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目录一、水轮机选型计算的依据及其基本要求 (1)1水轮机选型时需由水电勘测设计院提供下列原始数据 (1)2水轮机选型计算应满足下述基本要求 (1)二、反击式水轮机基本参数的选择计算 (1)1根据最大水头及水头变化范围初步选定水轮机的型号 (1)2 按已选定的水轮机型号的主要综合特性曲线来计算转轮参数 (1)3效率修正 (4)4检查所选水轮机工作范围的合理性 (4)5飞逸转速计算 (5)6轴向推力计算 (5)三、水斗式水轮机基本参数的选择计算 (10)1水轮机流量 (10)2射流直径d0 (10)3确定D1/d0 (10)4水轮机转速n (10)5功率与效率 (11)6飞逸转速 (12)7水轮机的水平中心线至尾水位距离A………………………………………………1 28喷嘴数Z0的确定 (12)9 水斗数目Z1的确定 (12)10 水斗和喷嘴的尺寸与射流直径的关系 (13)11 引水管、导水肘管及其曲率半径 (13)12转轮室的尺寸 (14)A 水机流量 (17)B 射流直径 (17)C 水斗宽度的选择 (17)D D/B的选择 (17)E 水轮机转速的选择 (17)F 单位流量的计算 (17)G 水轮机效率 (18)H 飞逸转速 (18)I 转轮重量的计算 (18)四、调速器的选择 (20)1 反击式水轮机的调速功计算公式 (20)2 冲击式水轮机的调速功计算公式 (20)五、阀门型号、大小的选择 (21)1 球阀的选择 (21)2 蝴蝶阀的选择 (22)水轮机的选型计算一、水轮机选型计算的依据及其基本要求1水轮机选型时需由水电勘测设计院提供下列原始数据：1）装机容量、装机台数、单机额定出力Nr、最大出力Nmax和负荷性质；2）水电站的设计水头Hr，最大水头Hmax，最小水头Hmin，加权平均水头Hcp；3）水电站上下游水位与流量关系曲线，水头、流量过程线或保证率曲线，引水管损失等；4）水电站的泥沙资料（含沙量、泥沙类别、特性等），水质资料（水温、化学成分、PH值、硬度、含气量等）；5）水电站厂房形式，引水方式和引水管长度、直径；机组安装高程及允许吸出高度Hs＇；6）制造厂与水电站间的运输条件、水电站的安装条件（允许最大挖深值等）。
第九章水电站的水锤与调节保证计算第一节概述一、水电站的不稳定工况机组在稳定运行时，水轮机的出力与负荷相互平衡，这时机组转速不变，水电站有压引水系统(压力隧洞、压力管道、蜗壳及尾水管)中水流处于恒定流状态。
在实际运行过程中，电力系统的负荷有时会发生突然变化(如因事故突然丢弃负荷，或在较短的时间内启动机组或增加负荷)，破坏了水轮机与发电机负荷之间的平衡，机组转速就会发生变化。
此时水电站的自动调速器迅速调节导叶开度，改变水轮机的引用流量，使水轮机的出力与发电机负荷达到新的平衡，机组转速恢复到原来的额定转速。
由于负荷的变化而引起导水叶开度、水轮机流量、水电站水头、机组转速的变化，称为水电站的不稳定工况。
其主要表现为：(1) 引起机组转速的较大变化由于发电机负荷的变化是瞬时发生的，而导叶的启闭需要一定时间，水轮机出力不能及时地发生相应变化，因而破坏了水轮机出力和发电机负荷之间的平衡，导致了机组转速的变化。
丢弃负荷时，水轮机在导叶关闭过程中产生的剩余能量将转化为机组转动部分的动能，从而使机组转速升高。
反之增加负荷时机组转速降低。
(2) 在有压引水管道中发生“水锤”现象当水轮机流量发生变化时，管道中的流量和流速也要发生急剧变化，由于水流惯性的影响，流速的突然变化使压力水管、蜗壳及尾水管中的压力随之变化，即产生水锤。
导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则造成压力下降。
