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水轮机选型设计

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目录
第一章 基本资料 2
1.1水轮机选择的内容 2
第二章 水能计算与相关曲线的绘制 3
2.1水能计算 3
2.2相关曲线的绘制 7
第三章 机组台数和单机容量的确定 8
3.1水轮机选型方案初定 8
3.2确定水轮机选型方案 8
第四章 水轮机基本参数的计算 13
4.1水轮机转轮直径的计算 13
4.2水轮机效率的计算 13
4.3水轮机转速的计算 13
4.4水轮机设计流量的计算 14
4.5水轮机几何吸出高度的计算 14
4.6飞逸转速的计算 16
第五章 水轮机运转综合特性曲线的绘制 17
5.1等效率线的绘制 17
5.2出力限制线线的绘制 18
5.3等吸出高度线的绘制 19

第一章 基本资料
水轮机的选型是水电站设计中的一项重要任务。水轮机的型式与参数选择的是否合理，对于水电站的动能经济指标及运行稳定性、可靠性有重要的影响。
水电站水轮机的选择工作，一般是根据水电站的开发方式、动能系数、水工建筑物的布置等，并参照国内已生产的水轮机转轮参数及制造厂的生产水平，拟选出若干个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
1.1水轮机选择的内容
水轮机选型设计包括以下基本内容：
（1） 根据水能规划推荐的电站总容量确定机组的台数和单机容量；
（2） 选择水轮机的型号及装置方式；
（3） 确定水轮机的轮转直径、额定出力、同步转速、安装高程等基本参数；
（4） 绘制水轮机的运转特性曲线；
（5） 确定蜗壳、尾水管的型式及它们的主要尺寸，以及估算水轮机的外形尺寸、重量和价格；
（6） 选择调速设备；
（7） 结合水电站运行方式和水轮机的技术标准，拟定设备订购技术条件；
（8） 对电站建成后水轮机的运行、维护提出建议。

