水輪機(jī)選型計(jì)算

淺談水輪機(jī)選型計(jì)算張彪(南寧廣發(fā)重工集團(tuán)發(fā)電設(shè)備公司廣西南寧530031)摘要：簡單介紹了水輪機(jī)的形式、適用范圍、特點(diǎn)、水輪機(jī)選型的步驟、蝸殼、尾水管的尺寸計(jì)算及調(diào)速設(shè)備和油壓裝置的選擇方法。闡述水輪機(jī)各種機(jī)型特點(diǎn)及水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)之間的相互關(guān)系。關(guān)鍵詞：水輪機(jī)選型、蝸殼、尾水管、進(jìn)水閥門、調(diào)速器、油壓裝置原那么選型計(jì)算的一般原那么概括為以下幾點(diǎn)：①所選定的水輪機(jī)應(yīng)有較高的效率。不僅要選擇效率高的轉(zhuǎn)輪型號(hào)，而且還要根據(jù)水輪機(jī)的模型綜合曲線和真機(jī)工作特性曲線選擇工作范圍最好的轉(zhuǎn)輪，以保證水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)有較高的工作效能；

②所選定的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑應(yīng)較小。較小的轉(zhuǎn)輪直徑將使機(jī)組獲得較高的轉(zhuǎn)速，從而縮小機(jī)組尺寸，降低機(jī)組造價(jià)。③所選定的水輪機(jī)應(yīng)有良好的汽蝕性能和工作穩(wěn)定性(壓力脈動(dòng)小)。④優(yōu)先考慮套用已有型號(hào)轉(zhuǎn)輪直徑接近的機(jī)組。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)參數(shù)D1、Q、n、Hs、ns、F、Z0、do。(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)。水輪機(jī)選型過程中，根據(jù)水電站所需要的開發(fā)方式、動(dòng)能參數(shù)、水工建筑物布置等，并考慮已生產(chǎn)的水輪機(jī)的參數(shù)擬選假設(shè)干方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合比擬，最終確定水輪機(jī)的最正確型式與參數(shù)。水輪機(jī)選型計(jì)算內(nèi)容1.確定單機(jī)容量及機(jī)組臺(tái)數(shù)根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)平安標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，水電站工程等別根據(jù)其在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要性，按照庫容和裝機(jī)容量劃分為五等：水電樞紐工程的分等指標(biāo)工程等別工程規(guī)模水庫總庫容(億m3)裝機(jī)容量MW一大〔1〕型≥10≥1200MW二大〔2〕型1~101200～300三中型0.1~1300～50四小〔1〕型0.01~0.150～10五小〔2〕型<0.01＜10水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇一般是在裝機(jī)容量已定的情況下進(jìn)行的，選擇的過程實(shí)際上是一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比擬的過程，有時(shí)與水輪機(jī)型式的選擇、甚至與水輪機(jī)主要參數(shù)的選擇同時(shí)進(jìn)行。2.選擇水輪機(jī)型式(型號(hào))(1)、根據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》,水輪機(jī)的分類和適用范圍見下表(可逆式水輪機(jī),在型式代號(hào)后增加漢語拼音字母”N”表示)：類型水輪機(jī)型式適用水頭特點(diǎn)漢字拼音漢字拼音反擊型混流式FrancisHL30~700結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、范圍廣,效率高軸流式KplanZ轉(zhuǎn)槳式Z3~80用于中低水頭,大流量電站定槳式D3~70用于功率及水頭變幅不大的電站調(diào)槳式T3~70介于定槳與調(diào)槳之間斜流式DeriaxX轉(zhuǎn)槳式Z40~200用于水頭變幅大的電站,但工藝較復(fù)雜,技術(shù)要求高定槳式D貫流式BulbG轉(zhuǎn)槳式Z2~25用于低水頭電站和潮汐電站定槳式D沖擊式水斗式PeltonCJ300~1700用于負(fù)荷變化大而水頭變化不大的電站斜擊式TurgoXJ50~400效率較低,適用于中小型電站雙擊式BankiSJ10~150效率低,僅用于小型電站(2)、水輪機(jī)裝置形式及引水室代號(hào)如下表：主軸布置形式引水室型式與代號(hào)漢字拼音漢字拼音漢字拼音臥式立式WL明槽M軸伸式Z混凝土蝸殼H豎井式S燈泡式P金屬蝸殼J罐式G罐式引水室G紅吸式X有壓明槽MY(3)、轉(zhuǎn)輪型號(hào)含義示意圖：混流式水輪機(jī)示意圖：軸流式水輪機(jī)示意圖：燈泡貫流式水輪機(jī)示意圖：沖擊式水輪機(jī)示意圖：在產(chǎn)品型號(hào)中,用轉(zhuǎn)輪名義直徑表示水輪機(jī)尺寸,轉(zhuǎn)輪名義直徑?。?1)對(duì)于軸流式水輪機(jī),取轉(zhuǎn)輪室最大直徑;(2)對(duì)于混流式水輪機(jī),取轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊的最大直徑。