第一節(jié)　水輪機的選擇

一、水輪機選擇的內容

在水電站設計中，水輪機的選擇是在工作水頭、引用流量和裝機規(guī)模擬定的基礎上進行的，主要內容包括：

（1）水輪機臺數的確定。

（2）水輪機型式的選擇。

（3）水輪機單機容量的確定。

（4）水輪機型號的選擇（水輪機裝置方式、轉輪直徑、轉速、沖擊式水輪機的射流直徑和噴嘴數）。

（5）計算水輪機吸出高度、安裝高程。

（6）繪制水輪機運轉特性曲線。

二、水輪機選擇的基本要求

水輪機選擇必須充分考慮電站的特點，即水能、水文、電力系統(tǒng)、樞紐布置等方面對水輪發(fā)電機組的要求，然后擬定幾個方案，對以下幾方面進行技術經濟比較。

（1）在額定水頭下水輪機能發(fā)足額定輸出功率，低于額定水頭時，受阻容量盡可能小，平均效率高。

（2）根據河流水質、設備制造工藝等情況，中、小型水電站宜不選用極限水頭的水輪機，在水輪機推薦使用的水頭范圍內，要留有一定的裕度，以有利于獲得較高的能量指標和較好的防空蝕性能。當兩者不能兼顧時，從電站實際出發(fā)，選擇比較有利的機型。

（3）水輪機運行穩(wěn)定、靈活、安全可靠、防空蝕性能好。

（4）設備先進，結構合理。

三、水輪機選擇所需資料

（1）電站開發(fā)方式及水庫的調節(jié)性能。

（2）上、下游各特征水位。

（3）下游水位-流量關系曲線。

（4）河流水質資料。

（5）水電站特征水頭：最大水頭Hmax，額定水頭Hp，最小水頭Hmin。

（6）電站引用流量。

（7）電站裝機容量。

（8）各水輪機廠家產品目錄。

（9）其他有關資料。

四、水輪機容量與機型選擇

（一）水輪機單機容量與機組臺數的選擇

單機容量選擇在電站裝機容量確定的基礎上進行。根據電站的初期及最終規(guī)模、電站運行方式、樞紐布置、水輪機生產情況等，經過技術經濟比較確定。機組臺數多少，直接影響電站的投資和效益。合理選擇機組臺數，應考慮下列幾方面：

（1）水輪機臺數與水電站投資的關系。機組的臺數增加，使附屬設備和電氣設備增加，主結線復雜，廠房平面尺寸增加，機組安裝繁瑣，單位千瓦投資增加；同時因為采用了小機組，縮減了起重設備、安裝場地、機坑挖方等方面的費用。因此，合理選擇水輪機的臺數，有利于節(jié)約投資。

（2）機組臺數與水輪機類型的關系。對于軸流定槳式水輪機，其效率特性曲線比較陡峻，當輸出功率變化時，效率變化較劇烈，選擇多臺可改善效率的平穩(wěn)程度；水斗式水輪機效率變化平穩(wěn)，可減少臺數；貫流式水輪機高效區(qū)狹窄，低負荷運行時，效率急劇下降；混流式水輪機在負荷變化時，效率變化大。因此，選擇臺數時，應充分考慮所選水輪機的類型及其特性。

（3）機組臺數與運行維護的關系。機組臺數多，運行方式機動靈活，便于灌溉、供水需要，事故影響較小，能較好地適應負荷和流量變化，運行效率高。但增加了機電設備、廠房投資，運行人員增多，管理費用增加。考慮安裝、運行維護方便和機組輪換檢修時不停止發(fā)電，中小型水電站一般選擇2～4臺機為宜，一般多為2臺。

（二）水輪機機型的選擇

水輪機的機型主要決定于水電站的水頭，由中小型反擊式水輪機轉輪系列型譜（JB/T6310-92）參數表或制造廠家提供的新轉輪參數中推薦使用水頭范圍選取（見表1-1、表1-2）。在選型時，某一水頭范圍內，若有兩種水輪機型號可選，應結合電站具體條件對不同水輪機型進行詳細比較，選擇適合電站具體條件的水輪機型號。現就在同一水頭范圍內，不同型式的水輪機比較如下：

1.貫流式與軸流式比較

貫流式水輪機適用于低水頭大流量的電站，水力性能優(yōu)良。由于無蝸殼和肘形尾水管，運行效率比軸流式高。小型貫流式水輪機可不設專門的廠房，土建工程量小。相同容量的機組，軸伸貫流式轉輪直徑較軸流式約小10％～15％。因此，在選擇時，要根據貫流式和軸流式的特性，進行經濟技術比較，擇優(yōu)選取適合電站實際情況的機型。