第二章 水能计算与相关曲线的绘制
2.1水能计算
根据所给原始资料，通过水能计算可以得到相应数据下的装机容量、发电量登各种参数，并将所得数据记录于表2-1中。
（1）水头H
H=Hg-△h…………………………………（2-1）
式中 Hg——水电站毛水头，m；
△h—— 水电站引水建筑物中的水力损失，m。
将计算结果录入表2-1第⑪列中。
（2）装机容量P和增加装机容量△P
由于同一组内流量不等，故应先按下列公式计算增加装机容量△P（Kw）:
△P=AQ△H…………………………………（2-2）
式中 A——A=9.81*α*β=8.2, α=95%,β=88%(α为发电机效率,β为水轮机效率)；
Q—— 水轮机通过流量，;
△H——水电站相邻两组组末（工作）水头之差，m。
将计算结果录入表2-1第⑬列中
第一组流量的装机容量为=AQH=1271Kw。其后流量组的装机容量P（Kw）按下式计算：
=++△…………………………………（2-3）
式中 i——i=2,3,4……n(n∈N+)；
j—— j=i-1。
将计算所得P值录入表2-1第⑫列中。
（3）发电量和累积发电量∑
发电量（万Kw.h）按下列公式计算：
E=PT*24/10000……………………………（2-4）
式中 P——装机容量，Kw；
T——该组流量的出现天数，天。
将所得数据录入表2-1第⑭列。
累积发电量∑（万Kw.h）按下式结算：
∑=+………………………………（2-5）
式中 i——i=1，2,3,4……n(n∈N+)；
j—— j=i+1。
将所得数据录入表2-1第⑮列。
（4）年利用小时数T
年利用小时T数按下式计算：
T=∑/P*10000…………………………（2-6）
式中 ∑——累积发电量，万Kw.h。
P——装机容量，Kw。
所得数据录入表2-1第⑯列。
这样经过水能计算，就得到了水电站不同流量下的各种参数。
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①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
⑩
⑪
⑫
⑬
⑭
⑮
⑯
序号
流量分组Q（m^3/s）
组内天数
频率(%)
组末流量
出现天数
出现频率（%）
前池水位（m）
尾水位（m）
水头损失（m）
水头（m)
装机容量P(kw)
增加的装机容量△P
发电量E（万kwh）
累积发电量（万kwh）
年利用小时数T(h)
1
<2
15
4.11
2
365
100.00
1851
1771
2.5
77.5
1271.0
0.0
1113.4
1113.4
8760.0
2
2-4
16
4.38
4
350
95.89
1851.3
1771.1
2.5
77.7
2545.3
1274.3
1070.4
2183.8
8579.8
3
4-5
16
4.38
5
334
91.51
1851.3
1771.1
2.5
77.7
3182.4
637.1
510.7
2694.5
8466.9
4
5-8
17
4.66
8
318
87.12
1851.5
1771.1
2.5
77.9
5098.8
1916.3
1462.6
4157.1
8153.1
5
8-10
22
6.03
10
301
82.47
1852
1771.2
2.5
78.3
6382.9
1284.1
927.7
5084.7
7966.2
6
10-11
24
6.58
11
279
76.44
1852.6
1771.3
2.5
78.8
7029.0
646.2
432.7
5517.4
7849.4
7
11-14
24
6.58
14
255
69.86
1852.6
1771.4
2.5
78.7
8965.1
1936.0
1184.8
6702.2
7476.0
8
14-16
28
7.67
16
231
63.29
1853.1
1771.4
2.5
79.2
10263.9
1298.9
720.1
7422.3
7231.5
9
16-18
30
8.22
18
203
55.62
1853.6
1771.4
2.5
79.7
11571.0
1307.1
636.8
8059.1
6964.9
10
18-20
32
8.77
20
173
47.40
1854.1
1771.4
2.5
80.2
12886.3
1315.3
546.1
8605.3
6677.8
序号
流量分组Q（m^3/s）
组内天数
频率(%)
组末流量
出现天数
出现频率p（%）
前池水位（m）
尾水位（m）
水头损失（m）
水头（m)
装机容量N(kw)
增加的装机容量△N
发电量E（万kw.h）
累积发电量∑E（万kw.h）
年利用小时数T(h)
11
20-22
26
7.12
22
141
38.63
1854.5
1771.6
2.5
80.4
14204.9
1318.6
446.2
9051.5
6372.1
12
22-24
20
5.48
24
115
31.51
1854.9
1771.6
2.5
80.8
15530.0
1325.1
365.7
9417.2
6063.9
13
24-26
15
4.11
26
95
26.03
1855.4
1771.6
2.5
81.3
16863.3
1333.3
304.0
9721.2
5764.7
14
26-28
13
3.56
28
80
21.92
1855.8
1771.8
2.5
81.5
18199.9
1336.6
256.6
9977.8
5482.3
15
28-32
10
2.74
32
67
18.36
1855.8
1771.8
2.5
81.5
20873.1
2673.2
429.9
10407.7
4986.2
16
32-35
8
2.19
35
57
15.62
1855.8
1771.8
2.5
81.5
22878.0
2004.9
274.3
10681.9
4669.1
17
35-38
6
1.64
38
49
13.42
1855.8
1771.9
2.5
81.4
24880.4
2002.4
235.5
10917.4
4388.0
18
38-40
6
1.64
40
43
11.78
1855.8
1772
2.5
81.3
26213.8
1333.3
137.6
11055.0
4217.3
19
40-42
5
1.37
42
37
10.14
1855.8
1772.1
2.5
81.2
27545.4
1331.7
118.3
11173.3
4056.3
20
42-45
5
1.37
45
32
8.77
1855.8
1772.2
2.5
81.1
29540.5
1995.1
153.2
11326.5
3834.2
21
45-48
4
1.10
48
27
7.40
1855.8
1772.3
2.5
81
31533.1
1992.6
129.1
11455.6
3632.9
22
48-52
4
1.10
52
23
6.30
1855.8
1772.4
2.5
80.9
34186.6
2653.5
146.5
11602.1
3393.8
23
>52
19
5.21
52
19
5.21
1855.8
1772.5
2.5
80.8
36836.9
2650.2
120.9
11722.9
3182.4
表2-1 水能计算表
2.2相关曲线的绘制
根据表2-1所得数据作出下列曲线：

