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D
1
／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：Z
0为喷嘴数；H
r
为设计水头(m)。
②由Q计算单位流量Q
1，并计算参数取标准值后的单位转速n
1
：
式中：d
n 为喷嘴出口直径(m)；d
nM
为模型转轮出口直径(m)；D
1
M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=D
／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
1
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=D
／d0=4+0．01H(H为工作水头)。
1
若选出来的D
／d0过小，会导致效率下降，强度计算难以通过；若选出来的D1／
1
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D
／d0过小或过大，必须采用改变转速、转轮数及喷嘴数
1
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D
1
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=800
Z—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=250
Z—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=2A1
6．2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
冲击式水轮机毕业设计任务书、基本资料和指示书 河海大学水电学院动力系 二○○六年三月
冲击式水轮机毕业设计 任务书 一、设计内容 根据给定的原始资料，对指定的电站、指定的原始参数进行该电站的机电初步设计，包括：电站装机机型的比较设计和参数选择，调节保证计算及调速设备选择，该电站的辅助系统设计和电气一次系统初步设计。 二、时间安排 1、电站装机机型比较设计4周 2、调节保证系统1周 3、辅助系统2周 4、专题 1.0周 5、电气部分2周 6、成果整理1周 7、评阅答辩1周 8、机动0.5周 总计12.5周 三、成果要求 1、设计说明书：说明设计思想，方案比较，参考资料及最终结果。 2、设计计算书：设计计算过程，计算公式，参数选取的依据，计算结果。 3、图纸：主机部分厂房纵剖图，配水环管装配图，水系统图，气系统图和油系统图，电气主接线图及专题部分图纸，规格为1号图，其中主机部分厂房纵剖图及配水环管图要求既要画出手工图纸又要CAD图，其他全部CAD图。 冲击式水轮机毕业设计 资本资料 一、田湾河电站 田湾河位于四川甘孜州康定县、雅安市石棉县境内，为大渡河中游的一级支流，发源于贡嘎山西侧，主源莫溪沟由北向南流，在魏石达先后有贡嘎沟和腾增沟分别自左、右岸汇入后始称田湾河。下行至界碑石进入石棉县境内并有环河自右岸汇入，经草科、田湾在两河口注入大渡河。 整个田湾河开发方案规划为干、支流“两库四级”开发。整个梯级从上至下依次由巴王海、仁宗海、金窝和大发四级水电站组成。业主提出整体开发田湾河的思想，计划在2007年内完成仁宗海、金窝、大发三个梯级水电站的建设。 仁宗海水库水电站位于康定县和石棉县交界处，工程为混合式开发。电站龙头水库坝址位于仁宗海口上游约400m处，水库正常蓄水位2930m，总库容1.09亿m3，调节库容0.91亿m3，水库具有年调节性能；引水隧洞长约7.5km；地下厂房厂址位于界碑石下游约650m，距田湾河河口约30km。仁宗海水库电站工程已于2003年开工，第一台机组计划投产日期2007
