第一节　水轮机的选择

一、水轮机选择的内容

在水电站设计中，水轮机的选择是在工作水头、引用流量和装机规模拟定的基础上进行的，主要内容包括：

（1）水轮机台数的确定。

（2）水轮机型式的选择。

（3）水轮机单机容量的确定。

（4）水轮机型号的选择（水轮机装置方式、转轮直径、转速、冲击式水轮机的射流直径和喷嘴数）。

（5）计算水轮机吸出高度、安装高程。

（6）绘制水轮机运转特性曲线。

二、水轮机选择的基本要求

水轮机选择必须充分考虑电站的特点，即水能、水文、电力系统、枢纽布置等方面对水轮发电机组的要求，然后拟定几个方案，对以下几方面进行技术经济比较。

（1）在额定水头下水轮机能发足额定输出功率，低于额定水头时，受阻容量尽可能小，平均效率高。

（2）根据河流水质、设备制造工艺等情况，中、小型水电站宜不选用极限水头的水轮机，在水轮机推荐使用的水头范围内，要留有一定的裕度，以有利于获得较高的能量指标和较好的防空蚀性能。当两者不能兼顾时，从电站实际出发，选择比较有利的机型。

（3）水轮机运行稳定、灵活、安全可靠、防空蚀性能好。

（4）设备先进，结构合理。

三、水轮机选择所需资料

（1）电站开发方式及水库的调节性能。

（2）上、下游各特征水位。

（3）下游水位-流量关系曲线。

（4）河流水质资料。

（5）水电站特征水头：最大水头Hmax，额定水头Hp，最小水头Hmin。

（6）电站引用流量。

（7）电站装机容量。

（8）各水轮机厂家产品目录。

（9）其他有关资料。

四、水轮机容量与机型选择

（一）水轮机单机容量与机组台数的选择

单机容量选择在电站装机容量确定的基础上进行。根据电站的初期及最终规模、电站运行方式、枢纽布置、水轮机生产情况等，经过技术经济比较确定。机组台数多少，直接影响电站的投资和效益。合理选择机组台数，应考虑下列几方面：

（1）水轮机台数与水电站投资的关系。机组的台数增加，使附属设备和电气设备增加，主结线复杂，厂房平面尺寸增加，机组安装繁琐，单位千瓦投资增加；同时因为采用了小机组，缩减了起重设备、安装场地、机坑挖方等方面的费用。因此，合理选择水轮机的台数，有利于节约投资。

（2）机组台数与水轮机类型的关系。对于轴流定桨式水轮机，其效率特性曲线比较陡峻，当输出功率变化时，效率变化较剧烈，选择多台可改善效率的平稳程度；水斗式水轮机效率变化平稳，可减少台数；贯流式水轮机高效区狭窄，低负荷运行时，效率急剧下降；混流式水轮机在负荷变化时，效率变化大。因此，选择台数时，应充分考虑所选水轮机的类型及其特性。

（3）机组台数与运行维护的关系。机组台数多，运行方式机动灵活，便于灌溉、供水需要，事故影响较小，能较好地适应负荷和流量变化，运行效率高。但增加了机电设备、厂房投资，运行人员增多，管理费用增加。考虑安装、运行维护方便和机组轮换检修时不停止发电，中小型水电站一般选择2～4台机为宜，一般多为2台。

（二）水轮机机型的选择

水轮机的机型主要决定于水电站的水头，由中小型反击式水轮机转轮系列型谱（JB/T6310-92）参数表或制造厂家提供的新转轮参数中推荐使用水头范围选取（见表1-1、表1-2）。在选型时，某一水头范围内，若有两种水轮机型号可选，应结合电站具体条件对不同水轮机型进行详细比较，选择适合电站具体条件的水轮机型号。现就在同一水头范围内，不同型式的水轮机比较如下：

1.贯流式与轴流式比较

贯流式水轮机适用于低水头大流量的电站，水力性能优良。由于无蜗壳和肘形尾水管，运行效率比轴流式高。小型贯流式水轮机可不设专门的厂房，土建工程量小。相同容量的机组，轴伸贯流式转轮直径较轴流式约小10％～15％。因此，在选择时，要根据贯流式和轴流式的特性，进行经济技术比较，择优选取适合电站实际情况的机型。