以下對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)品型號(hào)舉例:(1)HLA883-LJ-220,表示混流式,轉(zhuǎn)輪型號(hào)為HLA883,金屬蝸殼,立軸，轉(zhuǎn)輪直徑D1=220cm(2)HLA520-WJ-80,表示混流式,轉(zhuǎn)輪型號(hào)為HLA520,金屬蝸殼,臥軸,轉(zhuǎn)輪直徑D1=80cm。(3)ZZ709-LH-400,表示軸流式,轉(zhuǎn)輪型號(hào)為ZZ709,混凝土蝸殼,立軸,轉(zhuǎn)輪直徑D1=400cm。(4)GZ995a-WP-460,表示貫流式,轉(zhuǎn)輪型號(hào)為GZ995a,燈泡式,臥軸,轉(zhuǎn)輪直徑D1=460cm(5)2CJA475-W-120/2x10,表示一根軸上有兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的水斗式水輪機(jī),轉(zhuǎn)輪型號(hào)為CJA475,臥軸,轉(zhuǎn)輪直徑為D1=120cm,每個(gè)轉(zhuǎn)輪有兩個(gè)噴嘴,射流直徑為10cm。根據(jù)《GB/T15468-2006水輪機(jī)根本技術(shù)條件》，對(duì)水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍規(guī)定：①在空載情況下應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行;②在最大和最小水頭范圍內(nèi)，水輪機(jī)應(yīng)在下表所列功率范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行:水輪機(jī)型式相應(yīng)水頭下的機(jī)組保證功率范圍/%混流式45~100定槳式75~100轉(zhuǎn)槳式35~100沖擊式25~100對(duì)于混流式水輪機(jī)，如在保證運(yùn)行范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)振，應(yīng)采取相應(yīng)措施或避振運(yùn)行。高負(fù)荷短時(shí)運(yùn)行范圍100h，低負(fù)荷短時(shí)運(yùn)行范圍500h。③導(dǎo)葉漏水量：不應(yīng)大于水輪機(jī)額定流量的3‰,圓錐式導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于額定流量4‰。沖擊式水輪機(jī)全關(guān)時(shí)不應(yīng)漏水④轉(zhuǎn)輪裂紋保證供貨方應(yīng)在設(shè)計(jì)制造過程中采用措施，保證產(chǎn)品質(zhì)量，在合同規(guī)定的保證期和穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)保證轉(zhuǎn)輪不產(chǎn)生裂紋。⑤噪聲要求水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，在水輪機(jī)機(jī)坑地板上方1m處所測得的噪聲不應(yīng)大于90dB(A),在距尾水管進(jìn)入門1m處所測得的噪聲不應(yīng)大于95dB(A),沖擊式水輪機(jī)殼上方1m處所測得的噪聲不應(yīng)大于85dB(A),貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室周圍1m內(nèi)所測得的噪聲不應(yīng)大于90dB(A)⑥可靠性指標(biāo)在一般水質(zhì)條件下,水輪機(jī)應(yīng)具有以下可靠性指標(biāo)：水輪機(jī)大修間隔期不少于5年；無故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不少于20000小時(shí)；水輪機(jī)平均壽命不少于40年。根據(jù)GB/T15469.1-2008還擊式水輪機(jī)空蝕評(píng)定(MODIEC60609-1：2008)在規(guī)定的運(yùn)行范圍和時(shí)間內(nèi)運(yùn)行一時(shí)間內(nèi)，任何形式的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(是指正常選用的轉(zhuǎn)輪材料為不銹鋼或不銹鋼覆面的碳鋼)的最大空蝕深度S(以mm計(jì))、最大空蝕材料剝落體積V(以cm2)和質(zhì)量M(以kg計(jì))。圖中所示各值依據(jù)以下條件確定：a)在不少于兩年運(yùn)行時(shí)間后的合理修補(bǔ)量。b)空蝕深度不削弱機(jī)械強(qiáng)度。這里給出的空蝕體積V、質(zhì)量M值不是指單個(gè)葉片，而是指整個(gè)轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪形式材質(zhì)空蝕深度S質(zhì)量M空蝕體積V任何形式轉(zhuǎn)輪不銹鋼S=4D0.4M=0.78D2V=20D2碳鋼S=6D0.4M=0.156D2V=100D23.確定水輪機(jī)同步轉(zhuǎn)速n、比轉(zhuǎn)速ns、過流量Qr、轉(zhuǎn)輪直徑D1、吸出高度Hs、軸向水推力F、飛逸轉(zhuǎn)速nr等；沖擊式水輪機(jī)射流直徑do與噴嘴數(shù)Zo。(1)現(xiàn)代水輪機(jī)一般都直接帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī),帶動(dòng)加工機(jī)械的情況較少。我國電網(wǎng)所采用的標(biāo)準(zhǔn)頻率為f=50Hz,一些國家和地區(qū)也有采用60Hz,為得到標(biāo)準(zhǔn)頻率必須滿足以下條件：np=6000(f=50Hz)或np=7200(f=60Hz)(式中:n—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；p—發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù))。