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 汉字 混流式Francis 轴流式Kplan 斜流式 Deriax 贯流式 Bulb 拼音 HL Z X G 汉字 拼音 结构紧凑、运行稳定、范围广,效率高 30~700 用于中低水头,大流量电站 转桨式 Z 3~80 用于功率及水头变幅不大的电站 定桨式 D 3~70 介于定桨与调桨之间 调桨式 T 3~70 用于水头变幅大的电站, 转桨式 Z 40~200 但工艺较复杂,技术要求高 定桨式 D 转桨式 Z 用于低水头电站和潮汐电站 2~25 定桨式 D 300~1700 用于负荷变化大而水头变化不大的电站 效率较低,适用于中小型电站 50~400 效率低,仅用于小型电站 10~150 适用 水头 特点 反 击 型 CJ 冲 水斗式Pelton 击 斜击式 Turgo XJ 式 双击式 Banki SJ (2)、水轮机装置形式及引水室代号如下表： 主轴布置形式 汉字 拼音 汉字 明 槽 混凝土蜗壳 卧式 W 灯 泡 式 立式 L 罐 式 红 吸 式 (3)、转轮型号含义示意图：

引水室型式与代号 拼音 汉字 M 轴 伸 式 H 竖 井 式 P 金属蜗壳 G 罐式引水室 X 有压明槽 拼音 Z S J G MY

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/T 15468-2006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/T 15469.1-2008 反击式水轮机空蚀评定(MOD IEC 60609-1：2008)

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 不锈钢 S=4D0.4 M=0.78D2 V=20D2 任何形式转轮 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 18 机组容量(MVA) <125MVA 125

水轮发电机振动(双幅)允许限值 mm 额定转速,r/min 项目 ≤100 100~250 250~375 375~750 >750 振动允许值(双振幅), mm 推力轴承支架的垂直振动 0.08 0.07 0.05 0.04 0.03 立式 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 0.02 0.02 机组 定子铁芯振动(100Hz振幅值) 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 卧式机组 各部轴承垂直振动 0.11 0.09 0.07 0.05 0.04 推力支架的轴向振动 0.10 0.08 灯泡贯流各导轴承的径向振动 0.12 0.10 式机组 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 单位转速n11 r/min m3/s 限制工况 汽蚀系数 σm Q11 m3/s 单位流量q11 比转速ns 单位流量m2kw 3~8 6~15 12~22 18~30 26~40 适用水头范围m 0.45 0.45 0.40 0.40 0.375 0.34/0.38 0.34/0.38 0.35/0.40 0.40/0.45 0.45/0.50 3,4 4 4 5 6 155~170 1.1~1.3 660~760 2.1~2.3 142~154 1.0~1.2 580~670 1.9~2.15 130~140 0.95~1.15 500~570 1.7~1.9 122~132 0.90~1.1 400~500 1.5~1.7 115~125 0.85~1.05 400~450 1.35~1.55 1.2~1.4 0.8~0.95 0.64~0.75 0.52~0.62 0.45~0.55 中小型混流式转轮型谱参数范围 导叶相对高度bo 最优工况 单位转速n11 单位流量Q11 比转速ns r/min m3/s m2kw 限制工况 单位流量Q11 m3/s 汽蚀系数 σm 20~45 35~60 50~80 70~105 90~125 110~150 135~200 180~250 230~320 300~400 0.35 0.315 0.28 0.25 0.225 0.20 0.16 0.14/0.16 0.12/0.14 0.1/0.2 80~85 76~83 74~80 70~78 68~75 65~72 65~70 63~67 60~64 58~62 1.15~1.25 1.0~1.2 0.95~1.1 0.9~1.05 0.8~0.95 0.7~0.8 0.5~0.65 0.35~0.5 0.2~0.3 0.18~0.22 270~310 250~290 230~270 210~250 195~235 170~210 140~180 120~150 95~120 75~100 1.3~1.45 1.15~1.35 1.1~1.25 1.05~1.2 0.95~1.1 0.8~0.95 0.6~0.75 0.45~0.60 0.25~0.35 0.22~0.28 0.2~0.24 0.12~0.17 0.11~0.14 0.10~0.12 0.08~0.11 0.06~0.09 0.045~0.065 0.04~0.055 0.035~0.045 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:：cm 25 30 35 40 42 50 60 71 80 84 100 120 140 160 180 200 225 250 275 300 330 (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 水轮机功率 Pr：水轮机额定功率，Pr= Pf／ηf; Pr?9.81QrHr??Pf/?f 计算 Pf：发电机额定功率； ηf： 发电机效率； Hrηr：水轮机效率； 转速的计算 n?n110 D1中小型：0.95~0.96 大中型：0.96～0.98； PrQ11r：水轮机额定工况单位流量； 转轮直径计算 D1?3/2?rHr?r9.81Q11Hr：水轮机的额定水头； n110：模型最优单位转速； 2流量计算 Qr=Q11rD1Hr n11： 水头对应单位转速； ▽：正常下游尾水位； nPr或ns=3.13n11Q11r? bo：导水叶高度； 比转速计算 ns?5H4k：汽蚀安全系数； 不锈钢材料取1.15~1.3； b立式机组：Hs=10-?-kσHr+o 碳钢材料取 1.3~1.5； 吸出高度 2900的计算 汽蚀数 汽蚀数与 比转速 卧式机组:：Hs=10-?-kσHr-D2 2900σ 由模型曲线对应工况点查取 K: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 K 4 5 6 7 8 0.85 0.87 0.9 0.93 0.95 单位 KW r/min (m) m3/s m.kw m 混流式:σ=0.319(ns)2 100轴流式:σ=0.28+1(ns)3 638100混流式:F=K?D2 2Hmax 4D2：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。 Zp：转轮数 Zo：喷嘴数 φ；流速系数,史振声版《水轮机》推荐值m 轴向水推力 计算 飞逸转速 计算 转轮直径计算 射流直径计算 轴流式:F=K?(D1-dh2)Hmax 42KN nR=n11RHrD1Pr r/min m 冲击式水轮机基本参数计算 D1? 3/29.81Q'1ZpZoHr?do?0.545QZp?ZoHr 或 do?水斗数计算 喷嘴直径计算 转速计算 4Q Zo??2gHZ1?6.67D1 dodn?(1.15~1.25)do n?n110HrD1 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; m vo：喷嘴出口射流平均速度 m/s； 单位转速n1’=84.6Ku； m 冲击式水轮机其它参数确定： 1. 水斗直径db=1.05do r/min 2. 喷嘴口直径dn=1.228do