2.轴流式与混流式比较

轴流转桨式水轮机适用于水头变幅及负荷波动较大的电站，在这些工况下能高效稳定运行；轴流定桨式由于叶片装置角不能改变，当负荷变化时，效率下降较快。轴流式的比转速较混流式高，有利于缩小机组尺寸，但防空蚀性能差；轴流式较混流式水推力系数大，因此推力轴承荷重大，轴承和转轮等部件结构复杂，安装维护困难，造价高。

3.混流式与水斗式比较

混流式水轮机的单位流量较水斗式大，当水头高，水中含沙量多时，受到空蚀条件的限制，此时实际采用的单位流量有时反比多喷嘴水斗式水轮机小。混流式水轮机最高效率较水斗式高，适用于水头变幅大的电站，而多喷嘴水斗式水轮机在负荷变化时效率的改变较混流式小，适用于负荷变化较大的电站。水斗式水轮机的转轮安装在最高尾水位以上，空蚀磨损较轻，且检修维护方便。多泥沙河流上的水电站，特别是高水头电站，选择水轮机参数时应充分考虑泥沙对水轮机的磨损。一般采用低参数转轮，以降低过机的水流速度，减少泥沙磨损。

选用低参数有以下两个途径：

1）选择适用水头较高的低档转轮（使转轮在该电站降低水头使用）以获得较小的过机流速，改善空蚀性能。

2）减小设计工况下单位流量Q'1，甚至选用最优单位流量Q'10，作为设计工况下单位流量。用增大转轮直径D1，来减少过机流速。此种方法可能会导致部分负荷时水轮机效率降低，并且要注意小负荷时的运行稳定性。

五、水轮机基本参数选择计算

（一）反击式水轮机基本参数的选择计算

1.转轮直径D1的计算

按电站水头选定水轮机型号后，即可利用转轮模型综合特性曲线计算水轮机转轮直径D1。

式中　Nf——发电机额定功率（kW）；

Q'1——额定工况下单位流量，m3/s。对于混流式和轴流定桨式水轮机取5％出力限制线处的单位流量。对于转桨式水轮机，由于受空蚀条件的约束，可选取限制工况下的单位流量；

ηf——发电机效率，小型发电机一般可取0.95～0.96；

ηT——原型水轮机效率（％）；

Hp——水轮机的额定水头（m）。

按公式计算出D1值后，根据反击式水轮机标准直径系列表1-3选取标准直径。一般情况下尽量按标准直径系列表选取，但在不适宜选取时，只要水轮机参数选择合理，经过经济技术比较，也可考虑选择非标准直径。

2.水轮机转速计算

式中　n——原型水轮机转速；

n'1——水轮机单位转速。在综合特性曲线上查取，混流式按（1～1.05）n'10选取，对轴流式可按1.1n'10选取；

Hcp——水轮机加权平均水头（m）；

D1——原型水轮机转轮直径（m）。

按上式计算所得转速应按发电机标准同步转速选取，见表1-4。转速的最终确定应考虑到水轮机的效率，发电机的造价和制造工艺等因素。

3.吸出高度Hs的计算

式中　Hp——电站额定水头（m）；

σ——空蚀系数；

k——电站装置空蚀系数与模型空蚀系数的比值，通常可在1.2～1.6范围内选取（根据所选机型、材质考虑取值）；

▽——电站海拔高程（m）。

4.飞逸转速np的计算

反击式水轮机的飞逸转速np与水轮机水头、导叶开度有关。其中转桨式水轮机的飞逸转速还和叶片转角甲有关，设计中主要确定最大飞逸转速npmax。

式中　Hmax——最大水头（m）；

n'1pmax——最大单位飞逸转速（r/min）。

部分转轮的最大单位飞逸转速值见表1-5，供计算时使用。

初步设计时，若无飞逸特性曲线或最大单位飞逸转速n'1pmax时，可按飞逸系数kf近似估算飞逸转速nf：

对于混流式或水斗式水轮机：kf=1.7～2.0。

对于保持协联关系的转桨式水轮机：kf=2.0～2.2。

对于协联关系破坏的转桨式水轮机：kf=2.4～2.6。

5.轴向水推力Pz的计算

式中　kz——轴向水推力系数，见表1-6和表1-7。

6.水轮机运转特性曲线的绘制

水轮机运转特性曲线是由模型综合特性曲线换算绘制的，表示所选水轮机的工作参数H、N、η、Hs之间的关系。运转特性曲线以H为纵坐标，以N为横坐标绘制有等效率曲线、等吸出高度Hs线和发电机及水轮机出力限制线，并绘制等导叶开度ao线，转桨式水轮机还绘制等叶片转角φ线。

