水轮机选型设计

第六章 水轮机选型设计

由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同，水电站的工作水头和引用流量范围也不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。

水轮机由于它自身能量特性、汽蚀特性和强度条件的限制，每种水轮机适用的水头和流量范围比较窄，要作出很多系列和品种（尺寸）的水轮机，设计、制造任务繁重，生产费用和成本也大。因此有必要使水轮机生产系列化、标准化和通用化，尽可能减少水轮机系列，控制系列品种，以便加速生产、降低成本。在水电站设计中按自己的运行条件和要求选择合适的水轮机。

一、水轮机选型设计的任务及内容

1．任务

水轮机是水电站中最主要动力设备之一，影响电站的投资、制造、运输、安装、安全运行、经济效益，因此根据H、N的范围选择水轮机是水电站中主要设计任务之一，使水电站充分利用水能，安全可靠运行。每一种型号水轮机规定了适用水头范围。水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。

2．内容

(1) 确定机组台数及单机容量

(2) 选择水轮机型式（型号）及装置方式

(3) 确定水轮机的额定功率、转轮直径D1、同步转速n、吸出高度Hs、安装高程Z a 、飞逸转速、轴向水推力；冲锤式水轮机，还包括喷嘴数目Z0、射流直径d0等。

(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。

二、选型设计

1．水轮机选型设计一般有三种基本方法

(1) 水轮机系列型谱方法: 中小型水电站水轮机选多此种方法或套用法。 (2) 套用方法： 用于小型水电站设计。

(3) 统计分析的方法：大型水电站设计，应用较广泛。

2．装机特征设计包括：机组台数、单机容量、水轮机型式与装置方式。 (1) 掌握机组台数选择的原则及机组台数对水电厂运行的影响。

1

(2) 水轮机型式的选择

依据单机容量和水电站的特征水头(Hmax、Hmin、Ha、Hr)进行选择。

型号的选择主要取决于水头。各种水轮机都有一定的使用范围，根据电站运行水头的范围，直接查系列型谱，确定水轮机的型号。如果两种型号均可采用时，可通过水轮机比转速水平分析和水轮机性能与应用特点比较确定水轮机的型式，保证水轮机较高的动能经济指标和可靠的安全性能。

根据目前国内设计、施工和运行的电站资料，在特征水头相近、单机容量适当，经济技术指标相近时，有限套用已经生产国的机组，这样可以节省设计时间、尽早供货、提前发电。

3．反击式水轮机基本参数计算 (1) 用模型综合特性曲线计算 D1的确定

D1?Pr (m) 3/2?rHr?r9.81Q11Pr：水轮机额定出力，Pr= Nf／ηf

Nf—发电机额定出力（机组容量），ηf —— 发电机的效率，大中型：ηf=0.95～0.97

Q11r：水轮机额定工况的单位流量；

混流式水轮机由5%出力限制线得到Q11；轴流式由汽蚀条件得到，或限制HS反推σz，以防止开挖过多。

Hr ：水轮机的额定水头；

若取H=Hmax进行计算，则求出的D1太小，除H=Hmax 以外，均不能发出额定出

力。

若取H=Hmin进行计算，则求出的D1太大，增加设备投资。

η：原型水轮机额定工况下的效率，在D1未确定时，不能得出确切的η。

一般先取η=η

M+△η

(△η=2~3%)，求得D1后再修正。

转速的选择

n?n110Ha

D1n110为原型水轮机的最优单位转速； Ha为水电站的平均水头；

工作范围的验算

求出水轮机的参数D1、n后，在模型综合特性曲线上绘出水轮机的相似工作范围，检验是否包括了高效率区，以验证D1、n的合理性。

HS的计算

Hs?10???(????)H 900计算时，选择Hmax、Hmin、Ha、Hr若干水头，分别计算出不工况下的吸出高度，从中选

2

取最小值作为最大允许高度。注意：计算HS 时，要用各水头下限制工况下空化系数。

(2) 用比转速和统计资料推算水轮机的基本参数 D1的确定 D?1Pr 3/2?rHr?r9.81Q1154

转速的选择 n?nsHrPrHS的计算 Hs?10????zH

900

第九章 水电站辅助设备

一、水轮机进水阀

水轮机进水阀是为了保护机组的安全、减轻导叶间隙磨蚀破坏、缩短引水钢管的充水时间而设置。

蝶阀：用于水头在200m以下的水电站。 球阀：用于水头在200m以上的水电站 闸阀：用于小管径(D<1m)、高水头的水电站 。 筒形阀：装在固定导叶与活动导叶之间。

