高水头小容量水轮发电机组的选型设计(一)

⽔轮机的选型设计⽔轮机的选型设计⽔轮机选型时⽔电站设计的⼀项重要任务。

⽔轮机的型式与参数的选择是否合理，对于⽔电站的功能经济指标及运⾏稳定性，可靠性都有重要影响。

⽔轮机选型过程中，⼀般是根据⽔电站的开发⽅式，功能参数，⽔⼯建筑物的布置等，并考虑国内外已⽣产的⽔轮机的参数及制造⼚的⽣产⽔平，拟选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。

⼀：⽔轮机选型的内容，要求和所需资料1：⽔轮机选择的内容（1）确定单机容量及机组台数。

（2）确定机型和装置型式。

（3）确定⽔轮机的功率，转轮直径，同步转速，吸出⾼度及安装⾼程，轴向⽔推⼒，飞逸转速等参数。

对于冲击式⽔轮机，还包括确定射流直径与喷嘴数等。

（4）绘制⽔轮机的运转综合特性曲线。

（5）估算⽔轮机的外形尺⼨，重量及价格。

wertyp9ed\结合⽔轮机在结构、材质、运⾏等⽅⾯的要求，向制造⼚提出制造任务书。

2.⽔轮机选择的基本要求⽔轮机选择必须要考虑⽔电站的特点，包括⽔能、⽔⽂地质、⼯程地质以及电⼒系统构成、枢纽布置等⽅⾯对⽔轮机的要求。

在⼏个可能的⽅案中详细地进⾏以下⼏⽅⾯⽐较，从中选择出技术经济综合指标最优的⽅案。

（1）保证在设计⽔头下⽔轮机能发⽣额定出⼒，在低于设计⽔头时机组的受阻容量尽可能⼩。

（2）根据⽔电站⽔头的变化，及电站的运⾏⽅式，选择适合的⽔轮机型式及参数，使电站运⾏中平均效率尽可能⾼。

（3）⽔轮机性能及结构要能够适应电站⽔质的要求，运⾏稳定、灵活、可靠，有良好的抗空化性能。

在多泥沙河流上的电站，⽔轮机的参数及过流部件的材质要保证⽔轮机具有良好的抗磨损，抗空蚀性能。

（4）机组的结构先进、合理，易损部件应能互换并易于更换，便于操作及安装维护。

（5）机组制造供货应落实，提出的技术要求要符合制造⼚的设计、试验与制造⽔平。

（6）机组的最⼤部件及最重要部件要考虑运输⽅式及运输可⾏性。

3.⽔轮机选型所需要的原始技术材料⽔轮机的型式与参数的选择是否合理、是否与⽔电站建成后的实际情况相吻合，在很⼤程度上取决于对原始资料的调查、汇集和校核。

水电站水轮机选型设计总体思路和基本方法水轮机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的选择是否合理，对于水电站的动能经济指标及运行稳定性、可靠性都有重要的影响。

水轮机选型过程中，一般是根据水电站的开发方式、动能参数、水工建筑物的布置等，并考虑国内外已经生产的水轮机的参数及制造厂的生产水平，拟选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。

一 已知参数1 电站规模：总装机容量：32.6MW 。

2 电站海拔：水轮机安装高程：▽=850m3 水轮机工作水头：max H =8.18m ，min H =8.3m ，r H =14.5m 。

二 机组台数的选择对于一个确定了总装机容量的水电站，机组台数的多少将直接影响到电厂的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性，还将影响到电厂建设的投资等。

因此，确定机组台数时，必须考虑以下有关因素，经过充分的技术经济论证。

1机组台数对工程建设费用的影响。

2机组台数对电站运行效率的影响。

3机组台数对电厂运行维护的影响。

4机组台数对设备制造、运输及安装的影响。

5机组台数对电力系统的影响。

6机组台数对电厂主接线的影响。

综合以上几种因素，兼顾电站运行的可靠性和设备运输安装的因素，本电站选定机组为：4×8.15MW 。

三 水轮机型号选择 1 水轮机比转速s n 的选择水轮机的比转速s n 包括了水轮机的转速、出力与水头三个基本工作参数，它综合地反映了水轮机的特征，正确的选择水轮机的比转速，可以保证所选择的水轮机在实际运行中有良好的能量指标与空化性能。

