水轮机的基本工作参数
水轮机是将水能转换为旋转机械能的一种水力机械，它包括引水部件、导水部件、工作部件和泄水部件四部分，其关键是它的工作部件，即水轮机转轮。水流流经水轮机时，水流能量发生改变的过程，就是水轮机的工作过程。反映水轮机工作过程特性值的一些参数，称为水轮机的基本参数，水轮机的参数包括结构参数、工作参数以及综合参数等。水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机，水流的能量转换为转轮的机械能过程中的一些特征数据。水轮机的基本工作参数有：工作水头H、流量Q、出力N、效率η、转速n和转轮直径D1。
１、工作水头H
水流从是从高处流向低处，这是水流流动的客观规律，当某河段修建水电站装置水轮机后，水流便由水轮机进口经水轮机流向出口，这就是说在水轮机进口和出口存在着能量差，其大小可以根据水流能量转换规律来确定。水轮机工作水头就是指水轮机进、出口处水流的总比能之差。水轮机的工作水头是水轮机的重要工作参数，其大小表示水轮机所利用水流单位能量的多少。
2、流量Q
单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，称为水轮机的流量。通常以Q表示，其单位为米3/秒。水轮机流量为水轮机的另一个重要工作参数，其大小同样表示水轮机利用能量的多少。
3、出力N和效率η
具有一定水头和流量的水流在流经水轮机时便可以做功，在单位时间内所做的功，在工程上称为出力或功率。单位时间内水轮机主轴所输出的功，称为水轮机的出力。水流输入给水轮机的出力为：
由于水流经水轮机时有摩擦、漏水等损失，实际水流输入给水轮机的出力，不能被水轮机全部利用并传输出去。真正输出的出力小于输入的出力。故水轮机输出出力为：
式中：η为水轮机的效率，水轮机的轴出力N与输入给水轮机的水流出力Nsr之比，称为水轮机的总效率。它表示水轮机对水流的有效利用率，水流流经水轮机时损失越小，有效利用率越大，即效率越高。
同样，出力和效率也是水轮机两个主要工作参数，其大小表示水轮机做功的多少。
4、转速n
水轮机转速是水轮机转轮单位时间内旋转的次数，常用n表示，转速的单位为r/min。
5、转轮直径D1
水轮机转轮直径是一个很重要的尺寸，水轮机其他部件的尺寸都与转轮直径有关，所以直径大，厂房的尺寸就大，工程的投资也就大。但直径小，可能达不到设计出力，水轮机直径D1的尺寸，国家已有标准系列，选择D1时应以满足水轮机设计出力为准。
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。 wertyp9 ed\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。根据初步设计的深度和广度的要求，通常应具备下述的基本技术资料： （1）枢纽资料：包括河流的水能总体规划，流域的水文地质，水能开发方式，水库的调节性能，水利枢纽布置，电站类型及厂房条件，上下游综合利用的要求，工程的施工方式和规划等情况。还应包括严格分析与核准的水能基本参数，诸如电站的最大水头Hmax、最小水头Hmin,加权平均水头Ha，设计水头Hr，各种特征流量Qmin、Qmax、Qa,典型年（设计水平年，丰水年，枯水年）的水头、流量过程。此外还应有电站的总装机容量，保证出力以及水电站下游水位流量关系曲线。 （2）电力系统资料：包括电力系统负荷组成，设计水平年负荷图，典型日负荷
.水轮机型号选择 水电站水头变化：上游最大—下游最小=校核洪水位—下游正常尾水位 上游最小—下游最大=死水位—校核洪水位 在水轮机系列型谱表3-3和3-4，查出合适的机型有HL240 水轮机HL240型水轮机方案的主要参数选择 （1）转轮直径1D 计算 查水轮机型谱表可得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量10'Q =1240L/S=1.243m /s,效率m η=90.4%，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量'1m Q =' 1Q =1.243m /s ，效率η=90.4%，水轮机的额定出力 r N =AQH=8.5×37×(447—404.6）=13334.8kw （其中A 一般取6.5-8.5，Q 为发电流量，H 为上游正常高水位-下游正常尾水位） 由于采用坝后式，H r =0.95H v a =0.95× 244.5812.1+=26.923 （H av =28.34m) ,上述的'1Q 、η和r N =13334.8KW 、r H =26.923m 代入式1D = η r r r H H Q N 1'81.9=2.95m 选用与之接近而偏大的标称直径1D =2.95m （2）转速n 的计算 查水轮机型谱表可得HL240水轮机在最优工况下单位转速' 10n =72.0r/min ，初步假定 '10m n ='10n =72.0r/min,将已知的'10n 和av H =28.34m ，1D =2.95m 代入式n=av H D 1 '1n = 2.9528.3472?