1、小型水电站水轮机选型设计要点分析摘要：根据多年对小型水电站设计工作经验,本文提出了在小型水电站的水轮机设计选型工作中应注意的一些问题。由于水轮机汽蚀特性、自身能量特性和强度条件的限制，每种水轮机流量范围和适用的水头比较窄，只有在这窄区域内运行，才具备良好的性能。 关键词：小型水电站；水轮机选型设计；转轮计算 中图分类号：TV74 文献标识码： A 近年来, 随着国家投入的增加,水电发展又迎来了一次高潮, 各地迅速发展着小型水电站。小型水轮机选型与大型水轮机相比, 不易引起工作足够的重视,且在市场环境中受到影响较大。在已运行的机组中,因选型造成的问题也较多。小型水电站水轮机的设计选型工作在当前的
2、形势下如何做好,以及如何通过具体的转轮计算来确定水轮机参数成为水轮机选型的关键。 一、小型水轮机设计选型的方法和方式 选型工作对水轮机最为重要,是对水轮机合理参数确定。虽然容量不大,但小型水电站对于业主而言,其运行效益仍是至关重要的。而影响电站运行效益的重要因素是水轮机的性能参数。有以下两种方法确定选择水轮机的参数:一种是根据模型资料和已有的水轮机型选择水轮机；另一种是用比转速作为重要依据, 以资料和实践经验为基础,确定水轮机参数,应用统计比较的方法选择。运用这两种方法选小型水轮机时,均有一定的局限性。如选择水轮机按照模型资料和已有的型谱,往往因为掌握的资料不够,对参数较优的机型无法选择；而选
3、择水轮机根据预估算的参数,则又容易与小型设备生产厂家生产制造能力、技术和掌握的机型脱节,原因是缺乏针对性。 二、计算转轮方法 有模型特性曲线综合选择法和图表法两种方法进行选型反击式水轮机,图表法可以分为应用范围图法和性能表法。 图表法选择: （一） 、性能表法 相关水轮机各种型号的性能,都是来自生产厂家提供的,将其产品,按额定流量、转轮型号、额定水头、转轮直径及额定转速, 每个厂家都列出水轮机性能表, 如没有设计水头参数在水轮机性能表中,可进行插值计算用相似定律,进行选择水轮机。 例:水头为 74m 的某电站设计,选用 HL-WJ-84 型水轮机。没有 74m 水头的性能参数在这种型号的水轮机
4、的性能表中, H1=70m 的性能为Q1=2.25m3/s, n1=587r/min,N1=1300kw 由该型号水轮机性能表查出,代如相关参数到公式 Q2=Q1H2/H1、n2=n1H2/H1、N2=N1(H2H2)/(H1H1) 分别得到: Q2=2.3m3/s、n2=603r/min、N2=1440kw (二)、应用范围图法 在对水轮机的粗选时该法多数使用,该法选择水轮机主要是对水轮机系列应用范围利用, 对水轮机选型此法仅局限于水电站项目建议书阶段。选择水轮机转轮采用以上两法,都不够准确,选择水轮机转时为了准确,在一个良好的工况点使水轮机能运行,选择水轮机转轮只有用模型综合特性曲线法。选
5、择反击式水轮机利用模型综合特性曲线的基本原理是:将原型水轮机的主要参数(转速和转轮直径等) 根据相似定律计算公式先定出,再与水轮机的其他工作条件(流量范围和水头)相结合, 把这些主要参数,利用相似定律,反算成模型水轮机的参数(单位流量 Q1和单位转速n1等)。最后在模型水轮机的综合特性曲线上把 Q1和 n1等数值标定, 以检验对高率区工作所选水轮机能否满足,若不能满足,对主要参数应重新选定,直至满足为止。 三、冲击式水轮机基本规律研讨 （一） 、冲击式水轮机原理模型基本理论，为理论的冲击式水轮机总纲，对一些认识的困惑与混淆进行排除，提出了新的观点。在水斗式水轮机的科研、结构更新以至设计理论等方