2.軸流式與混流式比較

軸流轉槳式水輪機適用于水頭變幅及負荷波動較大的電站，在這些工況下能高效穩(wěn)定運行；軸流定槳式由于葉片裝置角不能改變，當負荷變化時，效率下降較快。軸流式的比轉速較混流式高，有利于縮小機組尺寸，但防空蝕性能差；軸流式較混流式水推力系數大，因此推力軸承荷重大，軸承和轉輪等部件結構復雜，安裝維護困難，造價高。

3.混流式與水斗式比較

混流式水輪機的單位流量較水斗式大，當水頭高，水中含沙量多時，受到空蝕條件的限制，此時實際采用的單位流量有時反比多噴嘴水斗式水輪機小。混流式水輪機最高效率較水斗式高，適用于水頭變幅大的電站，而多噴嘴水斗式水輪機在負荷變化時效率的改變較混流式小，適用于負荷變化較大的電站。水斗式水輪機的轉輪安裝在最高尾水位以上，空蝕磨損較輕，且檢修維護方便。多泥沙河流上的水電站，特別是高水頭電站，選擇水輪機參數時應充分考慮泥沙對水輪機的磨損。一般采用低參數轉輪，以降低過機的水流速度，減少泥沙磨損。

選用低參數有以下兩個途徑：

1）選擇適用水頭較高的低檔轉輪（使轉輪在該電站降低水頭使用）以獲得較小的過機流速，改善空蝕性能。

2）減小設計工況下單位流量Q'1，甚至選用最優(yōu)單位流量Q'10，作為設計工況下單位流量。用增大轉輪直徑D1，來減少過機流速。此種方法可能會導致部分負荷時水輪機效率降低，并且要注意小負荷時的運行穩(wěn)定性。

五、水輪機基本參數選擇計算

（一）反擊式水輪機基本參數的選擇計算

1.轉輪直徑D1的計算

按電站水頭選定水輪機型號后，即可利用轉輪模型綜合特性曲線計算水輪機轉輪直徑D1。

式中　Nf——發(fā)電機額定功率（kW）；

Q'1——額定工況下單位流量，m3/s。對于混流式和軸流定槳式水輪機取5％出力限制線處的單位流量。對于轉槳式水輪機，由于受空蝕條件的約束，可選取限制工況下的單位流量；

ηf——發(fā)電機效率，小型發(fā)電機一般可取0.95～0.96；

ηT——原型水輪機效率（％）；

Hp——水輪機的額定水頭（m）。

按公式計算出D1值后，根據反擊式水輪機標準直徑系列表1-3選取標準直徑。一般情況下盡量按標準直徑系列表選取，但在不適宜選取時，只要水輪機參數選擇合理，經過經濟技術比較，也可考慮選擇非標準直徑。

2.水輪機轉速計算

式中　n——原型水輪機轉速；

n'1——水輪機單位轉速。在綜合特性曲線上查取，混流式按（1～1.05）n'10選取，對軸流式可按1.1n'10選取；

Hcp——水輪機加權平均水頭（m）；

D1——原型水輪機轉輪直徑（m）。

按上式計算所得轉速應按發(fā)電機標準同步轉速選取，見表1-4。轉速的最終確定應考慮到水輪機的效率，發(fā)電機的造價和制造工藝等因素。

3.吸出高度Hs的計算

式中　Hp——電站額定水頭（m）；

σ——空蝕系數；

k——電站裝置空蝕系數與模型空蝕系數的比值，通常可在1.2～1.6范圍內選取（根據所選機型、材質考慮取值）；

▽——電站海拔高程（m）。

4.飛逸轉速np的計算

反擊式水輪機的飛逸轉速np與水輪機水頭、導葉開度有關。其中轉槳式水輪機的飛逸轉速還和葉片轉角甲有關，設計中主要確定最大飛逸轉速npmax。

式中　Hmax——最大水頭（m）；

n'1pmax——最大單位飛逸轉速（r/min）。

部分轉輪的最大單位飛逸轉速值見表1-5，供計算時使用。

初步設計時，若無飛逸特性曲線或最大單位飛逸轉速n'1pmax時，可按飛逸系數kf近似估算飛逸轉速nf：

對于混流式或水斗式水輪機：kf=1.7～2.0。

對于保持協聯關系的轉槳式水輪機：kf=2.0～2.2。

對于協聯關系破壞的轉槳式水輪機：kf=2.4～2.6。

5.軸向水推力Pz的計算

式中　kz——軸向水推力系數，見表1-6和表1-7。

6.水輪機運轉特性曲線的繪制

水輪機運轉特性曲線是由模型綜合特性曲線換算繪制的，表示所選水輪機的工作參數H、N、η、Hs之間的關系。運轉特性曲線以H為縱坐標，以N為橫坐標繪制有等效率曲線、等吸出高度Hs線和發(fā)電機及水輪機出力限制線，并繪制等導葉開度ao線，轉槳式水輪機還繪制等葉片轉角φ線。