=129.93r/min ，选用与之接近而偏大的同步转速n=214.3r/min. （3）效率及单位参数修正 HL240型水轮机在 最优工况下的模型最高效率为max M η=92.0%，模型转轮直径为1M D =0.46m ，可得原型效率： max η=95.0% 则效率修正值为η =95.0%-92.0%=3.0%. 考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求得的η?值中再减去一个修正值ξ。先取ξ=1.0%，则可得效率修正值为η?=2.0%，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为： max η=max M η+η?=92.0%+2.0%=94.0%
摘要 水电站机电部分设计主要根据获得的设计材料中给定的水头范围进行的主机选型，根据选择的三方案中择优进行模型综合特性曲线的绘制，即选出一方案进行绘制，再根据效率，转速等选其一进行蜗壳、尾水管、水轮发电机外形的计算和绘图，最后进行水轮机的调节保证计算和调速器设备选择。 关键字：水轮机主机选型；水电站机电设备初步计算；外形设计；调节保证计算。
前言 毕业设计是高等教育教学中的最后一个教学环节，是实践性教育的环节。 毕业设计与其他教学环节构成有机的整体，也是各个教学环节的继续、深化补充和检验，是将分散、局部的知识内容加以全面的结合，这次设计提高了我们运用知识的综合能力，将知识化为能力，巩固和加深所学知识，培养知识，综合了系统化的运用。 目前，我国大陆水力资源理论蕴藏在1万KW以上的河流共3886条，水力资源理论蕴藏年发电量6082.9Tw·h；技术可开发装机容量541.64GW。经济可开发装机容量401.8GW。我国水力资源具有三个鲜明特点：第一、在地域上分布极不平衡，西部多，东部少。西部水利资源开发出了满足西部电力市场的需要，更重要的是考虑东部电力市场。第二、大多数河流年内、年际经流分布不均。第三、水力资源集中于大江大河，有利于集中开发和规模外送。 本次设计的主要内容为主机选型、蜗壳、尾水管、发电机确定和调节保证计算。设计过程中，依据资料水电站水头，单机引水流量，总装机，对水轮机发电进行初选，并根据单位转速，模型综合特性曲线，对水轮机型号，转速，效率出力等进行认真计算，校验，对选择方案的蜗壳水管，水轮机选型和绘图。对水轮机进行调节保证机算。
通过这次对相关专业知识的课题设计，更加深入的认识知识和实际应用，学会知识与实际结合、与实践结合，得以充分利用知识为以后工作打下了坚实的基础。 编者 2012年5月 目录 摘要 (1) 前言 (2) 目录 (3) 第一章水轮机型号选择 (5) 第一节水轮机型的选择 (5) 第二节初选水轮机基本参数的计算 (6) 第三节水轮机运转综合特性曲线的绘制 (17) 第四节待选方案的综合比较和确定 (19) 第二章蜗壳计算 (21) 第一节蜗壳形式、进口断面参数选择 (21) 第二节蜗壳各断面参数计算 (23) 第三节金属蜗壳图 (25) 第三章尾水管选型 (26) 第四章水轮发电机的初步选择计算 (27) 第五章调节保证计算及设备的选择 (33) 第一节调节保证计算 (33)
第三节 水轮机的比转速 一、水轮机比转速的概念 水轮机的单位参数111111,,P Q n 只能分别从不同的方面反映水轮机的性能。为了找到一个能综合反映水轮机性能的单位参数，提出了比转速的概念。 由式（3-14）、式（3-16）消去1Q 可得4/51111/H NP n P n =。对于同一系列水轮机， 在相似工况下其1111P n 和均为常数，因此，常数=1111P n ，这个常数就称为水轮机的比转速，常用s n 表示，即 45H P n n s = （3-26） 式（3-26）中，n 以r/min 计；H 以m 计；P 以kw 计。从上式可见，比转速s n 是一个与1D 无关的综合单位参数，它表示同一系列水轮机在=H 1m ，=P 1kw 时的转速。 如果将H D Q Q D H n n HQ P 2111111,81.9===和η代入式（3-26），可导出s n 的另 外两个公式。 