6、面给出了新的思路。 （二） 、射流入射角相同的斜击式水轮机基本原理模型中，同样有其动力性能最佳的方案，这是斜击式水轮机设计的基础。但是，其最优效率是随射流入射角的加大而有规律下降，对应之最优速度比却随射流入射角的加大而增大。所以，实际斜击式水轮机射流的设计入射角应力求可能最小，而设计速度比则应随入射角的加大而相应加大。 （三） 、据基本原理模型，入射角相同的冲击式水轮机，它们的最高效率构成一条有序变化的曲线。开始时，随速度比 的增大，效率急剧增高;随后，速度比接近最优速度比时效率变化平缓;超过最优值之后，效率先是缓慢降低，此后则加快下降速度。最佳速度比周围，效率变化非常平缓。 （四） 、水斗式
7、水轮机基本原理模型，在喷嘴效率为 0.97 时，其约为 0.332%最高效率。于是，工作效率在原理模型转轮上便是 99.31%。而当今实际为 95%左右水斗式水轮机的最高效率。所以，水斗式水轮机转轮的实际效率约为 92.78%，相差 6.53%左右与理论极限值。转轮工作中必不可免的诸多阻力若计及，则是存在提高效率的可能，但提高的空间也很有限。 四、冲击式水轮机基本原理模型与实际冲击式水轮机 现实的水斗式水轮机，与原理模型有很大区别:转轮直径、射流直径、水斗数均为有限值，水斗围绕主轴等速旋转运动，水斗间歇切入射流。尽管它服从原理模型给定的定性规律，但上述因素将对其性能有所影响。水斗式水轮机直径比
8、的设计下限，取决于效率的接受值、转轮水斗的强度及水斗设计的可能性。曾经大量应用的、直径比仅在 8-9 之间的水斗式水轮机应该停止生产，因为，除效率偏低之外，水斗根部强度及刚度均很差，容易发生水斗根部裂纹或断斗。而设定直径比的上限是没有根据的。 所以，实际上水斗式水轮机的设计，就是水轮机转轮的设计。当然，水斗式水轮机机壳决不可忽视，关于能量的交换它虽然不参与，但它会有一定的影响对水斗式水轮机的效率。 五、选择水轮发电机组时应该注意的方面 （一） 、水电站的单机容量较大,就必须与水电站的基本参数相适应的水轮发电机组性能,其主要的是水轮机的直径和转速。应使电站所选定的水轮机的高率工作区域与基本参数对
9、应的工作范围相吻合,并且配套发电机的飞逸转速要大于水轮机的飞逸转速。 （二） 、主要是根据国家规格和已有产品系列对水轮发电机组的选择。当单机容量等于或小于 500kw 时,尽量要选择标准转轮直径进行转轮的选择,而对于超过 500kw 以上的机组,对机组的运行工况点应重点考虑,使机组尽量在最优工况点运行。 （三） 、电站的最大水头小于或等于选出的水轮机的最大适用水头,水轮机的强度要求才能得到保证；电站的最小水头等于或大于水轮机的最小适用水头,水轮机抗振动、效率、抗汽蚀等方面的要求才能保证。 （四） 、装机容量与机组台数、用户性质、水轮机类型、厂房布置以及机电设备造价等因素有关。水轮机类型与机组台
10、数有着密切关系,贯流定浆式或轴流定浆式水轮机由于高效率区很窄,若采用一台,则当低负荷运行,电站流量不足时,常常运行不稳定, 效率急剧下降,所以在较大变化的电站流量中,应考虑多台或至少两台机组。 还应考虑用户性质,进行机组台数选择,变化较大的年负荷下,选一台机组会导致变幅过大的运行效率；灌溉期间以灌溉为主的水库,发电流量要求较大,应考虑多台机组。 六、结束语 通过设计实践,选择反击式水轮机应用模型综合特性曲线时,用限制工况点偏左的流量或最限制工况点流量与优工况点流量的平均值,对水轮机转轮直径进行计算,选择水轮机转轮直径能够比较准确,选择转轮直径是否准确,与水轮发电机组能否有一个良好的运行工况点有直接关系,组能够更好的使水轮发电机出力。 参考文献 1王春暖. 中小型水电站水轮机选型设计评述J. 水电站机电技术,2010,02:36-40+72. 2唐小林. 某水电站水轮机选型设计阐述J. 科技致富向导,2012,06:360. 3刘晓薇. YBS 水电站水轮机选型设计J. 东北电力大学学报,2012,03:105-110.