冲击式机组水轮机安装概述与流程 冲击式水轮机适用水头100-1000米，是水从压力水管经喷嘴，形成一股射流冲击水轮机转轮旋转作功。水斗式水轮机具有结构紧凑、运行稳定、操作方便等特点。是适合于高水头、小流量的水电站。在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置和做功次数的不同，可分为切击式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机：1．切击式水轮机，其工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机；其转轮叶片均由一系列呈双碗状的水斗组成，故又称水斗式水轮机。切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300m-2000m，目前最高应用水头已达1771.3m（澳大利亚的列塞克—克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力P=22.8MW），挪威塞马(Sima)水电站新近安装的水轮机刚刚试验完成,已记录出力为31万瓦——奥斯陆的制造商克维诺伯拉杰称之为世界记录。在水头为1126米时机组的额定出力为25.7万瓦,在试验期间,当水头为1136米时,该水轮机获得更高的出力。2．斜击式水轮机，其主要工作部件和切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平面呈某一个角度α，射流斜着射向转轮。斜击式水轮机适用于水头在35～350m、轴功率为10～500kw、比转速s =18～45的中小型水电站。3. 双击式水轮机，水流先从转轮外周进入部分叶片流道，付出大约70%～80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又二次进入转轮另一部分叶道又付出余下的大约20%～30%的动能。这种水轮机效率低，一般只适用于H<60m，N<150kW的小型水电站。综上所述，冲击式水轮机适用于高水头小流量的水力条件。它是19世纪后期，随着水工技术的不断发展，人们已能建造高的水Word 资料
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d 0.......................................................................................10 3 确定D1/d 0.......................................................................................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 ......................................................12 8 喷嘴数Z 0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) 目 录
冲击式水轮机 说 明 书
一、概述 1、冲击型水轮机适合于高水头电站，它的喷咀与转轮分水刃在同一平面上，射流方向为转轮园周的切线方向，来自压力管的水经喷咀转换为高速射流，切向冲击转轮的水斗，推动转轮旋转作功。再通过发电机转化为电能。 该型水轮机的转轮高出尾水面，不存在因汽蚀要求开挖的问题，不用尾水管、蜗壳和复杂的导水机构。因此，具有结构简单、维护管理方便、运行可靠等优点。 2、本机采用弹性联轴器和发电机直联或与发电机同轴，旋转方向从发电机向水轮机看为顺时针方向。 3、本机采用水力性能较好的62°/45°长喷咀和90°喷水弯管及引水弯管。 二、水轮机主要零部件结构和作用 该型水轮机由主机、喷咀机构、引水部分、折向机构等主要部分组成。 1、主机部分包括有：转动部件，轴承部件和机壳部件。 转动部件有转轮、主轴、飞轮、弹性联轴器、甩水环等主要另件。 转轮是水轮机的心脏，转轮的特性对水轮机的性能起着决定性的作用。转轮采用整铸结构。水斗中间有一道分水刃，它使射向水斗的水流均匀地向两边分开，以减少水流碰撞损失，在水斗顶端有一个缺口，以免上一个水斗的射流冲击下一个水斗。 飞轮和弹性联轴器连成一体。装设飞轮的目的在于增加机组的转动惯量和稳定性。甩水环可以止住水流沿着轴向溢出。 轴承采用滑动轴承。在两轴承中间支承着转轮，轴承主要用来承受机组转动部分的重量和径向力。滑动轴承的轴瓦是上下两瓦，装在轴承座里，用46#透平油以主轴旋转带动油环旋转带油润滑。轴承底座的油池内必须随时保持一定的润滑油。必要时，立即补充或更换。 机壳部件有机座与机盖。机座通过轴承来支承机组转动部分的重量。机座前面装有咀嘴机构，在靠近折向器的地方，机座上开有圆孔，供观察水流和折向器工作情况。 2、喷咀机构装在机座前面，包括有喷咀部件和手、电动调器执行部分。 喷咀部件有喷咀、喷针、喷水弯管、导流支架、平衡活塞、封水压环、喷针杆等
