高水头电站水轮机主要参数及材料选择

机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。

1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。

1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。

1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。

水力发电中水轮机的性能研究一、引言水力发电是一种利用水能的发电方式，其具有可靠性高、成本低、环保等优点，因此在全球范围内得到广泛应用。

而水轮机作为水力发电中最重要的关键设备，其性能的稳定和高效性直接影响到水力发电的效率和质量。

二、水轮机原理水轮机是利用水能转动轴，从而将机械能转化为电能的一种机械装置。

其原理是利用水的动能和重力势能，转化为机械能。

水从高处流下，撞向水轮叶片，水轮转动带动发电机工作，将机械能转化为电能。

水轮机包括斜流水轮、直流水轮、混流水轮等多种类型，各自的运转原理也有所不同。

三、水轮机的性能参数为了评估水轮机的性能，常常需要考虑以下几种参数：1. 发电机效率：发电机效率是指水能被转化成电能的比率。

其公式为：η=Pe/Pw其中，Pe代表实际输出电功率，Pw代表水轮机水力轴功率。

2. 水轮机效率：水轮机效率是指水能被转化成机械能的比率。

其公式为：ηm=Ws/(ρQH)其中，WS代表水轮机水轮叶轮的机械功率损失，ρ代表水密度，Q代表水流量，H代表水头。

3. 叶轮效率：叶轮效率是指水能被转化成叶轮机械能的比率。

其公式为：ηv=(Ws-Wf)/Wq其中，Ws代表水轮机水轮叶轮的机械功率损失，Wf代表水流流失机械能，Wq代表水的进口机械能。

四、水轮机的性能研究1. 水轮机设计中的材料选择水轮机的叶轮材料直接影响其机械性能和耐久性。

常用的材料有铝合金、不锈钢、碳钢等。

其中，铝合金是一种轻质高强度的材料，其耐腐蚀性和耐疲劳性也较好，因此被广泛应用于小型、高速水轮机的制造。

不锈钢具有优良的耐腐蚀性和抗疲劳性，在某些特殊环境下被广泛应用。

碳钢则因其成本低、制造方便而在工业制造中被广泛采用。

2. 叶轮结构设计优化为了提高水轮机的效率，优化叶轮的设计至关重要。

通过改变叶轮叶片的形状和角度等参数，可以改进叶轮的流动特性，使其更具有动力学效率。

例如，对于混流水轮，合理设计进口角和出口角是提高水轮机效率的关键因素。

世界最高水头水轮发电机组瑞士毕奥德隆Bieudron水电站毕奥德隆Bieudron水电站位于瑞士瓦莱州的阿尔卑斯山。

该电站引水自Grande Dixence大坝的水库，是Lac des Dix Cleuson Dixence复杂系统的一部分。

电站装机容量1269MW，由Grande Dixence SA 负责运营。

电站于1998年投产，创造了当今的两个世界纪录：世界上最大的冲击式水轮机，以及最高的水电站水头。

2000年的压力管道破裂事故，电厂被迫关闭，在2009年恢复生产。

瑞士毕奥德隆Bieudron水电站机组参数电站安装三台水斗式水轮机发电机组，每台机组额定容量为423MW；注意，机组验收测试过程报告显示，机组的最大输出功率为449MW，优于设计预期的效率和理想测试条件。

单机额定容量423MW，额定水头1869m，额定流量25m3/s，额定点效率超过92％（92.37％）。

水轮机由5喷嘴构成，喷嘴直径193mm，出口流速192m/s。

每个喷嘴动能约为92.16MW（Q = 5 m3/s，V = 192 m/s，H = 1869m）。

额定压力为203.2bars（2944 PSI）。

三台机组额定流量为75 m3/s，额定容量1269MW。

水轮机和相关的阀门由瑞士V A Tech设计制造。

2000年12月12日约20时10分，供水Bieudron电站的压力钢管在约1234m 平均海拔处（水头超过1000m）破裂。

事故原因有多种，包括压力管道破裂位置周围的岩石的强度似乎不够。

破裂约9m长，60cm宽。

通过破裂处的流量可能超过150 m3/s。

大量高压水的快速释放摧毁了约100公顷的牧场（1km2）、果园和森林，冲走Nendaz和Fey周围的几座小屋和谷仓，导致3人死亡。

Bieudron电站在事故发生后停运，但它在2009年12月恢复了部分运行，2010年1月全面恢复运作。

压力钢管事故导致电站几乎完全重新设计，大量调查随即进入，法律行动仍在进行中，目前尚没有明确信息公开管道破裂的根本原因。

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。

水轮机选择§4.1 水轮机的标准系列由于各开发河段的水力资源和开发利用的情况不同，水电站的工作水头和引用流量范围也不同，为了使水电站经济安全和高效率的运行，就必须有很多类型和型式的水轮机来适应各种水电站的要求。