图2-1装机容量-年利用小时数关系曲线

图2-2频率-流量关系曲线

第三章 机组台数和单机容量的确定
根据表2-1中所得装机容量，选取水电站装机容量为30000Kw，查图2-1得到对应的年利用小时数为3600h。
3.1水轮机选型方案初定
水电站水轮机组台数和单机容量初选为以下四种方案：
方案
一
二
三
四
台数
2
3
3
4
容量（Kw）
16000
13000*2台、6000*1台
10667
8000
表3-1水轮机初选方案表
3.2确定水轮机选型方案
由于各方案效率相差不大，故只需进行各方案的经济比较即可，包括计算综合投资和年效益。根据表2-1水头数据作下列的特征水头表3-2，查资料得中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表3-3。由于水电站水头范围为77.5~81.5m，因此选择H240/D41型水轮机。
最大水头
81.5
最小水头
77.5
加权平均水头
79．65
设计水头
79.65
表3-2水电站特征水头表

转轮型号
推荐使用水头（m）
最优工况
限制工况

HL260/D74
50-80
79
1.08
92.7
0.123
1.247
89.4
261
0.143
HL240/D41
70-105
77
0.95
92.0
0.09
1.123
87.6
239
0.106
表3-3中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表

（1） 转轮直径
水轮机额定出力为：
=/………………………………（3-1）
式中 ——发电机单机容量，Kw；
——发电机效率，其值为95%。
取最优单位转速为77r/min与出力限制线交点的单位流量作为设计工况单位流量,对应的模型效率为0.894，暂取效率修正值△为0.02，则设计工况原型水轮机效率=+△，故水轮机的转轮直径为：
………………………………（3-2）
式中 ——发电机单机容量，Kw；
——发电机效率，其值为95%。
按照我国规定的转轮直径系列值，转轮直径取值比计算值大，故进一位作为转轮直径。
将计算结果录入表3-4第③列中。
（2） 效率
=1-（1-）……………………………（3-3）
式中 ——模型水轮机效率，查表3-3得0.92；
——模型水轮机转轮直径，m；
——原型水轮机直径，m。
效率修正值=-；
限制工况原型水轮机的效率为=+△。
将计算结果录入表3-4第④列中。
（3） 设计流量
设计工况点的单位流量为：
=……………………………（3-4）
式中 ——水轮机额定出力，Kw；
——限制工况原型水轮机效率；
——原型水轮机直径，m；
——设计水位，m。
则设计流量为：
=……………………………（3-5）
式中 ——设计工况点的单位流量，；
——原型水轮机直径，m；
——设计水位，m。
将计算结果录入表3-4第⑤列中。
（4） 不能利用流量所发电量
由设计流量可得保证流量为
=*65%……………………………（3-6）
式中 ——设计流量，。
将计算结果录入表3-4第⑥列中。
查表2-1可得相应流浪组内数据，则每组不能利用流量所发电量：
=△P*T*24……………………………（3-7）
式中 △P——增加装机容量，Kw；
T——组内天数，天。
随后，可得不能利用流量（累积）所发电量：
=+…………………………（3-8）
式中 i——i=1,2,3……n（n∈N+）；
j——j=i+1。
最后采用直线内插法即可求得所选机组不能利用流量（累积）所发电量，并将计算结果录入表3-4第⑦列中。注意，当组内机组保证流量不一致时，选择小的保证流量作为不可利用临界流量。
（5） 年发电量
已知，水电站不计流量损失的总发电量为=11722.9万Kw.h，则水电站年发电量为：
=-………………………（3-9）
式中 ——水电站不计流量损失的总发电量，万Kw.h；
——不能利用流量所发电量, 万Kw.h。
将计算结果录入表3-4第⑧列中。
（6） 年产生效益W
按市场价格，每度电为0.35元。则水电站年产生效益W为：
W=*0.35………………………（3-10）
式中 ——年发电量。
所得数据录入表3-4第⑨列中。
（7） 综合投资Z
以三台机组为基准，每1Kw装机容量需投资4000元。机组台数增加一台，综合投资增加25%；机组台数减少一台，综合投资减少25%。由此，则有：
三台机组综合投资：Z=4000*3200万=12800万元；
两台机组综合投资：Z=12800万*75%=9600万元；
四台机组综合投资：Z=12800万*125%=16000万元；
将所得数据录入表3-4第⑩列中。
（8） 收回投资年数N
收回投资年数N为：
N=Z/W………………………（3-11）
式中 Z——水电站综合投资，万元；
W——年产生效益，万元。
将所得数据录入表3-4第⑪列中。
（9） 方案比较并选择
通过比较，可以发现方案二的年产生效益最高，投资也不高。而且，采用两大一小的机组，水电站调节、调度更加灵活，故采用方案二，水电站装设两台13000Kw的大机组和一台6000Kw的小机组，总装机容量为32000Kw。
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
⑩
⑪
方案
装机容量
(Kw)
转轮直径D1
(m)
效率
设计流量
(m3/s)
保证流量 (m3/s)
不能利用流量所发电量（万Kw.h）
年发电量E（万Kw.h）
产生效益W（万元）
综合投资Z（万元）
收回投资年数N（年）
一
16000
1.6
0.94
23.56
15.31
472.23
11249.7
3937.4
9600
2.44
二
13000
1.4
0.94
19.17
12.46
138.44
11584.5
4054.6
12800
3.16
6000
1.0
0.94
8.89
5.78
三
10667
1.3
0.94
15.75
10.24
274.08
11448.9
4007.1
12800
3.19
四
8000
1.1
0.94
11.84
7.69
189.26
11533.7
4036.8
16000
3.96
表3-4 水轮机经济比较表