按中國額定電壓標(biāo)準(zhǔn),不同機(jī)組容量選擇發(fā)電機(jī)額定電壓的參考值如下表所示：選擇發(fā)電機(jī)額定電壓的參考值〔查《中國水力發(fā)電工程機(jī)電卷》〕機(jī)組容量(MVA)6~357.5~6536~200100~320320額定電壓(kV)6.310.513.815.7518機(jī)組容量(MVA)<125MVA125<P<350MVAP<350MVA額定功率因數(shù)不低于0.8(滯后)不低于0.85(滯后)不低于0.9(滯后)根據(jù)《GB/T7894-2001水輪發(fā)電機(jī)根本技術(shù)條件》及《水輪機(jī)》,水輪發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速優(yōu)先在以下轉(zhuǎn)速(r/min)中選擇：(60Hz轉(zhuǎn)速按優(yōu)先轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的磁極對(duì)數(shù)得出)發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速50Hz60Hz50Hz60Hz50Hz60Hz21500.01800.015200.0240.03488.2105.831000.01200.016187.5225.03683.3100.04750.0900.018166.7200.04075.090.05600.0720.020150.0180.04271.485.76500.0600.021142.9171.54468.281.87428.6514.322136.4163.74862.575.08375.0450.024125.0150.05060.072.09333.3400.026115.4138.55257.769.210300.0360.028107.1128.55653.664.312250.0300.030100120.060505014214.3257.23293.8112.6根據(jù)《GB/T7894-2009水輪發(fā)電機(jī)根本技術(shù)條件》中規(guī)定,對(duì)裝有推力軸承的導(dǎo)軸承的立式水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)架，其垂直方向和水平方向的允許雙幅振動(dòng)值，以及臥式水輪發(fā)電機(jī)軸承在垂直方向的允許雙幅振動(dòng)值,應(yīng)不大于下表的規(guī)定：水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)(雙幅)允許限值mm工程額定轉(zhuǎn)速,r/min≤100100~250250~375375~750>750振動(dòng)允許值(雙振幅),mm立式機(jī)組推力軸承支架的垂直振動(dòng)0.080.070.050.040.03導(dǎo)軸承支架的水平振動(dòng)0.110.090.070.050.04定子鐵芯部位機(jī)座水平振動(dòng)0.040.030.020.020.02定子鐵芯振動(dòng)(100Hz振幅值)0.030.030.030.030.03臥式機(jī)組各部軸承垂直振動(dòng)0.110.090.070.050.04燈泡貫流式機(jī)組推力支架的軸向振動(dòng)0.100.08各導(dǎo)軸承的徑向振動(dòng)0.120.10燈泡頭的徑向振動(dòng)0.120.10注：振動(dòng)值系指機(jī)組在除過速運(yùn)行以外的各種穩(wěn)定運(yùn)行工況下的雙振幅值在正常運(yùn)行工況下，水輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承處測得軸的相對(duì)運(yùn)行擺度值(雙振幅值)應(yīng)不大于75%的軸軸總間隙值。同時(shí)規(guī)定在水輪發(fā)電機(jī)蓋板外緣上方垂直距離1m處測量的噪聲水平應(yīng)為以下數(shù)值：a)額定轉(zhuǎn)速為250r/min及以下者不超過80dB(A)；b)額定轉(zhuǎn)速高于250r/min者不超過85dB(A)。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)局部的第一階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)不小于最大飛逸轉(zhuǎn)速的120%。對(duì)于水輪發(fā)電機(jī),不采用3000轉(zhuǎn)速,因?yàn)楫?dāng)發(fā)生事故時(shí),其飛逸轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是很危險(xiǎn)的；轉(zhuǎn)速1500采用于極小的水輪發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)速1000比擬適用于小型水輪發(fā)電機(jī)。在實(shí)際中為使水輪機(jī)能和發(fā)電機(jī)直接傳動(dòng),水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)符合發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在通過轉(zhuǎn)速計(jì)算得出n后,先查找同步轉(zhuǎn)速中相近檔次的轉(zhuǎn)速,帶入轉(zhuǎn)速公式反算水頭H對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11。