冲击式水轮发电机组技术参数水轮机 设计水头下 型号设计水头(m) 流量(m3/s)出力(KW)转速(r/min)发电机型号调速器型号 或机座号进水阀 CJ22-W-55/1×4.5 CJ22-W-55/1×5.5 CJ22-W-55/1×6 CJ22-W-55/1×7 CJ22-W-65/1×7.51600.0856109.9920SFW100-6/560手动调速Dg250 1900.0933*******SFW125-6/560手动调速Dg250 2200.1004177.71079SFW160-6/560手动调速Dg250 2600.1091222.91173SFW200-6/650手动调速Dg250 1000.10182.8 727SFW75-8/493手动调速Dg250 1200.1107108.6797SFW100-8/560手动调速Dg250 1400.1196134.4860SFW125-8/560手动调速Dg250 1500.1238147.8891SFW125-6/560手动调速Dg250 1700.1317183948SFW160-6/560手动调速Dg250 1900.1393217.61002SFW200-6/650手动调速Dg250 2200.1499268.81079SFW250-6/740手动调速Dg250 2700.166355.31195SFW320-6/740手动调速Dg250 800.10969.4 615SFW55-10/560手动调速Dg250 900.11681.7 655SFW75-10/560手动调速Dg250 1100.128111.8720SFW100-8/560手动调速Dg250 1300.139142.4785SFW125-8/650手动调速Dg250 1500.149174835SFW160-8/650手动调速Dg250 1700.159212890SFW200-6/650手动调速Dg250 2000.172274.8970SFW250-6/740手动调速Dg250 2400.1883551070SFW320-6/740手动调速Dg250 1000.1637131.5727SFW125-8/560手动调速Dg250 1200.1793172.2797SFW160-8/650手动调速Dg250 1500.2004234.1891SFW200-8/740手动调速Dg250 1600.207262.3920SFW250-6/740手动调速Dg250 1900.2256344.41002SFW320-6/740手动调速Dg250 2200.2427425.31079SFW400-6/850手动调速Dg250 600.14869.7 450SFW55-8/493手动调速Dg300 700.15989.8 486SFW75-8/493手动调速Dg300 800.17 108520SFW100-12/740手动调速Dg300 1000.19 152580SFW125-10/650手动调速Dg300 1100.199174610SFW160-10/740手动调速Dg300 1300.216220662SFW200-10/850手动调速Dg300 1500.233278.5713SFW250-8/740手动调速Dg300 1700.248355758SFW320-8/850手动调速Dg300 2100.275448840SFW400-8/850手动调速Dg300 2400.294557900SFW500-6/850手动调速Dg300 CJ22-W-65/1×8.8105-1700.24-0.312200-400600-750850-990手动调速 1400.1937218.7676SFW200-8/740手动调速Dg300 1600.2071273.7723SFW250-8/740手动调速Dg300 1900.2257353.4788SFW250-8/740手动调速Dg300 CJ22-W-70/1×72200.2428432.3848SFW400-8/850手动调速Dg300 2600.264560.2921SFW500-6/850手动调速Dg300 2900.2788688.6973SFW630-6/990手动调速Dg300