反之导叶开启时，在压力管道和蜗壳内引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。
(3) 在无压引水系统(渠道、压力前池)中产生水位波动现象。
无压引水系统中产生的水位波动计算在第八章已介绍。
二、调节保证计算的任务水锤压力和机组转速变化的计算，一般称为调节保证计算。
调节保证计算的任务及目的是：(1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。
最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据之一；最小内水压力作为压力管道线路布置、防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据。
第四章 水轮机调节一、水轮调节的任务系统符合发生变化时，对机组产生两方面的影响：1) 系统负荷变化→系统电压发生变化→发电机励磁装置动作→发电机的端电压恢复并保持在许可范围内。
2) 系统负荷变化→系统电流的频率f 发生变化，由于f 是磁极对数p 和转速n的函数→发电机调速器动作→发电机的转速恢复并保持在许可范围内。
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，最大偏差不超过±0.5Hz ，大电力系统不超过±0.2Hz 。
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)，以达到经济合理的运行。
二、水轮机调节原理水轮发电机组的运动方程式为：dtd JMM gt ϖ=-式中： M t ——水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)M g ——发电机的阻力矩 J ——机组惯性矩； ω——角速度；由此方程可见：当M t - M g >0时，机组转速上升；当M t - M g >0时，机组转速下降； 当M t - M g =0时，机组转速保持不变。
所以当负荷变化时，应调节M t ，使M t =M g ，n =n e 又：ϖηληγϖQH M QH M t t =⇒=所以，要使ω=C，一般不能改变H和效率η，而是通过改变Q而达到改变主动力矩M t的目的。
调节流量的途径：反击式：通过改变导叶开度a0，ZZ：同时改变叶片转角。
冲击式：通过改变喷嘴开度。
水轮机调节的定义：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。
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水轮机自动调节系统：调速柜+油压设备+接力器。
其中中小型水轮机调速器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行方便。
调速柜的作用：以转速偏差为依据，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。
冲击式水轮机的水力特性参数分析和改善冲击式水轮机是一种常见的水力发电设备，其运行原理是利用水流冲击水轮机叶片产生动能，进而驱动发电机发电。
该类型水轮机具有结构简单、效率高以及适用范围广等优点，因此得到了广泛应用。
然而，冲击式水轮机在实际运行中存在一些问题，如水流过程中的能量损失、引起水轮机振动和噪音的不平稳等。
本文将以冲击式水轮机的水力特性参数分析和改善为主题，探讨如何优化冲击式水轮机的性能。
首先，我们需要进行冲击式水轮机的水力特性参数分析。
水力特性参数包括效率、进口水头、出口水头、叶轮转速等。