现就有关效率曲线换算步骤简述如下：

（1）原型水轮机效率ηT的计算：

1）计算效率修正值Δη：由于原型和模型水轮机之间液流摩阻损失以及几何尺寸不同等原因引起的水力损失也不同，由此而使得原型和模型水轮机在相似工况下，其效率不相等，原型小轮机效率总是高於模型水轮机效率，因此，必须对模型效率进行修正。修正方法如下：

式中　ηT——原型水轮机效率；

ηm——模型水轮机效率；

ηTmax——原型水轮机最高效率；

ηmmax——模型水轮机最高效率，对转桨式水轮机应为设计点所在角度的最高效率。

其他工况点的效率修正按最高效率修正值修正。

按国际电工委员会规定：

对于混流式：

对于轴流式：

由于原型和模型水轮机的引水室、尾水管和转轮等部件不能完全符合相似条件；另一方面由于制造工艺水平等原因将引起水轮机效率下降，有关异形部件和制造工艺质量引起的效率修正值可参考有关方面的资料取值。一般制造厂提供的效率值，因考虑工艺水平及制造误差，比计算值小。

2）计算原型水轮机效率：

式中　ηm——模型水轮机效率。

（2）单位转速修正：

式中　n'1T——原型水轮机设计单位转速；

n'1m——模型水轮机单位转速；

n'10——模型水轮机最优单位转速；

Δn'1——单位转速修正值。

当Δn'1≤3％时，可不作修正。

（3）运转特性曲线的绘制

利用综合特性曲线（见图1-1）绘制运转特性曲线：在最大水头Hmax～Hmin范围内，按等分取3～5个水头，照表1-8的格式进行计算。

1）绘制等效率曲线：①按表格内工作特性曲线计算部分各水头栏中的效率，ηT和对应的出力值绘制ηT=f（NT）工作特性曲线，见图1-2（a）。②在ηT=f（NT）曲线上每隔1％～2％的效率值作水平线交曲线于f1、f2…fn点〔图1-2（a）〕，将各交点移至H～NT坐标图上，并连成光滑曲线，即为效率线〔图1-2（b）〕。③按〔图1-2（a）〕中各水头下的最高效率值ηTmax=f（H）辅助曲线〔图1-2（c）〕可确定各等效率线相应于最高和最低水头时的数值。

2）绘制等吸出高度线：①按计算表内吸出高度计算部分各水头栏中的NT和Hs值，绘制各水头下的Hs=f（NT）辅助曲线（图1-3）。为简化计算，其中的NT值可从（图1-4）的辅助曲线NT=f（Q'1M）上查得。②在Hs=f（NT）曲线图中，H值每隔1M作水平线，得与各曲线的交点将各交点移至H～NT坐标图上连成光滑曲线，即为吸出高度线。

3）绘制出力限制线：出力限制线由发电机出力限制线和水轮机出力限制线两部分组成。在额定水头以上受发电机出力限制，为一条直线；在额定水头以下受水轮机最大导叶开度或空蚀限制，最简便的绘制方法是将额定水头下发出额定出力和在最小水头，最大导叶开度下的出力点连成一直线，作为水轮机出力限制线。水轮机运转特性曲线的绘制，是水轮发电机组选型的主要任务之一（见图1-5）。通过特性曲线图可以检查所选主机设备是否合适，即在所设计水电站的正常水头和流量下，能否处于高效率区运行，否则应该重新考虑选型方案。同时，特性曲线图也为电站建成后提供了机组优化运行的重要依据。

（二）冲击（水斗）式水轮机基本参数的选择计算

冲击（水斗）式水轮机选型计算有两种方法，一种是改变比转速法；另一种是固定比转速法。

1.改变比转速法

（1）装置形式及转轮与喷嘴数量

根据电站布置要求及单机容量大小，拟定几种装置形式及转轮与喷嘴个数：中、小型水斗式水轮机一般采用卧轴布置，一个转轮，1～2个喷嘴；容量较大的机组，可以采用立轴布置，一个转轮，2～6个喷嘴。