各类水轮机的比转速不仅与水轮机的型式与结构有关，也与设计、制造的水平以及通流部件的材质等因素有关。

目前，世界各国根据各自的实际水平，划定了各类水轮机的比转速的界限与范围，并根据已生产的水轮机转轮的参数，用数理统计法得出了关于水轮机比转速的统计曲线或经验公式。

当已知水电站的水头时，可以用这些曲线或公式选择水轮机的比转速。

院校：河北工程大学水电学院专业班级：水利水电建筑工程01班姓名：苏华学号： 093520101指导老师：简新平水电站水轮机的选型设计摘要本说明书共七个章节，主要介绍了大江水电站水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理以及调速设备和油压装置的选择。

主要内容包括水电站水轮机、排水装置、油压装置所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。

系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。

关键词：水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管、调速器、油压装置。

【abstract】Curriculum project of hydrostation is a important course and practical process in curriculum provision of water-power engineering major . There are more contents and specialized knowledge in the curriculum project , which make students not to adapt themselves quickly to complete the design . In this paper , characteristic of the curriculum project is analyzed , causes of inadaptation to the curriculum project in students are found , rational guarding method are proposed , and a example of applying the guarding method is given . The results show that using provided method to guard student design is a good method , when teaching mode and time chart are given , students are guarded from mode of thinking and methodology , and design step are discussed and given . After the curriculum project of hydrostation , the capability of students to solve practical engineering problems is improved , and the confidence to engage in design is strengthened .【Keyword】Curriculum project of hydrostation ; guarding method ; mode of thinking ; methodology; design step.水电站水轮机选型设计第一节基本资料 (4)1.1基本资料1.2设计内容第二节机组台数与单机容量的选择 (4)2.1 机组台数与机电设备制造的关系2.2 机组台数与水电站投资的关系2.3 机组台数与水电站运行效率的关系2.4 机组台数与水电站运行维护工作的关系2.5 单位容量的选择第三节水轮机型号、装置方式、转轮直径、转速、及吸出高度与安装高程的确定 (5)3.1 HL240型水轮机3.2 ZZ440型水轮机3.3 两种方案的比较分析第四节水轮机运转特性曲线的绘制 (13)4.1 基本资料4.2 等效率曲线的计算与绘制4.3 出力限制线的绘制4.4 等吸出高度线的绘制第五节蜗壳设计 (15)5.1 蜗壳型式选择5.2 主要参数确定5.3 蜗壳的水力计算及单线图，断面图的绘制第六节尾水管设计 (18)6.1 尾水管型式的选择6.2 尺寸确定及绘制平面剖面单线图第七节调速设备的选择 (19)8.1 调速器的计算8.2 接力器的选择8.3 调速器的选择8.4 油压装置的选择参考资料 (21)大江水电站水轮机选型设计第一节基本资料1.1基本资料大江水电站，最大净水头H max=35.87m，最小净水头H min=24.72m，设计水头H p=28.5m，电站总装机容量N装=68000KW，尾水处海拔高程▽=24.0m，要求吸出高Hs> -4m。

水轮机是水电站非常重要的设备,在水电站的运行过程中发挥着至关重要的作用,随着科学技术的不断发展,水轮机的制造水平也在逐渐提高,这就在一定程度上提高了水轮机的应用范围。