效率是评估冲击式水轮机性能的重要指标，表示了水轮机在转换水流动能为机械能的能力。
进口水头和出口水头是水流通过水轮机前后的水头差，也是冲击式水轮机工作的基本条件。
叶轮转速是水轮机叶轮的转速，决定了水轮机的输出功率。
通过对这些水力特性参数的分析，我们可以全面了解冲击式水轮机的性能状况，找出存在的问题和优化的空间。
在对冲击式水轮机的水力特性参数进行分析后，我们可以着手改善其性能。
首先，对于能量损失的问题，我们可以通过优化水流的流线形状来减小水流在过程中的能量损失。
通过合理设计和布置叶片形状，减小叶轮与水流之间的摩擦力和阻力，提高能量转化效率。
其次，对于水轮机振动和噪音的不平稳问题，我们可以采用动平衡技术和减振措施。
通过在叶轮上进行动平衡，消除不平衡力和不平衡力矩，减小水轮机的振动。
同时，在水轮机的轴承、支撑结构等部位加装减振装置，降低振动和噪音的产生。
除了以上的改善措施，引入先进的控制系统和调速装置也可以提高冲击式水轮机的性能。
通过采用计算机远程监控和自动控制系统，可以实时监测和调节冲击式水轮机的工作状态，确保其稳定运行。
在调速装置上，可以采用变频调速技术，提高冲击式水轮机的调速性能。
通过精确控制水轮机的转速，可以适应不同的水负荷和负载要求，优化其运行效率。
另外，适当增加冲击式水轮机的装置和设备也可以改善其性能。
冲击式水轮机的设计和优化方法探究引言：水力发电是目前最主要的可再生能源之一。
而水轮机作为水力发电的核心装置，其设计和优化对于发电效率和能源利用至关重要。
本文将探究冲击式水轮机的设计和优化方法，以期提高水力发电的效率和可持续发展。
一、冲击式水轮机的原理冲击式水轮机利用水流高速旋转产生的动能转换成机械能，进而推动发电机产生电能。
其关键原理为水流的动能转换。
首先，水流通过引导管进入水轮机，由于引导管的形状以及流体动能的作用，水流进入水轮机后速度增加，静能转化为动能。
然后，高速的水流喷射到叶轮上，产生冲击力。
叶轮受到冲击力的作用，开始旋转。
最后，旋转的叶轮通过轴将机械能传递给发电机，将动能转化为电能。
冲击式水轮机的设计和优化方法，即是为了提高这一能量转换过程的效率。
二、冲击式水轮机的设计方法1. 水轮机类型选择在设计冲击式水轮机时，首先需要选择合适的水轮机类型。
常见的冲击式水轮机类型包括离心式、反射式和喷射式等。
根据实际需求和水资源条件，选择合适的水轮机类型，以确保能够实现高效的能量转换。
2. 叶轮形状设计叶轮是冲击式水轮机中最关键的部件之一。
叶轮的形状设计直接影响水流对叶轮的冲击效果和能量转换效率。
因此，需要进行流场仿真分析和试验研究，探索出最优的叶轮形状。
通过优化叶轮的蜗壳设计、叶片角度等，提高水流的动能转换效率。
3. 冲击力传递优化为了将水流的动能准确传递给叶轮，需要优化冲击力的传递过程。
通过设计合适的导流板和分隔板等，保证水流能够完全冲击到叶轮上，避免能量损失。
同时，也要确保冲击力的传递稳定可靠，以提高水轮机的可靠性和使用寿命。
三、冲击式水轮机的优化方法1. 流场优化在冲击式水轮机的设计中，流场的优化是提高能量转换效率的重要环节。
通过流场仿真和试验研究，分析和改善水流在水轮机中的流动状态。
通过调整导流板、改善进口水资源的流态分布，减小水流中的涡流和湍流，提高水轮机的效率。
2. 叶轮优化叶轮是冲击式水轮机中最核心的部件，其性能对水轮机的整体效果有着重要影响。
浅谈冲击式水轮机的单位流量叶志强(杭州发电设备厂 浙江杭州 311201)1 水轮机的单位参数水力机械内的流动现象是十分复杂的,即使在计算流体力学快速发展的今天,单凭严格的数学表达式依然是难以阐明的,要完善计算方法,还须借助于实验。