水轮机由于它自身能量特性、汽蚀特性和强度条件的限制，每种水轮机适用的水头和流量范围比较窄，要作出很多系列和品种（尺寸）的水轮机，设计、制造任务繁重，生产费用和成本也大。

因此有必要使水轮机生产系列化、标准化和通用化，尽可能减少水轮机系列，控制系列品种，以便加速生产、降低成本。

在水电站设计中按自己的运行条件和要求选择合适的水轮机。

一、反击式水轮机的系列型谱表4—1、4—2、4—3、4—4中给出了轴流式、混流式水轮机转轮的参数。

1)、水轮机的使用型号规定一律采用统一的比转速代号。

2)、每一种型号水轮机规定了适用水头范围。

水头上限是根据该型水轮机的强度和汽蚀条件限制的，原则上不允许超过；下限主要是考虑到使水轮机的运行效率不至于过低。

二、水斗式水轮机转轮参数表4—5，系列型谱尚未形成三、水轮机转轮尺寸系列表（表4—6）四、水轮发电机标准同步转速（表4—7）五、水轮机系列应用范围图以H为横座标，N单为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。

1、根据Hr、Nr → 范围→D1，n 。

2、水轮机吸出高度的确定Hs：根据hs~H的关系曲线确定。

1由Hr → hs，Hs＝hs－▽／900§4.2水轮机的选择一、水轮机选择的意义、原则、内容1、意义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。

2、原则(1)、充分考虑电站特点（水文水能、电力系统技术条件，电站总体布置)。

(2)、有利于降低电站投资、运行费、缩短工期，提前发电(3)、提高水电站总效率，多发电(4)、便于管理、检修、维护，运行安全可靠，设备经久耐用(5)、优先考虑套用机组3、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)、确定水轮机转轮直径D1、n、Hs、Z a；Z0、d02(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。

水轮机一、水轮机的基本参数1）工作水头（H）:水轮机的工作水头就是指水轮机的进、出口单位能量差，也就是上游水位与下游水位之差，用H表示，其单位为m其大小表示水轮机利用水流单位能量的多少。

2）流量（Q）:在单位时间内流经水轮机的水量，称为流量，用Q表示，其单位为n®/s。

其大小表示水轮机利用水流能量的多少3）出力（P）:具有一定水头和流量的水流通过水轮机便做功，而在单位时间内所做的功率称为水轮机的出力，用P表示，其单位KW水轮机的出力为：P=9.81QH4）效率（刀）目前混流式水轮机的最高效率95%P=9.81QH T]5）比转速指工作水头H为1m发生白^功率P为1kw时水轮机所具有的转速，故称为比转速。

二、水轮机的类型与代号我们根据水流能量的转换的特征不同，把水轮机分为两大类，及反击型和冲击型水轮机。

反击型水轮机，具有一定位能的水流主要以压能的形态，由水轮机转变为机械能。

按其水流经过转轮的方向不同，反击型水轮机可分为以下几种类型：反击型：轴流（定桨、转桨）水轮机、混流式水轮机、贯流式水轮机、斜流式水轮机冲击型：水流不充满过流流道，而是在大气压力下工作，水流全部以动能形态由转轮变为机械能。

按射流冲击水斗的方式不同，可分为如下几种类型：冲击型：水斗式水轮机、斜击式水轮机、双击式水轮机我国水轮机式的代号，有三部分组成，第一部分由水轮机型式及转轮型号组成，并由汉语拼音表示。

水轮机型式的代号以本电站为例：水轮机型号：HL(247)-LJ-235,表示混流式水轮机，转轮型号为247,立轴，金属蜗壳，转轮直径为235cmo三、混流式水轮机1定义：水流从径向流入转轮，在转轮中改变方向后从轴向流出的水轮机。

其叶片固定，不能转动调节。

2混流式水轮机-结构特点混流式水轮机主要应用于20-450米的中水头电厂，其结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前世界各国广泛采用的水轮机型式之一。

当水流经过这种水轮机工作轮时，它以辐向进入、轴向流出所以也称为辐向轴流式水轮机。

高水头混流式水轮机的选择及应用作者：罗正高来源：《中国新技术新产品》2010年第12期摘要:小白河二级水电站最大水头333m,为目前国内在建电站高水头高转速混流式机组之一。

