1、水水 電電 站站2014年5月第四章第四章 水輪機的特性曲線及選型水輪機的特性曲線及選型第一節(jié)第一節(jié) 水輪機的相似原理概述水輪機的相似原理概述 一、幾個基本概念一、幾個基本概念 1、水輪機特性、水輪機特性各運行參數(shù)各運行參數(shù)(H，Q，n，N，)及參數(shù)之間的關(guān)系及參數(shù)之間的關(guān)系理論理論: 基本方程式，水力學，計算方法基本方程式，水力學，計算方法實驗：實驗： 原型實驗，模型試驗，計算機模擬原型實驗，模型試驗，計算機模擬1 12 2()huuHrrgvv 2、模型試驗、模型試驗：(D : 250460mm，H ：26m)基礎(chǔ)性試驗：尋找新產(chǎn)品基礎(chǔ)性試驗：尋找新產(chǎn)品專門實驗：特定水電站，解決問題，最優(yōu)

2、水輪機專門實驗：特定水電站，解決問題，最優(yōu)水輪機3、相似理論、相似理論 原型原型- 模型模型 怎樣保證模型與原型相似？怎樣相互換算參數(shù)？怎樣保證模型與原型相似？怎樣相互換算參數(shù)？二、水輪機相似條件二、水輪機相似條件 1、幾何相似：、幾何相似： (1) 對應角相等：對應角相等：b1b1M ；b2b2M ；M (2) 尺寸成比例：尺寸成比例：D1/D1Mb0/b0Ma0/a0M. (3) 對應部位的相對糙率相等：對應部位的相對糙率相等：/ D1M/D1M幾何相似的水輪機幾何相似的水輪機輪系，系列，型號。輪系，系列，型號。 (1) 對應點的速度方向相同。對應點的速度方向相同。 (2) 對應點的速度大

3、小對成比例，對應點的速度大小對成比例，即速度三角形相似。即速度三角形相似。 同一輪系的水輪機才能建立運動相似和動力相似。同一輪系的水輪機才能建立運動相似和動力相似。幾何相似就運動相似嗎？幾何相似就運動相似嗎？同一輪系水輪機，保持運動相似同一輪系水輪機，保持運動相似相似工況相似工況2、運動相似：、運動相似：3、動力相似、動力相似對應點所受的同名作用力方向相同、大小成比例。對應點所受的同名作用力方向相同、大小成比例。 (壓力、慣性力、重力、粘滯力等壓力、慣性力、重力、粘滯力等)MMMMpFGpFG能否完全做到？能否完全做到？輪廓尺寸，粗糙度輪廓尺寸，粗糙度宏觀流場，微觀流場宏觀流場，微觀流場主要矛

4、盾：建立關(guān)系主要矛盾：建立關(guān)系次要矛盾；次要矛盾；參數(shù)修正參數(shù)修正第二節(jié)第二節(jié) 水輪機的相似率、單位參數(shù)和比轉(zhuǎn)速水輪機的相似率、單位參數(shù)和比轉(zhuǎn)速一、水輪機的相似定律一、水輪機的相似定律 相似定律：相似定律：水輪機在水輪機在相似工況相似工況下運行時，各工作下運行時，各工作參數(shù)參數(shù)(H、n、N、)之間的固定關(guān)系。之間的固定關(guān)系。 流量相似律轉(zhuǎn)速相似律出力相似律 1、流量相似律、流量相似律有效流量：有效流量：CHDQHDQssMMMMM21021011VmQF v112mmhKgHvv211FD2112mhVKDgHQv2M12M1MMMVhQVhQDHQDH或或HDQHDQMMM21212、 轉(zhuǎn)速

5、相似律：轉(zhuǎn)速相似律：HnDHDnMMM11111260hDnuKgHu11602uhKgHnD1MM1MMhnhDHnnDH或或CHnDHDnssMMMM112/3212/321HDNHDNMMM3、出力相似律、出力相似律2112mhVKDgHQv9.81NQH32212MM1MMMmhPmhHPDPDH或或CHDNHDNjsjMsMMMM2/3212/321)()(v效率問題：效率問題： 效率未知效率未知三個效率怎樣分開？三個效率怎樣分開？假定：相等假定：相等 實際實際: 原型效率大于模型效率，原型效率大于模型效率，需修正需修正) v【例例】已知模型水輪機標稱直徑已知模型水輪機標稱直徑0.2

6、5m，模，模型水頭型水頭3.5m，模型效率，模型效率90%，相應的模型轉(zhuǎn)，相應的模型轉(zhuǎn)速速500r/min，流量，流量0.15m3/s。求標稱直徑。求標稱直徑5m、水頭水頭87.5m的同型號原型水輪機的流量、轉(zhuǎn)速的同型號原型水輪機的流量、轉(zhuǎn)速和出力各為多少？（假定原型與模型效率相和出力各為多少？（假定原型與模型效率相等）假定水輪機為等）假定水輪機為HL240系列，求出原型水系列，求出原型水輪機的效率，并進行單位參數(shù)修正。輪機的效率，并進行單位參數(shù)修正。相似率解決的問題：相似率解決的問題： 同輪系水輪機的模型、原型參數(shù)換算同輪系水輪機的模型、原型參數(shù)換算未解決的問題：未解決的問題：v 不同輪系水