由于经费、测量等方面的原因,水轮机往往是采用缩小的模型来进行试验研究和测定模型性能;利用模型的试验数据,根据相似理论方法,换算出不同尺寸、不同工况下运行的原型水轮机的性能。
相似理论的运用,对由此设计出的原型水轮机的性能是至关重要的。
在工程上,只要求原型和模型满足S r(斯特劳哈尔数)和E u(欧拉数)相等的准则,即认为满足了相似的条件。
在水轮机设计时,经常用到的就是单位转速与单位流量。
单位转速:n11=n D1/H0 5(实际上n11是有量纲的,即略去重力加速度后的m0 5/s,而工程上习惯以r/min为单位)单位流量:Q11=Q/D12 H0 5(与n11一样, Q11也是有量纲的,工程上习惯以L3/s为单位)2 冲击式水轮机单位流量的意义不明在一些教科书及一些工程设计参考用书中,往往在介绍水轮机单位参数时,有类似这么一句表述:即单位流量是转轮直径D1=1m,在水头H =1m条件下工作的水轮机的的流量。
![1],表示了某一给定的转轮直径为1m的水轮机,在1m水头下工作时,通过该水轮机的流量。
![2]。
这样的表述,对反击式水轮机是完全适用的,而且所包含的意义也很明确。
但如果在作如上表述时,不强调一下相似水轮机!,对设计冲击式水轮机的初学者来说,是容易产生误解的。
实际上,这样的单位流量!对冲击式水轮机而言,其存在的实际意义也是值得怀疑的。
我们来看冲击式水轮机的流量:Q= d02 V0/4=K v d02/4 (2g H)0 5式中,d0为射流直径;V0为射流流速;K v为喷嘴流速系数,不计损失时理论上K v=1,即V0= (2g H)0 5很明显,冲击式水轮机的流量与转轮直径D1毫无关系,仅仅与水头H、射流直径d0有关。
冲击式水轮机的选择孙红伟2007-8-6 14:10:00[摘要]主要介绍冲击式水轮机及其辅助设备的选型方法及计算程序，并提出用最优直径比检查选型及效率修正方面的一些看法，内容的重点在中小型机组。
表5个。
[关键词]冲击式水轮机选型最优直径比1 引言众所周知，冲击式水轮机适用于高水头、小流量的水力条件，其应用的最高水头已接近1 800m。
与混流式水轮机相比，特别是在水头大于200m的场合，其优势不容忽视。
由于早期选择的冲击式机组出现的问题不少，目前关于冲击式机组的选型资料又相对较少，因此，冲击式机组的选型受到不少专业人员的关注。
冲击式水轮机主要分为水斗式和斜击式，斜击式的比转速n s=30～70m·kW，是介于混流式和水斗式之间的品种，目前中小型范围内已做到转轮直径D1=100cm、发电机容量N g=2500kW，虽斜击式效率相对偏低些，但设备价格优势不能忽视，所以仍得到广泛应用。
2 装置型式的选择2．1 转轮及喷嘴数目的选择按水头和出力查水轮机应用范围图，小机组一般均用单轮单喷嘴；小型卧式双喷嘴一般在D1=90～140cm，射流直径d0在7～14m中使用；斜击双喷嘴目前还没有使用。
2．2 布置方式的选择大中型机组立式、卧式均有使用，小型机组一般用卧式。
卧式布置拆卸方便，但每个转轮只能布置1～2个喷嘴，当喷嘴数目多时，必须增加转轮数；立式布置可在同一转轮上布置2～6个喷嘴，但当喷嘴数多如用3个以上时，转速不宜选得太高，以避免各射流间相互影响，而降低水轮机的效率。
3 改变比速法选择冲击式水轮机冲击式水轮机的选择方法，有固定比速法和改变比速法二种。
由于这些年来各制造厂开发的新品种越来越多，可选择的D1和d0也越来越多，选型者可不必受固定比速法关于D1／d0的限制，不同的D1可以搭配不同的d0，喷针机构已成系列可以装在不同的D1的机体上，因此这种选择方法已经代替固定比速法，越来越被广泛使用。
改变比速法选择的程序和方法如下所述。
3．1 转速n的确定式中：n s为比转速(m·kW)；H r为设计水头(m)；N r为出力(kW)。