二、油系统

1．透平油与绝缘油的功用及其用户

透平油：供给机组轴承的润滑油和操作用的压力油，称为透平油。其作用是润滑、散热及传递能量。

绝缘油：供给变压器、油开关等电气设备的绝缘油，其作用是绝缘、散热及灭弧。两种油的性质不同，应有两套独立的油系统。

2．油系统的作用

接收新油、储备净油、给设备充油、向运行设备添加油、从设备中排出污油、油的监督、维护和取样化验、油的净化处理、废油的收集及处理。

3．油系统的组成

油系统由：油罐、油处理设备、油化验设备、油吸附设备、管网、测量及控制元件。

三、气系统

1．压气系统的用途

压缩空气分为低压压缩空气和高压压缩空气。

(1) 低压压缩空气系统。机组制动；调相运行压水；蝶阀关闭时，将压缩空气通入阀上

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的空气围带，使其膨胀而减少漏水；检修时清扫设备，供风动工具使用；通向拦污栅，防冻清污。额定气压为0.5~0.8MPa。

(2) 高压压缩空气系统。厂房中所有调速器油压装置的压力油箱充气，调速器压力油箱中约有2/3的体积为压缩空气，以保证调速器用油时无过大的压力波动，额定气压为2.5MPa及4MPa。配电装置如空气断路器的灭弧和操作的用气，以及开关和少油断路器的操作用气，额定气压为2~5MPa。

2．压缩空气系统主要设备有：空压机、过滤器、储气罐、油水分离器、冷却器

四、水系统

1．供水系统

水电站厂房内的供水系统包括技术供水、生活供水、消防供水。

技术供水包括冷却及润滑用水，如发电机的空气冷却器、机组导轴承和推力轴承的油冷却器、水润滑导轴承、空气压缩机气缸冷却器、变压器的冷却设备等。

注意不同用户对水压、水温、水质的要求。特别是水冷变压器对水压的要求，空气冷却器对水温的要求，水润滑轴承对水质的要求。

2．水电厂的供水系统由水源、供水设备、水处理设备、管网和测量控制元件组成。 3种供水水源：上游水库、下游尾水与地下水。

5种供水方式：自流供水、水泵供水、混和供水、射流泵供水和循环供水。 3种供水设备配置方式：集中供水、单元供水与分组供水。（注意不要把供水方式与供水设备配置方式混淆。）

3．水电厂排水的内容：生产用水的排水、机组和厂房水下部分的检修排水及渗漏排水。 4．检修排水的两种方式：直接排水和廊道排水。 5．排水系统的主要设备：排水阀和排水泵。

6．水力参数测量的目的是为了保证水电站的安全运行和实现经济运行；考查已投入运行机组的实际性能，为科研、设计提供和积累资料。

水力监测的内容：拦污栅前后的压力差，电站上下游水位，水轮机装置水头，工作水头，引用流量，水轮机引，排水系统的监测、辅助设备系统的监测等。

第十章 水轮机调节系统

一、水轮机调节的任务

1．随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。 2．保持机组转速和频率变化在规定范围内。

3．启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节(负荷分配)。

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随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。

二、水轮机调节原理

(一) 原理：水轮发电机组的运动方程式为： Mt?Mg?J(1) 当Mt=Mg时，

d?

dtd?=0，??Cn?n0 dtd?〉0→n↑

(2) N↓→Mg↓→Mt〉Mg→

dtd?〈0→n↓

(3) N↑→Mg↑→Mt〈Mg→

dt所以当负荷变化时，应调节Mt，使Mt=Mg，n?n0，

又：Mt???QH??Mt??HQ?/?

要使??C，一般不能改变H和效率η(做不到或不经济)，而是通过改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的。

调节流量的途径： 反击式水轮机： 通过改变导叶开度a0

轴流转浆式水轮机：改变导叶开度a0，同时改变叶片转角

冲击式水轮机： 通过改变喷嘴开度 调节实质：调节转速

水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。

三、水轮机调节系统的组成

调速器的作用：以转速信号为依据，迅速自动地调节导叶开度，以达到改变出力恢复转速的目的。

调速器由自动调整机构、控制机构、油压装备、保护装备和监视仪表组成。其中，自动调整主要由测量元件、放大元件、校正元件等组成，调速器与机组构成水轮机调节系统。

当系统频率出现偏差时，能自动改变导水机构的开度，使机组输出的有功功率满足电网负荷的需要，维持频率稳定。转速调整机构和开度限制机构通过自动调节机构起着控制作用。

测量元件是个比例环节，能将输入频率信号变为机械位移或电气信号，以便推动下一级放大机构；放大元件是个积分环节，如无负反馈信号的作用，放大元件的动作将不会停止；硬反馈元件是按比例将输入值变为输出值，加入到综合元件后，起着调差作用；软反馈元件是个实际微分环节，一调整器中作校正元件，形成调节规律，电调中的PID环节通过集成电路，将比例积分、微分调节规律用硬件完成送入信号综合放大回路；微机调节器是通过采样的离散处理，利用三次采样的偏差值由PID控制算式取得输出值作用于功率放大机构。

四、调速器的类型

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