Z6 d010d0轉輪室長度 A5 d0+ D110 d0+ D1機坑長度 L6.5 d0+ D113 d0+ D1 我廠初選時，基本參數(shù)選擇過程如下： 可先用下圖(3-1)來大致確定轉速、出力、轉輪直徑等等。 圖 3-1 上圖中所示各特征量如噴嘴直徑d、引水管直徑DN以及閥門直徑Dv、單雙噴嘴水輪機結構尺寸等等，可見下圖： 具體計算過程如下：A. 水機流量： (米3/秒) （3-A-

31、1）B. 射流直徑： （3-B-1）C. 水斗寬度的選擇（B）：B/d0=3.1 （單噴嘴） =3.2 （雙噴嘴） =3.3 （四、五噴嘴） =3.4 （六噴嘴或更多）B/d0最小值為3。D. D/B的選擇：為減少水斗汽蝕，按電站水頭查允許的D/B值。小機組希望D/B3.23.5。具體可查圖（3-D-1）：E. 水輪機轉速的選擇：(轉/分) （3-E-1）式中：F. 單位流量的計算： （3-F-1） （3-F-2）G. 水輪機效率： （3-G-1） 效率修正可查曲線（3-G-1） D/B3.5 H. 飛逸轉速： （3-H-1）I. 轉輪重量的計算：（Kg）（3-I-1） 關于噴嘴：內接力器噴嘴

32、流道平順，水力效率比外接力器噴嘴高0.3%左右。多用于立式多噴嘴機組，能縮小廠房平面尺寸。下圖12噴嘴流道常被用于外接力器噴嘴，圖3是適用于內接力器的噴嘴流道。四、調速器的選擇中、小型機械液壓式自動調速器（BWT型、HFBDT型等）的選擇方法為：根據(jù)水輪機的出力和水頭等有關參數(shù)，利用估算公式算出所需要的調速功（工作容量），以及機組調節(jié)保證計算定出的水輪機導葉關閉時間，結合產品供應情況來選擇調速器。水輪機的調速功與水力、制造和安裝等因素有關，因此調速功的公式之間有時相差較大，應根據(jù)具體情況選用合適的計算公式。1 反擊式水輪機的調速功計算公式： （4-1-1） （4-1-2） （4-1-3）式中 A調速器工作容量（調速功）（公斤*米）； K系數(shù)，金屬蝸殼的K=1.4，明槽式的K=2.3； Hmax水輪機的最大工作水頭（米）； N水輪機的出力（千瓦）； Q通過水輪機的流量（