对于水轮机而言,其非常重要的参数就是最高使用水头,决定着其整体性能的高低。

目前,适用于高水头段的水轮机主要有混流式和冲击式两种不同的类型,而对于超高水头来说,只能采用冲击式水轮机。

因此,对于超高水头水电站而言,需要对冲击式水轮机的型号进行科学合理的优选,进而为水电站的正常运行提供可靠保障。

1工程概况本文中所涉及到的水电站是位于云南省怒江州泸水县境内的听命河水电站,该水电站属于引水式水电站,其所有的工作都是围绕发电这个目标开展的。

整个水电站主要包括:取水坝、引水隧洞、压力前池、压力管道、主副厂房以及开关站等部分。

该水电站的总装机容量为2×20MW,全年的小时利用总数达到4790h,进而能够为周围地区提供充足的电能供应。

2电站基本参数1)前池水位,最低水位为1941.35m,最高水位为1943.24m,正常水位为1942.81m。

2)厂房尾水位,设计的洪水水位为1016.53m,校核的洪水水位为1016.65m。

3)水电站的水头,最小水头为875.2m,最大水头为921.5m,额定水头为893.0m,加权平均水头为895.3m[1]。

4)发电引用流量为5.38m3/s。

3水轮机机型选择和转轮型号选择水斗式水轮机是目前效率最高的,而且具有非常广泛的应用,本文中的水电站将选用水斗式水轮机。

转轮是水轮机非常重要的组成部分,其选型的合理与否对于水轮机的正常工作具有非常重要的影响。

当前,水斗式水轮机的转轮型号主要有A237、A475、A870、105以及C601等。

其中, A237常用于300~600m范围内的水头,并且在其实际的应用过程中还会出现空蚀性能和效率缺陷问题,已经逐渐被A475取代[2]。

当前,国内主要将A475用于150~600m范围内的水头,而在600m以上的由于设计和技术限制,其强度尚不满足应用要求,使用较少。

水轮发电机组中水轮机的选型设计摘要: 在水利水电系统中的建设过程, 怎样合理选择适用的水轮机组的类型对水轮机的性能是否优越十分重要。

因此应本着具体情况具体分析的原则设计相应的实践方案, 以提高其运行的灵活性。

本文着重阐述实践中应如何对水轮机组进行设计。

关键词: 水轮机组；特征；选型设计Abstract: In the water conservancy and hydropower system in the construction process, how to choose suitable hydraulic turbine type on turbine performance is superior is very important. It should be based on concrete analysis of the principles of design and the corresponding practices, in order to improve the operation flexibility. This paper focuses on the practice should be how to design of hydraulic turbine.Key words: turbine selection design; feature;0引言水轮机组的选型设计是水电站水力机械设计的重要组成部分。

发电机由水轮机驱动，它的转子短粗，机组的起动、并网所需时间较短，运行调度灵活。

水轮机组选型设计不仅为以后的电气部分、水工部分设计打下基础，同时也会影响到电站的机电设备投资、厂房投资及发电效益等经济指标。

因此，水轮机组的选型设计必须做到科学、准确、合理、先进，满足技术性能和经济指标的要求。

1水轮机选型设计的任务及内容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。

第 1 页第1章 水轮发电机组选型设计1.1、机组台数及型号选择1.1.1、水轮机型式的选择已知参数保证出力：MW 35=b N ，利用小时数：h 2225 取设计水头3.23av r ==H H按我国水轮机的型谱推荐的设计水头与比转速的关系，混流式水轮机的比转速s n :轴流式水轮机的比转速s n :根据原始资料，适合此水头范围的水轮机类型有轴流式和混流式。

轴流式和混流式水轮机优点：（1）混流式结构紧凑，运行可靠，效率高，能适应很宽的水头范围，是目前应用最广泛的水轮机之一。

（2）轴流式水轮机s n 较高，具有较大的过流能力，轴流转桨式水轮机可在协联方式下运行，在水头、负荷变化时可实现高效率运行根据表本电站水头变化范围m H 6.25~8.22=查《水电站机电设计手册—水力机械》 选择适合的水轮机有244/260A HL 、503JK 和500ZZ 。