7、輪機的性能比較不同輪系水輪機的性能比較v 同輪系水輪機不同工況性能比較？不同尺寸水輪同輪系水輪機不同工況性能比較？不同尺寸水輪機性能比較？機性能比較？1. 需要有一個統(tǒng)一標準需要有一個統(tǒng)一標準二、單位參數(shù)二、單位參數(shù) 將模型試驗成果按將模型試驗成果按相似率相似率轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為D1M=1m，HM=1m標準情況下的參數(shù)標準情況下的參數(shù)單位參數(shù)，單位參數(shù)， 假定：假定： )(111NnQ，sMsM00jMjM 1、 單位流量單位流量 2、 單位轉(zhuǎn)速單位轉(zhuǎn)速 3、 單位出力單位出力HDQQ211HDQQ211HnDn111DHnn2/3211HDNN2/3211HDNN2211QQDHDHMMM11n

8、Dn DHHMMMM33222211MMPPD HDHv 單位參數(shù)是同輪系水輪機的單位參數(shù)是同輪系水輪機的“代表代表”參數(shù)，參數(shù)，Q1，n1 表示水輪機的運行工況表示水輪機的運行工況v 同型號的水輪機在相似工況下的單位參數(shù)為常數(shù)，同型號的水輪機在相似工況下的單位參數(shù)為常數(shù)，不不同工況下單位參數(shù)分別為一常數(shù)同工況下單位參數(shù)分別為一常數(shù)(工況不同，單工況不同，單位參數(shù)不同位參數(shù)不同)v在最優(yōu)工況下的單位參數(shù)在最優(yōu)工況下的單位參數(shù)最優(yōu)單位參數(shù)，最優(yōu)單位參數(shù)，(Q10, n10, N10)，代表該輪系水輪機的工作性能。代表該輪系水輪機的工作性能。v單位參數(shù)由模型試驗得出單位參數(shù)由模型試驗得出原形水輪機

9、的參數(shù)原形水輪機的參數(shù)(相應工況相應工況)。 三、水輪機的比轉(zhuǎn)速三、水輪機的比轉(zhuǎn)速v定義：同一輪系水輪機，當定義：同一輪系水輪機，當工作水頭工作水頭H=1m，出力出力N=1kW時時，所具有的轉(zhuǎn)速。，所具有的轉(zhuǎn)速。HnDn11).(4/5kWmHNnns2/3211HDNN 115/4n NnNH同一輪系水輪機在相同一輪系水輪機在相似工況下單位參似工況下單位參數(shù)分別相等數(shù)分別相等 113.13snn Q比轉(zhuǎn)速工程意義比轉(zhuǎn)速工程意義v表示水輪機特征的綜合參數(shù)表示水輪機特征的綜合參數(shù)(與與D1無關(guān)無關(guān))，能，能綜合反映參數(shù)綜合反映參數(shù)n、H、 N之間的關(guān)系，代表之間的關(guān)系，代表了了水輪機的輪系特征水

10、輪機的輪系特征。vns隨工況變化，隨工況變化，用用最優(yōu)比轉(zhuǎn)速或最優(yōu)比轉(zhuǎn)速或限制工況下限制工況下的比轉(zhuǎn)速比較不同輪系水輪機性能，的比轉(zhuǎn)速比較不同輪系水輪機性能，v比轉(zhuǎn)速用來表示水輪機的型號，還用來劃分比轉(zhuǎn)速用來表示水輪機的型號，還用來劃分水輪機的類型。水輪機的類型。v各種類型的水輪機比轉(zhuǎn)速大致范圍：各種類型的水輪機比轉(zhuǎn)速大致范圍：貫流式：ns=600-1000 高 高水頭小流量軸流式：ns=200-850 高斜流式：ns=150-350 中 中水頭小流量 混流式：ns=50-300 中水斗式：ns=10-70 低 低水頭大流量不同比轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)輪形狀不同比轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)輪形狀討論：討論：v同輪系相似水輪機

11、，工況相似，同輪系相似水輪機，工況相似，ns相同。不同的相同。不同的ns ，反映不同輪系水輪機特征。，反映不同輪系水輪機特征。v當當H一定時：一定時： ns Nn。機組尺寸縮小，投。機組尺寸縮小，投資減少，因此資減少，因此提高比轉(zhuǎn)速可以降低造價提高比轉(zhuǎn)速可以降低造價。v當當H和和N一定時，一定時，ns越高，空蝕系數(shù)越大越高，空蝕系數(shù)越大，需要增，需要增加廠房開挖。加廠房開挖。v比轉(zhuǎn)速增加，單位流量增加，比轉(zhuǎn)速增加，單位流量增加，b0/D1增大，葉片數(shù)增大，葉片數(shù)目減少。目減少。第三節(jié)第三節(jié) 水輪機的效率換算與單位參數(shù)修正水輪機的效率換算與單位參數(shù)修正 一、為什么效率換算一、為什么效率換算1.

12、單位參數(shù)公式假定在相似工況下，單位參數(shù)公式假定在相似工況下，=M，2.實際上實際上M(約約2%7%)。原因：原、模型不能做到完全相似原因：原、模型不能做到完全相似容積效率容積效率：縫隙：縫隙機械效率；機械效率；部件之間的摩擦部件之間的摩擦水力效率：粗糙度，水流粘滯力，流場水力效率：粗糙度，水流粘滯力，流場 （沿程損失沿程損失，局部損失），局部損失）第三節(jié)第三節(jié) 水輪機的效率換算與單位參數(shù)修正水輪機的效率換算與單位參數(shù)修正 二、水輪機效率換算經(jīng)驗公式二、水輪機效率換算經(jīng)驗公式 1、最優(yōu)工況下的效率修正、最優(yōu)工況下的效率修正 1963年國際電工委員會推薦的公式：年國際電工委員會推薦的公式： 混流：