(2)查JB/T6310-1992《中小型軸流式、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪系列型譜》，規(guī)定了中小型軸流式和混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型參數(shù)范圍。在沒有模型資料數(shù)據(jù)時(shí)可做為初定值。中小型軸流式轉(zhuǎn)輪型譜參數(shù)范圍適用水頭范圍m導(dǎo)葉相對(duì)高度bo輪轂比葉片數(shù)Zo最優(yōu)工況限制工況單位轉(zhuǎn)速n11r/min單位流量q11m比轉(zhuǎn)速nsm·kw單位流量Q11m汽蝕系數(shù)σm3~80.450.34/0.383,4155~1701.1~1.3660~7602.1~2.31.2~1.46~150.450.34/0.384142~1541.0~1.2580~6701.9~2.150.8~0.9512~220.400.35/0.404130~1400.95~1.15500~5701.7~1.90.64~0.7518~300.400.40/0.455122~1320.90~1.1400~5001.5~1.70.52~0.6226~400.3750.45/0.506115~1250.85~1.05400~4501.35~1.550.45~0.55中小型混流式轉(zhuǎn)輪型譜參數(shù)范圍適用水頭范圍m導(dǎo)葉相對(duì)高度bo最優(yōu)工況限制工況單位轉(zhuǎn)速n11r/min單位流量Q11m3/s比轉(zhuǎn)速nsm·kw單位流量Q11m3/s汽蝕系數(shù)σm20~450.3580~851.15~1.25270~3101.3~1.450.2~0.2435~600.31576~831.0~1.2250~2901.15~1.350.12~0.1750~800.2874~800.95~1.1230~2701.1~1.250.11~0.1470~1050.2570~780.9~1.05210~2501.05~1.20.10~0.1290~1250.22568~750.8~0.95195~2350.95~1.10.08~0.11110~1500.2065~720.7~0.8170~2100.8~0.950.06~0.09135~2000.1665~700.5~0.65140~1800.6~0.750.045~0.065180~2500.14/0.1663~670.35~0.5120~1500.45~0.600.04~0.055230~3200.12/0.1460~640.2~0.395~1200.25~0.350.035~0.045300~4000.1/0.258~620.18~0.2275~1000.22~0.280.032~0.04中小型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑尺寸系列規(guī)定為：轉(zhuǎn)輪直徑系列單位:：cm25303540425060718084100120140160180200225250275300330(3)水輪機(jī)選型計(jì)算公式如下表：名稱還擊式水輪機(jī)根本參數(shù)計(jì)算備注單位水輪機(jī)功率計(jì)算Pr：水輪機(jī)額定功率，Pr=Pf／ηf;Pf：發(fā)電機(jī)額定功率；ηf：發(fā)電機(jī)效率；ηr：水輪機(jī)效率；中小型：0.95~0.96大中型：0.96～0.98；Q11r：水輪機(jī)額定工況單位流量；Hr：水輪機(jī)的額定水頭；n110：模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速；n11：水頭對(duì)應(yīng)單位轉(zhuǎn)速；▽：正常下游尾水位；bo：導(dǎo)水葉高度；k：汽蝕平安系數(shù)；不銹鋼材料取1.15~1.3；碳鋼材料取1.3~1.5；K:水推力系數(shù)混流式查水輪機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)值；軸流式水推力系數(shù)：葉片數(shù)45678K0.850.870.90.930.95D2：混流式轉(zhuǎn)輪最大外徑；dh：轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪輪轂直徑；如果沒有模型飛逸特性曲線或最大單位飛逸轉(zhuǎn)速,可按統(tǒng)計(jì)的飛逸系數(shù)KR近似估算nR=KRn沖擊式或混流式：KR=1.7~2.0；轉(zhuǎn)槳保持協(xié)聯(lián)：KR=2.0~2.2定槳：KR:2.4~2.6。KW轉(zhuǎn)速的計(jì)算r/min轉(zhuǎn)輪直徑計(jì)算(m)流量計(jì)算Qr=Q11rD12m3/s比轉(zhuǎn)速計(jì)算或ns=3.13n11m.kw吸出高度的計(jì)算立式機(jī)組：Hs=10--kσHr+臥式機(jī)組:：Hs=10--kσHr-m汽蝕數(shù)σ由模型曲線對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)查取汽蝕數(shù)與比轉(zhuǎn)速混流式:σ=0.319()2軸流式:σ=0.28+()3m軸向水推力計(jì)算混流式:F=KD22Hmax軸流式:F=K(D12-dh2)HmaxKN飛逸轉(zhuǎn)速計(jì)算nR=n11Rr/min沖擊式水輪機(jī)根本參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)輪直徑計(jì)算Zp：轉(zhuǎn)輪數(shù)Zo：噴嘴數(shù)φ；流速系數(shù),史振聲版《水輪機(jī)》推薦值為0.97~0.98,精確3位數(shù)經(jīng)計(jì)算取0.968能保證精確四位數(shù)D1/do=10~20時(shí)，原型效率與模型差異不大do：噴嘴射流直徑,m；沖擊式最