4313.3H Q n n s η = （3-27） η111113.3Q n n s = （3-28） 另外，如果在式（3-26）中P 定义为马力，对应比转速s n (用马力计算)与上述s n (用千瓦计算)的换算关系为： s n (用马力计算)s p n H KW P n H h P n 67)(67)(4545===(用千瓦计算) （3-29） 将比转速表达式作适当变换，可写成以下公式： 434565.381.967H Q n H HQ n n s ηη== （3-30） 用单位参数表示为： η111165.3Q n n s = （3-31） 由式（3-26）~式（3-28）可见，s n 综合反映了水轮机工作参数P Q H n 或,,之间的关 系，也反映了单位参数111111,Q P n 或之间的关系，因此，s n 是一个重要的综合参数，它代表同一系列水轮机在相似工况下运行的综合性能。目前国内大多采用比转速s n 作为水轮机系列分类的依据。但由于s n 随工况变化而变化，所以通常规定采用设计工况或最优工况下的比转速作为水轮机分类的特征参数。现代各型水轮机的比转速范围约为：水斗式
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 。
第六章水轮机选型设计 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、水轮机选型设计的任务及内容 1．任务 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。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。 2．内容 (1) 确定机组台数及单机容量 (2) 选择水轮机型式（型号）及装置方式 (3) 确定水轮机的额定功率、转轮直径D1、同步转速n、吸出高度H s、安装高程Z a 、飞逸转速、轴向水推力；冲锤式水轮机，还包括喷嘴数目Z0、射流直径d0等。 (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) 根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等方面的要求，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。 二、选型设计 1．水轮机选型设计一般有三种基本方法 (1) 水轮机系列型谱方法: 中小型水电站水轮机选多此种方法或套用法。
水轮机型号选择 根据水电站的水头变化范围36.0m~38.0m,在水轮机洗力型谱表3-3，表3-4中查出适合的机型有HL240和ZZ440两种，现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出有关参数，并进行比较分析。 一）HL240型水轮机方案的主要参数选择 1).转轮直径D1计算 查表3-6和图3-12可得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量 Q '1 = 1.24 s m 3 效率m η =92%，由此可初步假定原型水轮机在该工况 下的单位流量Q '1=Q M '1=1.24s m 3 上述的 Q '1，η和额定出力r N =kw kw N gr gr 40816% 984==万η r H =36m 1D = η 2\3181.9Hr Q Nr '= 92 .03624.181.940816 2 \3??=4.109 m 选用与之接近而偏大的标称直径 D1=4.5m 2) 转速n 计算 查表3-4可得HL240型水轮机在最优工况下单位转速 M n 10 '=72min r ,初步假定10n '=M n 10'将已知的10n '和加权平均水头av H =36m, 1D =4.2m 代入 n= 965 .4367211 =?='D H n min r 故选用与之接近而偏大的用步转速n=100min r 3) 效率及单位参数修正 查表3-6可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率为 M m a x η=92% 模型转轮直径为M D 1=0.46m 根据式（3-14） ，求得原型效率 %9.945 .446.0)92.01(1)1(155 11max max =--=--=D D M M ηη则效率修正值为 %9.2%92%9.94max max =-=-=?M ηηη 考
水轮机的型号（转） 根据我国“水轮机型号编制规则”规定，水轮机的型号由三部分组成，每一部分用短横线“—”隔开。第一部分由汉语拼音字母与阿拉伯数字组成，其中拼音字母表示水。 轮机型式，阿拉伯数字表示转轮型号，入型谱的转轮的型号为比转速数值，未入型谱的转轮的型号为各单位自己的编号，旧型号为模型转轮的编号；可逆式水轮机在水轮机型式后加“N”表示。第二部分由两个汉语拼音字母组成，分别表示水轮机主轴布置形式和引水室的特征；第三部分为水轮机转轮的标称直径以及其它必要的数据。水轮机型号中常见的代表符号如表1-2所示。 对于冲击式水轮机，上述第三部分应表示为：转轮标称直径（cm）/每个转轮上的喷嘴数×射流直径（cm）。 表1-2水轮机型号的代表符号
