水轮机选择所需资料

在选择水轮机前，除应了解我国水电建设的方针政策外，主要应收集以下资料和参数：

1.水利水电规划情况及与电站规模有关的参数：了解水电站所在流域的水文、地质、河流开发方式、水库调节性能、电站类型及枢纽布置情况等。

2.所在电力系统的资料：如电力系统的容量、负荷情况、用户性质、设计电站在系统中的作用、地位及系统对设计电站的要求等。

3.水轮机产品技术资料：如水轮机型谱资料、参数及性能，同类电站技术资料等。

4.当地施工和运输条件。

（二）水轮机选择原则

水轮机选择遵循的原则是：在满足水电站出力要求和与水电站参数（水头和流量）相适应的条件下，选用性能好和尺寸小的水轮机。

所谓性能好，包括能量性能好和耐汽蚀性能好两个方面。能量性能好是要求水轮机的效率高，不仅水轮机最高效率高，而且在水头和负荷变化的情况下，其平均效率也高。为此应尽可能在水电站水头变化范围内选择 曲线变化平缓的水轮机。耐汽蚀性能好，就是说所选水轮机的汽蚀系数要小，能保证机组运行稳定可靠。

要使水轮机尺寸小，就应尽可能选用比转速高的水轮机，比转速高的水轮机转速高，转轮直径小。为此，在水轮机选择计算时，应采用 等于或稍高于最优单位转速 ，而 值则应采用型谱表中推荐使用的最大单位流量 ，以充分利用水轮机的过水能力，减小水轮机尺寸。

选择水轮机除考虑上述基本原则外，还应考虑所选择机组易于供货，运输困难小，施工安装方便，以便尽可能缩短水电站建设工期，争取早日发电。

（三）水轮机选择内容

水轮机选择的程序基本上是先拟订几个可能的待选方案，对每一个待选方案来说，水轮机选择的主要内容有：

1．选择机组台数和单机容量；

2．选择水轮机的型号及装置方式；

3．确定水轮机的转轮直径及转速；

4．确定水轮机的最大允许吸出高度和安装高程；

5．绘制水轮机的运转综合特性曲线，（一般由厂家提供）

6．确定蜗壳和尾水管的形式及尺寸；

7．选择调速器及油压装置（在第五章介绍）。

二、机组台数与机型的选择

（一）机组台数的选择

水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积，根据已确定的装机容量，就可拟定出几个机组台数的方案。机组台数的选择通常从下列几个方面考虑。

1.机组台数与水轮机类型的关系

水轮机类型不同，机组台数对水电站平均效率的影响也不同。

2.机组台数与水电站在系统中担负负荷类型的关系

3.机组台数与供电可靠性的关系

4.机组台数与水电站造价的关系

上述各因素中都包含着互相对立又互相联系的两个方面，在选择时应针对主要因素确定合理的机组台数。我国已建成的中型水电站大多采用4～6台，大型水电站采用6～8台，小型水电站以2～4台为宜。

(二)机型选择

水轮机机型选择是在已知装机容量 和水电站各种特征水头 、 、 和 的情况下进行的。当已知装机容量 和选定机组台数 后，则水轮机单机出力 ，其中 为发电机效率，大中型机组 =96%～98%，中小型机组 =95%～96%。需要说明的是：尽管人们在习惯上常把单机容量也说成单机出力，但是，单机容量与单机出力还是有区别的，单机容量是指机组发电机的额定容量，单机出力则是指水轮机的额定出力。由于存在发电机效率问题，故单机出力总大于单机容量。

大中型与中小型水轮机型谱的衔接，以转轮直径 为标准， ≥1m的混流式水轮机和 ≥1.4m的轴流式水轮机，按大中型水轮机型谱执行，其它按中小型水轮机型谱执行，且大中型与中小型水轮机型谱不能通用。

大中小型水轮机的划分可参考下表。

水轮机机型可根据水轮机型谱选择，也可根据水轮机使用范围综合图选择。

1.根据水轮机型谱选择机型

根据已确定的单机出力及水电站水头范围，从水轮机型谱中选择出适宜的机型。型谱中推荐了各种机型适用的水头范围，其上限水头是由水轮机结构强度和汽蚀特性等条件限制的，下限水头主要是由经济因素定出的。适合电站水头范围的机型即为可选机型。

例1：H_min=25m, H_max =36m, H_p =28.5m，N=18000kw

求：水轮机选型

解：由单机出力确定为中型，由水轮机转轮型谱表得，ZZ440，HL240

例2：H_min=30m, H_max =40m, H_p =34m，N=600kw

求：水轮机选型

解：由单机出力确定为小型，由表4-4得，HL260，HL110，HL220

例3：H_min=40m, H_max =65m, H_p =49m，N=2200kw

求：水轮机选型

解：由单机出力确定为小型，由表4-4得，HL160，HL110，HL220

2.根据水轮机使用范围综合图选择机型（小型反击式）

水轮机使用范围综合图是在以水头为横坐标，出力为纵坐标的坐标系中，绘出每种水轮机使用范围的图形。在水轮机使用范围综合图上，每种水轮机使用范围为一斜方框，方框的两竖线为水头范围，两斜线为该型水轮机最大、最小转轮直径的出力范围选择时，根据设计水头和单机出力查图确定，坐标点所在方框的机型即为可选机型。