比转速可在有关手册中方便查得。
框算时，对水斗式单喷嘴暂取25(多喷嘴n s=25√Z0，Z0为喷嘴数)；对斜击式取50。
计算出转速n后，向上取发电机同期转速。
3．2 确定转轮直径D1式中：u为转轮节圆周速(m／s)；φ为转轮周速系数，按比转速ns值从表1查取；g 为重力加速度9．8m／s2。
表1 ns～φ值表2)求出转轮直径D1，并取规格值D1=60u／π n(m)现在可供选择的规格值越来越多，并且还有增加的趋势，表2列出目前的规格值。
表2 D1规格值其中：卧式单喷嘴D1=45～140；卧式双喷嘴D1=90～140；立式双喷嘴D1=925～275；立式四喷嘴D1=140～275。
框算D1时，可用下式：3．3 确定射流直径d0并靠取规格值式中：K为转轮数；Z0为喷嘴数；Q为水轮机设计流量(m3／s)；Hr为设计水头(m) d0规格值列于表3供选择。
表3 d0规格值其中：卧式单喷嘴d0=4．5～14；卧式双喷嘴d0=7～16；立式双喷嘴d0=9～24；立式四喷嘴d0=9～24。
3．4 斜击式D1／d0的配套品种。
用改变比速法选配的斜击式品种由表4列出，供选择。
表4 斜击式D1／d0配套值对小型机组，D1还有37，46，53可供选择。
3．5 水轮机效率的估算及额定出力的验算1)大中型机组：原型水轮机的D1／d0与模型水轮机的相同或D1／d0=10～20时，可不作效率修正；如D1／d0与模型的差别较大时，可参照相应预期效率表估算原型水轮机效率值。
2)中小型机组：原型水轮机的D1／d0与模型的相同或D1／d0=8～10时，效率可不作修正；如D1／d0与模型的差别较大时，可参照预期效率表估算原型水轮机效率值。
效率的保证值=预期效率-1％，如1个转轮2个喷嘴，在100％的负荷下应增加0．5％。
3)若计算出来的d0值不向上靠取规格值，则效率可不作修正，否则需扣除1％。
4)斜击机组目前还没有公式计算，只能按预期效率确定，一般可按机型大小取△η=0．005～+0．015，具体数值参见各制造厂提供的保证值。
5)效率及出力验算①由于射流直径取了标准值，必须重新计算水轮机设计流量：式中：Z0为喷嘴数；H r为设计水头(m)。
②由Q计算单位流量Q1，并计算参数取标准值后的单位转速n1：式中：d n为喷嘴出口直径(m)；d nM为模型转轮出口直径(m)；D1M为模型转轮直径(m)。
为应用方便对常用的2种机型可简化为：③在综合特性曲线上查取模型效率并修正为原型机效率ηr。
④验算出力Nt=9．81HQηr，额定水头必须能发到额定出力。
4 最优直径比D1／d0的检查最优直径比m=D1／d0，是设计水斗式水轮机的重要参数。
水斗上的应力与工作水头成正比，与直径比m的平方成反比。
因此，当直径比m减小时，会引起斗叶上的应力急剧增大。
一般当水头H>1 000m时，要求直径比m≮15，m下限值≮8～9。
根据现有资料，为使水轮机具有较高效率，应使m=10～18，高水头取高值、低水头取低值。
对接触较多的中小型水斗式机组，直径比统计值m=7．78～15．7，中小型斜击式m=3．57～7．15；对大中型水斗式m=10～23，高效区为10～18，其统计方程为m=D1／d0=4+0．01H(H为工作水头)。
若选出来的D1／d0过小，会导致效率下降，强度计算难以通过；若选出来的D1／d0过大，将使比转速下降，能量指标降低，又会使转轮的风损等损失增大，也会使效率下降。
因此，若选出来的D1／d0过小或过大，必须采用改变转速、转轮数及喷嘴数等办法重新选择，使其处于合理的范围。
对小型水斗式水轮机，可选择较小的m值。
这样，水轮机的效率虽然会下降一些，但比转速增加了，使机组转速n也增加，使发电机尺寸相应减小，可降低电站造价。