三个水轮机参数如下：转轮型号推荐使用水头 H(m) 模型转轮直径1Dcm 最优工况限制工况'10nr/mi n '10Q sm /3η%'10Q sm /3η %σ模型试验水头 H(m)单位飞逸转速'Rn 1(r/min) 水推力系数K HL260/A244 35~60 35 80 1.08 91.7 1.27586.5 0.15 3 158.7 0.34~0.41 JK503 26 35 135 903 90.8 1800 87 0.63 10 340 0.87 ZZ50018~30461280.9889.5 1.65 86.7 0.58533520.871.1.2、拟订机组台数并确定单机容量因为设计电站是无调节电站，所以工作容量等于保证出力MW 35=b N选用混流式机组的单机容量不得超过MW 8.7745.035= 选用轴流式机组的单机容量不得超过MW 10035.035= 确定机组台数4台和5台 方案列表如下：水轮机组选型及台数汇总表台数4 5 转轮型号HL260/A244 JK503 ZZ500 HL260/A244 JK503 ZZ500 单机容量（MW)50 50 50 40 40 40 1.2、水轮机方案比较1.2.1、方案Ⅱ、MW 504⨯ 244/260A HL1、计算转轮直径水轮机的额定出力为：取最优单位转速min 80110r/n =与出力限制线的交点的单位流量为设计工况点单位流量，则）（s /m 29.1Q 3110=,对应的模型效率875.0m =η，暂取效率修正值%2=∆η，则设计工况原型水轮机效率895.002.0875.0m =+=∆+=ηηη。

第一部分 设计原始资料一、电站地理位置：位于华北地区。

电站所在地海拔高程约850m 。

二、枢纽任务：发电为主。

三、 主要参数1、 总装机容量30万千瓦 保证出力9.99万千瓦2、水轮机工作水头最大水头 m a x 81H m = 平均水头 69.5av H m =设计水头 73r H m = 最小水头 m i n 58H m =第二部分 任务与要求一、水轮机部分1、水轮机型号选择。

2、应用主要综合特性曲线初步拟订待选方案。

3、通过初步分析比较淘汰明显不合理的方案，保留两个较好方案精选。

4、精选过程进行两个方案的动能经济比较。

绘制运行特性曲线，进行机电设备投资的投资估算及土建工程比较。

5、确定最佳方案。

并对其进行如下计算。

（1） 水轮机飞逸转速；（2）轴向力；（3）导叶高程，导叶最大及最优开度；（4） 蜗壳水力计算及单线图；（5） 尾水管型式选择及单线图和主要剖面图的绘制；（6） 对水轮机结构的特殊要求。

二、绘制水轮机的运转综合特性曲线。

三、进行蜗壳，尾水管的水力计算。

四、油系统（1） 确定油系统的服务对象，油系统类型。

绘制油系统图。

绝缘油和透平油分别绘制。

（2） 计算最大充油设备、充油量及全厂总充油量。

（3） 计算选择贮油设备，净油设备，输油设备及管道直径。

（4） 列设备明细表。

五、技术供水系统（1）设计该水电站技术供水系统六、计算书和说明书1、分别编写设计计算书和设计说明书各一份。

2、计算书要求计算准确，层次清晰，公式和系数选择要求正确合理并表明依据。

3、说明书要论证充分正确，结论清楚。

书写字迹工整。

4、图纸要符合标准，要求选择一张用计算机绘制。

5、说明书附英文标题与摘要。

摘要本设计着重阐述了水轮机型号的选择，水力机组辅助设备中油系统、技术供水系统的设计过程。

第一部分是通过已知所给水电站的数据，拟定水轮机的初选方案，经过比较，确定两个精选方案，绘制它们的运转综合特性曲线图，并进行机电设备的投资估算及土建工程比较，最后确定最佳方案。

试论小型水电站水轮机选型的设计要点摘要：本文一方面介绍了小型水轮机设计选型的方式和方法，另一方面探讨了交界水头段的水轮机的型式选择。

对小型水电站水轮机实际选型设计工作有一定指导意义。

关键词：小型水电站；水轮机；选型设计1 小型水轮机设计选型的方式和方法在对水轮机进行选型时，其核心思想在于能否合理准确的确定出水轮机的一些关键参数。

尽管小型水轮机能够产生的能量有限，但是却影响着由其组成的小型水电站的运行效益，然而水轮机的运行效益在很大程度上受一些参数左右[2]。

水轮机参数的确定方法主要有两种，其一是参照现有水轮机模型相关数据资料或通过对比水轮机型谱来确定应选水轮机，其二是借鉴应用实践经验，并依据比转速，结合统计比较法来选择出应选的水轮机参数。