第二节冲击式水轮机和反击式水轮机工作原理的异同点冲击式水轮机的工作原理与反击式水轮机相同点是，均是利用水流与转轮叶片的作用力和反作用力原理将水流能量传给转轮，使转轮旋转释放出机械能。冲击式水轮机与反击式水轮机工作原理显著的不同点是： 1. 在冲击式水轮机中，喷管（相当于反击式水轮机的导水机构）的作用是：引导水流，调节流量，并将液体机械能转变为射流动能。而反击式水轮机的导水机构，除引导水流，调节流量外，在转轮前形成一定的旋转水流，以满足不同比转速水轮机对转轮前环量的要求。 2. 在冲击式水轮机中，水流自喷嘴出口直至离开转轮的整个过程，始终在空气中进行。则位于各部分的水流压力保持不变（均等于大气压力）。它不像反击式水轮机那样，在导水机构、工作轮以及转轮后的流道中，水流压力是变化的。故冲击式水轮机又称为无压水轮机，而反击式水轮机，称之为有压水轮机。 3. 在反击式水轮机中，由于各处水流压力不等，并且不等于大气压力。故在导水机构、转轮及转轮后的区域内，均需有密闭的流道。而在冲击式水轮机中，就不需要设置密闭的流道。 4. 反击式水轮机必须设置尾水管，以恢复压力，减小转轮出口动能损失和进一步利用转轮至下游水面之间的水流能量。而冲击式水轮机，水流离开转轮时已流速很小，又通常处在大气压力下,因此它不需要尾水管。从另一方面讲，由于没有尾水管，使冲击式水轮机比反击式水轮机少利用了转轮至下游水面之间的这部分水流能量。 5. 反击式水轮机的工作转轮淹没在水中工作，而冲击式水轮机的工作轮是暴露在大气中工作，仅部分水斗与射流接触，进行能量交换。并且，为保证水轮机稳定运行和具有较高效率，工作轮水斗必须距下游水面有足够的距离（即足够的排水高度和通气高度）。 6. 在冲击式水轮机中，因工作轮内的水压力不变，故有可能将工作轮流道适当加宽，使水流紧贴转轮叶片正面，并由空气层把水流与叶片的背面隔开。这样，可使水流不沿工作轮的整个圆周进入其内，而仅在一个或几个局部的地方，通过一个或几个喷嘴进入工作轮。由于工作叶片流道仅对着某个喷嘴时被水充满，而当它转到下一个喷嘴之前，该叶片流道中的水已倾尽，故水流沿叶片流动不会发生紊乱。 7. 冲击式水轮机的工作轮仅部分过水，部分水斗工作，故水轮机过流量较小，因而在一定水头和工作轮直径条件下，冲击式水轮机的出力比较小。另外，充实水轮机的转速相对比较低（这是由于转轮进口绝对速度大，圆周速度小）、出力小，导致了较低的比转速，故冲击式水轮机适用于高水头小流量的场合。
水轮机调速系统 1、水轮机自动调节系统主要由那几个基本部分组成？各主要元件的作 用是什么？ 答: 水水能电能 转速给定 自动调速器由测量元件、放大元件、执行元件和反馈（或稳定）元件构成。测量元件负责测量机组输出电能的频率，并与频率给定值比较，当测得的频率偏离给定值知，发出调节信号 放大元件负责把调节信号放大，然后通过执行元件去改变导水机构的开度，使频率恢复到给定值 反馈元件的作用是使调节系统的工作稳定 2、水轮机调速器的主要作用是什么？ 答：（1）根据发电机负荷的增、减，调节进入水轮机的流量，使水轮机的出力与外界的负荷相适应，让转速保持在额定值，从而保持频率（f=50Hz）
不变或在允许范围内变动 （2）自动或手动启动、停止机组和事故停机 （3）当机组并列运行时，自动地分配各机组之间的负荷 3、水轮机调速器分哪几种类型？调速器型号的含义是什么？ 答：按照测速元件的不同型式，可分为机械液压型调速器（简称机调）、电气液压型（简称电液）调速器和微机调速器 按调整流量的操作方式不同分为单调和双调两类。如混流式和轴流定桨式水轮机，只采用改变导叶开度的方法来调节流量的叫单调；而轴流转桨式水轮机采用改变导叶开度同时改变转轮叶片角度的方法来调节流量，此种方法叫双调；冲击式水轮机在改变喷针行程的同时，还采用协联动作改变折向器的方法调节流量，也叫双调 4、电液调速器由那几部分组成？其主要元件叫什么？ 答：由电气和机械液压两部分组成。其主要元件包括：永磁（也称测速）发电机、测频回路、信号综合放大回路，调节信号放大回路、电液转换器及机械液压放大装置。 此外还有位移传感器、缓冲回路、功率给定与硬反馈回路、功率给定与频率给定回路以及开度限制机构等 5、电液调速器中，永磁发电机、测频回路和电液转换器各起什么作用？答：永磁发电机是装在机组主轴上，用以反映机组频率（或转速）变化的测速发电机，它供给测频回路频率偏差信号，同时供给调速器中各电气回路的电源 测频回路就是利用电容元件C和电感元件L组成的谐振回路，相当机械调