各种型式水轮机的转轮标称直径（简称转轮直径，常用表示）规定如下（参见图1-12所示）： 1．混流式水轮机转轮直径是指其转轮叶片进水边的最大直径； 2．轴流式、斜流式和贯流式水轮机转轮直径是指与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径； 3．冲击式水轮机转轮直径是指转轮与射流中心线相切处的节圆直径。 水轮机型号示例： 1．HL220-LJ-250，表示转轮型号为220的混流式水轮机，立轴、金属蜗壳，转轮直径为250cm。 2．ZZ560-LH-500，表示转轮型号为560的轴流转桨式水轮机，立轴、混凝土蜗壳，转轮直径为500cm。 3．GD600-WP-300，表示转轮型号为600的贯流定桨式水轮机，卧轴、灯泡式引水，转轮直径为300cm。 4．2CJ20-W-120/2×10，表示转轮型号为20的水斗式水轮机，一根轴上装有2个转轮，卧轴、转轮直径为120cm，每个转轮具有2个喷嘴，射流直径为10cm。 主题：[水力发电设备]水轮发电机
第四章水轮机选择 §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。 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 为纵座标绘制某一系列水轮机应用范围。 以H为横座标，N 单 1、根据H r、N r→范围→D1，n。 2、水轮机吸出高度的确定H s：根据h s~H的关系曲线确定。 由H r→h s，H s＝h s－▽／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、H s、Z a；Z0、d0 (4)、绘制水轮机运转特性曲线
水轮机型号选择 根据已知的水能参数初选水轮机型号 最大工作水头：H max =Z 上max -Z 下min -△h=609.86-573.12-1.732=35 m 最小工作水头：H min =Z 上min -Z 下max -△h=607.78-574.27-1.732=31.77m 平 均 水 头：H a =12 (H max +H min )= 1 2 ×(35.85+31.35)=33.4 m 查水电站机电设备手册根据我国小型反击式水轮机适应范围参考表初选水轮机型号。 初选水轮机型号：HL240-LJ-140 水轮机类型 混流式 转轮型号 HL240 最大水头 35m 最小水头 31.77m 设计水头 33m 出力 3400kw 校核机组的稳定性 水轮机主要参数的计算： HL240-LJ-140型水轮机方案主要参数的计算: 转轮直径计算 Nr=3400/0.95=3368.42kw Hr=33.4m D 1= M Hr Q Nr η23 181.9' (1-3) 式中： Nr-为水轮机的额定出力（kw ） D 1 -为水轮机的转轮直径（m ） ηM -为水轮机的效率 Hr-为设计水头（m ） Q 1′--为水轮机的单位流量（m 3/s ） 由水力机械课本附表1中查得Q 1′=12.4 L/s=1.24m 3/s,同时在附表1中查得
水轮机模型在限制工况下的效率ηM =90.4%，由此可初步假定水轮机在该工况的效率为92.0% 将Nr=3400kw, Q 1′=1.24 m 3/s, Hr=33.4m, ηM =92%得 m D 12.192 .04.3324.181.942 .33682 31=???= 选择与之接近而偏大的标准直径D 1=1.40m 效率的修正值计算 由水力机械课本附表1查得水轮机模型在最优工况下的效率ηMmax =89.6%,模 型转轮直径D 1M =0.46m, 则原型水轮机的最高效率η max ，即： η max =1-（1-η Mmax ）5 1 1D D M (1-4) 式中： ηmax --为原型水轮机的最高效率 η Mmax --为水轮机模型在最优工况下的效率 D 1M --为模型转轮直径 （m ） D 1 --为原型转轮直径 （m ） 将η Mmax =91.0% ，D 1M =0.46m, D 1=1.4m 带入得: η Mmax =1-（1-η max ）5 1 1D D M =1-（1-0.91）54 .146.0 =92.8% 考虑到制造工艺水平的情况取ε1=1%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ε2=0，则效率修正值Δη为： Δη=ηmax -η Mmax -ε 1 式中： Δη--为效率修正值 ηmax --为原型水轮机的最高效率 η Mmax --为水轮机模型在最优工况下的效率 将ηmax=0.928，ηMmax=0.91，ε1= 0.01带入上式得：