13、混流： 軸流：軸流： 511maxmax)1(1DDMM)()( 7 . 03 . 0)1 (110/15/111maxmaxHHDDMMM4-334-342、一般工況、一般工況vHL、ZD：vZZ ： MmaxmaxMmaxmaxMMmaxMmax1%3%2%5%大中型水輪機，中小型水輪機，maxMmaxv三、單位參數(shù)的修正三、單位參數(shù)的修正1MM1MMhhnDHnDHm ax1010 MM m axnn2M12M1MMMVhVhQDHQDHmax1010MMmaxQQ僅考慮水力損失，僅考慮水力損失，=s ，令，令D1=lm、H=1m、D1m=lm、Hm=1m， 轉(zhuǎn)速相似率轉(zhuǎn)速相似率流量相似

14、率流量相似率最優(yōu)工況的修正最優(yōu)工況的修正三、單位參數(shù)的修正三、單位參數(shù)的修正v 最優(yōu)工況時：最優(yōu)工況時： v其他工況時：其他工況時： maxmax1010MMQQmaxmax1010MMnn111QQQM111nnnM在工程實踐中，當在工程實踐中，當 時，單位轉(zhuǎn)速不必修正時，單位轉(zhuǎn)速不必修正單位流量修正值與單位流量的比值較小，一般可不修正單位流量修正值與單位流量的比值較小，一般可不修正 110M0.03nnm ax11010M10MMm ax(1)n nnn m ax11010M10MMm ax(1)Q QQQ 第四節(jié)第四節(jié) 水輪機的主要綜合特性曲線水輪機的主要綜合特性曲線一、水輪機模型試驗簡

15、介一、水輪機模型試驗簡介v任務：任務：v1）研究水輪機在研究水輪機在各種工況下各種工況下的能量特性、空的能量特性、空蝕特性等（繪制主要綜合特性曲線）；蝕特性等（繪制主要綜合特性曲線）；v2）為確定水輪機的受力特性、飛逸特性以為確定水輪機的受力特性、飛逸特性以及穩(wěn)定特性提供依據(jù)。及穩(wěn)定特性提供依據(jù)。類型類型：根據(jù)研究問題精度不同，可分為：根據(jù)研究問題精度不同，可分為：（1 1）定性試驗（）定性試驗（比較性試驗比較性試驗 ）：）：模型轉(zhuǎn)輪性能的比較和篩選模型轉(zhuǎn)輪性能的比較和篩選 （2 2）定量試驗（保證性試驗）定量試驗（保證性試驗 ）：獲得該系列模型）：獲得該系列模型機的各種性能參數(shù)和指標機的各種

16、性能參數(shù)和指標 。v按用途分為：按用途分為：(1)(1)能量試驗能量試驗：確定模型水輪機的運行效率確定模型水輪機的運行效率。(2)(2)空蝕試驗：確定水輪機抗空蝕特性?？瘴g試驗：確定水輪機抗空蝕特性。(3)(3)飛逸特性試驗和軸向水推力特性試驗：主要確定飛逸特性試驗和軸向水推力特性試驗：主要確定水輪機的飛逸特性和軸向水推力特性。水輪機的飛逸特性和軸向水推力特性。(4)(4)泥沙磨損試驗。確定水輪機的泥沙磨損特性。泥沙磨損試驗。確定水輪機的泥沙磨損特性。反擊式水輪機能量試驗臺 1-壓力水箱；壓力水箱；2、11-靜水柵；靜水柵；3、10-溢流板；溢流板；4-標尺；標尺；5-測功器；測功器；6-引水

17、管；引水管；7-模型水輪機；模型水輪機；8-尾水管；尾水管；9-尾水槽；尾水槽；12-浮筒水位計；浮筒水位計；13-測流堰板；測流堰板；14-回水槽；回水槽；15-循環(huán)水泵循環(huán)水泵MMMMMMM30PMnQ HQ H01a0a02aMHMnMQ1Q1nMP導葉開導葉開度度工況點工況點試驗水試驗水頭頭轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速軸功率軸功率流量流量單位單位流流量量單位轉(zhuǎn)單位轉(zhuǎn)速速效率效率（mmmm）實驗實驗序號序號（m m）(r/min)(r/min)(kW)(kW)(m(m3 3/s)/s)(m(m3 3/s)/s)(r/min)(r/min)(%)(%)1 12 23 31 12 23 3MMMMMMM30PM

18、nQ HQ H綜合：多參數(shù)之間的關(guān)系曲線。綜合：多參數(shù)之間的關(guān)系曲線。橫坐標：橫坐標： Q1縱坐標：縱坐標：n1 繪制繪制： (1) 等開度等開度a0線線 (2) 等效率等效率線線 (3) 等汽蝕系數(shù)等汽蝕系數(shù)線線 (4) 5%出力限制線出力限制線二、水輪機的主要（二、水輪機的主要（模型模型）綜合特性曲線）綜合特性曲線混流式水輪機的模型綜合特性曲線混流式水輪機的模型綜合特性曲線 (1) 等開度等開度a0線線 (2) 等效率等效率線線 (3) 等汽蝕系數(shù)等汽蝕系數(shù)線線 (4) 5%出力限制線出力限制線11332222119.819.81NQHNQD HD H混流式水輪機等效率線的繪制（a）等開度