附录A （资料性附录） 水轮机实时仿真系统采用的计算公式、计算方法 A.1计算公式 A.1.1水轮机单位流量表达式 （A.1）A.1.2水利局单位力矩表达式 (A.2) A.1.3水轮机单位转速计算表达式 （A.3） A.1.4水轮机流量、力矩计算表达式 （A.4） （A.5）A.1.5相对参数值计算公式 用角标“0”表征稳态性；“r”表征额定值；“”表征偏差值则有： （A.6） (A.7) (A.8) （A.9） （A.10）
（A.11） （A.12） （A.13） （A.14） 在线性化假设条件下导叶相对开度，由以上公式可由水轮机相对单位转速、流速、力矩计算公式： （A.15） （A.16） （A.17） A.1.6差分方程的计算公式（见图A.1） （A.18） 式中： Y——输出信号； X——输入信号； S——拉氏算子。 差分后有： （A.19） 由时刻的输入信号值及时刻的输出信号值可计算出时刻的输出信号值。
图A.1参数的差分计算 A.2水轮机力矩、流量特征矩阵的计算公式 A.2.1水轮机的单位力矩特性及流量单位特性 输入至计算机的水轮机特性原始数据应具有制动工矿区的信息，由此特性（图A.2）可有参数表A.1，并按规定格式输入计算机。 图A.2 混流式水轮机单位力矩及流量特性示例 表A.1水轮机单位力矩及流量表
（A.20）显然各参数是导叶开度的函数，相雷地用n-1次多项式表征，当时，有： (A.21) 由式（A.21）可以归纳出在表格中各结点上的参数和，这些参数构成了求解有关系数的已知条件，并可有矩阵关系式： (A.22) (A.23) (A.24) （A.25） 矩阵称作水轮机流量和力矩的特性矩阵，矩阵中各素和分布规律综合表达了不同类型水轮机的流量和力矩对导叶开度和转速变化的敏感程度。水轮机流量、力矩特性矩阵的表达式为： (A.26)
（一）水轮机型号的选择 根据题目条件已知要用HL120-38和HL100-40型水轮机进行选择，对比计算分别如下： （二）水轮机主要参数的计算 HL120-38型水轮机方案主要参数的计算 1、转轮直径的计算 1D = 式中： '3112500;240; 380/0.38/r r N kW H m Q L s m s ==== 同时在附表1中查得水轮机模型在限制工况的效率=88.4%M η，由此可初步假定水轮机在该工况的效率为90.4% 将以上各值代入上式得 10.999D m = = 选用与之接近而偏大的标准直径1 1.00D m =。 2、效率修正值的计算 由附表一查得水轮机模型在最优工况下的max =90.5%M η，模型转轮直径10.38M D m =，则原型水轮机的最高效率max η可依下式计算，即 max max =1M ηη-（1- 1(10.93593.5%=--== 考虑到制造工艺水平的情况取11%ε=；由于水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故认为20ε=，则效率修正值η?为： max max 10.9350.9050.010.02M ηηηε?=--=--= 由此求出水轮机在限制工况的效率为： 0.8840.020.904M ηηη=+?=+=（与原来假定的数值相同） 1、 转速的计算
1 n = 式中''' 10101M n n n =+? 有附表一查得在最优工况下的' 1062.5/min M n r =，同时由于 '1'10110.0160.03M n n n ?====< 所以'1n ?可以忽略不计，则以' 1062.5n =代入上式得： 973.3/min n r = = 选用与之接近而偏大的标准同步转速1000/min n r =。 2、 工作范围的验算 在选定的1 1.00D m =、1000/min n r =的情况下，水轮机的' 1max Q 和各种特征水头下相 应的'1n 值分别为： ' 3 1max 3232 2 21 125000.3790.38/9.8112400.904 9.81r r N Q m s D H η = = =