現就有關效率曲線換算步驟簡述如下：

（1）原型水輪機效率ηT的計算：

1）計算效率修正值Δη：由于原型和模型水輪機之間液流摩阻損失以及幾何尺寸不同等原因引起的水力損失也不同，由此而使得原型和模型水輪機在相似工況下，其效率不相等，原型小輪機效率總是高於模型水輪機效率，因此，必須對模型效率進行修正。修正方法如下：

式中　ηT——原型水輪機效率；

ηm——模型水輪機效率；

ηTmax——原型水輪機最高效率；

ηmmax——模型水輪機最高效率，對轉槳式水輪機應為設計點所在角度的最高效率。

其他工況點的效率修正按最高效率修正值修正。

按國際電工委員會規(guī)定：

對于混流式：

對于軸流式：

由于原型和模型水輪機的引水室、尾水管和轉輪等部件不能完全符合相似條件；另一方面由于制造工藝水平等原因將引起水輪機效率下降，有關異形部件和制造工藝質量引起的效率修正值可參考有關方面的資料取值。一般制造廠提供的效率值，因考慮工藝水平及制造誤差，比計算值小。

2）計算原型水輪機效率：

式中　ηm——模型水輪機效率。

（2）單位轉速修正：

式中　n'1T——原型水輪機設計單位轉速；

n'1m——模型水輪機單位轉速；

n'10——模型水輪機最優(yōu)單位轉速；

Δn'1——單位轉速修正值。

當Δn'1≤3％時，可不作修正。

（3）運轉特性曲線的繪制

利用綜合特性曲線（見圖1-1）繪制運轉特性曲線：在最大水頭Hmax～Hmin范圍內，按等分取3～5個水頭，照表1-8的格式進行計算。

1）繪制等效率曲線：①按表格內工作特性曲線計算部分各水頭欄中的效率，ηT和對應的出力值繪制ηT=f（NT）工作特性曲線，見圖1-2（a）。②在ηT=f（NT）曲線上每隔1％～2％的效率值作水平線交曲線于f1、f2…fn點〔圖1-2（a）〕，將各交點移至H～NT坐標圖上，并連成光滑曲線，即為效率線〔圖1-2（b）〕。③按〔圖1-2（a）〕中各水頭下的最高效率值ηTmax=f（H）輔助曲線〔圖1-2（c）〕可確定各等效率線相應于最高和最低水頭時的數值。

2）繪制等吸出高度線：①按計算表內吸出高度計算部分各水頭欄中的NT和Hs值，繪制各水頭下的Hs=f（NT）輔助曲線（圖1-3）。為簡化計算，其中的NT值可從（圖1-4）的輔助曲線NT=f（Q'1M）上查得。②在Hs=f（NT）曲線圖中，H值每隔1M作水平線，得與各曲線的交點將各交點移至H～NT坐標圖上連成光滑曲線，即為吸出高度線。

3）繪制出力限制線：出力限制線由發(fā)電機出力限制線和水輪機出力限制線兩部分組成。在額定水頭以上受發(fā)電機出力限制，為一條直線；在額定水頭以下受水輪機最大導葉開度或空蝕限制，最簡便的繪制方法是將額定水頭下發(fā)出額定出力和在最小水頭，最大導葉開度下的出力點連成一直線，作為水輪機出力限制線。水輪機運轉特性曲線的繪制，是水輪發(fā)電機組選型的主要任務之一（見圖1-5）。通過特性曲線圖可以檢查所選主機設備是否合適，即在所設計水電站的正常水頭和流量下，能否處于高效率區(qū)運行，否則應該重新考慮選型方案。同時，特性曲線圖也為電站建成后提供了機組優(yōu)化運行的重要依據。

（二）沖擊（水斗）式水輪機基本參數的選擇計算

沖擊（水斗）式水輪機選型計算有兩種方法，一種是改變比轉速法；另一種是固定比轉速法。

1.改變比轉速法

（1）裝置形式及轉輪與噴嘴數量

根據電站布置要求及單機容量大小，擬定幾種裝置形式及轉輪與噴嘴個數：中、小型水斗式水輪機一般采用臥軸布置，一個轉輪，1～2個噴嘴；容量較大的機組，可以采用立軸布置，一個轉輪，2～6個噴嘴。

