浅析水轮机的选型设计

张强

摘要：水轮发电机时指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。本文以对X水电站调节系统设计与分析为例。从初步选择，对各项指标进行综合比较，到选定最优方案，确定水轮机型号HLA511-LJ-410、选择4台机组，来介绍水轮机选型方法。

一、水轮机类型的确定

由所给出的原始数据克制水轮机的运行水头范围为52-76米，则可供选择的水轮机型式有混流式、斜流式以及轴流转浆式三种。斜流式水轮机适用于水头变幅大的电站，转轮叶片可以转动而实现双重调节，处于高效率区的流量和出力范围大，效率曲线比较平坦。但目前由于其制造工艺复杂，技术要求高，故很少使用。而混流式水轮机具有结构紧凑、运行可靠、效率高，能适应很宽的水头范围等特点，技术十分成熟，是目前国际国内应用最广泛的水轮机机型，安装检修均具有强有力的技术保障，且由于本次设计的电站水头变化范围较小，且负荷变化较大，故决定采用混流式水轮机。

根据原始资料中的最高水头76米，查《混流式水轮机转轮型谱参数表》，经过初步比较判断选择6个型号的转轮，其详细参数见下表

经过对这几个机型的参数的初步比较，可以看出A511-35型、HL220.46型及A248-35型模型水轮机在最优工况下的单位转速、单位流量、最高效率以及限制工况点的单位流量均比较高，且高效率区较宽，可使原型机获得较高的转速和较大的通过流量，从而在相同出力的情况下缩小机组的尺寸，同时模型机的气蚀系数较小，有利于电站的稳定运行，故选取上述三个水轮机机型进行计算.

二、机组台数的确定

由原始资料可知，该水电站的装机容量为280MW，根据实践经验，在合理要求的情况下，可采用3 台、4台、5 台机组的设计方案进行计算比较。

三、水轮及装置方式的确定

设计电站的最大水头是76米，且装机容量属于大机组，故应按立式布置方式。

四、水轮机选型计算

分别对以上九個方案进行计算，并根据计算结果确定各模型转轮型号的最优方案。确定转轮直径和同步转速等参数，步骤如下：

（1）、根据电站的总装机容量及其机组的台数，确定单机的出力Nr，然后计算转轮直径D1，最后根据算出的转轮直径，查水轮机的标准直径D1；

（2）、原型水轮机的最高效率ηT0的计算，计算效率修正值确定△η，最后求出原型机的效率ηT，并判断单位参数是否需要修正；

（3）、计算单位转速的修正值△n并判断其否需要修正，然后计算原型机最优工况下的单位转速（n110）T，并根据其计算值确定标准值（与发电机的同步转速一致）；

（4）、在各水头下计算模型机的转速，画线看转速是否通过高效率区；

（5）、计算水轮机设计水头下的出力pr和最小水头小的出力pmin，判断出力是否满足pmin

（6）、根据以上指标综合考虑，选择方案二，方案五，方案七

五、待选方案的综合比较

结合运转综合特性曲线对各水轮机的各项综合指标进行计算及比较，最终确定水轮机转轮型号。其中，所计算的指标主要有：

1、吸出高度：水轮机的吸出高度Hs是指下游水面至转轮叶片上压力最低点之间的距离，是一个相对值，直接关系着水轮机的气蚀性能

2、比转速：与水轮机的运行工况有着密切的联系，其下限受能量指标（出口动能损失）的限制，上限受到气蚀条件的限制。

3、平均效率：机组平均效率是衡量机组经济性的重要指标，机组的平均效率越高，其经济性就越好，工作在高效率区的机率就越高。

4、飞逸转速：飞逸转速是衡量机组安全性的重要指标。

5、受阻容量：机组受阻容量为单台机组容量与最小水头下机组的最大出力之间的差值。

由运转综合特性曲线可看出，方案七的高效率区明显少于其他两个方案，所以最终只对方案二和方案五进行综合比较。

从表1-5比较看出HL511-LJ-410型的平均效率、最高效率、吸出高度、安装高程和比转速都比HL220-LJ-410型大，且飞逸转数和受阻容量相差不大，所以选择HL511-LJ-410型水轮机。

结束语

电力系统对不同水电站有不同要求，例如基荷、腰荷、调频、调峰、事故备用或几项组合，每个电站机组的实际情况不一样，如机组结构、监控信号、频率、水头、操作要求等，这些都对水轮机的造型要求不同。因此，需要从多方面进行水轮机的选择和使用，在满足“可靠性、灵敏性、稳定性”的基础上考虑水电站发展的需要，包括建设智能化、数字化水电站，满足和适应当前技术及发展的需要，保证水电站的安全、稳定、可靠、经济运行。

参考文献：

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