以上两种水轮机选型方法，其全面性均有所欠缺。

例如参照现有水轮机模型相关数据资料或通过对比水轮机型谱来确定水轮机，经常会因资料不全，无法甄选出参数更佳的机型；而借鉴经验，结合统计比较法来选择参数的水轮机，往往针对性不强，极易造成小型水轮机生产厂家的制造能力无法匹配应用要求[3]。

这种现象产生的根本原因在于市场和生产厂家制造技术能力在很大程度上影响着小型水轮机选型工作。

首先，小型水电站成本投入不大，建设周期相对较短，厂家能够获取的利润空间较小，因此，一般不会针对特定水电站重新设计水轮机；其次，部分大型水轮机生产厂虽然掌握先进机型的制造技术，但却不屑于生产小型机组，而部分专业从事小型水轮机生产的厂家，其制造能力和所掌握的的生产技术也有限。

此外，部分中小水轮机设计院，其所掌握的转轮模型和设计技术较为落后，而小型水电站设计周期短，投入小，致使设备选型时出现厂家代替选型的现象。

针对上述情况，笔者通过查阅相关文献资料，并结合自身多年水轮机选型经验，总结了一些小型水轮机选型的设计要点，其具体如首先下：首先，在对小型水轮机进行选型设计工作时，一般选取技术相对成熟并已经投放过市场的机型，因此，选型设计人员应重点留意不同地质环境下各水头段内已经投放运行的水电站所用的水轮机组，收集这些机组的资料，并有针对性的关注融入新兴技术的机型资料。

前言我公司除已生产原部颁（JB/T6310-92）中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱规定的ZD760、ZZ600、ZZ560a、ZZ560、ZZ500、ZZ450/D32B 和HL240/123、HL260/A244、HL260/D74、HL240/D41、HL220/A153、HL180/A194、HL180/D06A、HL160/D46、HL110/129、HL120/A41、HL90/D54产品外，还能提供近年来国内外大公司、科研院所研制并已经在电站实际运行的一批优秀转轮产品。

这些转轮的特点是：适用水头范围宽、效率高（较传统转轮效率提高2-5%）、过流量大、抗汽蚀性能好、运行稳定、使用寿命长。

公司在材料选用、加工工艺上做了进一步改善，采取了许多强化措施，并购置了一批精度高的大型机械加工设备，为用户提供性能先进、质量可靠的新型产品，现汇总如下：新型转轮基本情况：水轮发电机组及辅助设备说明一、中小型水轮机水轮机是一种将水能转换为旋转机械能的机器。

按其水流作用原理和结构特征可以分为为两类：一类为仅利用水流动能的，称为冲击式水轮机；另一类为同时利用水流动能和势能的，称为反击式水轮机。

属于这两大类的各种型式水轮机有：混流式轴流定桨式轴流式反击式轴流转桨式斜流式全贯流式水轮机贯流式灯泡式半贯流式轴伸式水斗式竖井式冲击式斜击式双击式除了上述各种机型外，随着蓄能、潮汐电站的开发，出现了可逆式水轮机。

常见的可逆式水轮机有混流式、斜流式、轴流式等。

水轮机的型号由三部分代号组成，各部分之间用短横线分开。

第一部分代表水轮机的型式及转轮型号。

水轮机型式用汉语拼音字母表示，转轮型号用阿拉伯数字表示，采用统一按比转速规定的代号。

第二部分表示水轮机主轴的布置形式及引水室特征。

第三部分表示转轮的标称直径（以cm计）。

可逆式水轮机在代号后加“N”表示。

1)型号的第一部分，由水轮机型式及转轮代号组成。

水轮机型号用两个汉语拼音字母表示，其型号及代号规定办法如下：2)型号的第二部分由水轮机主轴的布置形式和结构特征的代号组成。

水轮机选型设计1． 初步选定机组台数1.1 初步选定机组台数根据水电站主要参数（特征水头、装机容量、及电站地位）可知，该电厂在系统中担任调峰、调频任务，起到骨干电厂作用，因为一般情况下，事故备用容量不应小于电站中最大的一台单机容量，事故备用容量为：600万KW×10％＝60万KW 。