水轮机课程总结 学院：能源 学号： 姓名：
浅谈冲击式水轮机 早在古代，我国就开始使用水车提供生产动力。现如今，以水车为原型的水轮机——冲击式水轮机正在成为水轮机领域一个新的热门领域。在其他各种水轮机都相对成熟了的时候，冲击式水轮机正在受到越来越多的关注。现代冲击式水轮机是借助于特殊导水机构引出具有动能的自由射流，冲向转轮水斗，使转轮旋转做功，从而完成讲水能转换成机械能的一种水力原动机。在冲击式水轮机中，以工作射流与转轮相对位置和做工次数的不同，可分为切击式水轮机、斜击式水轮机和双击式水轮机。 切击式水轮机工作射流中心线与转轮节圆相切，故名切击式水轮机。其转轮叶片均由一系列呈双碗状水斗组成，故又称水斗式水轮机。切击式水轮机是目前冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型。其应用水头一般为300-2000m，目前最高应用水头已达到1771.3m（澳大利亚的列塞克-克罗依采克水力蓄能电站，水轮机出力P=22.8MW）。
斜击式水轮机主要工作部件和切击式水轮机基本相同，只是工作射流与转轮进口平面呈某一角度α，射流斜着射向转轮。斜击式水轮机适用于水头在 35-350m、轴功率为10-500kW、比转速为18-45的中小型水电站。 双击式水轮机水流先从转轮外周进入部分叶片流道，消耗了大约70%-80%的动能，然后离开叶道，穿过转轮中心部分的空间，又一次进入转轮另一部分叶道消耗余下大约20%-30%的动能。这种水轮机效率低，一般适用于H<60m，N<150kW 的小型水电站。
随着水力资源的深入开发，有许多高落差的流域需要进行开发，如我国的雅鲁藏布江，落差达到两千多米，同时修筑水坝又不现实（考虑到这时一条国际河流）。因此冲击式水轮机便成为了首选。冲击式水轮机主要有以下优点： 1.适应流量和水头比值比较小的情况。 2. 加权平均效率很高，在整个运行区间都有很高的效率。特别是水斗式水轮机现在先进的可以在30％～110％负荷区间可以平均91％以上的效率。 3.对水头变化的适应能力比较强 4.对管道和水头比值很大的也很适应。 5.开挖量小。 利用冲击式水轮机发电，出力范围可从50kW到500MW，可以适用于30米至3000米较大的水头范围，特别是高水头范围其它类型水轮机无法适用，并且无须建筑水坝，无需建造下游尾水管，建筑经费只是其它类型水轮发电机组2的几分之一，对自然环境影响也非常小。由于转轮在大气压之下的转轮室中运转，可以省去有压过流通道的、密封等的苛刻要求，广泛为工况运行效率高且变化平缓是其具有魅力的另一个原因。由于上述的优点，冲击式水轮机组的开发主题正在被世界关注，我国也引起了足够的重视，我国蕴藏着太多适于冲击式水轮机组开发的水力能源。冲击式水轮机可以充分发挥其结构简单、转轮直径小、效率高的优越性，大大减少电站投资和二次资源的节省，21世纪将会成为选型热点，大型冲击式水轮机开发的成功将创造巨大的经济效益，这一课题有着较强的开创性和应用性。
第1章 概论 （一） 单项选择题 1．水轮机的工作水头是（ ）。 （A ）水电站上、下游水位差 （B ）水轮机进口断面和出口断面单位重量水流的能量差 2．水轮机的效率是（ ）。 （A ）水轮发电机出力与水流出力之比 （B ）水轮机出力与水流出力之比 3．反击式水轮机是靠（ ）做功的。 （A ）水流的动能 （B ）水流的动能与势能 4. 冲击式水轮机转轮是（ ）。 （A ）整周进水的 （B ）部分圆周进水的 5．喷嘴是（ ）水轮机的部件。 （A ）反击式 （B ）冲击式 （二）填空题 1．水电站中通过 把水能转变成旋转机械能，再通过 把旋转机械能转变成电能。 2．水轮机分为 和 两大类。 3．轴流式水轮机分为 和 两种。 4．水轮机主轴的布置形式有 和 两种。 5．冲击式水轮机有 、 和 三种。 （三）计算题 1．某水轮机的水头为18.6m ，流量为1130m 3/s ，水轮机的出力为180MW ，若发电机效率97.0=g η，求水轮机的效率和机组的出力g P 。 2．某水轮机蜗壳进口压力表的读数为a P 310650?，压力表中心高程为887m ，压力表所在钢管内径D = 6.0m ，电站下游水位为884m ，水轮机流量Q = 290 m 3/s ，若水轮机的效率%92=η，求水轮机的工作水头与出力。 