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水轮机选型计算

浅谈水轮机选型计算

张彪

（南宁广发重工集团发电设备公司广西南宁530031）

摘要：

简单介绍了水轮机的形式、适用范围、特点、水轮机选型的步骤、蜗壳、尾水管的尺寸计算及调速设备和油压装置的选择方法。

阐述水轮机各种机型特点及水轮机技术参数之间的相互关系。

关键词：

水轮机选型、蜗壳、尾水管、进水阀门、调速器、油压装置

原则

选型计算的一般原则概括为以下几点：

①所选定的水轮机应有较高的效率。

不仅要选择效率高的转轮型号，而且还要根据水轮机的模型综合曲线和真机工作特性曲线选择工作范围最好的转轮，以保证水轮机运行时有较高的工作效能；

②所选定的水轮机转轮直径应较小。

较小的转轮直径将使机组获得较高的转速，从而缩小机组尺寸，降低机组造价。

③所选定的水轮机应有良好的汽蚀性能和工作稳定性（压力脉动小）。

④优先考虑套用已有型号转轮直径接近的机组。

内容

（1）、确定机组台数及单机容量

（2）、选择水轮机型式（型号）

（3）、确定水轮机参数D1、Q、n、Hs、ns、F、Z0、do。

（4）、绘制水轮机运转特性曲线

（5）、估算水轮机的外形尺寸、重量及价格、蜗壳、尾水管的形式、尺寸、调速器及油压装置选择

（6）、根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，拟定并向厂家提出制造任务书，最终由双方共同商定机组的技术条件，作为进一步设计的依据。

水轮机选型过程中，根据水电站所需要的开发方式、动能参数、水工建筑物布置等，并考虑已生产的水轮机的参数拟选若干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。

水轮机选型计算内容

1.确定单机容量及机组台数

根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，水电站工程等别根据其在国民经济建设中的重要性，按照库容和装机容量划分为五等：

水电枢纽工程的分等指标

工程等别

工程规模

水库总库容（亿m3）

装机容量MW

一

大

（1）型

≥10

≥1200MW

二

大

（2）型

1~10

1200～300

三

中型

0.1~1

300～50

四

小

（1）型

0.01~0.1

50～10

五

小

（2）型

<0.01

＜10

水电站机组台数的选择一般是在装机容量已定的情况下进行的，选择的过程实际上是一个技术经济比较的过程，有时与水轮机型式的选择、甚至与水轮机主要参数的选择同时进行。

2.选择水轮机型式（型号）

（1）、根据《水轮机设计手册》,水轮机的分类和适用范围见下表（可逆式水轮机,在型式代号后增加汉语拼音字母”N”表示）：

类型

水轮机型式

适用

水头

特点

汉字

拼音

汉字

拼音

反

击

型

混流式Francis

30~700

结构紧凑、运行稳定、范围广,效率高

轴流式Kplan

转桨式

3~80

用于中低水头,大流量电站

定桨式

3~70

用于功率及水头变幅不大的电站

调桨式

3~70

介于定桨与调桨之间

斜流式Deriax

转桨式

40~200

用于水头变幅大的电站,

但工艺较复杂,技术要求高

定桨式

贯流式Bulb

转桨式

2~25

用于低水头电站和潮汐电站

定桨式

冲

击

式

水斗式Pelton

300~1700

用于负荷变化大而水头变化不大的电站

斜击式Turgo

50~400

效率较低,适用于中小型电站

双击式Banki

10~150

效率低,仅用于小型电站

（2）、水轮机装置形式及引水室代号如下表：

主轴布置形式

引水室型式与代号

汉字

拼音

汉字

拼音

汉字

拼音

卧式

立式

明槽

轴伸式

混凝土蜗壳

竖井式

灯泡式

金属蜗壳

罐式

罐式引水室

红吸式

有压明槽

（3）、转轮型号含义示意图：

混流式水轮机示意图：

轴流式水轮机示意图：

灯泡贯流式水轮机示意图：

冲击式水轮机示意图：

在产品型号中,用转轮名义直径表示水轮机尺寸,转轮名义直径取：

（1）对于轴流式水轮机,取转轮室最大直径;

（2）对于混流式水轮机,取转轮叶片进口边的最大直径。

以下对水轮机产品型号举例:

（1）HLA883-LJ-220,表示混流式,转轮型号为HLA883,金属蜗壳,立轴，转轮直径D1=220cm。

（2）HLA520-WJ-80,表示混流式,转轮型号为HLA520,金属蜗壳,卧轴,转轮直径D1=80cm。

（3）ZZ709-LH-400,表示轴流式,转轮型号为ZZ709,混凝土蜗壳,立轴,转轮直径D1=400cm。

（4）GZ995a-WP-460,表示贯流式,转轮型号为GZ995a,灯泡式,卧轴,转轮直径D1=460cm。

（5）2CJA475-W-120/2x10,表示一根轴上有两个转轮的水斗式水轮机,转轮型号为CJA475,

卧轴,转轮直径为D1=120cm,每个转轮有两个喷嘴,射流直径为10cm。

根据《GB/T15468-2006水轮机基本技术条件》，对水轮机的稳定运行范围规定：

①在空载情况下应能稳定运行;

②在最大和最小水头范围内，水轮机应在下表所列功率范围内稳定运行:

水轮机型式

相应水头下的机组保证功率范围/%

混流式

45~100

定桨式

75~100

转桨式

35~100

冲击式

25~100

对于混流式水轮机，如在保证运行范围内出现强振，应采取相应措施或避振运行。

高负荷短时运行范围100h，低负荷短时运行范围500h。

③导叶漏水量：

不应大于水轮机额定流量的3‰,圆锥式导叶漏水量不应大于额定流量4‰。

冲击式水轮机全关时不应漏水

④转轮裂纹保证

供货方应在设计制造过程中采用措施，保证产品质量，在合同规定的保证期和稳定运行范围内保证转轮不产生裂纹。

⑤噪声要求

水轮机正常运行时，在水轮机机坑地板上方1m处所测得的噪声不应大于90dB（A）,在距尾水管进入门1m处所测得的噪声不应大于95dB（A）,冲击式水轮机壳上方1m处所测得的噪声不应大于85dB（A）,贯流式水轮机转轮室周围1m内所测得的噪声不应大于90dB（A）

⑥可靠性指标

在一般水质条件下,水轮机应具有以下可靠性指标：

水轮机大修间隔期不少于5年；

无故障连续运行时间不少于20000小时；

水轮机平均寿命不少于40年。

根据GB/T15469.1-2008反击式水轮机空蚀评定（MODIEC60609-1：

2008）

在规定的运行范围和时间内运行一时间内，任何形式的水轮机转轮（是指正常选用的转轮材料为不锈钢或不锈钢覆面的碳钢）的最大空蚀深度S（以mm计）、最大空蚀材料剥落体积V（以cm2）和质量M（以kg计）。

图中所示各值依据以下条件确定：

a）在不少于两年运行时间后的合理修补量。

b）空蚀深度不削弱机械强度。

这里给出的空蚀体积V、质量M值不是指单个叶片，而是指整个转轮。

转轮形式

材质

空蚀深度S

质量M

空蚀体积V

任何形式转轮

不锈钢

S=4D0.4

M=0.78D2

V=20D2

碳钢

S=6D0.4

M=0.156D2

V=100D2

3.确定水轮机同步转速n、比转速ns、过流量Qr、转轮直径D1、吸出高度Hs、轴向水推力F、飞逸转速nr等；冲击式水轮机射流直径do与喷嘴数Zo。

（1）现代水轮机一般都直接带动水轮发电机,带动加工机械的情况较少。

我国电网所采用的标准频率为f=50Hz,一些国家和地区也有采用60Hz,为得到标准频率必须满足以下条件：

np=6000（f=50Hz）或np=7200（f=60Hz）（式中:

n—发电机转速（r/min）；p—发电机磁极对数）。

按中国额定电压标准,不同机组容量选择发电机额定电压的参考值如下表所示：

选择发电机额定电压的参考值（查《中国水力发电工程机电卷》）

机组容量（MVA）

6~35

7.5~65

36~200

100~320

320

额定电压（kV）

6.3

10.5

13.8

15.75

机组容量（MVA）

<125MVA

125

P<350MVA

额定功率因数

不低于0.8（滞后）

不低于0.85（滞后）

不低于0.9（滞后）

根据《GB/T7894-2001水轮发电机基本技术条件》及《水轮机》,水轮发电机额定转速优先在下列转速（r/min）中选择：

（60Hz转速按优先转速所对应的磁极对数得出）

发电机

磁极对数

发电机转速

发电机

磁极对数

发电机转速

发电机

磁极对数

发电机转速

50Hz

60Hz

50Hz

60Hz

50Hz

60Hz

1500.0

1800.0

200.0

240.0

88.2

105.8

1000.0

1200.0

187.5

225.0

83.3

100.0

750.0

900.0

166.7

200.0

75.0

90.0

600.0

720.0

150.0

180.0

71.4

85.7

500.0

600.0

142.9

171.5

68.2

81.8

428.6

514.3

136.4

163.7

62.5

75.0

375.0

450.0

125.0

150.0

60.0

72.0

333.3

400.0

115.4

138.5

57.7

69.2

300.0

360.0

107.1

128.5

53.6

64.3

250.0

300.0

100

120.0

214.3

257.2

93.8

112.6

根据《GB/T7894-2009水轮发电机基本技术条件》中规定,对装有推力轴承的导轴承的立式水轮发电机的机架，其垂直方向和水平方向的允许双幅振动值，以及卧式水轮发电机轴承在垂直方向的允许双幅振动值,应不大于下表的规定：

水轮发电机振动（双幅）允许限值mm

项目

额定转速,r/min

≤100

100~250

250~375

375~750

>750

振动允许值（双振幅）,mm

立式

机组

推力轴承支架的垂直振动

0.08

0.07

0.05

0.04

0.03

导轴承支架的水平振动

0.11

0.09

0.07

0.05

0.04

定子铁芯部位机座水平振动

0.04

0.03

0.02

定子铁芯振动（100Hz振幅值）

0.03

卧式机组

各部轴承垂直振动

0.11

0.09

0.07

0.05

0.04

灯泡贯流式机组

推力支架的轴向振动

0.10

0.08

各导轴承的径向振动

0.12

0.10

灯泡头的径向振动

0.12

0.10

注：

振动值系指机组在除过速运行以外的各种稳定运行工况下的双振幅值

在正常运行工况下，水轮发电机导轴承处测得轴的相对运行摆度值（双振幅值）应不大于75%的轴轴总间隙值。

同时规定在水轮发电机盖板外缘上方垂直距离1m处测量的噪声水平应为下列数值：

a）额定转速为250r/min及以下者不超过80dB（A）；

b）额定转速高于250r/min者不超过85dB（A）。

机组转动部分的第一阶临界转速应不小于最大飞逸转速的120%。

对于水轮发电机,不采用3000转速,因为当发生事故时,其飞逸转速对发电机转子是很危险的；转速1500采用于极小的水轮发电机；转速1000比较适用于小型水轮发电机。

在实际中为使水轮机能和发电机直接传动,水轮机的转速应符合发电机的转速。

在通过转速计算得出n后,先查找同步转速中相近档次的转速,带入转速公式反算水头H对应的单位转速n11。

（2）查JB/T6310-1992《中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱》，规定了中小型轴流式和混流式水轮机转轮型参数范围。