（2）計算各方案的水輪機參數

1）轉速n計算：

根據公式：

式中　NT——水輪機額定輸出功率，kW；

ns——水輪機比轉速，m·kW；

N1——單個噴嘴的輸出功率，kW；

Kp——轉輪數；

Z0——每個轉輪的噴嘴數；

nsl——單噴嘴比轉速，當一個噴嘴時，nsl=ns（m·kW）。

當200m水頭時nsl=28m·kW；600m水頭時nsl=15.5m·kW；在200m至600m水頭范圍內，可以按線性關系求得各水頭時的nsl值。

按計算的轉速選擇接近有可能實現的幾個同步轉速，列為比較方案。

2）計算射流直徑d0：

式中　Qp——水輪機額定流量，m3/s；

Nf——發(fā)電機額定功率，kW；

ηT——水輪機效率，取0.85～0.87；

ηf——發(fā)電機效率，取0.95～0.97。

3）計算轉輪直徑D1：

4）求出D1/d0：

為使水輪機有較高的效率，D1/d0一般宜在10～20范圍內，小值適用于低水頭，大值適用于高水頭。

5）水輪機預期效率估算：

按每個方案的nsl，從水斗式水輪機預期效率表中（見表1-9），采用內插法近似求得，效率不作修正。

6）飛逸轉速nf的計算：

7）噴嘴直徑dp的計算：

dp=（1.15～1.25）d0（mm）

8）水斗數Z1的估算：

（3）選擇最佳機型推薦方案

根據對擬定的幾個方案的計算，通過技術經濟比較，可選出最佳的方案，作為機型推薦方案。

2.固定比轉速法

此方法與反擊式水輪機的計算方法類似，計算步驟如下：

（1）水輪機流量的計算

式中　Nf——發(fā)電機額定功率，kW；

ηf——發(fā)電機效率，％；

ηT——水輪機效率，％。

（2）射流直徑d0的計算

式中　Z——噴嘴數；

Q——水輪機設計流量，L/s。

計算出射流直徑以后，根據型譜采用的尺寸系列，選取標準射流直徑d0，標準射流直徑為：4.5、5.5、7、9、11、12.5、14。

（3）噴嘴直徑dc計算

（4）直徑比D1/d0的確定

根據水頭大小，從水輪機比轉速與水頭的關系曲線（圖1-6）上選取一個噴嘴的合適比轉速ns，然后根據比轉速ns與比值D1/d0的關系，查圖選取D1/d0值（見圖1-7），此值一般在10～20之間效率為最高。

（5）水輪機轉速的計算

式中　n1'——單位轉速，在水斗模型綜合特性曲線選取，近于最優(yōu)單位轉速值。

根據計算值，選取相近的發(fā)電機同期轉速。

（6）水輪機飛逸轉速np計算

（7）水輪機設計流量的核定

式中　Q——水輪機設計流量，L/s；

d0——射流直徑，mm；

Hp——電站額定水頭，m；

Z——噴嘴數，個。

（8）校核水輪機輸出功率

式中　ηT——原型水輪機效率。取模型轉輪綜合特性曲線上Q'1、n'1相對應的效率值，加上修正值。

六、水輪機安裝高程ZA的確定

水輪機的吸出高度Hs確定以后，即可確定水輪機的安裝高程。水輪機安裝高程指水輪機導葉中心線高程。

1.立軸混流式水輪機

式中　ZA——水輪機安裝高程；

Hs——吸出高度，m，按公式（1-3）計算；

b0——導葉高度，m；

Zdmin——最低尾水位（m）；電站裝機1～2臺時，按臺水輪機的流量確定；3～4臺時按1臺水輪機額定流量確定。

2.立軸軸流式水輪機

式中　D1——轉輪直徑（m）；

X——軸流式水輪機的高度系數，一般取X=0.41。

3.臥軸反擊式水輪機

4.水斗式水輪機

1）立軸水斗式水輪機

2）臥軸水斗式水輪機

式中　Zdmax——電站最高尾水位；

hp——排出高度，為使水斗式水輪機不淹轉輪，機組能安全穩(wěn)定運行，防止尾水渠中渦流及水流飛濺而造成能量損失所必需的高度。一般取hp=（1～1.5）D1（m）；立軸機組取大值，臥軸機組取小值。