19、和等效率線；（b）輔助線軸流定漿式水輪機的模型綜合特性曲線軸流定漿式水輪機的模型綜合特性曲線高效率區(qū)狹窄，隨流量變化敏感高效率區(qū)狹窄，隨流量變化敏感軸流定漿式水輪機的模型綜合特性曲線軸流定漿式水輪機的模型綜合特性曲線ZZ440模型綜合曲線模型綜合曲線軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機的模型綜合特性曲線的模型綜合特性曲線 (1) 等開度等開度a0線線 (2) 等效率等效率線線 (3) 等汽蝕系數(shù)等汽蝕系數(shù)線線 （4）等轉(zhuǎn)角線）等轉(zhuǎn)角線 沒有出力限制線沒有出力限制線 受空蝕條件限制受空蝕條件限制沖擊式水輪機的模型綜合特性曲線沖擊式水輪機的模型綜合特性曲線 (1) 等開度等開度a0線線 (2) 等效率

20、等效率線線沒有等汽蝕系數(shù)沒有等汽蝕系數(shù)線線 沒有出力限制線沒有出力限制線 已知：已知：H、N的范圍的范圍目標：目標：臺數(shù)、型號臺數(shù)、型號，使水電站，使水電站充分利用水能，安充分利用水能，安全可靠運行。全可靠運行。 一、水輪機選型設(shè)計的內(nèi)容一、水輪機選型設(shè)計的內(nèi)容v 確定確定機組臺數(shù)機組臺數(shù)及及單機容量單機容量v 選擇水輪選擇水輪機型式（型號）機型式（型號）及及裝置方式裝置方式v 確定水輪機確定水輪機參數(shù)參數(shù)D1、n、Hs(安安) ；Z0、d0v 繪制繪制水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線 (第六節(jié)第六節(jié))1. 確定確定蝸殼、尾水管蝸殼、尾水管的形式及其尺寸，估算水輪機的形式及其尺寸，

21、估算水輪機的重量和價格。的重量和價格。 (第七節(jié)、第八節(jié)第七節(jié)、第八節(jié))第五節(jié)第五節(jié) 水輪機的選擇（選型設(shè)計）水輪機的選擇（選型設(shè)計）v 調(diào)速器及油壓裝置選擇調(diào)速器及油壓裝置選擇 （第五章）（第五章）v 根據(jù)選定的水輪機根據(jù)選定的水輪機型式和參數(shù)型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機在，結(jié)合水輪機在結(jié)構(gòu)上、材料、運行等方面的要求，擬定并向結(jié)構(gòu)上、材料、運行等方面的要求，擬定并向廠家提出廠家提出制造任務書制造任務書，最終雙方，最終雙方共同共同商定機組商定機組的技術(shù)條件，作為進一步設(shè)計的依據(jù)。的技術(shù)條件，作為進一步設(shè)計的依據(jù)。 二、水輪機選型設(shè)計的基本要求二、水輪機選型設(shè)計的基本要求v 有較好的能量特性，有較好的

22、能量特性，Hr-Nr在額定水頭下能保在額定水頭下能保證發(fā)出額定出力，額定水頭以下的機組受阻容量證發(fā)出額定出力，額定水頭以下的機組受阻容量小，水電站全廠機組平均效率高。小，水電站全廠機組平均效率高。v 有良好的抗空蝕和抗磨損性能，運行穩(wěn)定，可靠有良好的抗空蝕和抗磨損性能，運行穩(wěn)定，可靠靈活。靈活。v 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，便于安裝、操作、檢修與維護、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，便于安裝、操作、檢修與維護、運輸。運輸。v 選擇生產(chǎn)實力強、制造技術(shù)水平高、合作信譽好選擇生產(chǎn)實力強、制造技術(shù)水平高、合作信譽好的制造廠商。的制造廠商。v 考慮適度合理的經(jīng)濟節(jié)省原則?？紤]適度合理的經(jīng)濟節(jié)省原則。n樞紐資料：（樞紐資料：（1）河

23、流總體規(guī)劃：梯級開發(fā)方案、水河流總體規(guī)劃：梯級開發(fā)方案、水庫的調(diào)節(jié)性能庫的調(diào)節(jié)性能 （2）水電站：樞紐布置方案、電站總）水電站：樞紐布置方案、電站總裝機容量（裝機容量（3）地形、地質(zhì)、水質(zhì)、泥沙情況（）地形、地質(zhì)、水質(zhì)、泥沙情況（4）水）水文資料：文資料： 特征流量及特征水頭、下游水位流量關(guān)系曲特征流量及特征水頭、下游水位流量關(guān)系曲線。線。n電力系統(tǒng)資料：系統(tǒng)負荷構(gòu)成，水電站的作用及運行電力系統(tǒng)資料：系統(tǒng)負荷構(gòu)成，水電站的作用及運行方式等。方式等。 n水輪機產(chǎn)品技術(shù)資料：系列型譜、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品目水輪機產(chǎn)品技術(shù)資料：系列型譜、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品目錄、模型綜合特性曲線。錄、模型綜合特性曲線。n運輸、

24、安裝技術(shù)條件運輸、安裝技術(shù)條件n其他其他三、所需要的有關(guān)資料三、所需要的有關(guān)資料四、機組臺數(shù)及單機容量的選擇四、機組臺數(shù)及單機容量的選擇 實質(zhì)：方案經(jīng)濟比較，與選型、參數(shù)選擇交叉進行1. 機組臺數(shù)與電站投資的關(guān)系機組臺數(shù)與電站投資的關(guān)系臺數(shù)多臺數(shù)多單位千瓦（耗材多、制造量大）投資單位千瓦（耗材多、制造量大）投資閥門、調(diào)速、管道、閥門、調(diào)速、管道、輻設(shè)、電氣等增加輻設(shè)、電氣等增加廠房尺寸增加。廠房尺寸增加。 一般選用較大的一般選用較大的N單單2 、機組臺數(shù)與機電設(shè)備制造的關(guān)系、機組臺數(shù)與機電設(shè)備制造的關(guān)系臺數(shù)多臺數(shù)多N單單尺寸（尺寸（D1）?。┬≈圃爝\輸制造運輸容易容易（相反，大機組制造困難）（