流量计算 圆周速度 系数K 圆周速度u 飞逸转速计算 Q?KrZo?4do?o ；u?2Ku?u2gHnD1? 60m3/s 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 Q11?QD12nR=n11RHr D1ns?nPrH54H?3.48Zo?(do2) D1r/min 比转速计算 ?nZoPrH54 m.kw 水轮机效率修正

D2 混流式和定桨式水轮机效率修正: ???(1??max)(1?51M)

3D1T 转桨式水轮机效率修正：???(1??max)[0.3?0.75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。

D1MD1T10HM] HT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 10.71111 a 2.14 5?(6.5?D1)0.055?(7.5?D1)0.15?(7.5?D1)0.05b 0.4 0.16 0.2 K 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?°=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 2~3.3 3.3~4.5 4.5~6.5 混凝土蜗壳设计时角度可按下表范围选择： m≤n γ=20~35° m>n γ=10~20° n=0 γ=10~15° δ=0 ?≤180 <20 20~23 23~28 28~35 15 13~15 10~14 7~13 水头H <25 25~40 蜗壳包角 135~225 225~270 一般情况下最小包角为180° 蜗壳横向总宽B值 ? =200~225 ? >225 δ=20~30°一般取30° B=Rb+0.95D1 B=Rb+1.1D1 按具体条件定 蜗壳如设有支墩，则支墩出水边至机组中心线的距离应保持L>1.3D1。

(1) 金属蜗壳计算示例

已知某混流式水轮机的参数如下:设计水头Hr=127m;设计流量Qr=20.34m3/s;水轮机转轮直径D1=1.42m;水轮机蜗壳平面尺寸。 根据水轮机工作水头Hr=127m,选择φ°=345°的金属蜗壳。查河海大学 刘大恺《水轮机》第三版，金属蜗壳设计,固定导叶外切圆直径Da=1.55~1.64；固定导叶内切圆直径Db=1.33~1.37。Da、Db座环进口和出口处直径与水轮机转轮尺寸D1的比值,当D1<3.2m时取上限值。根据 史振声主编的《水轮机》列表求解金属蜗壳断面：