此电站装机容量为90万KW ，所以初步确定机组台数应为６台或者12台。

1.2 选定水轮机型号根据电站的水头变化范围（57.0～81.5），因为混流式适用于中高水头比轴流式适用水头高，根据查文献[3] 表1-1，可知应选混流式水轮机。

查文献[3]表：大中型反击式水轮机型谱表，可知选HL220较为合适。

2．两种方案技术经济比较2.1 第一种方案6台机组 2.1.1 计算转轮直径Ｄ1单机容量为：90万KW/6=15万KW查型谱表可知：限制工况下的最优单位流量110Q =1.15（s m 3）；110n =70（min r ） 查文献[3] 附图9 HL220专轮综合特性曲线可知机组效率 M 0η=90%；D M 1=0.46。

近似设ηT=90%，发电机效率为g η=98%，则水轮机额定出力r P =y P /Z*g η=900000/6*0.98=153061.2KWD 1=231181.9/rT r H Q P η =2/35.63*15.81*9.0*81.9/2.153061=5.485m选择标称直径D1=5.52.1.2 计算原型水轮机效率T ηm a x T η=1-(1-maxMη)511/D D M =1-(1-0.9)55.5/46.0=0.938效率修正值038.0max max =-=∆M T ηηη2.1.3 选择水轮发电机同步转速n 单位转速修正值110110110max max 1102.0)19.0/938.0()1/(n n n n M T =-=-=∆ηη＜11003.0n故单位转速不需要修正 又根据单位转速公式得 min /5.1065.5/1.70*70/1110r D H n n a ===根据标准同步转速（《水轮机》表7-1）选n=100min r3.1.4 检验水轮机实际工作范围在不同水头下单位转速变化范围是：H max 时 m i n /9.605.81/5.5*100/*max 111r H D n n ===Hr 时 m i n /695.63/5.5*100/*111r H D n n r === H a 时 m i n /7.651.70/5.5*100/*111r H D n n a ===H min 时 m i n /8.7257/5.5*100/*min 111r H D n n ===对照模型综合特性曲线，平均水头下的单位转速通过最高效率区，最大、最小水头对应的单位转速也通过较高效率区。

超高水头水电站冲击式水轮机的选型原理及设计首先，选型原理上，超高水头水电站常采用冲击式水轮机，其工作原理是通过水流的冲击力来驱动水轮机转动，将水能转化为机械能。

冲击式水轮机可分为两种类型：离心式和衝壓式。

离心式水轮机通常适用于较高的水头，其特点是水流进入转子后形成涡流，推动转子转动。

而衝壓式水轮机则适用于更高的水头，其特点是水流冲击转子，将转子推动起来。

其次，设计方面，超高水头水电站冲击式水轮机的设计需要考虑以下几个关键点：1.转速选择：由于水头高，通过冲击力驱动水轮机工作时，转速较高。

根据特性曲线，选择转速时需要考虑到转速与效率之间的关系。

2.转子结构设计：转子是水轮机的核心部件，需要采用合适的材料和结构设计来满足高速水流的冲击。

特别是转子叶片的设计需要考虑到叶片的强度、耐磨性和水力性能。

3.损失和效率优化：由于水头高，水轮机转动时会有较大的能量损失，因此需要通过优化设计减小损失，提高水轮机的效率。

这可以通过优化叶片形状、减小水流分离等方式来实现。

4.涡轮内部流场分析和优化：超高水头水轮机的涡轮内部流场复杂，需要通过流场分析和优化来改善流线和流速分布，减小损失和提高效率。

5.动态特性分析：超高水头水轮机工作时会受到较大的冲击力和水压力的影响，需要进行动态特性分析，保证水轮机在各种工况下的稳定工作。

总之，超高水头水电站冲击式水轮机的选型原理和设计需要全面考虑水头高度、水轮机工作原理、机械强度和水力性能，通过合理的选型和设计来满足超高水头水电站的要求，提高水能的利用效率。

这需要工程师对水轮机的结构、流场和动态特性有深入的了解，并采用现代设计方法和工具进行分析和优化。