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速一般取n11=37~41;vo：噴嘴出口射流平均速度m/s；單位轉(zhuǎn)速n1’=84.6沖擊式水輪機(jī)其它參數(shù)確定：水斗直徑db=1.05do噴嘴口直徑dn=1.228do噴針最大行程Sn=1.16do沖擊式模型單位飛逸轉(zhuǎn)速,一般取n11R=70；單位流量Q11可表示為射流直徑計(jì)算或m水斗數(shù)計(jì)算m噴嘴直徑計(jì)算m轉(zhuǎn)速計(jì)算r/min流量計(jì)算m3/s圓周速度系數(shù)K圓周速度u；飛逸轉(zhuǎn)速計(jì)算nR=n11Rr/min比轉(zhuǎn)速計(jì)算m.kw水輪機(jī)效率修正混流式和定槳式水輪機(jī)效率修正:轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)效率修正：式中：ηmax—模型最高效率;DM、DT—模型、真機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑,m；Hm、H—模型機(jī)試驗(yàn)水頭、真機(jī)水頭，m。對(duì)于混流式和定槳式水輪機(jī)，η=ηM+△η；對(duì)于轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)：轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)輪葉轉(zhuǎn)角不同時(shí)，最高效率也不一樣，為簡化計(jì)算,各個(gè)轉(zhuǎn)角取等修正值△η。2.3在進(jìn)行選型計(jì)算時(shí),選取符合條件的模型曲線,按單位流量大的模型為優(yōu)先計(jì)算,得出水輪機(jī)型號(hào)、直徑、轉(zhuǎn)速、效率等進(jìn)行比照。采用Excel表格進(jìn)行簡單的計(jì)算、比擬、確定直徑等工作非常方便，對(duì)減少工作的時(shí)間，提高工作效率有一定的幫助。水輪機(jī)選型參數(shù)計(jì)算過程，假設(shè)采用手工計(jì)算,非常繁復(fù)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、工作效率較低。在此通過Excel中的公式編輯進(jìn)行選型計(jì)算,填入相應(yīng)參數(shù)：水頭、發(fā)電機(jī)出力、發(fā)電機(jī)預(yù)估效率等,即可快速得出計(jì)算結(jié)果,較手工計(jì)算更為方便。在手上無水輪機(jī)選型電算軟件的情況下，能比擬好的提高工作效率；同時(shí)對(duì)于編制、整理、查找模型曲線數(shù)據(jù)有一定幫助(此表格根據(jù)水利網(wǎng)“不惑駒水輪機(jī)選型”稍做修改)。在水輪機(jī)選型中注意如下幾點(diǎn)：(1).選擇各曲線的模型最優(yōu)點(diǎn)流量及1.05~1.1倍模型最優(yōu)點(diǎn)流量做為試算的流量范圍；(2).選擇模型最優(yōu)點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速及“最優(yōu)點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速±(5~10)”做為試算的單位轉(zhuǎn)速范圍；(3).通過計(jì)算比擬,找出在符合條件的模型曲線中額定轉(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)輪直徑較小、效率較高的水輪機(jī)模型曲線做為最優(yōu)選；(4)將不符合水頭段的模型曲線型號(hào)剃除。(5).考慮按標(biāo)準(zhǔn)直徑系列選擇轉(zhuǎn)輪直徑；考慮已制造的相同型號(hào)、相近轉(zhuǎn)輪直徑的借用。水輪機(jī)選型算例如下：Nf=4000KW，ηf=0.96;水頭分別為:100米，96米，93米，90米；進(jìn)行選型計(jì)算。4.估算水輪機(jī)運(yùn)輸重量、蝸殼、尾水管尺寸、調(diào)速器及油壓裝置的選擇。(1)水輪機(jī)重量計(jì)算不包括調(diào)速器、油壓裝置和其他附近屬設(shè)備的水輪機(jī)重量近似按下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:G=KD1aHb(噸)式中:K、b—與水頭有關(guān)的系數(shù);a—與直徑D1有關(guān)的系數(shù)。轉(zhuǎn)槳式混流式水頭<8030~200>200直徑1.8~6.56.5~11.31.4~7.57.5~10a2.14b0.40.160.2K2.458.16.6M=HmaxD13Qi'帶蝸殼混流機(jī)Gs=KD1aHb金屬蝸殼重量Gw=M/(2.5-0.0528LnM)d-輪轂比Qi’-單位流量轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪重量GZZ=1.4dHmax0.1D12.6混流式轉(zhuǎn)輪重量GHL=(0.5+0.025(10-D1))D13(2)蝸殼外形計(jì)算金屬蝸殼采用鋼板焊接，蝸殼斷面為圓形，當(dāng)蝸殼尾部用圓斷面不能和座環(huán)蝶形邊相連接時(shí)，采用橢圓形斷面，蝸殼的包角一般為345度?；炷廖仛こＳ糜诘退^、大流量機(jī)組，為了縮小廠房尺寸，一般采用較小的包角φ°，包角通常為?°=180~270°,其中180°包角較常用。連接蝸殼的座環(huán)有兩種：一種是帶蝶形邊座環(huán)；一種是無蝶形邊座環(huán)。采用帶蝶形邊座環(huán)時(shí)，其錐角為55度。根據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中蝸殼水利計(jì)算公式，及《水輪機(jī)》中的座環(huán)尺寸設(shè)計(jì)值初定。