第2章 水轮机的工作原理 （一） 单项选择题 1．水轮机中水流的绝对速度在轴面上的投影是（ ）。 （A ）轴向分量z v （B ）轴面分量m v 2．水轮机中水流的轴面分量m v 与相对速度的轴面分量m w （ ）。 （A ）相等 （B ）不相等 3．水轮机输出有效功率的必要条件是（ ）。 （A ）进口环量必须大于0 （B ）进口环量必须大于出口环量 4．无撞击进口是指水流的（ ）与叶片进口骨线的切线方向一致。 （A ）绝对速度 （B ）相对速度 5．法向出口是指（ ）。 （A ）出口水流的绝对速度是轴向的 （B ）出口水流的绝对速度与圆周方向垂直 （二）填空题 1．水轮机转轮中的水流运动是 和 的合成。 2．水轮机轴面上所观察到的水流速度分量是 和 。
调速系统定期试验管理制度 1．1范围本标准规定了天桥水力发电厂水轮机调速器（以下简称调速器）检修后及日常维护中需要进行的试验项目。 1．2本规程适用于天桥水力发电厂机械检修维护人员、生产管理人员对调速器试验的管理。 2 规范性引用文件 2.1 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB9652－88 《水轮机调速器与压油装置技术条件》 GB/T 9652.2--1997 《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》 DL/T 496—2001 《水轮机电液调节系统及装置调整试验导则》 DL/T 563—2004 《水轮机电液调节系统及装置技术规程》 DL/T 792—2001 《水轮机调速器及油压装置运行规程》 HGS-H21-250-6.3 《调速器液压系统说明书》 YZ-16/2-6.3 《油压装置说明书》 3 设备规范及技术参数
4 水轮机调速器系统大修后试验 4.1 检修周期 大修每4年一次 4.1 试验项目 4.1.1 压油装置试验 4.1.1.压油装置试运行试验 4.1.1.1 试验目的：检查压油泵在空载和各种压力下的振动及运行情况以及检修质量;检查压油罐、压力油管道、接力器等油压装置密封情况。 4.1.1.2 试验步骤：点动油泵控制开关，检查油泵旋转方向是否正确。在罐内无压的情况下向压力油罐送油到正常油位后向压力油罐充气，升压至0.5MPa，打开主供油阀，检查油管路所有连接法兰是否漏油。然后按油泵试验的输出压力向压力油罐充气至正常压力。在整个充气过程中，从上到下各部位都应有人检查，各处应无漏油，否则应停止充气。 4.1.1.3 试验方法：油泵装配后，应进行空载运行一小时,检查油泵运行是否正常。运行正常才可进行油泵在0.5MPa、1MPa、2.0MPa各油压下的试验，分别进行10分钟，在试验过程中油泵应连续运转，用油泵卸载阀的手动调节螺钉来控制试验压力，经上述试验运行情况良好后，再在各机组额定压力下运行1小时，在整个试验中，控制油温不超过50℃。 4.1.1.4 油压装置的密封试验：压力油罐的油位和油压均保持在正常工作范围内，关闭所有阀门，8h后油压下降不得大于额定油压的4%。 4.1.1.5 安全阀定值调整 将压油罐油压充压至安全阀动作油压，调整组合阀上安全阀螺栓调到动作定值。
CJYH09-L-170/6×15型冲击式水轮机系立轴单转轮六喷嘴冲击式水轮机，与发电机组成两支点水轮发电机组。 该水轮机由喷嘴装配、转动部份、预埋部份、管路部份、机盖装配、油轴承、工具等部份组成。 水轮机转轮与发电机主轴采用法兰连接，摩擦力传递扭矩。水轮机转轮系整体铸造而成，最大外径为φ2190.1mm，拆卸转轮采用下拆方式。 该型立轴六喷嘴水轮机的喷嘴采用的是全新单元组合式结构，喷嘴、偏流器组成一体，以进水管定位装在进水管的喷嘴座上。为便于转轮和喷嘴的装拆与检修，在机座的下方设有平水栅，平水栅同时也起到均衡排水作用，减少对尾水渠的冲刷。在平水栅中间铺有两根轻型钢轨，运输小车将转轮或喷嘴，沿此轨道经运输通道运出或运入机坑。 由直流式内控喷嘴和偏流器组成的双重调整机构，调节性能良好，能满足电能质量和调节保证的要求，确保机组和压力钢管的安全。 每台水轮机的进水管前装有一个直径为φ1600mm的进水阀装置。 喷针及偏流器接力器均采用单腔油压控制，操作油压6.3MPa，压力油取自调速器。 机组和冲击式专用调速器、自动化元件组成一个完整的自动化操作系统，中控室一个脉冲，机组能自动启动带负荷、自动停止、正常运行、事故报警和停机。 机组采用的内拆式水力自关闭喷嘴具有以下特点： 1）喷针利用油压开启，水力自关闭，当电站的操作油失压时，喷针能在水力作用下自动关闭。喷嘴关闭后，如果关闭压力油进油阀，切断油压装置的压力油源，喷针也不会自行开启，非常安全。 2）喷嘴具有负荷自锁功能，当机组并网运行时，例如油压装
