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1 水电站的水轮机选型设计

1.1 水轮机的选型设计概述

水轮机的选型设计是水电站设计中的一项重要任务，其计算结果直接关系到水电站的

机组能否长期运行、投资的多少、经济效益的高低。它是根据水电站设计部门提供的原始资料及参数，选择合理的水轮机型号和计算水轮机的各种性能参数。一般情况下，先根据水电站的类型、动能计算以及水工建筑物的布置等初选若干个方案，然后进行技术经济比较，再根据水轮机的生产情况和制造水平，最后确定最佳的水轮机型号及尺寸。

1.2 水轮机选型的任务

本次水轮机选型的主要任务如下：

(1)确定电站装机台数及单机功率 (2)选择机组的类型及模型转轮型号 (3)确定机组的装置方式

(4)确定转轮直径、额定转速及飞逸转速 (5)绘制水轮机运转综合特性曲线 (6)轴向水推力的计算 (7)计算水轮机的外形尺寸

上述为水电站水轮机设计的一部分。本次设计还包括水轮机的过流部件蜗壳、座环、导水机构、尾水管的初步计算，最后绘制了水轮机总装图。

1.3 水轮机选型的原则

从现代水轮机的选型设计计算来看，水轮机的选型设计是一门系统工程学，要在电站水能资源综合利用、制造、运输、安装、土建电力用户、运行方式等诸多技术经济因素中寻找一个最佳的方案。水轮机选型设计的一般原则如下：

①所选水轮机要有较高的能量特性。不仅要选择额定工况下?max较高的水轮机转轮型号，还要根据水轮机的工作特性曲线即??f(N)及??f(H)曲线，选择平均效率?最高的水轮机型号，使水轮机在负荷和水头变化的情况下都具有最高的运行效率。

②所选水轮机要有良好的空蚀性能，较好的稳定性能，运行平稳、安全和可靠。 ③所选水轮机的尺寸尽量较小，结构要合理、先进，便于运输、安装、运行及检修。

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④转轮在选择比较时，应尽可能选用ns较高的水轮机，这样转速会比较高，相应的

机组尺寸就偏小，并且使所选的水轮机经常在最优工况区运行。在选择转轮参数时应该使n11值稍高于n110，且Q11值应接近于Q11max值。

1.4水轮机选型设计的主要参数

水轮机的选型是根据水电站设计部门提供的原始资料及数据，选择合适的水轮机型号，并计算水轮机的性能参数。 设计题目：水电站水轮机选型及结构设计 设计参数：

总装机容量：Ppl=40 MW=4万kW （2台） 最大工作水头： Hmax=78.2m 加权平均水头：Hpj=72.5m 最小工作水头：Hmin=60.60m 设计工作水头：Hr=70.3m 最大引用流量：qv,pi=79 m3/s 电站海拔高程：??509.8m 10m 该电站在电力系统中的地位及作用：本电站距负荷中心较远，在系统中担任基荷。

1.5 确定机组的单机容量（功率）

此电站装机台数为2台。确定电站的机组台数后，就可以求水轮机的单机容量。 单机容量：

Pg?ppiZ

式中：Ppl—电站总装机容量,已知：Ppl=40MW?KW； Z —电站的装机台数,Z=2。 计算得： Pg?20MW。 21KW1.6 选择机组类型及模型转轮型号

根据水电站的实际情况，正确选择水轮机型式是水轮机设计的一个重要环节。虽然各类水轮机有明确的适用水头范围，但由于它们的适用范围存在着交叉水头段，因此，必须

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轮机机型。

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水轮机型号的选择是根据水电站的特征水头，特别是其最大水头Hmax选择的。通常

根据水电站的具体条件对可供选择的水轮机进行具体的分析比较，才能选择出最合适的水

情况下，水轮机型号是根据水轮机的型谱性能参数进行选择的；若设计水头在交界水头段范围内，也就是有2种及其以上的转轮型号可选择时，就需要进行综合分析比较后才能选出最佳的转轮型号。

根据本次设计的特征水头：Hmax =78.2m，Hr =70.3m。通过中小型混流式水轮机模型转轮主要参数表，可确定本次设计所选水轮机的型号为：HL260/D74和HL240/D41。两个水轮机型号对应的相关模型转轮参数如表1.1所示。

表1.1 模型转轮主要参数表

转轮 型号 推荐使 模型转 用水头 轮直径 b 0流道尺寸 最优工况 Z1 D0 Z0 n110 Q110 ?0 ?0 H(m) HL260/D74 50~80 D1(cm) 35 0.28 14 1.16 24 (r/min) (m3/s) (%) 79 1.08 92.7 0.123 HL240/D41 70~105 35 0.25 14 1.16 24 77 0.95 92.0 0.09

1.7 初选设计（额定）工况点

水轮机的选型设计工况点是指水轮机在额定水头下发额定出力时的工况点，即（n11r，Q11r），如图1.1 所示。对已选定的水轮机转轮型号，查出其模型综合特性曲线。

图1.1 初选设计工况点

1.7.1 选择设计单位转速n11r

n

'1r?n'10HpjHr

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计算结果如表1.2所示。

表1.2 设计单位转速n11r计算结果 水轮机型号 HL260/D74 80.23 HL240/D41 78.2 式中：n'10—模型的最优单位转速。

n11r(r/min)

1.7.2 确定额定工况下的单位流量Q11r

在模型转轮综合特性曲线上作n11r的水平线交5%功率限制线于A点，A点即为初选设计工况点，见图1.2。A点的单位流量即为初选设计工况点下的单位流量，计算结果如表1.3所示。

n11(r/min) n11r5%功率限制线O Q11rQ11 (L/s)图1.2 初选设计工况点

表1.3 额定工况下的单位流量Q11r计算结果

水轮机型号 Q11r (m3/s) HL260/D74 1.24 HL240/D41 1.12

1.8 确定转轮直径D1

1.8.1 水轮机的额定出力

Pr?PF/?F

式中：Pr—水轮机额定功率，kW；

20000kWPF —发电机额定功率,PF?21KW；

初步设计时：大中型发电机?F=0.96~0.98，中小型发电机?F=0.92~0.94，功率较大、转速较高时取上限值。本次设计取0.94。 计算得：Pr?21270kW21875KW。

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