蝸殼的分節(jié)數(shù)見下表：轉(zhuǎn)輪直徑D1(米)金屬蝸殼分節(jié)數(shù)各節(jié)角度混凝土蝸殼包角與水頭關(guān)系≤2<2015水頭H蝸殼包角2~3.320~2313~15<25135~2253.3~4.523~2810~1425~40225~2704.5~6.528~357~13一般情況下最小包角為180°混凝土蝸殼設(shè)計(jì)時(shí)角度可按下表范圍選擇：m≤nm>nn=0蝸殼橫向總寬B值γ=20~35°γ=10~20°γ=10~15°?≤180?=200~225?>225δ=20~30°一般取30°δ=0B=Rb+0.95D1B=Rb+1.1D1按具體條件定蝸殼如設(shè)有支墩，那么支墩出水邊至機(jī)組中心線的距離應(yīng)保持L>1.3D1。(1)金屬蝸殼計(jì)算例如某混流式水輪機(jī)的參數(shù)如下:設(shè)計(jì)水頭Hr=127m;設(shè)計(jì)流量Qr=20.34m3根據(jù)水輪機(jī)工作水頭Hr=127m,選擇φ°=345°的金屬蝸殼。查河海大學(xué)劉大愷《水輪機(jī)》第三版，金屬蝸殼設(shè)計(jì),固定導(dǎo)葉外切圓直徑Da=1.55~1.64；固定導(dǎo)葉內(nèi)切圓直徑Db=1.33~1.37。Da、Db座環(huán)進(jìn)口和出口處直徑與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪尺寸D1的比值,當(dāng)D1<3.2m時(shí)取上限值。金屬蝸殼簡單計(jì)算單位：米進(jìn)口包角φ°345流量Q20.34水頭H127流速系數(shù)K(查蝸殼進(jìn)口流速系數(shù)與水頭關(guān)系曲線2)0.69蝶形邊半高h(yuǎn)=(bo+0.2D1)/20.31蝸殼分節(jié)角度15固定導(dǎo)葉蝶形邊K取值0.08固定導(dǎo)葉外圓半徑

Ra=1.64D1/21.165座環(huán)外圓半徑1.245進(jìn)口斷面流量19.493進(jìn)口斷面流速7.776進(jìn)口斷面面積2.507進(jìn)口斷面外徑0.955°錐角頂點(diǎn)半徑ra=Ro-hctg551.028進(jìn)口斷面中心距2.09進(jìn)口斷面外徑=+2.991693.6S=h/cos550.54cos550.5741/sin551.221ctg5520.49ctg550.7tg551.4280.3790.137圓斷面半徑ρ>S時(shí)斷面形狀改為橢圓形176°小于此角度換成橢圓橢圓斷面長半徑中心距a1=Ra+1.22*ρ橢圓斷面橢圓短徑橢圓面積當(dāng)量A=πρi2+d2tg55橢圓斷面長徑橢圓斷面短半徑中心距橢圓斷面外徑金屬蝸殼計(jì)算單位：米斷面號(hào)φiφi/C2R0φi/C2R0φi/C-h2(2R0φi/C-h2)^0.5XiXi2圓形ρi圓形ai外徑Ri13450.20370.50700.41090.64100.84470.71360.8992.0902.98923300.19490.48530.38920.62390.81880.67050.8752.0642.93933150.18600.46310.36700.60580.79180.62700.8502.0372.88743000.17710.44100.34490.58730.76440.58440.8242.0092.83352850.16830.41910.32300.56830.73660.54260.7991.9822.78162700.15940.39690.30080.54850.70790.50120.7721.9532.72572550.15060.37500.27890.52810.67870.46070.7461.9242.67082400.14170.35280.25670.50670.64840.42050.7181.8932.61192250.13290.33090.23480.48460.61750.38140.6911.8632.554102100.12400.30880.21270.46120.58520.34250.6621.8302.492111950.11510.28660.19050.43650.55160.30430.6321.7972.429121800.10630.26470.16860.41060.51690.26720.6021.7622.364131650.09740.24250.14640.38260.48000.23040.5711.7252.296141500.08860.22060.12450.35280.44140.19490.539<0.541.6862.225橢圓當(dāng)量ρiA短半徑ρ2長半徑ρ1中心距ai外徑Ri141500.53900.9400.5390.5411.6872.228151350.50600.8310.4830.5241.6182.142161200.47200.7270.4270.5081.5502.058171050.43500.6210.3660.4891.4751.96418900.39700.5220.3040.4711.4001.87119750.35700.4270.2410.4521.3231.77520600.31400.3370.1750.4321.2421.67421450.26700.2510.1060.4111.1581.56922300.21300.1690.0320.3891.0681.45723150.14600.094R2<0R2<0R2<0R2<0注：(以上計(jì)算數(shù)據(jù)采用Execl表格計(jì)算得出)流速系數(shù)K值按第二條曲線取值(2)混凝土蠅殼計(jì)算例如:某電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的參數(shù)如下：設(shè)計(jì)水頭Hr=22.9m;設(shè)計(jì)流量Qr=50.2m3/s;水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1=2.8m;計(jì)算水輪機(jī)蝸殼平面尺寸。