金属蜗壳简单计算 单位：米 进口包角φ° 蜗壳分节角度 进口断面流量 Qo?345 15 19.493 流量Q 20.34 水头H 127 0.08 流速系数K(查蜗壳进口流速系数与水头关系曲线2) 0.69 1.165 固定导叶蝶形边K取值 固定导叶外圆半径 Ra=1.64D1/2 蝶形边半高h=(bo+0.2D1)/2 座环外圆半径Ro?Ra?K ?o?FO?0.893 0.31 1.245 0.9 ??Qr360 进口断面流速进口断面中心距 aoVo?kHr ?Ro???h22Qo 2.507 7.776 进口断面面积Fo?Vo 进口断面外径 ?55°锥角顶点半径 1.028 ra=Ro-hctg55 S=h/cos55 0.54 2.09 1.221 进口断面外径 R1=a1+?1 2.99 0.7 C??oao?ao??221693.6 cos55 0.574 1/sin55 ctg552 0.49 ctg55 tg55 1.428 0.137 ????C?2r0??C?h2 ?i??2?h2 ?i?R0?? Ri??i??i 176° L?h/sin55 0.379 小于此角度换成椭圆 d?Ra?ra 圆断面半径ρ>S 时断面形状改为椭圆形 ?s?C(Ro?1.43h?Ro2?h2?2.86hRo) 椭圆断面长半径中心距 a1=Ra+1.22*ρ 椭圆短径?2?1.045A?0.81L?1.345L 椭圆断面 椭圆断面长径?12椭圆面积当量???i(ctg2??2RA?1) C?/Csin?A=πρi2+d2tg55 椭圆断面外径R?a1??1 ?L??2??2ctg? 椭圆断面短半径中心距a2?Ra?1.22?2

金属蜗壳计算 单位：米 断面号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 φi 345 330 315 300 285 270 255 240 225 210 195 180 165 150 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15 φi/C 0.2037 0.1949 0.1860 0.1771 0.1683 0.1594 0.1506 0.1417 0.1329 0.1240 0.1151 0.1063 0.0974 0.0886 2R0φi/C 0.5070 0.4853 0.4631 0.4410 0.4191 0.3969 0.3750 0.3528 0.3309 0.3088 0.2866 0.2647 0.2425 0.2206 2R0φi/C-h2 0.4109 0.3892 0.3670 0.3449 0.3230 0.3008 0.2789 0.2567 0.2348 0.2127 0.1905 0.1686 0.1464 0.1245 (2R0φi/C-h2)^0.5 0.6410 0.6239 0.6058 0.5873 0.5683 0.5485 0.5281 0.5067 0.4846 0.4612 0.4365 0.4106 0.3826 0.3528 Xi 0.8447 0.8188 0.7918 0.7644 0.7366 0.7079 0.6787 0.6484 0.6175 0.5852 0.5516 0.5169 0.4800 0.4414 Xi2 0.7136 0.6705 0.6270 0.5844 0.5426 0.5012 0.4607 0.4205 0.3814 0.3425 0.3043 0.2672 0.2304 0.1949 圆形ρi 0.899 0.875 0.850 0.824 0.799 0.772 0.746 0.718 0.691 0.662 0.632 0.602 0.571 0.539<0.54 0.541 0.524 0.508 0.489 0.471 0.452 0.432 0.411 0.389 R2<0 圆形ai 2.090 2.064 2.037 2.009 1.982 1.953 1.924 1.893 1.863 1.830 1.797 1.762 1.725 1.686 1.687 1.618 1.550 1.475 1.400 1.323 1.242 1.158 1.068 R2<0 外径Ri 2.989 2.939 2.887 2.833 2.781 2.725 2.670 2.611 2.554 2.492 2.429 2.364 2.296 2.225 2.228 2.142 2.058 1.964 1.871 1.775 1.674 1.569 1.457 R2<0 椭圆当量ρi 0.5390 0.5060 0.4720 0.4350 0.3970 0.3570 0.3140 0.2670 0.2130 0.1460 A 0.940 0.831 0.727 0.621 0.522 0.427 0.337 0.251 0.169 0.094 短半径ρ2 0.539 0.483 0.427 0.366 0.304 0.241 0.175 0.106 0.032 R2<0 长半径ρ1 中心距ai 外径Ri 注：(以上计算数据采用Execl表格计算得出)

流速系数K值按第二条曲线取值 (2) 混凝土蝇壳计算示例:

已知某电站轴流转桨式水轮机的参数如下：设计水头Hr=22.9m;设计流量Qr=50.2m3/s;水轮机转轮直径D1=2.8m;计算水轮机蜗壳平面尺寸。根据水轮机工作水头Hr=22.9m,选择?°=210°的混凝土蜗壳。为简化设计,减小厂房布置尺寸，选用“Г”平顶型式蜗壳；当n=0时,b:a=1.5~1.85，选取1.8。当过流面积与计算面积之比不大于1.1倍时，蜗壳内的流速与平均流速相差不大,在这里F大：F=1.01。ai根据Fi区间试算确定。(填充部分为需要手动输入数据单元格) 转轮直径D1 水头m 分节角度 b:a m夹角β(10~15) tgβ 2.8 22.9 15 1.8 15 0.27 流量Q 蜗壳包角φ(135~225) 50.2 210 4 1.13 2.24 1.955 Qi=φ*Q/360 Fo=Qo/vo=7.32 F大=1.01*F F

混凝土蜗壳断面简单计算(采用Execl表格计算得出下表) 单位：米 断面号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 φi 210 195 180 165 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15 F 7.320 6.797 6.274 5.751 5.229 4.706 4.183 3.660 3.137 2.614 2.091 1.569 1.046 0.523 F大 7.393 6.865 6.337 5.809 5.281 4.753 4.225 3.697 3.168 2.640 2.112 1.585 1.056 0.528 F

混凝土蜗壳的简单计算方法,主要根据保证过流面积Fi不小于计算过流面积F为基础，与半解析法结果稍有差异。 方法二：混凝土蜗壳水力计算(半解析法) (1) 按Fo=Qmaxφo/360Vo,求进口断面积；

(2) 根据水电站具体情况选择断面型式，并确定断面尺寸，使其F=Fo；

(3) 选择顶角与底角点的变化规律(直线或抛物线),以虚线表示并画出1、2、3…等中间断面。 (4) 测算出各断面的面积，绘出：F=f(R)关系曲线。 (5) 按 Fi?

QiQmax?i?,绘出F=f(?) 直线。 Vu360Vo(6)根据?i确定Fi、Ri及断面尺寸，绘出平面单线图

混凝土蜗壳半解法析示意图：

尾水管尺寸确定

最常用的尾水管有弯肘型、直锥型和弯锥形三种。 组成 直锥型 直锥 结构简单，性能良好(ηd可达80%～85%)。下部开往工程量大。 弯锥形 等直径弯段+直锥段 弯段水力损失大，性能差(ηd只有40%～60%)。下部开往工程量小。 应用于小型卧式水轮机 弯肘型

进口直锥断中间弯肘管出口扩散管 具有良好的水力性能(ηd约为75%～80%)。可大大减小下部开往工程量。 除贯流式外的所有大中型水轮机都采用。 特点 适用情况 应用于小型水轮机

弯肘型尾水管主要尺寸的确定：

直锥型和弯锥型尾水管结构简单，其尺寸根据实际需要容易定出。 而对于弯肘型，由于水流运动极为复杂，大多是通过模型试验来定其尺寸。 现在已经形成了定型化的资料，可供初步设计时参考下表。

推荐尾水管尺寸表

h/D1 L/D1 B5/D1 D4/D1 h4/D1 h6/D1 L1/D1 h5/D1 2.2 4.5 1.808 1.10 1.10 0.574 0.94 1.30 肘管型式 金属里衬肘管 h4/D1＝1.10 适用范围 混流式D1>D2 轴流式 混流式D1

4.进水阀门选择

阀门序号编制方法：

阀门类型代号 阀轴布置方式

操作机构型式 汉语拼音 Y 油压操作 铁饼型蝴蝶阀 DF C 水压操作 卧轴 W PDF 平板型蝴蝶阀 L D 立轴 电动操作 QF 球型阀 S 手动操作 根据《水轮机和辅助设备》，进水阀有闸板型、蝴蝶型和球型等几种，根据电站水头高低分别选用：