电站首次应用目前国内各项性能指标比好的转轮混流HL715-52到实际中,并对主要部件转轮、过流部件材料及加工工艺作了要求,对坑防汽蚀也采取了一定的措施。

关键词:高水头;水轮机选择;应用1 电站基本概况小白河二级水电站最大水头333m,设计水头315m,最小水头313m,属于高水头电站。

压力钢管道主管直径2.0m,支管管径1.2m,引用流量12.1m,具有日调节能力。

主机设备由昆明电机厂有限责任公司制造生产,辅助设备调速器由杭州三和电控设备有限公司提供,进水球阀由浙江郑洲泵阀制造有限公司提供自动化元件及监控系统由长沙华能电气控制有限公司提供。

电站采用“无人值班,少人值守”的控制方式。

2 水轮机机型的选择小白河二级电站的水头范围为313~333m,在此水头段范围可选择冲击式转轮和混流式转轮。

若采用冲击机组,可以选择立式四喷嘴和卧式双转轮双喷嘴。

混流式机型与冲击式机型相比,具有比转速高、效率高,且可以充分利用水头等优点。

参照《中小型轴流式、混流式水轮机系统型谱》(JB/T6310-92)及对目前国内厂家转轮生产情况的调查了解,不论是混流式转轮还是冲击式转轮,适合小白河二级电站的转轮都很少。

基本可以满足电站设计要求的混流式机型有HL1201和HL715,冲击式机型有CJA237和CJA475F,经初步计算,混流式机型以HL715较好,而冲击式机型以CJA475 F较好。

因此,列表进行计算方案比较。

HL715-52、CJA475F模型转轮的主要参数见表1,方案比较见表2。

2.1 运行效率的比较从上表可以看出:混流机在设计点的效率是93%,而冲击机的效率为90.3%,若按年年利用率4000小时计算,选择混流机每年可增加发电量约35600度。

机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。

1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。

1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。

1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。

水轮发电机组主要参数设计第一节水轮机型号的选择一、选择水轮机机型及电站装置方式1.水轮机机型的选择：由所给出的原始数据判断，水轮机的运行水头范围为：68-95m，故可供选择的水轮机形式有混流式、斜流式。

混流式水轮机具有结构紧凑、运行可靠、效率高，能适应很高的水头范围等特点，应用最广泛的水轮机机型，斜流式虽然效率高，但运行经验少且使用的厂家也少，同时由于本次设计的电站水头变化范围较宽，且负荷较为稳定，故决定采用混流式（HL）水轮机。

2.水轮机型号的选择：根据该电站的最大水头为95m，查《混流式水轮机转轮型谱参数表》，经过初步比较，同时考虑到单位转速高、单位流量大、转轮直径小、效率高、空蚀系数小等判断选择的九个型号见下表：表1-1-1 初选模型机转轮型谱参数表经过对各机型参数的初步比较，可以看出HL A285-46、HL A248-35及HLD74 -35在最优工况下的效率比较高，且单位流量n10、单位转速Q10以及限制工况点的单位流量Q11均比较高，可使原型机获得较高的转速和较大的通过流量，从而在相同出力的情况下缩小机组的尺寸，同时模型机的气蚀系数бm较小，有利于电站的稳定运行。

故选取上述三个水轮机进行计算，其具体参数如下表：表1-1-2 初选三个水轮机型号参数表3.机组台数的选择：由原始资料可知, 系统总装机容量150.7万kw ，本水电站的装机容量为58.7万kw ，根据规定电站的单机容量不允许超过系统总容量的10%，否则在电站机组发生故障时，会将整个系统拖垮甚至瓦解，故采用4台、5台机组的设计方案进行计算比较。

4.电站装置方式的确定水轮机的装置方式可分为卧轴和立轴两种。

卧轴布置方式布置简单，不需向下开挖但占地面积较大，一般用于小型电站或水头较低的贯流式水电站。

立轴布置方式具有占地面积小的特点，但需向下进行较大的土石开挖，增加土建投资成本。

为缩小厂房面积，高水头大型电站一般均采用立轴布置方式。

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包括功率、转速、效率、水头、流量、发电机额定电压和频率等。

1. 功率：水轮发电机组的功率通常用千瓦（kW）或兆瓦（MW）来表示，表示单位时间内转化水能为电能的能力。

功率的大小取决于水轮机的设计和水头以及流量等因素。

2. 转速：水轮发电机组的转速通常以每分钟转数（rpm）为单位，表示水轮机转动的速度。

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。