根據(jù)水輪機(jī)工作水頭Hr=22.9m,選擇?°=210°的混凝土蝸殼。為簡化設(shè)計(jì),減小廠房布置尺寸，選用“Г”轉(zhuǎn)輪直徑D12.8流量Q50.2Qi=φ*Q/36029.28bi=ai的倍數(shù),mi=bi-bo，m≥bo;過流面積計(jì)算:Fi=aibi-(mi2tgβ/2)+bo(Ra-Rb);蝸殼外徑Ri=ai+Ra;進(jìn)口B取值:180°:B=Ri+0.95*D1;225°:B=Ri+1.1*D1;蝸殼進(jìn)口相切圓R跟據(jù)進(jìn)口包角確定。水頭m22.9蝸殼包角φ(135~225)210Fo=Qo/vo=7.327.32分節(jié)角度15Vo查混凝土流速曲線4F大=1.01*F7.393b:a1.8固定導(dǎo)葉高bo1.13F<Fi<F大7.39m夾角β(10~15)15固定導(dǎo)葉外圓半徑R12.24蝸殼進(jìn)口寬度B7.48tgβ0.27固定導(dǎo)葉內(nèi)圓半徑R21.955蝸殼進(jìn)口相切圓R1.33方法一：跟據(jù)過流面積簡單計(jì)算混凝土蝸殼斷面簡單計(jì)算(采用Execl表格計(jì)算得出下表)單位：米斷面號(hào)φiFF大F<Fi<F大aibimi外徑Riai-mi*tgβ12107.3207.3937.3902.1633.8932.7634.401.41721956.7976.8656.8592.0793.7422.6124.321.37431806.2746.3376.3341.9933.5872.4574.231.33041655.7515.8095.8021.9023.4242.2944.141.28351505.2295.2815.2801.8093.2562.1264.051.23561354.7064.7534.7511.7103.0781.9483.9501.18471204.1834.2254.2241.6062.8911.7613.851.13181053.6603.6973.6941.4952.6911.5613.741.0749903.1373.1683.1681.3772.4791.3493.621.01310752.6142.6402.6391.2492.2481.1183.490.94711602.0912.1122.1091.1081.9940.8643.350.87512451.5691.5851.5820.9511.7120.5823.190.79413301.0461.0561.0560.7691.3840.2543.010.70014150.5230.5280.5280.4671.1300.0002.710.467混凝土進(jìn)口流速根據(jù)流速與設(shè)計(jì)水頭的關(guān)系曲線查出,取中間值：混凝土蝸殼的簡單計(jì)算方法,主要根據(jù)保證過流面積Fi不小于計(jì)算過流面積F為根底，與半解析法結(jié)果稍有差異。方法二：混凝土蝸殼水力計(jì)算(半解析法)(1)按Fo=Qmaxφo/360Vo,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F=Fo；(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，繪出平面單線圖混凝土蝸殼半解法析示意圖：尾水管尺寸確定最常用的尾水管有彎肘型、直錐型和彎錐形三種。直錐型彎錐形彎肘型組成直錐等直徑彎段+直錐段進(jìn)口直錐斷中間彎肘管出口擴(kuò)散管特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，性能良好(ηd可達(dá)80%～85%)。下部開往工程量大。彎段水力損失大，性能差(ηd只有40%～60%)。下部開往工程量小。具有良好的水力性能(ηd約為75%～80%)?？纱蟠鬁p小下部開往工程量。適用情況應(yīng)用于小型水輪機(jī)應(yīng)用于小型臥式水輪機(jī)除貫流式外的所有大中型水輪機(jī)都采用。彎肘型尾水管主要尺寸確實(shí)定：直錐型和彎錐型尾水管結(jié)構(gòu)簡單，其尺寸根據(jù)實(shí)際需要容易定出。而對(duì)于彎肘型，由于水流運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜，大多是通過模型試驗(yàn)來定其尺寸?，F(xiàn)在已經(jīng)形成了定型化的資料，可供初步設(shè)計(jì)時(shí)參考下表。推薦尾水管尺寸表h/D1L/D1B5/D1D4/D1h4/D1h6/D1L1/D1h5/D1肘管型式適用范圍2.24.51.8081.101.100.5740.941.30金屬里襯肘管

h4/D1＝1.10混流式D1>D22.34.52.4201.201.200.6001.621.27標(biāo)準(zhǔn)混凝土肘管軸流式2.64.52.7201.351.350.6751.821.22標(biāo)準(zhǔn)混凝土肘管混流式D1<D24.進(jìn)水閥門選擇閥門序號(hào)編制方法：閥門類型代號(hào)閥軸布置方式操作機(jī)構(gòu)型式漢語拼音鐵餅型蝴蝶閥平板型蝴蝶閥球型閥DFPDFQF臥軸立軸WL油壓操作Y水壓操作C電動(dòng)操作D手動(dòng)操作S根據(jù)《水輪機(jī)和輔助設(shè)備》，進(jìn)水閥有閘板型、蝴蝶型和球型等幾種，根據(jù)電站水頭上下分別選用：a)水頭在200m以下時(shí)，通常采用閘板閥或蝴蝶閥。b)水頭在200m以上、800m以下，通常采用球型閥。進(jìn)水閥門尺寸根據(jù)蝸殼進(jìn)口尺寸放大1.14倍后按閥門廠樣本尺寸選取偏大直徑的閥門即可。