置出现事故低压等，能自动锁定喷针，二次回路的低油压事故停机信号应作用于调速器数字配压阀，封闭喷针控制腔油路，使机组继续带原有负荷在电网中运行，直到油压装置故障消除。因此，可减少事故停机次数。 3）可单独开启喷针，排除卡塞喷针的异物。 4）设有新型油水隔离装置，保证压力水不会渗入喷针控制腔，不会造成油水混合。 5）设有防泥砂装置，能防止泥砂进入喷针轴，保护零件不受泥砂磨损。 6）喷嘴采用新型内拆式结构，拆去喷嘴口，就能将喷嘴内的零件全部拆出（在不拆下喷嘴部件和转轮的情况下）进行检修或更换零件，大大缩短检修时间和减轻检修劳动强度 7）喷嘴内的滑动部位采用新型密封和油润滑，摩阻力小，动作灵活，经久耐磨，密封性能非常好，绝对可靠。 8）喷针的水力自关闭倾向，可保证喷嘴不漏水，从而减少了间隙气蚀和泥砂磨损，延长了喷针和喷嘴口的使用寿命。 9）喷嘴可在压力钢管不充水的情况下，利用油压作喷针开关模拟试验，测定喷针的动作和行程。 10）在调速器上可设喷嘴紧急停机电磁阀单独关闭喷嘴。电磁阀可手动、自动和遥控。调速器失灵后，喷针可自动关闭而不必动水关闭阀门。从而多一道保护功能。 11）喷针控制腔装有压力表，供监测喷针工作情况。 12）喷针的设计，增加了导向长度，减小了摩擦圆直径，再加上油的润滑和操作力的合理设计，保证喷针操作灵活，不会发生卡涩现象。 13）喷嘴控制部份的特殊设计，保证了机组周波稳定，并网容易，调节灵敏。 14) 新型单元组合式喷嘴安装、维护非常方便。 2 水轮机型号及主要参数 2.1 水轮机型号：CJYH09-L-170/6×15 CJ——冲击式水轮机
习题一 1．水轮机的基本工作参数通常有哪几个？它们的代表符号和单位是什么？ 2．什么叫水轮机的设计水头、最大水头、最小水头和净水头？3．某河床式电站在设计水头下：上游水位Z上=63m，下游水位Z下=44.4m，通过某台水轮机的流量m2/s,发电机效率, 水轮机效率，如忽略引水建筑物中的水力损失，试求水流出力、水轮机出力和机组出力。 4．现代水轮机的基本类型有哪些？它们的适应水头怎样？ 5．了解我国已建及正在建的大型水电站的机组的单机容量和适用水头。 6．反击式和冲击式水轮机在能量转换上有何区别？ 7．解释水轮机型号： HL160-LJ-520、ZZ560-LH-800、GD600-WP-250、2CJ30-W-120/2×10。 8. 贯流式机组主轴都采用卧轴布置的优缺点有哪些？
习题七 习题一 1．水轮机的基本工作参数通常有哪几个？它们的代表符号和单位是什么？ 2．什么叫水轮机的设计水头、最大水头、最小水头和净水头？3．某河床式电站在设计水头下：上游水位Z上=63m，下游水位Z下=44.4m，通过某台水轮机的流量m2/s,发电机效率, 水轮机效率，如忽略引水建筑物中的水力损失，试求水流出力、水轮机出力和机组出力。 4．现代水轮机的基本类型有哪些？它们的适应水头怎样？ 5．了解我国已建及正在建的大型水电站的机组的单机容量和适用水头。 6．反击式和冲击式水轮机在能量转换上有何区别？ 7．解释水轮机型号： HL160-LJ-520、ZZ560-LH-800、GD600-WP-250、
2CJ30-W-120/2×10。 8. 贯流式机组主轴都采用卧轴布置的优缺点有哪些？ 习题二 1. 混流式水轮机的性能如何？ 2. 混流式水轮机由哪几大部分组成？其工作过程怎样？ 3. 水轮机的类型有几种，各种类型水轮机有何优缺点？ 4. 转轮的作用是什么？转轮一般由哪几部分组成？ 5. 混流式水轮机转轮与轴流式水轮机在结构上有何异同点？ 6. 止漏环有哪几种类型，其作用范围怎样？ 7. 什么叫水轮机的轴向水推力？如何估算？ 8. 减压装置有几种类型？它们的工作的原理是怎样的 9. 引水室的作用是什么？它有几种类型？ 10．金属蜗壳的应用条件、结构类型和一般的受力特点是怎样的？
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；