25、相反，大機組制造困難） 三峽三峽(9.8m,700MW)、水布埡、小灣、龍灘、向家壩、溪洛渡、錦屏二級、水布埡、小灣、龍灘、向家壩、溪洛渡、錦屏二級 3 3、機組臺數(shù)與運行效率的關(guān)系、機組臺數(shù)與運行效率的關(guān)系單臺機組：？單臺機組：？ 整個電站：臺數(shù)多整個電站：臺數(shù)多負荷分配靈活負荷分配靈活平均效率平均效率擔任基荷：可用較少的臺數(shù)，在較長時間內(nèi)以最優(yōu)擔任基荷：可用較少的臺數(shù)，在較長時間內(nèi)以最優(yōu)工況運行，平均效率比較高。工況運行，平均效率比較高。擔任峰荷：應選用較多的臺數(shù)，以增加其運行靈活擔任峰荷：應選用較多的臺數(shù)，以增加其運行靈活性，提高整體運行效率。性，提高整體運行效率。軸流定漿式：選用較多臺

26、數(shù)軸流定漿式：選用較多臺數(shù)軸流轉(zhuǎn)漿式和水斗式：選用較少臺數(shù)。軸流轉(zhuǎn)漿式和水斗式：選用較少臺數(shù)。 4 4、機組臺數(shù)與電站運行維護工作的關(guān)系、機組臺數(shù)與電站運行維護工作的關(guān)系v臺數(shù)多，運行靈活，事故影響小，事故幾率增臺數(shù)多，運行靈活，事故影響小，事故幾率增加，管理人員增加、運行費提高加，管理人員增加、運行費提高5. 5. 臺數(shù)與電氣主接線的關(guān)系臺數(shù)與電氣主接線的關(guān)系v擴大單元接線：機組宜選偶數(shù)臺數(shù)。擴大單元接線：機組宜選偶數(shù)臺數(shù)。v采用單元接線：不受奇偶臺數(shù)限制采用單元接線：不受奇偶臺數(shù)限制v總之總之，v一般應采用較大的一般應采用較大的N N單單，較少的臺數(shù)，但一般至少，較少的臺數(shù)，但一般至少應選

27、應選2 2臺臺v中型電站一般中型電站一般4646臺，大型電站一般臺，大型電站一般6868臺臺v葛洲壩共葛洲壩共2121臺，裝機臺，裝機2715MW2715MW，v三峽三峽2626700700，共裝機，共裝機18200MW18200MW（壩后廠房壩后廠房），），6 6臺臺右岸地下廠房右岸地下廠房 。 五五 水輪機的標準系列水輪機的標準系列1、水輪機的系列型譜、水輪機的系列型譜v我國我國1974年編制了反擊式水輪機暫行系列型譜年編制了反擊式水輪機暫行系列型譜大中型軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪參數(shù)大中型軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪參數(shù)適用水適用水頭頭轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪型號型號轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪葉片葉片數(shù)數(shù) Z1Z1輪轂輪轂比比 導葉相導葉相對

28、高度對高度最優(yōu)單最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速位轉(zhuǎn)速推薦使推薦使用的單用的單位最大位最大流量流量模型空化系模型空化系數(shù)數(shù)3 38 8ZZ600ZZ6004 40.330.330.4380.438142142200020000.70.710102222ZZ560ZZ5604 40.400.400.400.40130130200020000.590.590.770.7715152626ZZ460ZZ4605 50.500.500.3820.382116116175017500.60.620203636ZZ440ZZ4406 60.500.500.3750.375115115165016500.380.380.650

29、.6530303535ZZ360ZZ3608 80.550.550.3500.350107107130013000.230.230.400.40(m)H1/gd D01/bD10(r/min)n1(L /s)Q M(m )H01/bD10(r /min)n1(L/s)Q M適用水頭適用水頭轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪型號型號導葉相對導葉相對高度高度最優(yōu)單位轉(zhuǎn)最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速速推薦使用的推薦使用的單位最大流單位最大流量量模型空化系數(shù)模型空化系數(shù)3030HL310HL3100.3910.39188.388.3140014000.3600.360* *25254545HL240HL2400.3650.36572.072.0

30、124012400.2000.20035356565HL230HL2300.1350.13571.071.0111011100.1700.170* *50508585HL220HL2200.2500.25070.070.0115011500.1330.1339090125125HL200HL2000.2000.20068.068.09609600.1000.1009090125125HL180HL1800.2000.20067.067.08608600.0850.085110110150150HL160HL1600.2240.22467.067.06706700.0650.0651401402

31、00200HL110HL1100.1180.11861.561.53803800.0550.055* *180180250250HL120HL1200.1200.12062.562.53803800.0600.060230230320320HL100HL1000.1000.10061.561.52802800.0450.045大中型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪參數(shù)大中型混流式水輪機轉(zhuǎn)輪參數(shù)2、水輪機轉(zhuǎn)輪標稱直徑系列、水輪機轉(zhuǎn)輪標稱直徑系列(cm)253035(40)42506071(80)84100120140160180200225250275300330380410450500550600650700