調(diào)節(jié)功計(jì)算及接力器的選擇根據(jù)《JB/T2832-2004水輪機(jī)調(diào)速器及油壓裝置型號(hào)編制方法》調(diào)速器型號(hào)編制方法調(diào)速器根本代號(hào)動(dòng)力特征Y-帶有接力器及壓力缺罐的調(diào)速器T-通流式調(diào)速器調(diào)節(jié)器特征W-微機(jī)電液調(diào)速器對(duì)象類別C-沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器Z-轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器產(chǎn)品類型T-調(diào)速器C-操作器F-負(fù)荷調(diào)節(jié)器D-電動(dòng)式調(diào)速器產(chǎn)品屬性D-電氣液壓調(diào)速器的電氣柜J-電氣液壓調(diào)速器的機(jī)械柜根本代號(hào)例如YT帶有壓力罐及接力器的機(jī)械液壓調(diào)速器YWT帶有壓力罐及接力器的微機(jī)型電氣液壓調(diào)速器WT微機(jī)型電氣液壓調(diào)速器WZT轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)微機(jī)型電氣液壓調(diào)速器TT通流式機(jī)械液壓調(diào)速器CT沖擊式水輪機(jī)機(jī)械液壓調(diào)速器WCT沖擊式水輪機(jī)機(jī)械液壓調(diào)速器YC帶有壓力罐及接力器的機(jī)械液壓操作器DC電動(dòng)操作器DF電子負(fù)荷調(diào)節(jié)器調(diào)速器規(guī)格代號(hào)：對(duì)于帶有接力器和壓力罐的調(diào)速，表示接力器容量(N·m)對(duì)于不帶有接力器和壓力罐的單調(diào)整水輪機(jī)調(diào)速器，表示導(dǎo)葉主配壓閥直徑(mm)。對(duì)于不帶有接力器和壓力罐的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器，表示導(dǎo)葉主配壓閥直徑(mm)/輪葉主配壓閥直徑(mm)；如果導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)葉主配壓閥直徑相同，轉(zhuǎn)葉主配壓閥可不表示。對(duì)于沖擊式水輪機(jī)調(diào)速器，表示噴針配壓閥直徑(mm)×噴針配壓閥數(shù)量/折向器配壓閥直徑(mm)×折向器配壓閥數(shù)量。如果噴針配壓閥或折向器配壓閥的數(shù)量為1個(gè)，那么數(shù)量省略。型號(hào)例如：YT-6000-2.5帶有壓力罐的機(jī)械液壓調(diào)速器，接力器容量為6000N·m，額定油壓為2.5MPa。YC-10000-4.0帶有壓力罐的液壓操作器，接力器容量為10000N·m，額定油壓為4.0MPa。DC-6000電動(dòng)操作器，輸出最大容量為6000N·m。DF-18/1-XX01配用于機(jī)組功率為18kw，發(fā)電機(jī)為單相的電子負(fù)荷調(diào)節(jié)器，為XX制造廠01型產(chǎn)品。調(diào)節(jié)功的計(jì)算：(1)、混流式(N·m)，高水頭取下限，低水頭取上限;(2)、沖擊式水輪機(jī)調(diào)節(jié)功的估算:A=(N·m)式中:Zo為噴嘴或折向器數(shù)；do為額定流量時(shí)的射流直徑，cm。大型調(diào)速器的導(dǎo)葉接力器容量選擇一般是按經(jīng)驗(yàn)公式算出接力器直徑，選取接近且偏大的系列直徑。每個(gè)接力器的直徑dc可近似按下式計(jì)算：(米)bo/D1--導(dǎo)葉相對(duì)高度；PH—調(diào)速系統(tǒng)額定油壓(公斤/厘米2)常用油壓有25、40、63、160等多個(gè)等級(jí)。λ值由《水輪機(jī)調(diào)節(jié)》表8-3?。害讼禂?shù)表水輪機(jī)水頭范圍混流式軸流式對(duì)稱不對(duì)稱對(duì)稱不對(duì)稱低水頭0.135~0.150.14~0.1550.135~0.15中水頭0.145~0.160.135~0.15高水頭0.135~0.15注:1.bo/D1數(shù)值相等,而轉(zhuǎn)輪不同時(shí),Q’1大時(shí)取大值。2.同一轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪，包角大并用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱形導(dǎo)葉者取大值，但包角大，用非正曲率導(dǎo)葉者取較小值。由《水輪機(jī).水泵及輔助設(shè)備》可知：導(dǎo)葉的最大開度：；接力器最大行程：Smax=1.4aomax(m)雙直缸接力器總?cè)莘e：(m3)轉(zhuǎn)輪接力器直徑計(jì)算:(m)轉(zhuǎn)輪接力器最大行程Smax按下式計(jì)算Smax=(0.036~0.072)D1(m)當(dāng)D1大于5m時(shí)，公式中采用較小的系數(shù)。轉(zhuǎn)輪接力器容積主配壓閥直徑：(mm)式中：VD為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)或折向器接力器的總?cè)莘e，m3;v為管路中油的流速，m/s。當(dāng)油壓裝置額定工作壓力為2.5MPa時(shí)，取v≤4~5m/s;Ts為接力器關(guān)閉時(shí)間(由調(diào)節(jié)保證計(jì)算決定)。油壓裝置油壓裝置型號(hào)編制方法油壓裝置根本代號(hào)YZ-壓力罐與回油箱為別離結(jié)構(gòu)的油壓裝置；HYZ-壓力罐與回油箱組合為一體的油壓裝置。油壓裝置根本代號(hào)表示壓力罐總?cè)莘e(m3)/壓力罐數(shù)量。如為一個(gè)壓力罐，那么壓力罐數(shù)量不加表示。油壓裝置