例1：H_min=30m, H_max =40m, H_p =34m,N=600kw

求：水轮机选型

解：HL220-84

例2：H_min=40m, H_max =65m, H_p =49m,N=2200kw

求：水轮机选型

解：HL220

三、水轮机主要参数确定

（一）用系列应用范围图确定反击式水轮机主要参数

水轮机厂家对各系列水轮机均绘出了相应系列的应用范围图，应用范围图表明了该系列水轮机在各种转轮直径 和转速 情况下的最优工作范围。

系列应用范围图是在以水轮机单机出力 为纵坐标，水头 为横坐标的坐标系中，绘有许多平行斜线，并用短线将其分成许多平行四边形方格，每一小方格内注明水轮发电机的同步转速，最右边的数字是水轮机的标称直径 。

根据电站设计水头 和单机出力 ，在应用范围图上找出坐标点所在的小方格，则方格内的数字即为该型号水轮机的转速，方格最右边方框内数字就是转轮直径 。

为了确定水轮机的吸出高度 ，在水轮机系列应用范围图旁边还绘有 关系曲线，曲线上 是理论吸出高度（假定水轮机安装地点的海拔高程▽=0时，水轮机的最大允许吸出高度）。确定水轮机吸出高度时，根据电站建设地点的海拔高程由理论吸出高度进行修正。  即

= -

对混流式水轮机，由于 与 变化时，汽蚀系数 变化不大，故 关系曲线只有一条，对轴流式水轮机，当 与 变化时，汽蚀系数 变化较大，故 关系曲线有两条。上、下两条线相当于同一转轮直径 时 值的上、下限，  可根据选择点（ ， ）在系列应用范围图上方格中的位置选择。若选择点在斜方格的上斜线上，则采用上面的一条 关系曲线；若选择点在斜方格的下斜线上，则采用下面一条 关系曲线；若选择点在斜方格的上下斜线之间，则可按其位置内插查出 。

用系列应用范围图确定水轮机主要参数简便易行，但较粗略，所以，该方法只用于小型水电站，或为节省工作量用于水电站的规划和初设阶段各方案的比较。

（二）按模型主要综合特性曲线确定水轮机主要参数

根据模型主要综合特性曲线选择水轮机主要参数，确定步骤如下：

1.计算转轮直径

=     （m）

式中 —水轮机单机出力，kW；

_——设计水头，m；

_——水轮机单位流量， 。

按有利于工作稳定性和经济性的原则选取。对混流式水轮机：取过最优单位转速的水平线与5%出力限制线交点所对应的单位流量 。如图4—14；对于受汽蚀条件限制的转桨式水轮机：则需根据允许的最大吸出高度 ，反求出允许汽蚀系数 ，即

= - ，取过最优单位转速 的水平线与允许汽蚀系数 线交点所对应的单位流量 。对于 无限制要求的情况，则可采用型谱表中推荐的最大单位流量或设计单位流量。但在任何情况下，都不应超过型谱表中的推荐值。

— 原型水轮机效率，取上述计算点处的模型效率 加效率修正值 ，初步计算时可假定 =1%～3%，待 确定后再进行效率修正计算，计算的效率修正值 应与假定值相符，否则，应重新假定 ，重新计算确定 。

计算出 后，应选取与计算值相近的标称直径，通常取偏大值。我国型谱规定的标称直径（cm）尺寸系列

2.计算转速

  （r/min）

计算时： —转轮直径，采用选定的标称直径，m；

—水头，采用运行中经常出现的水头，可采用加权平均水头或设计水头，m；

  —单位转速，采用最优单位转速 ， = 。

计算出转速后，应选取与计算值相近的同步转速。水轮发电机的同步转速与其磁极对数有关

3.检验水轮机实际工作范围

由于所选水轮机的直径和转速都是取标准值，所以与计算结果往往会有差异，这就需要检验所选参数是否符合选型原则，为此，可从以下两方面检验：

(1)据水轮机单机出力 ，设计水头 和 、 ，计算相应的单位流量 ，即

检查计算的 是否接近而不超过原选择计算点所对应的 值。若超过，说明 太小，不能满足出力要求；若比原计算点的 小的多，说明 偏大，不经济。若符合接近而不超过原则，则将此 值代入上式即可求得水轮机设计流量，作为计算蜗壳尺寸的依据。

(2)据最大水头 、最小水头 和 、 ，计算相应模型水轮机的最小单位转速 和最大单位转速 ，即

在主要综合特性曲线上绘出对应于 和 为常数的两条直线，若这两条直线包括了主要综合特性曲线上的高效率区，则说明所选 和 是合理的。否则，应适当修改 和 ，重新计算。

只有以上两方面都能满足，才说明所选 和 在设计水头时能发出额定出力，且水轮机效率高，尺寸小。

1.计算允许吸出高度 并确定安装高程

            =10- - ； 或 =10- -

式中汽蚀系数 ，应根据 、 和 分别求出的 和 ，在主要综合特性曲线上查得，然后代入上式，分别计算 、 和 时的 ，并取偏于安全的最小值作为采用值。

安装高程根据确定的 值和所选机型进行计算确定。