水轮发电机的选择计算 一、 发电机型式的选择 水轮发电机按其轴线位置可分为立式布置和卧式布置两类，大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于中小型机组及贯流式机组。本电站采用立式布置，立式布置又分为悬式和伞式两种。悬式布置和伞式布置的适用条件，查参考【2】P 149表3-1，悬式适用于转速大于150/min r ，伞式适用于转速小于150/min r 。因为水轮机的标准转速为166.7r/min ，所以水轮发电机选用悬式布置。水轮发电机的冷却方式采用径向通风密闭式空气循环冷却。 二、 主要尺寸估算 待选水轮发电机的有关参数如下： 发电机型式：悬式 标准转速：166.7r/min 磁极对数：18 外形尺寸计算如下： 1、极距τ 根据统计资料分析,极距与每极的容量关系如下: 42p s K f j =τ cm 参考【2】P 159公式3-2 式中 9 ,,,10~8,:18 ;:); (:本设计中取线速度高的取上限容量大一般为系数磁极对数发电机额定容量j f K P p KVA s = f s =N f ／cos ＆, cos ＆为功率因数角，取cos ＆取0.875。 f s =247423／ 0.875=282769KV A 。 4 18 *2282769 *9=τ=84.73 cm
由上求出τ后,尚应校核发电机在飞逸状态下,转子飞逸线速度V f 是否在转子材料允许范围内。 V K V f f = 参考【2】P 160公式3-3 式中 飞逸线速度 秒时在数值上等于极距周当频率转子额定线速度的比值确定与额定转速机组的飞逸转速与水轮机型式有关或按飞逸系数:;/50,:;,:f e f f V f V n n K τ= f K = f n ／e n =308.4／166.7=1.85; V =τ=84.73 cm. V K V f f ==1.85*84.73=156.75m ／s 查参【2】P 160，转子磁轭的材料用整圆叠片。 2、定子内径i D 计算公式： τπ p D i 2== 3.784*18 *2π =971.43 cm 参考【2】P 160公式3-4 3、定子铁芯长度t l 计算公式： e i f t n CD S l 2= cm 参考【2】P 160公式3-5 式中： 冷却方式为空冷 取表见参考系数定子内径额定转速发电机额定容量,107,53]2[,:); (:);(:); (:6160-?=-C P C cm D rpm n KVA S i e f .7 166*3.4971*107282769 26-?= t l =256.79 cm
第四章 水轮机的特性曲线与选型 第一节 水轮机的相似律 一、水轮机的相似条件 在进行模型试验时，模型与原型水轮机之间应满足的条件称为水轮机的相似条件。模型和原型水轮机之间应满足几何相似、运动相似和动力相似三个相似条件。 1.几何相似（必要非充分）（同轮系） 几何相似是指两个水轮机的过流部件形状相同（即过流部件几何形状的所有对应角相等），尺寸大小成比例。即： == = m m m a a b b D D 000011 式中 ：01b D 、、0a ——水轮机的转轮直径、导叶高度、导叶开度。 满足几何相似的一系列大小不同的水轮机，称为同轮系（或同型号）水轮机。只有同轮系的水轮机才能建立起运动相似或动力相似。 2.运动相似（等角工作状态） 运动相似是指同一轮系的水轮机，水流在过流通道中对应点的同名流速方向相同，大小成比例，即相应点的速度三角形相似。即 两水轮机运动相似就称此两水轮机为等角工作状态。 3.动力相似 动力相似是指同一轮系水轮机在等角工作状态下，水流在过流部件对应点的作用力（惯性力、重力、粘滞力、摩擦力等），同名力的方向相同，大小成比例。 二、轮机的相似律 在满足相似条件的基础上原型与模型水轮机各参数之间的相互关系称为水轮机的相似律，也称为水轮机的相似公式。 1.转速相似律 s m s m m H D H D n n ηη1 1= s H D n η1 1∝ 2.流量相似律 sm m m s vm m v H D H D Q Q ηηηη2121= s V H D Q ηη21∝ 式中：v Q η—有效流量。