32、7508008509009501000說明：括號內(nèi)的數(shù)字表示僅適用于軸流式水輪機。說明：括號內(nèi)的數(shù)字表示僅適用于軸流式水輪機。3、水輪發(fā)電機標準同步轉(zhuǎn)速、水輪發(fā)電機標準同步轉(zhuǎn)速磁極對數(shù)磁極對數(shù)345789101214同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁極對數(shù)磁極對數(shù)161820222426283032同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁極對數(shù)磁極對數(shù)3436384042444850同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速n88.283.3797571.468.262.5604、水輪機系列應用范圍圖、水輪機系

33、列應用范圍圖中小型水輪機應用范圍圖中小型水輪機應用范圍圖五、水輪機型號及主要參數(shù)的確定五、水輪機型號及主要參數(shù)的確定 依據(jù)：依據(jù)：N單單，特征水頭，特征水頭(Hmax、Hmin、Hav、Hr) 1、 根據(jù)水輪機系列型譜選擇根據(jù)水輪機系列型譜選擇查系列型譜查系列型譜 水輪機型號。水輪機型號。模型綜合特性曲線模型綜合特性曲線 主要參數(shù)主要參數(shù) （下一問題下一問題） 如果兩種以上型號適用，應進行如果兩種以上型號適用，應進行方案比較方案比較。受標準系列的限制有時難以獲得最優(yōu)設(shè)計效果。受標準系列的限制有時難以獲得最優(yōu)設(shè)計效果。適用：大中型水電站適用：大中型水電站2 2、專題研究法、專題研究法特別重要或大

34、型水電站，需進行專門研究，所需特別重要或大型水電站，需進行專門研究，所需時間和費用高。時間和費用高。3 3、查系列范圍圖法、查系列范圍圖法 水頭范圍和單機出力水頭范圍和單機出力 型號、轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速及吸出高度。型號、轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速及吸出高度。適用適用:中小型中小型，或電站規(guī)劃、任務書和可行性研究階段，或電站規(guī)劃、任務書和可行性研究階段ZZ440系列水輪機應用范圍系列水輪機應用范圍4 4、采用套用機組、采用套用機組特征水頭、特征水頭、N N單單，經(jīng)濟技術(shù)指標相近時，優(yōu)先套用已用機組，經(jīng)濟技術(shù)指標相近時，優(yōu)先套用已用機組適用：適用：小型的選型設(shè)計，大中型的小型的選型設(shè)計，大中型的初步初步選型選型

35、5 5、直接查產(chǎn)品樣本、直接查產(chǎn)品樣本 直接查設(shè)備廠家的產(chǎn)品樣本，適用于小型電站。直接查設(shè)備廠家的產(chǎn)品樣本，適用于小型電站。6 6、統(tǒng)計分析法、統(tǒng)計分析法對大量已建水電站的參數(shù)進行統(tǒng)計，建立水輪機各對大量已建水電站的參數(shù)進行統(tǒng)計，建立水輪機各參數(shù)之間的統(tǒng)計關(guān)系，再根據(jù)本電站的參數(shù)選擇。參數(shù)之間的統(tǒng)計關(guān)系，再根據(jù)本電站的參數(shù)選擇。七、反擊式水輪機主要參數(shù)的確定（七、反擊式水輪機主要參數(shù)的確定（模型綜合特性曲線）模型綜合特性曲線）反擊式主要參數(shù)：反擊式主要參數(shù)： 轉(zhuǎn)輪直徑轉(zhuǎn)輪直徑D1，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速n、吸出高、吸出高Hs。 D1、n應該滿足：在應該滿足：在Hr（額定水頭）（額定水頭）下，發(fā)出下，發(fā)出N

36、r；在；在Hav（接近設(shè)計水頭）（接近設(shè)計水頭）時，時，最高。最高。 吸出高吸出高Hs應滿足：防止水應滿足：防止水輪機空蝕，開挖深度合理輪機空蝕，開挖深度合理。 沖擊式：沖擊式：轉(zhuǎn)輪直徑轉(zhuǎn)輪直徑D1，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速n ，噴嘴數(shù)，噴嘴數(shù)Z0、射流直徑、射流直徑d0，水水斗數(shù)斗數(shù)Z1等等方法：方法：1、D1的確定的確定rrrHHDQN21181. 92/31181. 9rrHQND9.81rrrPQ H121rrQQDH 額定出力：額定出力： Nr(水輪機額定出力水輪機額定出力) Nr= Nf /f 用用 H=Hr計算。計算。2/31181.9rrHQND(3) Q1 在在N= Nr時，取限制工況下的

37、時，取限制工況下的Q1，并查出限制工況的，并查出限制工況的M 混流水輪機由混流水輪機由5%出力限制線出力限制線得到，得到，軸流軸流式由汽蝕條件得到，或限制式由汽蝕條件得到，或限制HS反推反推z，以防止開挖過多。，以防止開挖過多。 z為水輪機裝置的汽蝕系數(shù)。為水輪機裝置的汽蝕系數(shù)。HHsz90010v (4) ：原型水輪機的效率（在限制工況下），：原型水輪機的效率（在限制工況下），v 一般先取一般先取=M+=M+ ( (=23%)=23%)，求得，求得D1D1后再修正。后再修正。與假定相近，與假定相近，D1D1正確；否則，重新計算正確；否則，重新計算的修正計算的修正計算 查查綜合特性曲線綜合特性