在没有模型资料数据时可做为初定值。

中小型轴流式转轮型谱参数范围

适用水头范围m

导叶相对高度bo

轮毂比

叶片数Zo

最优工况

限制工况

单位转速n11r/min

单位流量q11m3/s

比转速nsm·kw

单位流量Q11m3/s

汽蚀系数

σm

3~8

0.45

0.34/0.38

3,4

155~170

1.1~1.3

660~760

2.1~2.3

1.2~1.4

6~15

0.45

0.34/0.38

142~154

1.0~1.2

580~670

1.9~2.15

0.8~0.95

12~22

0.40

0.35/0.40

130~140

0.95~1.15

500~570

1.7~1.9

0.64~0.75

18~30

0.40

0.40/0.45

122~132

0.90~1.1

400~500

1.5~1.7

0.52~0.62

26~40

0.375

0.45/0.50

115~125

0.85~1.05

400~450

1.35~1.55

0.45~0.55

中小型混流式转轮型谱参数范围

适用水头范围m

导叶相对高度bo

最优工况

限制工况

单位转速n11

r/min

单位流量Q11

m3/s

比转速ns

m·kw

单位流量Q11

m3/s

汽蚀系数

σm

20~45

0.35

80~85

1.15~1.25

270~310

1.3~1.45

0.2~0.24

35~60

0.315

76~83

1.0~1.2

250~290

1.15~1.35

0.12~0.17

50~80

0.28

74~80

0.95~1.1

230~270

1.1~1.25

0.11~0.14

70~105

0.25

70~78

0.9~1.05

210~250

1.05~1.2

0.10~0.12

90~125

0.225

68~75

0.8~0.95

195~235

0.95~1.1

0.08~0.11

110~150

0.20

65~72

0.7~0.8

170~210

0.8~0.95

0.06~0.09

135~200

0.16

65~70

0.5~0.65

140~180

0.6~0.75

0.045~0.065

180~250

0.14/0.16

63~67

0.35~0.5

120~150

0.45~0.60

0.04~0.055

230~320

0.12/0.14

60~64

0.2~0.3

95~120

0.25~0.35

0.035~0.045

300~400

0.1/0.2

58~62

0.18~0.22

75~100

0.22~0.28

0.032~0.04

中小型水轮机转轮直径尺寸系列规定为：

转轮直径系列单位:

：

100

120

140

160

180

200

225

250

275

300

330

（3）水轮机选型计算公式如下表：

名称

反击式水轮机基本参数计算

备注

单位

水轮机功率

计算

Pr：

水轮机额定功率，Pr=Pf／ηf;

Pf：

发电机额定功率；

ηf：

发电机效率；

ηr：

水轮机效率；

中小型：

0.95~0.96

大中型：

0.96～0.98；

Q11r：

水轮机额定工况单位流量；

Hr：

水轮机的额定水头；

n110：

模型最优单位转速；

n11：

水头对应单位转速；

▽：

正常下游尾水位；

bo：

导水叶高度；

k：

汽蚀安全系数；

不锈钢材料取1.15~1.3；

碳钢材料取1.3~1.5；

水推力系数混流式查水轮机型号对应值；

轴流式水推力系数：

叶片数

0.85

0.87

0.9

0.93

0.95

D2：

混流式转轮最大外径；

dh：

转桨式转轮轮毂直径；

如果没有模型飞逸特性曲线或最大单位飞逸转速,可按统计的飞逸系数KR近似估算

nR=KRn

冲击式或混流式：

KR=1.7~2.0；

转桨保持协联：

KR=2.0~2.2

定桨：

KR:

2.4~2.6。

转速的计算

r/min

转轮直径计算

（m）

流量计算

Qr=Q11rD12

m3/s

比转速计算

或ns=3.13n11

m.kw

吸出高度

的计算

立式机组：

Hs=10-

-kσHr+

卧式机组:

：

Hs=10-

-kσHr-

汽蚀数

σ由模型曲线对应工况点查取

汽蚀数与

比转速

混流式:

σ=0.319（

）2

轴流式:

σ=0.28+

（

）3

轴向水推力

计算

混流式:

F=K

D22Hmax

轴流式:

F=K

（D12-dh2）Hmax

飞逸转速

计算

nR=n11R

r/min

冲击式水轮机基本参数计算

转轮直径计算

Zp：

转轮数

Zo：

喷嘴数

φ；流速系数,史振声版《水轮机》推荐值为0.97~0.98,精确3位数

经计算取0.968能保证精确四位数

D1/do=10~20时，原型效率与模型差别不大

do：

喷嘴射流直径,m；

冲击式最优单位转速一般取n11=37~41;

vo：

喷嘴出口射流平均速度m/s；

单位转速n1’=84.6Ku；

冲击式水轮机其它参数确定：

1.水斗直径db=1.05do

2.喷嘴口直径dn=1.228do

3.喷针最大行程Sn=1.16do

冲击式模型单位飞逸转速,一般取n11R=70；

单位流量Q11可表示为

射流直径计算

或

水斗数计算

喷嘴直径计算

转速计算

r/min

流量计算

m3/s

圆周速度

系数K

圆周速度u

；

飞逸转速计算

nR=n11R

r/min

比转速计算

m.kw

水轮机效率修正

混流式和定桨式水轮机效率修正:

转桨式水轮机效率修正：

式中：

ηmax—模型最高效率;

DM、DT—模型、真机转轮直径,m；

Hm、H—模型机试验水头、真机水头，m。

对于混流式和定桨式水轮机，η=ηM+△η；

对于转桨水轮机：

转桨式水轮机轮叶转角不同时，最高效率也不一样，为简化计算,各个转角取等修正值△η。

2.3在进行选型计算时,选取符合条件的模型曲线,按单位流量大的模型为优先计算,得出水轮机型号、直径、转速、效率等进行对比。

采用Excel表格进行简单的计算、比较、确定直径等工作非常方便，对减少工作的时间，提高工作效率有一定的帮助。

水轮机选型参数计算过程，若采用手工计算,非常繁复、费时费力、工作效率较低。

在此通过Excel中的公式编辑进行选型计算,填入相应已知参数：

水头、发电机出力、发电机预估效率等,即可快速得出计算结果,较手工计算更为方便。

在手上无水轮机选型电算软件的情况下，能比较好的提高工作效率；同时对于编制、整理、查找模型曲线数据有一定帮助（此表格根据水利网“不惑驹水轮机选型”稍做修改）。

在水轮机选型中注意如下几点：

（1）.选择各曲线的模型最优点流量及1.05~1.1倍模型最优点流量做为试算的流量范围；

（2）.选择模型最优点单位转速及“最优点单位转速±（5~10）”做为试算的单位转速范围；

（3）.通过计算比较,找出在符合条件的模型曲线中额定转速较高、转轮直径较小、效率较高的水轮机模型曲线做为最优选；

（4）将不符合水头段的模型曲线型号剃除。

（5）.考虑按标准直径系列选择转轮直径；考虑已制造的相同型号、相近转轮直径的借用。

水轮机选型算例如下：

已知Nf=4000KW，ηf=0.96;水头分别为:

100米，96米，93米，90米；进行选型计算。

4.估算水轮机运输重量、蜗壳、尾水管尺寸、调速器及油压装置的选择。

（1）水轮机重量计算

不包括调速器、油压装置和其他附近属设备的水轮机重量近似按下面经验公式计算:

G=KD1aHb（吨）

式中:

K、b—与水头有关的系数;

a—与直径D1有关的系数。

转桨式

混流式

水头

<80

30~200

>200

直径

1.8~6.5

6.5~11.3

1.4~7.5

7.5~10

2.14

0.4

0.16

0.2

2.45

8.1

6.6

M=HmaxD13Qi'

带蜗壳混流机

Gs=KD1aHb

金属蜗壳重量

Gw=M/（2.5-0.0528LnM）

d-轮毂比

Qi’-单位流量

转桨式转轮重量

GZZ=1.4dHmax0.1D12.6

混流式转轮重量

GHL=（0.5+0.025（10-D1））D13

（2）蜗壳外形计算

金属蜗壳采用钢板焊接，蜗壳断面为圆形，当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相连接时，采用椭圆形断面，蜗壳的包角一般为345度。

混凝土蜗壳常用于低水头、大流量机组，为了缩小厂房尺寸，一般采用较小的包角φ°，包角通常为ϕ°=180~270°,其中180°包角较常用。

连接蜗壳的座环有两种：

一种是带蝶形边座环；一种是无蝶形边座环。

采用带蝶形边座环时，其锥角为55度。

根据《水轮机设计手册》中蜗壳水利计算公式，及《水轮机》中的座环尺寸设计值初定。

蜗壳的分节数见下表：

转轮直径D1（米）

金属蜗壳分节数

各节角度

混凝土蜗壳包角与水头关系

≤2

<20

水头H

蜗壳包角

2~3.3

20~23

13~15

<25

135~225

3.3~4.5

23~28

10~14

25~40

225~270

4.5~6.5

28~35

7~13

一般情况下最小包角为180°

混凝土蜗壳设计时角度可按下表范围选择：

m≤n

m>n

n=0

蜗壳横向总宽B值

γ=20~35°

γ=10~20°

γ=10~15°

ϕ≤180

ϕ=200~225

ϕ>225

δ=20~30°一般取30°

δ=0

B=Rb+0.95D1

B=Rb+1.1D1

按具体条件定

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