称为水轮机的流量相似律，亦称为流量方程式。 在应用中，直径m D 1、1D 、水头m H 、H 为定值，若效率vm η、sm η、v η、s η为已知时，则可由测得的m Q 求得原型水轮机的流量Q 。 3.出力相似律 ()() jm sm m m j s m H D H D N N η ηηη23 2123 2 1 = 2 3 2 1 s H D N η∝ 称为水轮机的出力相似律，亦称出力方程式。 同理，在已知其它参数时，也可由测得的模型水轮机出力m N 求得原型水轮机的出力 N 。 假定sm s ηη=、vm v ηη=、jm j ηη=和m ηη=时，得出近似相似律公式如下： m m m H D H D n n 1 1= 1 n 11'== m m m H D n H nD m m m H D H D Q Q 2121= 1 Q 212 1 '== m m m H D Q H D Q 23 212 3 21m m m H D H D N N = 1 N 2 3 2 12 32 1'== m m m H D N H D N 第二节 水轮机的单位参数及比转速 一、水轮机的单位参数 H nD n 11 = ' H D Q Q 2 1 1 =' 2 3 211 H D N N = ' 由上述表达式可看出：当水轮机转轮直径1D =1m 、水头1=H m 时，1 n '、1Q '、1N '分别等于水轮机的转速、流量和出力，所以1 n '、1Q '、1N '分别被称为单位转速、单位流量和单位出力，统称为单位参数。 对于同轮系水轮机，单位参数随着工作状态（工况）的改变而改变，当工作状态（工况）一定时，则单位参数是不变的三个常数，工作状态（工况）变化时，单位参数则又 是三个对应于工作状态（工况）的常数。显然可知：（1 n '、1Q '、1N '）就代表了同轮系
第四章水轮机选择 §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。 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H r、N r→范围→D1，n。 2、水轮机吸出高度的确定H s：根据h s~H的关系曲线确定。 由H r→h s，H s＝h s－▽／900
§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D 1、n、H s 、Z a ；Z 、d (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)、根据选定水轮机型式和参数，结合水轮机在结构上、材料、运行等 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。 4、有关资料 (1)、水轮机产品技术资料：
水轮机的基本工作参数 水轮机是将水能转换为旋转机械能的一种水力机械，它包括引水部件、导水部件、工作部件和泄水部件四部分，其关键是它的工作部件，即水轮机转轮。水流流经水轮机时，水流能量发生改变的过程，就是水轮机的工作过程。反映水轮机工作过程特性值的一些参数，称为水轮机的基本参数，水轮机的参数包括结构参数、工作参数以及综合参数等。水轮机的工作参数是表征水流通过水轮机，水流的能量转换为转轮的机械能过程中的一些特征数据。水轮机的基本工作参数有：工作水头H 、流量Q 、出力N 、效率η、转速n 和转轮直径D 1。 １、工作水头H 水流从是从高处流向低处，这是水流流动的客观规律，当某河段修建水电站装置水轮机后，水流便由水轮机进口经水轮机流向出口，这就是说在水轮机进口和出口存在着能量差，其大小可以根据水流能量转换规律来确定。水轮机工作水头就是指水轮机进、出口处水流的总比能之差。水轮机的工作水头是水轮机的重要工作参数，其大小表示水轮机所利用水流单位能量的多少。 2、流量Q 单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积，称为水轮机的流量。通常以Q 表示，其单位为米3/秒。水轮机流量为水轮机的另一个重要工作参数，其大小同样表示水轮机利用能量的多少。 3、出力N 和效率η 具有一定水头和流量的水流在流经水轮机时便可以做功，在单位时间内所做的功，在工程上称为出力或功率。单位时间内水轮机主轴所输出的功，称为水轮机的出力。水流输入给水轮机的出力为： )(81.9kW QH N sr = 由于水流经水轮机时有摩擦、漏水等损失，实际水流输入给水轮机的出力，不能被水轮机全部利用并传输出去。真正输出的出力小于输入的出力。故水轮机输出出力为： )(81.9kW QH N N sr ηη== 式中：η为水轮机的效率，水轮机的轴出力N 与输入给水轮机的水流出力
埃塞俄比亚GD-3电站水轮机选型说明 1.水轮机参数 水轮机模型参数表
HLA550-LJ-250 转速428.6r/min水轮机运转特性曲线
HLA892-LJ-245 转速428.6r/min水轮机运转特性曲线