38、曲線得出得出Mmax，換算得出，換算得出max。 =max-Mmax-1-2 1=1%2%(表示工藝水平表示工藝水平)，2=1%3%(表示表示異形部件，即原型水輪機和模型水輪機的蝸殼異形部件，即原型水輪機和模型水輪機的蝸殼和尾水管不一樣和尾水管不一樣) 如如=M+，與假定出入太大，應重新計算。，與假定出入太大，應重新計算。 3 3、轉(zhuǎn)速的選擇、轉(zhuǎn)速的選擇 n n1 1 用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n n1010 ， n n1010=n n 10M10M+ +n n1 1,水頭水頭H=HH=Ha a。 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n n隨工況而變，要選發(fā)電機轉(zhuǎn)速相近而隨工況而變，要選發(fā)電機轉(zhuǎn)速相近而偏大的標準同步轉(zhuǎn)

39、速。偏大的標準同步轉(zhuǎn)速。11011DHnnDHnna4 4、工作范圍的驗算、工作范圍的驗算方法方法：根據(jù)：根據(jù)N Nr r、D D1 1、H Hr r求出求出Q Q 1max1max，由，由H Hmaxmax、H Hminmin、D D1 1、n n求出：求出：n n 1min1min和和n n 1max1max，在，在綜合特性曲線上以綜合特性曲線上以Q Q 1max1max、n n 1min1min和和n n 1max1max作直線，此作直線，此范圍即為水輪機的相似工范圍即為水輪機的相似工作范圍作范圍 HnDn111max23 219.81rNQD H2/31181.9rrHQND11m a

40、xm in125 3.382.97( /m in)24.72nDnrH11m inm ax125 3.368.9( /m in)35.87nDnrH5 5、H HS S的計算的計算 計算公式：計算公式： 水輪機方案確定后，根據(jù)水輪機運行條水輪機方案確定后，根據(jù)水輪機運行條件、水電站的開挖情況等進行技術(shù)經(jīng)濟比較后件、水電站的開挖情況等進行技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。確定。 rsHkH90010第三節(jié)第三節(jié) 水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線的繪制水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線的繪制v研究目的研究目的：進一步分析比較原型水輪機各方案之進一步分析比較原型水輪機各方案之間的能量特性，指導水輪機的安全運行。間的能量特性，指導水輪機的安全運

41、行。v綜合反映原型水輪機綜合反映原型水輪機H、N、Hs等參數(shù)之間的等參數(shù)之間的關(guān)系曲線關(guān)系曲線v組成：組成：N為橫座標，為橫座標，H為縱座標，繪有為縱座標，繪有=f(H,N) Hs=f(H,N), 出力限制線。反映能量特性、空蝕特出力限制線。反映能量特性、空蝕特性、運行限制范圍。性、運行限制范圍。v繪制方法：繪制方法：根據(jù)模型綜合特性曲線，通過相似定根據(jù)模型綜合特性曲線，通過相似定律換算而來。律換算而來。 水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線等效率線等效率線等吸出等吸出高度線高度線一、一、HL水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線v 等效率線等效率線=f(H,N)v 在在Hmax ,Hmin之間

42、，取之間，取46個特征個特征H，其中要，其中要包括包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，繪制每個水頭下，繪制每個水頭下的的=f(N)v 效率修正；效率修正；v 單位轉(zhuǎn)速和單位流量的修正；單位轉(zhuǎn)速和單位流量的修正；v 運轉(zhuǎn)特性曲線的計算；運轉(zhuǎn)特性曲線的計算；HmaxHrHHminH3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1H3/2=N=9.81D12H3/2Q1MQ1NMQ1NMQ1NMQ1N5%出力限制線等效率曲線計算表等效率曲線計算表111nHnDnM111nHnDnM111nHnDnM111nHnDnMv 為了保證繪

43、制運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的精確性，在H、N網(wǎng)格上至少繪出三個水頭，其中包括Hmax、Hmin和Hr(或Hav)。對每一個水頭，計算出對應的n1。v 在輪系綜合特性曲線上繪制n1的水平線，并查出其與等效率線交點的坐標(M, Q1)；v 計算出原型水輪機的效率；v 按照公式N=9.81Q1D12H3/2計算水輪機的出力；(5) (5) 輔助曲線的繪制：以效率輔助曲線的繪制：以效率為縱坐標，出力為縱坐標，出力N N為橫坐標，用表中的數(shù)據(jù)，對每個水頭繪制一條為橫坐標，用表中的數(shù)據(jù)，對每個水頭繪制一條工作特性曲線。見圖工作特性曲線。見圖1 1。圖圖1圖圖2(6) (6) 運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制運轉(zhuǎn)綜合特性曲線

44、的繪制 以水頭為縱坐標，出力為橫坐標，繪出坐標系。見圖2。 在圖2上繪出幾個特征水頭的水平線。 在圖1上選取幾個整數(shù)效率值，畫出水平線，與輔助曲線形成一些交點。 將上面結(jié)點的坐標繪在圖2上。 將相同效率數(shù)值的點用曲線相連。就繪成了水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的等效率曲線。v 出力限制線的繪制出力限制線的繪制 Hr是是N= Nr時的最小水頭，當時的最小水頭，當HHr時，水輪機時，水輪機限制在限制在N= Nr內(nèi)；內(nèi)；A（Nr ，Hr） 當當HHr時，水輪機則受到時，水輪機則受到5%出力限制線的限制，對出力限制線的限制，對限制線上各點分別計算，得限制線上各點分別計算，得出出B(Hmin, Nmin)，連接