a)水头在200m以下时，通常采用闸板阀或蝴蝶阀。 b)水头在200m以上、800m以下，通常采用球型阀。

进水阀门尺寸根据蜗壳进口尺寸放大1.14倍后按阀门厂样本尺寸选取偏大直径的阀门即可。 调节功计算及接力器的选择

根据《JB/T 2832-2004 水轮机调速器及油压装置 型号编制方法》 调速器型号编制方法

动力特征 T-通流式调速器 调节器特征 对象类别 Z-转桨式水轮机调速器 产品类型 F-负荷调节器 D-电动式调速器 产品属性 J-电气液压调速器的机械柜 基本代号示例 YT 带有压力罐及接力器的机械液压调速器 YWT 带有压力罐及接力器的微机型电气液压调速器 WT 微机型电气液压调速器 WZT 转桨式水轮机微机型电气液压调速器 TT 通流式机械液压调速器 CT 冲击式水轮机机械液压调速器 WCT 冲击式水轮机机械液压调速器 YC 带有压力罐及接力器的机械液压操作器 DC 电动操作器 DF 电子负荷调节器 调速器规格代号： 对于带有接力器和压力罐的调速，表示接力器容量(N·m)

对于不带有接力器和压力罐的单调整水轮机调速器，表示导叶主配压阀直径(mm)。

对于不带有接力器和压力罐的转桨式水轮机调速器，表示导叶主配压阀直径(mm)/轮叶主配压阀直径(mm)；如果导叶和转叶主配压阀直径相同，转叶主配压阀可不表示。 对于冲击式水轮机调速器，表示喷针配压阀直径(mm)×喷针配压阀数量/折向器配压阀直径(mm)×折向器配压阀数量。如果喷针配压阀或折向器配压阀的数量为1个，则数量省略。 型号示例： YT-6000-2.5

带有压力罐的机械液压调速器，接力器容量为6000N·m，额定油压为2.5MPa。 YC-10000-4.0

带有压力罐的液压操作器，接力器容量为10000N·m，额定油压为4.0MPa。 DC-6000

电动操作器，输出最大容量为6000N·m。 DF-18/1-XX01

配用于机组功率为18kw，发电机为单相的电子负荷调节器，为XX制造厂01型产品。

调速器基本代号 Y-带有接力器及压力缺罐的调速器 W-微机电液调速器 C-冲击式水轮机调速器 T-调速器 C-操作器 D-电气液压调速器的电气柜

调节功的计算：

(1)、混流式A?(200~250)QHmaxD1 (N·m)，高水头取下限，低水头取上限;

do3Hmax) (N·(2)、冲击式水轮机调节功的估算: A=9.81Zo(do?m) 6000式中:Zo为喷嘴或折向器数；do为额定流量时的射流直径，cm。

大型调速器的导叶接力器容量选择一般是按经验公式算出接力器直径，选取接近且偏大的系列直径。

每个接力器的直径dc可近似按下式计算：

Hmaxbo/D1dc??D1 (米)

PHbo/D1--导叶相对高度；

PH—调速系统额定油压(公斤/厘米2) 常用油压有25、40、63、160等多个等级。 λ值由《水轮机调节》表8-3取：

λ系数表 混流式 轴流式 水轮机水头范围 对称 不对称 对称 不对称 0.135~0.15 低水头 0.145~0.16 0.135~0.15 0.14~0.155 中水头 0.135~0.15 0.135~0.15 高水头 注:1.bo/D1数值相等,而转轮不同时,Q’1大时取大值。 2.同一转桨式转轮，包角大并用标准对称形导叶者取大值，但包角大，用非正曲率导叶者取较小值。

由《水轮机.水泵及辅助设备》可知：

D导叶的最大开度： amax?ammax1；

Dm1接力器最大行程：Smax=1.4aomax (m)

Smax?dc2双直缸接力器总容积：VD? (m3)

22.5转轮接力器直径计算:dD?(0.3~0.45)D1 (m)

P转轮接力器最大行程Smax按下式计算Smax=(0.036~0.072)D1 (m) 当D1大于5m时，公式中采用较小的系数。

Smax?dc2转轮接力器容积Vc?