2.选型分析 ①能量特性水轮机能量特性通常用水轮机的效率来评定，在转轮的选择上，我公司着重考虑：<1>在额定工况具有较高效率；<2>在整个运行范围内其加权平均效率较高；<3>最佳的运行范围。 从上面的效率表和能量特性表可以看出： 从上面比较可以看出，HLA550-LJ-250额定点效率较高,而HLA892-LJ-245最高效率较高。从上面提供的水轮机运转特性曲线可以看出:HLA550-LJ-250的额定点在第一圈效率线以内；而HLA892-LJ-245的额定点在第二圈与第三圈效率线之间,故HLA892-LJ-245的整个运行范围更右边一些。这点来看,HLA892-LJ-245具有更高的加权效率(由于没有加权因子,只能定性分析)。 ②空蚀特性水轮机的空蚀性能好坏直接影响电站的开挖深度以及今后电站的稳定运行，水轮机空蚀性能差将不仅破坏机组，引起噪声、振动和效率的下降，而且还影响水轮机的寿命，严重时将使机组无法安全运行。 从上面的水轮机主要参数表可以看出： 对于本电站水轮机，HLA550-LJ-250的额定点吸出高度为-8.66m，而HLA892-LJ-245 的额定点吸出高度为-2.65m。HLA892-LJ-245具有更好的汽蚀性能。 ③运行稳定性效率、空化和稳定性是水轮机的三个最重要的指标。效率关系到水能的利用程度，空化关系到机组的寿命，而水轮机稳定性的重要性在于机组能否安全正常运行。我们通过上面的水轮机运转特性曲线可以看出，对于本电站，HLA550-LJ-250只包含有很一部分最优区，而HLA892-LJ-245包含了绝大部分最优区。故从机组的运行稳定性上来说， HLA892-LJ-245具有更好的机组运行稳定性。。 综上所述，我公司推荐GD-3电站水轮机转轮采用：HLA892-LJ-245（转速428.6r/min）。 3.转轮业绩 HLA892是哈尔滨电气集团公司研发的转轮，曾应用于巴基斯坦马兰Ⅲ电站，该电站机组于2008年6月成功发电。从电站运行情况来看，该转轮性能优良。
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。根据原始资料，本次设计电站的最大水头达95m ，故应按照立轴布置机组。 二、 确定原型机转轮标准直径D1和机组同步转速n 分别对于A289-46、A329-46及A346-35型水轮机按照4台及5台，共六个方案进行计算，求得原型机转轮标准直径D1和机组同步转速n ，并根据计算结果最终选出两个较好的方案。由前面的计算的水电站的装机容量为Nf=58.7万kw 方案一，型号A285，Z=4台 （1）根据电站的装机容量及所选定的机组台数，确定出单机出力 f f ηN N = Z = 7 .904.7 58? =15.13万kw 其中 f N —电站的装机容量 Z —所选定的机组台数 f η—发电机效率， 取f η=96%~97%
ZDT03-LM/LMY-60型水轮机机组性能参数表 ZDT03-LM/LMY-80型水轮机机组性能参数表
ZD560-LMY/LH-60型水轮机机组性能参数表
水轮机选型方案 1、水文资料：①、水头Hp ≈7.0米；②、流量Q=1.0~1.5米3/秒； 2、水轮机选型方案一： ①、水轮机型号：ZDT03-LMy-60；转轮角ψ=+100；单价：5.0万元； ②、运行状态参数校核：选型计算水头Hp=6.8米；计算单位转速n=750转/分；计算单机引用流量Q=1.15米3/秒；效率η=87%；水轮机有效出力N 出=9.81QH η=66千瓦；发电机功率N 发=0.9N 出=59千瓦； ③、配套发电机：SF55-8/590（电压400V ）；单价：2.3万元； ④、手动调速器：ST-150；(价格包含在水轮机价格中) ⑤、控制屏、励磁屏、准同期并网装置；单价：1.5万元； 3、水轮机选型方案二： ①、水轮机型号：ZDT03-LMy-60；转轮角ψ=+150；单价：5.0万元； ②、运行状态参数校核：选型计算水头Hp=6.8米；计算单位转速n=750转/分；计算单机引用流量Q=1.5米3/秒；效率η=87%；水轮机有效出力N 出=9.81QH η=86千瓦；发电机功率N 发=0.9N 出=77千瓦； ③、配套发电机：SF75-8/590（电压400V ）；单价：3.2万元； ④、手动调速器：ST-150；(价格包含在水轮机价格中) ⑤、控制屏、励磁屏、准同期并网装置；单价：1.5万元； 4、水轮机选型方案三： ①、水轮机型号：ZD560-LMy-60；转轮角ψ=+50；单价：6.4万元； ②、运行状态参数校核：选型计算水头Hp=6.8米；计算单位转速n=600转/分；计算单机引用流量Q=1.15米3/秒；效率η=87%；水轮机有效出力N 出=9.81QH η=66千瓦；发电机功率N 发=0.9N 出=59千瓦； ③、配套发电机：SF55-10/590（电压400V ）；单价：3.2万元； ④、手动调速器：ST-150；(价格包含在水轮机价格中) ⑤、控制屏、励磁屏、准同期并网装置；单价：1.5万元； 注：1、以上价格均不包含设备运输费用和安装调试费用； 江西省莲花水轮机厂有限公司 2005、06、28