45、，連接A和和B，即為，即為HHr時，水輪機出力受時，水輪機出力受發(fā)電機額定出力的限制，為垂直線。當發(fā)電機額定出力的限制，為垂直線。當H40m時，可用鋼板襯砌防滲。適用于低水頭大流量的水輪機。 2、金屬蝸殼：當H40m時采用金屬蝸殼。其斷面為圓形，適用于中高水頭的水輪機。（1 1）鋼板焊接：）鋼板焊接：H=40200mH=40200m，鋼板拼裝焊接。，鋼板拼裝焊接。（2）鑄鋼蝸殼：H200m時，鋼板太厚，不易焊接，與座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運輸困難。（鑄焊和鑄造） 金屬蝸殼金屬蝸殼 金屬蝸殼施工中金屬蝸殼施工中蝸殼管節(jié)吊裝中蝸殼管節(jié)吊裝中混凝土蝸殼 混凝土蝸殼錐管段施工混凝土蝸殼錐管段施工

46、金屬蝸殼與混凝土蝸殼金屬蝸殼與混凝土蝸殼比較比較 水頭水頭類型類型適用適用備注備注金屬蝸殼金屬蝸殼H40m按按制制造造方方法法焊接尺寸較大，中、低水頭混流式水輪機鑄造蝸殼剛度大，可作為水輪機的支承點，一般不全埋入混凝土；焊接蝸殼剛度小，常埋入混凝土鑄焊D13m高水頭混流式水輪機鑄造混凝土蝸殼混凝土蝸殼Hn，=2030，=1020 (b-n)/a=1.21.7 。特點：可以降低水輪機層的地面高程，縮短主軸長度,接力器布置方便。(iii) mn，=2030，=2035。(b-m)/a=1.21.7特點：提高水輪機層的地面高程，主軸長度加大, 對于蝸殼下面布置泄水底孔的溢流式廠房較適用。特點：水流分

47、布在導水機構(gòu)上下兩側(cè)，基本對稱，水流條件好，便于布置導水機特點：水流分布在導水機構(gòu)上下兩側(cè)，基本對稱，水流條件好，便于布置導水機構(gòu)接力器及其傳動機構(gòu)；構(gòu)接力器及其傳動機構(gòu)； (iv)m=n時，稱為對稱型式。2、 蝸殼包角蝸殼末端蝸殼末端( (鼻端鼻端) )到蝸殼進口斷面之間的中心角到蝸殼進口斷面之間的中心角0 0： (1) 金屬蝸殼：0=340350，常取345 0 0大，過流條件好，但平面尺寸增大，廠房尺寸大，過流條件好，但平面尺寸增大，廠房尺寸加大。金屬蝸殼的流量小，尺寸小，一般取較大包加大。金屬蝸殼的流量小，尺寸小，一般取較大包角；從構(gòu)造上講，最后角；從構(gòu)造上講，最后100100內(nèi)，斷面

48、為橢圓，但仍內(nèi)，斷面為橢圓，但仍按圓形計算。按圓形計算。(2)、混凝土蝸殼： Q Q大，為減小平面尺寸，大，為減小平面尺寸，0 0=180=180270270，一般取，一般取180180，有，有時時0 0=135=135，使水輪機布置在機組段中間。（一大部分水流直，使水輪機布置在機組段中間。（一大部分水流直接進入導葉，為非對稱入流，對轉(zhuǎn)輪不利）接進入導葉，為非對稱入流，對轉(zhuǎn)輪不利）3、蝸殼進口平均流速：進口斷面流量：進口斷面流量：0max360QQcQmax水輪機的最大引用流量。VcFchw；VcFchw；一般由HrVC曲線確定VC。（見P32圖2-8）VC=QC/FC三、蝸殼的水力計算 水力

49、計算的目的：確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪：確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪出蝸殼平面圖和斷面單線圖，為廠房設(shè)計提供依據(jù)。出蝸殼平面圖和斷面單線圖，為廠房設(shè)計提供依據(jù)。 按 Vu= VC= C o n s t 假 定 計 算 ( 也 可 按Vur=Const)已知： 等斷面型式下進行： cbarVDDbQH,00max1、金屬蝸殼水力計算(1) )蝸殼進口斷面：蝸殼進口斷面： ccccVQVQF00max360斷面半徑： CcVQF00maxmax360從軸心線到蝸殼外緣半徑： maxmax2arR(2) 中間斷面( )imax0360QQiiciuiiVQVQF0max360CiiVQ0max36

50、0iairR2由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：其步驟為：(a) (a) 確定確定0 0 和和V VC C ；(c) 由I確定Fi、i、Ri。 (b) 求Fc、max、Rmax；2 混凝土蝸殼的水力計算(半解析法)步驟：(3) 選擇頂角與底角點的變化規(guī)律(直線或拋物線)，以虛線表示并畫出1、2、3.等中間斷面。(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 ；cFF (1) 按 求進口斷面積；ccVQF3600max2 混凝土蝸殼的水力計算(半解析法)(4) (4) 測算出各斷面的面積，測算出各斷面的面積，繪出：繪出：F = f(R)F = f(R)關(guān)系曲關(guān)系曲線。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。步驟：步驟：ciuiiVQVQF0max360第五節(jié)、尾水管的型式及其主要尺寸的確定尾水管的作用：排水、回收能量。其型式、尺寸：排水、回收能量。其型式、尺寸影響廠房基礎(chǔ)開挖、下部塊體混凝土尺寸。影響廠房基礎(chǔ)開挖、下部塊體混凝土尺寸。（具體公式推導見書上）尾水管的型式尾水管