（2）计算各方案的水轮机参数

1）转速n计算：

根据公式：

式中　NT——水轮机额定输出功率，kW；

ns——水轮机比转速，m·kW；

N1——单个喷嘴的输出功率，kW；

Kp——转轮数；

Z0——每个转轮的喷嘴数；

nsl——单喷嘴比转速，当一个喷嘴时，nsl=ns（m·kW）。

当200m水头时nsl=28m·kW；600m水头时nsl=15.5m·kW；在200m至600m水头范围内，可以按线性关系求得各水头时的nsl值。

按计算的转速选择接近有可能实现的几个同步转速，列为比较方案。

2）计算射流直径d0：

式中　Qp——水轮机额定流量，m3/s；

Nf——发电机额定功率，kW；

ηT——水轮机效率，取0.85～0.87；

ηf——发电机效率，取0.95～0.97。

3）计算转轮直径D1：

4）求出D1/d0：

为使水轮机有较高的效率，D1/d0一般宜在10～20范围内，小值适用于低水头，大值适用于高水头。

5）水轮机预期效率估算：

按每个方案的nsl，从水斗式水轮机预期效率表中（见表1-9），采用内插法近似求得，效率不作修正。

6）飞逸转速nf的计算：

7）喷嘴直径dp的计算：

dp=（1.15～1.25）d0（mm）

8）水斗数Z1的估算：

（3）选择最佳机型推荐方案

根据对拟定的几个方案的计算，通过技术经济比较，可选出最佳的方案，作为机型推荐方案。

2.固定比转速法

此方法与反击式水轮机的计算方法类似，计算步骤如下：

（1）水轮机流量的计算

式中　Nf——发电机额定功率，kW；

ηf——发电机效率，％；

ηT——水轮机效率，％。

（2）射流直径d0的计算

式中　Z——喷嘴数；

Q——水轮机设计流量，L/s。

计算出射流直径以后，根据型谱采用的尺寸系列，选取标准射流直径d0，标准射流直径为：4.5、5.5、7、9、11、12.5、14。

（3）喷嘴直径dc计算

（4）直径比D1/d0的确定

根据水头大小，从水轮机比转速与水头的关系曲线（图1-6）上选取一个喷嘴的合适比转速ns，然后根据比转速ns与比值D1/d0的关系，查图选取D1/d0值（见图1-7），此值一般在10～20之间效率为最高。

（5）水轮机转速的计算

式中　n1'——单位转速，在水斗模型综合特性曲线选取，近于最优单位转速值。

根据计算值，选取相近的发电机同期转速。

（6）水轮机飞逸转速np计算

（7）水轮机设计流量的核定

式中　Q——水轮机设计流量，L/s；

d0——射流直径，mm；

Hp——电站额定水头，m；

Z——喷嘴数，个。

（8）校核水轮机输出功率

式中　ηT——原型水轮机效率。取模型转轮综合特性曲线上Q'1、n'1相对应的效率值，加上修正值。

六、水轮机安装高程ZA的确定

水轮机的吸出高度Hs确定以后，即可确定水轮机的安装高程。水轮机安装高程指水轮机导叶中心线高程。

1.立轴混流式水轮机

式中　ZA——水轮机安装高程；

Hs——吸出高度，m，按公式（1-3）计算；

b0——导叶高度，m；

Zdmin——最低尾水位（m）；电站装机1～2台时，按台水轮机的流量确定；3～4台时按1台水轮机额定流量确定。

2.立轴轴流式水轮机

式中　D1——转轮直径（m）；

X——轴流式水轮机的高度系数，一般取X=0.41。

3.卧轴反击式水轮机

4.水斗式水轮机

1）立轴水斗式水轮机

2）卧轴水斗式水轮机

式中　Zdmax——电站最高尾水位；

hp——排出高度，为使水斗式水轮机不淹转轮，机组能安全稳定运行，防止尾水渠中涡流及水流飞溅而造成能量损失所必需的高度。一般取hp=（1～1.5）D1（m）；立轴机组取大值，卧轴机组取小值。