44VDd??vTs主配压阀直径： (mm)

式中：VD为导水机构或折向器接力器的总容积，m3;v为管路中油的流速，m/s。当油压装置额定工作压力为2.5MPa时，取v≤4~5m/s;Ts为接力器关闭时间(由调节保证计算决定)。 油压装置

油压装置型号编制方法

油压装置基本代号

YZ-压力罐与回油箱为分离结构的油压装置； HYZ-压力罐与回油箱组合为一体的油压装置。 油压装置基本代号

表示压力罐总容积(m3)/压力罐数量。如为一个压力罐，则压力罐数量不加表示。 油压装置型号示例:

HYZ-4-2.5：压力油罐和回油箱组合为一体的油压装置，压力油罐容积为4m3,额定油压为2.5MPa。

YZ-8-6.3-XX01：压力油罐回油箱为分离结构的油压装置，压力油罐的总容积为8m3,额定油压为6.3MPa为XX制造厂01系列产品。

YZ-20/2-4-XXA：压力罐和回油箱为分离结构的油压装置，压力罐总容积为20m3，两个10m3压力罐，额定油压为4.0MPa，为XX制造厂A型产品。

根据《水电站》油压装置选择

油压装置的式工作容量以压力油罐的总容积为表征，故首先应按经验公式求出压力油缸的总容积Vk：

对于混流式、定桨式机组：Vk=(18~20)Vs 对于轴混转桨式机组：Vk=(18~20)Vs+(4~5)Vc

Vs和Vc分别为前面计算出的接力器容积及转轮桨叶接力器容积。

若油压装置需要供给空放阀接力器用油,则Vk需增加(9~10)Vt，Vt为空放阀接力器的容积。 若油压装置需要供给进水阀接力器用油，则Vk需要再增加3Vf，Vf为进水阀接力器的容积。

导叶接力器直径dc pH调速油压(kg/cm2) 入系数(对称/不对称) bo/D1 低水头(0.145/0.16) 行程计算 Ammax Dm D Zom导叶数 Zo导叶数 amax原型 最大可能开口1.4amax 0.204 40 0.15 0.4 中水头(0.135/0.15) 111mm 1000mm 2800mm 24mm 24mm 311mm 435mm 导叶接力器活塞直径 导叶接力器活塞杆直径 导叶接力器行程S 导叶接力器数量 导叶接力器直线关闭时间Ts 转轮接力器活塞直径 转轮接力器活塞杆直径 转轮接力器行程S VD-导叶接力器总容积 单个接力器回油向容积 VZ-转轮接力器总容积 转轮接力器回油向容积 混流水轮机油压缸 轴流水轮机油压缸 250mm 100mm 435mm 2 6s 760mm 210mm 138mm 0.039m3 0.018m3 0.058m3 0.063m3 0.79m3 1.07m3 最小需要油压计算 调速功A 行程S(m) 面积 接力器的最小油压 主配压阀直径计算 v-管路油的流速 配压阀计算 主配压阀直径d 最大水头H 转轮直径D1 额定流量Q 额定油压mpa 10202 0.435 9.032 8%~15%额定油压 0.32MPa~0.6Mpa 100>92.6mm 5 92.6 23.6 2.8 50.2 4.0 大型水轮机也可按以下列表计算油压容积：

结束语

水轮机的选型，很大方面是注重转轮的最优效率区和实际运行区的效率。现在的转轮品种和规格众多，可以通过选择购买效率高、质量好的转轮，使水轮机长时间在最优工况运行。还可以在同一个电站内选择不同型号和直径的高效率转轮，以保证兼顾流量变化的运行工况外仍具有较高的效率。好的水轮机转轮对水能转换效率较高，使用寿命也长，维修费用少，影响发电少，效益明显。

参考文献

参考文献：

[1]刘大恺主编.《水轮机》.北京:中国水利水电出版社,1996

[2]水电站机电设计手册编写组.《水电站机电设计手册水力机械分册》.北京:水力水电出版社,1989 [3] 范华秀主编.《水力机组辅助设备》. 北京:水利电力出版社,1993

[4] 哈尔滨大电机研究所编.《水轮机设计手册》(第一部分).北京:机械工业出版社. [5] 沈祖诒主编.《水轮机调节(第三版)》.北京:中国水利水电出版社,1997

[6] 西北电力设计院,东北电力设计院编.《电力工程设计手册》.上海:上海科学技术出版社. [7] 《中国水力发电工程 机电卷》

[8] 水利电力部成套设备公司.《电力工业常用设备手册》.北京:水利电力出版社,1984 [9] GB/T 7894-2001水轮发电机基本技术条件

[10] JB-T 2832-2004 水轮机调速器及油压装置型号编制方法 [11] GB/T 15468-2006 水轮机基本技术条件

[12] JB/T6310-1992《中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱》

作者简介：

张 彪[Zhang Biao] (1980-)，男，广西南宁人,助理工程师，主要从事水轮机选型设计工作,E-mail: zhangbiao911220@163.com。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2ai.html