一水电站主要机电设备 一、填空题 1.水轮机是将转变为的动力设备。根据水能转换的特征，可将水轮机分为 和两大类。 2.混流式水轮机的转轮直径是指；轴流式水轮机的转轮直径是指 3.水轮机的引水室有与两大类。 4. 封闭式进水室中水流不具有自由水面，常见的有：、、三种。 5．水轮机工作过程中的能量损失主要包括、、三部分。6．根据水轮机汽蚀发生的条件和部位，汽蚀可分为、、 、种主要类型。 7．水轮机的吸出高度是指转轮中到的垂直距离。 8．水轮机的总效率包括、、，其关系是。9．立式水轮机的安装高程是指高程，卧式水轮机的安装高程是指。10．模型与原型水轮机相似，必须满足、和三个相似条件。11．水轮机的综合特性曲线有曲线和曲线两种。 12．水轮机选型遵循的原则是：在满足水电站出力要求和与水电站工作参数相适应的条件下，应选用和的水轮机。 13．常用发电机的型式有、和。 14．发电机的布置方式主要有、、和三种。 15．发电机的通风方式与发电机的布置方式密切相关，主要有、、和等四种。 16．常用的发电机机墩形式有、、、、矮机墩、钢机墩等。 17．水轮机的调节是通过水轮机的设备改变的变化完成的。 18．水轮机调速系统的组成一般由、、三部分组成。19．调速器选择时，中小型调速器以水轮机所需的为依据，大型调速器则是以形成标准系列的。 20．根据测速元件的不同，调速器可分为与两大类。 21．水电站厂房供水系统有，，及四种。 22．水电站厂房供水系统供给、及。 二、判断并改错 1．水在某一温度下开始汽化的临界压力称为该温度下的汽化压力。 2．由于水轮机过流流道中低压区的压力达到（或低于）该温度下水的汽化压力引起的周期性的气泡产生、破灭而破坏水轮机过流金属表面的现象称为水轮机的汽蚀现象。 3．水轮机安装高程确定的越高，则水下开挖量越小，水轮机也不容易发生汽蚀。 4．满足几何相似的一系列大小不同的水轮机，称为同轮系（或同型号）水轮机。 5．同轮系两水轮机动力相似就称此两水轮机为等角工作状态。 6．使水轮机达到额定转速，刚发出有效功率时的导叶开度称为空转开度。 7．冲击式水轮机通过改变导叶开度a0 来调节机组转速，而反击式水轮机通过改变喷嘴开度来调节机组转速。 8．水轮机随着机组负荷的变化而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值或某一预定值的过程称为水轮机调节。 9．机械液压调速器调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，便于安装调整。 10．主配压阀直径在80mm以上的为大型调速器，60mm以下的为小型调速器。
第一节水轮机的主要类型 自然界有多种能源，其中有很多式可以开发利用的，目前已被利用的能源中主要有热能、水能、风能和核能。其中水能是一种最经济的能源，水能的开发利用已受到越来越多的关注。我国有着丰富的水力资源，对水能的开发利用已受到社会的广泛关注，对水能最重要的开发形式就是兴建各种各样的水电站。水轮机作为将水能转换成旋转机械能的一种水力原动机，是水电站中最重要的组成部分。根据转轮转换水流能量方式的不同，水轮机分成两大类：反击式水轮机和冲击式水轮机。反击式水轮机包括混流式、轴流式、斜流式和贯流式水轮机；冲击式水轮机分为水斗式、斜击式和双击式水轮机。 一、反击式水轮机 反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片流道时，始终是连续充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮叶片产生一个反作用力，驱动转轮旋转。当水流通过水轮机后，其动能和势能大部分被转换成转轮的旋转机械能。 1.混流式水轮机 如图1-1所示，水流从四周沿径向进入转轮，然后近似以轴向流出转轮。混流式水轮机应用水头范围较广，约为20～700m，结构简单，运行稳定且效率高，是现代应用最广泛的一种水轮机。 图1-1 混流式水轮机 1—主轴；2—叶片；3—导叶 2．轴流式水轮机 如图1-2所示，水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内水流保持轴向流动，轴流式水轮机的应用水头约为3～80m。轴流式水轮机在中低水头、大流量水电站中得到了广泛应用。根据其转轮叶片在运行中能否转动，又可分为轴流定桨式和轴流转桨式水轮机两种。轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定不动的，因而结构简单、造价较低，但它在偏离设计工况运行时效率会急剧下降，因此，这种水轮机一般用于水头较低、出力较小以及水头变化幅度较小的水电站。轴流转桨式水轮机的转轮叶片可以根据运行工况的改变而转动，从而扩大了高效率区的范围，提高了运行的稳定性。但是，这种水轮机需要有一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。