关于反击式水轮机型号选择计算的分析

　　摘要：水轮机的型号选择是水电站设计中的一项重要工作，在水电站中，正确，合理的选择水轮机，对充分利用水流能量，保证电站机组的正常运行，降低成本，节约管理费用等均有直接的关系。 　　关键词：水轮机型号 转轮 转速 标准直径 　　0 引言 　　由于自然条件的差异，每个水电站都有不同的水头和流量，每个水电站需要根据各自的具体参数和要求，选择技术上合理，造价低，经济上能获得最大效益的水轮机，其内容包括：机组台数及水轮机型号确定、水轮及装置方式的确定、转轮直径与机组同步转速确定、机组运转综合特性曲线的计算和绘制、水轮机最大吸出高度的计算和绘制和安装高程的计算、待选方案的综合比较。 　　1 机组台数及水轮机型号确定 　　1.1 水轮机型式及转轮型号确定 　　1.1.1 水轮机型式主要由所给出的原始数据，根据水轮机的应用水头范围按下表进行选择。 　　1.1.2 水轮机转轮型号主要按照原始资料中的最高水头查《混流式水轮机转轮型谱参数表》，经过初步比较判断选择多个型号的转轮将其详细参数记录下来。经过对各机型参数的初步比较，选取上述部分水轮机机型进行计算，记录具体参数并复制相应的模型综合特性曲线。 　　1.2 机组台数选择 一般情况下各电站均不采用一台机组的设计。故在满足处理要求的情况下，可采用2 台、3 台、4台、5、6……台机组的设计方案进行计算比较，并比较所得结果，最终确定所选择的台数。 　　2 水轮机基本参数计算 　　根据电站水头选定水轮机型号后，利用转轮模型综合特性曲线计算水轮机的基本参数D1、n、Hs等。分别对所选的模型水轮机按照所选择的台数进行计算，求得转轮直径、机组同步转速，并根据计算结果最终确定机组台数。将确定台数的机组方案画运转综合曲线作进一步比较。 　　2.1 转轮直径 　　D1=■ N=■ 　　其中：N为水轮机的额定出力；Z为所选定的机组台数；Nf为发电机的额定容量；ηf发电机的效率大型机组取ηf=96%~97%，小型机组取ηf=95%~97%；Q11为限制工况点上的单位流量；Hr为电站的设计水头。 　　根据上部计算所得的直径，查表确定水轮机的标准直径 　　2.2 计算水轮机的转速 　　n=■ 　　其中：Hcp为加权平均水头；Hcp=(0.9~0.95)Hr（河床式取小值）；n110为模型机最优工况下的单位转速。 　　按照计算所得的原型水轮机转速，结合发电机的同步转速，查找接近并且偏大的同步转速，确定水轮机的标准转速。 　　2.3 校验水轮机的运行范围 按照查得的标准直径D1验证水轮机出力是否满足要求 　　N=9.81Q11D12Hr■η 其中：η=ηm+Δη 　　当N大于水轮机的额定出力时，说明D1符合要求； 　　按照查得的标准直径D1和标准转速n计算出水轮机在最大水头、设计水头和最小水头下的单位转速n11 　　n11=■ 　　按照计算所得的单位转速在模型综合特性曲线上找到各方案所穿越的效率区，选择通过最高效率区域的方案。 　　2.4 水轮机运转综合特性曲线 在确定转轮型号、转轮直径D1以及标准转速n 后，结合模型水轮机综合特性曲线，将水轮机的工作水头范围划分为若干个区域，从中选取5个特征水头进行列表计算，求出在各水头下，原形水轮机效率与出力之间的关系，吸出高度与出力之间的关系，并在坐标纸上以原型水轮机效率或吸出高度和出力为纵横坐标描出各点，最后用光滑的曲线将各点连接，得到η= f(P)、Hs=f(P)曲线，在曲线上做η=常数，Hs=常数的水平线，找出各点，对应在以水头，出力为纵横坐标的图上描点，最后用光滑的曲线将各点连接。 　　2.5 水轮机的最大吸出高度Hs 　　Hs=10-■-(σ+ΔσM)H 　　其中: 　　?荦为下游水面到海平面的标高； 　　H为净水头、包括最大，最小，设计水头的五个特征水头值； 　　Δσ为水轮机气蚀系数的修正值，查参考资料确定； 　　σ为模型水轮机的气蚀系数，由各水头所对应的的n11m在模型综合特性曲线上与5%出力限制线相交，由各交点读出。 　　由以上计算中选择一个最小值作为最大允许吸出高度 　　水轮机的吸出高度直接关系着水轮机的气蚀性能，在确定水轮机的安装高程时，可以通过选择合理的吸出高度Hs来控制转轮出口处的压力值，以防止翼型空化的严重发生。 　　2.6 水轮机安装高程的确定 吸出高度Hs是一个相对值，无法反映出绝对高程，因此要确定安装标记基准，就需要计算出水轮机的安装高程。 　　水轮安装高程为：?荦=?荦w+Hs+■ 　　其中?荦w为下游尾水位； 　　b0为水轮机导叶高度。 　　3 待选方案的综合比较 　　绘制出水轮机的运转综合特性曲线后，需对两机组的各项性能进行比较，并最终确定单一方案。确定最终方案的参数包括： 　　3.1 水轮机的比转速ns：比转速是水轮机的一个综合指标，从动能和经济学的观点看，提高水轮机的比转速是有利的，但是空化系数会增大，水轮机易发生气蚀。 　　3.2 转轮标准直径D1：D1直接影响到水轮机的出力，在满足要求的前提下，D1越小，则转轮体积越小，质量也越小，成本相应减小。 　　3.3 机组平均效率ηcp和最高效率ηmax：越高越好。 　　3.4 水轮机吸出高度Hs：水轮机的吸出高度直接关系着水轮机的气蚀性能，在确定水轮机的安装高程时，可以通过选择合理的吸出高度Hs来控制转轮出口处的压力值，以防止翼型空化的严重发生。 　　3.5 水轮机的飞逸转速np：飞逸转速的大小将直接影响机组的安全和造价，因此尽量限制飞逸转速的升高，以降低机组的重量和造价。 　　3.6 机组的受阻容量ΔN：越小越好。 　　4 结束语 　　正确的选择水轮机对水电站的影响很大，它影响电气设备的结构、型式、布置，决定着水电站主厂房的尺寸，直接关系到水电的经济效益，成本投资，要保证所选择的水轮机的转速高，允许析出高度大，转轮直径小，机组台数少，最大效率和平均效率高，气蚀系数小，运行稳定，可靠；制造、运输、安装等方便。 　　参考文献： 　　[1]郑源.水轮机.中国水利水电出版社出版. 　　[2]刘大恺.水轮机.中国水利水电出版社出版. 　　[3]王蕴莹.水轮机.中国水利水电出版社出版. 　　[4]王庆明.小型水电站机电设计图集.中国水利水电出版社出版. 　　[5]水电站机电设计手册.水力机械.手册组编.