第四章 水轮机基本参数的计算
4.1水轮机转轮直径的计算
水轮机额定出力为：
=/………………………………（4-1）
式中 ——发电机单机容量，Kw；
——发电机效率，其值为95%。
取最优单位转速为77r/min与出力限制线交点的单位流量作为设计工况单位流量,对应的模型效率为0.894，暂取效率修正值△为0.02，则设计工况原型水轮机效率=+△，故水轮机的转轮直径为：
………………………………（4-2）
式中 ——发电机单机容量，Kw；
——发电机效率，其值为95%。
代入数据计算可得，大机组=1.38m，小机组=0.96m。按照我国规定的转轮直径系列值，转轮直径取值比计算值大，故转轮直径取为大容量机组=1.4m，小容量机组=1.0m。
4.2水轮机效率的计算
=1-（1-）……………………………（4-3）
式中 ——模型水轮机效率，查表3-3得0.92；
——模型水轮机转轮直径，m；
——原型水轮机直径，m。
效率修正值△=-，限制工况原型水轮机效率=+△。
代入数据计算可得，大容量机组=0.94，小容量机组=0.94。
4.3水轮机转速的计算
由模型综合特性曲线上查得=77r/min。则水轮机转速为：
……………………………（4-4）
代入数据得，大机组n=490.9 r/min，小机组n=687.2 r/min。实际中转速n=3000/2P（P为磁极对数），故取大容量机组n=500 r/min，小容量机组n=750 r/min。
4.4水轮机设计流量的计算
设计工况点的单位流量为：
=……………………………（4-5）
式中 ——水轮机额定出力，Kw；
——限制工况原型水轮机效率；
——原型水轮机直径，m；
——设计水位，m。
则设计流量为：
=……………………………（4-6）
式中 ——设计工况点的单位流量，；
——原型水轮机直径，m；
——设计水位，m。
代入数据得，大容量机组=19.17，小容量机组=8.89。
4.5水轮机几何吸出高度的计算
为使水轮机尽可能不发生空化，取、、三个水头分别计算水轮机的允许吸出高度，以其中的最小值作为最大允许吸出高度。为此，进行如下计算：
（1） 计算、、所对应的单位转速
① 大容量机组（13000Kw）
：
：
：
② 小容量机组（6000Kw）
：
：
：
（2） 确定各水头水头所对应的出力限制工况点的单位流量
① 大容量机组（13000Kw）
：取与出力限制线交点处单位流量，=1.12
：=1.10
：