经样本统计，对常用小型机组，水斗式m≥7．78，斜击式m≥3．57，当m小于上列数值应重新确定转速来选择D1。
5主阀的选择5．1 直径的确定主阀的内径一般与喷管内径一致，可由产品样本直接查取。
表5收集了一部分制造厂的统计资料供选择时参考。
1个品种在表中出现不同的配套阀门，应以各厂的配套表为准，因为使用的水头段不同。
表5 部分制造厂主阀内径统计资料注：斜击不带A、B者，H≤100m，带A，H=100～160m，带B，H≥160m；球阀直径规格φ300，400，500，600，650，800，1 000，1200，1 600。
表中Dn为球阀或闸阀的公称直径，即内径；XJ代表斜击式，CJ代表水斗式。
5．2 主阀型号的确定冲击式机组一般配用闸阀，对高水头大中型机组也有选用球阀。
主阀的压力等级关系到价格，因此不宜选得太高。
由于冲击式水轮机具有折向器机构，喷针关闭时间比混流式导叶关闭时间慢得多，升压相对较小，一般升压≤0．15(指相对升压≤15％)，因此对中小型机组可直接按设计水头选择，等于或略大于设计水头即可。
常用闸阀的压力规格有6kg/cm2、10kg／cm2、16kg／cm2、25kg／cm2、40kg／cm2、64kg／cm2等，选用时应向规格值靠，一般压力≥16kg／cm2。
阀体、阀盖、闸板的材料需用碳钢，尾部符号为C，不标C者为铸铁。
同样的直径、阀门的密封面材料也有不同，关系到造价，因此，应按压力等级选择密封面材料：通常6～10kg/cm2用铜(T)，显然选择铜密封面价格要低些。
闸阀有电动或手动之分：电动由φ300mm起，φ350mm及以上无电动闸阀。
闸阀还有明杆和暗杆的区别，5为暗杆、1为明杆。
一般暗杆用于6～10/cm2的压力，直径范围为φ300～1 600mm。
常用闸阀示例如下：Z941H－16C D n=800Z—闸阀；9—电动；4—法兰联结；1—明杆；H—合金钢密封面；16—压力等级；C—碳钢阀体；Dn—公称直径；Z41T-10 D n=250Z—闸阀；4—法兰联接；1—明杆；T—铜密封面；10—压力等级；Dn—公称直径。
6调速器的初步选择6．1调速功计算调速功分喷针调速功和折向器调速功二部分，若二者联动，总调速功为二者调速功之和；若折向器不联动，则按喷针调速功选择调速器容量。
喷针调速功A1=Z0(d0+d03Hmax/6000)(kg·m)式中：Z0为喷嘴数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最大水头(m)1个折向器调速功A2=0.11×10-3d0Hmax或A2=Z0(d0+d03Hmax/6000)(kg·m)式中：Z0为折向器数；d0为射流直径(cm)；Hmax为最大水头(m)。
总调速功A=A1+A2=2A16．2调速器容量的选择AP=(1．3～2)A1，系数1．3～2是考虑加工装配量及润滑等因素。
6．3 调速器类型的选择一般按下列原则选配调速器：水斗式：D1≤70cm，N g≤800kW，配手动或电动调速器；D1≥70cm，N g＞800kW～2 500kW，配手动或自动调速器；D1≥125cm，N g>2 500kW，配自动调速器。
斜击式：D1=40～80cm，N g≤2 500kW，配手动、电动调速器及自动调速器；大中型斜击机组(1 000kW以上)，多数配自动调速器。
冲击式机组选配调速器类型无规定，可综合电站实际情况选择。
此外，小型调速器常用非自动调节的操作器来取代，特点是能满足关闭时间的要求，关闭时间可在2～12s内整定。
若选择自动调速器，由于冲击机组需快速关闭折向器，缓慢关闭喷针机构，宜选择专用的冲击式CJ型自动调速器，它无接力器缸及转臂，调速器本体上设有喷嘴及折向器的进出油孔。
来源：小水电。