② 小容量机组（6000Kw）
：=1.10
：=1.00
：

（3） 用（1）、（2）中计算的对应工况点从模型综合特性曲线上分别查出、、所对应的模型空化系数，分别为：

空化系数
大机组（13000Kw）
小机组（6000Kw）

0.105
0.110

0.100
0.100

0.090
0.090
表4-1水轮机空化系数表
（4） 分别用查到的空化系数计算、、对应的吸出高度
计算式：
查空化系数修正曲线得，=0.02
① 大容量机组（13000Kw）
：=10-1773/900-(0.090+0.02)*81.5= -0.94(m)
：=10-1773/900-(0.100+0.02)*81.5= -1.53(m)
：=10-1773/900-(0.105+0.02)*81.5= -1.66(m)
② 小容量机组（6000Kw）
：=10-1773/900-(0.090+0.02)*81.5= -0.94(m)
：=10-1773/900-(0.100+0.02)*81.5= -1.53(m)
：=10-1773/900-(0.110+0.02)*81.5= -2.05.(m)
从三个吸出高度计算值中取最小值，再留一定的余量，取最大允许吸出高度①大容量机组= -2m；②小容量机组= -3m。
4.6飞逸转速的计算
由HL240/D41的模型飞逸特性曲线上查得在最大导叶开度下（）单位飞逸转速，故水轮机的飞逸转速为
① 大容量机组：
② 小容量机组：
将选定方案（方案二）中两种机组的水轮机基本参数列于下表（表4-2）中。
机组容量（Kw）
转轮直径（m）
效率
转速（）
设计流量（）
吸出高度（m）
飞逸转速（）
13000
1.4
0.94
500
19.17
-2
946.0
6000
1.0
0.94
750
8.89
-3
1324.4
表4-2 水轮机基本参数表

第五章 水轮机运转综合特性曲线的绘制
5.1等效率线的绘制
（1）在水轮机工作水头范围（~）内取若干个间隔均匀的水头（应包括、、，一般去、取4~5个），分别计算出各水头对应的单位转速，在模型综合特性曲线上以各值作水平线于模型的等效率线相交于一系列点，将各点的换算成，同时计算出各点的出力，作效率特性曲线。大容量机组（13000Kw）如图5-1所示；小容量机组（6000Kw）如图5-2所示。

图5-1 大容量机组（13000Kw）等效率特性曲线图

图5-2 小容量机组（6000Kw）等效率特性曲线图

（2）在曲线上，以某效率值作水平线与各曲线相交，找出各点的，值。
（3）作~坐标，并在其中绘出计算中选取的水头值的水平线，将（2）中所得的各交点按其,值点到~坐标中，连接各点即得到某值的等效率线。大容量机组（13000Kw）等效率线如图5-3所示；小容量机组（6000Kw）等效率线如图5-4所示。

图5-3 大容量机组（13000Kw）等效率线

图5-4 小容量机组（6000Kw）等效率线

5.2出力限制线线的绘制
出力限制线表示水轮机在不同水头下可以发出或允许发出的最大出力，受发电机的额定容量限制。实际的出力限制线以设计水头为界分为两部分。在与之间的出力限制线一般由模型综合特性曲线的5%出力限制线换算而得到，通常在模型水轮机的出力限制线上取若干点，根据各点的效率、单位流量经相似计算求出对应的水头与出力，将这些点绘到~坐标中并连成光滑曲线即~范围的出力限制线。为了计算简便，本例仅择两个水头（、）分别计算出其最大允许出力，然后过两点连一直线，以此作为<。在>=时，水轮机出力由发电机的出力来限制，即=。大容量机组（13000Kw）出力限制线如图5-5所示；小容量机组（6000Kw）出力限制线如图5-6所示。

图5-5 大容量机组（13000Kw）出力限制线

图5-6 小容量机组（6000Kw）出力限制线
5.3等吸出高度线的绘制
等吸出高度线表达水轮机在各运行工况时的最大吸出高度。等线是根据模型特性曲线的等σ线换算而得来的，计算与绘制等线的步骤如下：
（1）计算各水头相应的单位转速，在模型综合特性曲线上过作水（2）平线与各等σ线相交，记下各点的σ、及值。
（2）根据吸出高度计算公式：

计算出各点的，并计算出各点的出力。
（3）根据各工况点的（，）值绘制出各水头下的曲线，见下图5-2。大容量机组（13000Kw）曲线如图5-7所示；小容量机组（6000Kw）曲线如图5-8所示。
图5-7 大容量机组（13000Kw）曲线

图5-8 小容量机组（6000Kw）曲线

（4）在曲线上取某值作水平线与各曲线相交，记下各交点的（，）值，并点绘到~坐标内，把各点连成光滑曲线即为某值得等吸出高度线。大容量机组（13000Kw）等吸出高度线如图5-9所示；小容量机组（6000Kw）等吸出高度线如图5-10所示。

图5-9 大容量机组（13000Kw）等吸出高度曲线

图5-10 大容量机组（13000Kw）等吸出高度曲线

图5-11 大容量机组（13000Kw）运转综合特性曲线