反击式水轮机主要参数优化选择策略

在机组台数和型号确定之后，可进一步确定各方案的转轮直径D1，转速n 及吸出高度Hs。所选择的D1、n应满足在设计水头Hr 下发出水轮机的额定出力，并在加权平均水头Ha 运行时效率最高；所选择的吸出高度Hs 应既能保证水轮机不发生空蚀，又能减少水电站的开挖深度。

下面介绍反击式水轮机主要参数的计算方法。

1.转轮直径D1 的计算

式中 Pr——水轮机的额定出力。在选型计算时，有时只给出发电机的额定出力Pg，则Pr=Pg/ηg，ηg 为发电机的效率。对于大中型发电机，ηg=96%～98%；对于中小型发电机，ηg=95%～96%。

Hr——水轮机的设计水头，m。Hr 与水电站加权平均水头Ha 密切相关，Ha 一般由水能计算确定。Hr 常略小于Ha，大致上存在如下关系：对于河床式水电站，Hr=0.9Ha；对于坝后式水电站，Hr=0.95Ha；对于引水式，Hr=Ha。

Q11——水轮机的单位流量。在可能的情况下，Q11应取大值，以减小D1 值。对于混流式水轮机，Q11值可以从模型综合特性曲线的最高效率区相应的出力限制线上选取；对于轴流式水轮机，其限制工况由气蚀条件决定，但其限制工况的空化系数往往过高，如果按此设计，常会造成水电站的开挖量过大，所以有些水电站采用限制水轮机吸出高度的办法来反推Q11和σ值。当水轮机的限制吸出高度为[Hs]时，其相应的装置空蚀系数为

相应的Q11值可在其模型综合特性曲线上选取：在图上作一最优单位转速n110的水平线，它与式（8-21）求得的σz 的等值线右端相交，该交点的Q11值即为所求，并可求得该点的模型效率ηM。

η——上述Q11工况点相应的原型效率，即η=ηM+Δη。但在D1 求出之前，Δη无法求出，所以可先假定一个数值，据之求出D1 值，根据此D1 值再求出Δη及η 值，如该Δη和η 值与原假定值相近，则D1 正确，否则重新假定Δη和η值，重新计算D1 值。

将以上各参数选用值代入式（8-20）便可求出D1 值。由于水轮机直径D1 已有标准尺寸系列（详见第一章表1-3），因此，D1 值应改取为与其计算值相近的标称直径。通常D1 选用较计算值稍大的标称直径。

2.转速n的计算

水轮机转速的计算公式为

式中 n11r——原型水轮机设计单位转速，n11r=n110M+Δn11；

Ha——平均水头，m；

n110M——模型最优单位转速；

Δn11——单位转速修正值，当Δn11<0.03n110M 时可忽略。

计算所得的转速n一般不是发电机的同步转速。对于直联式水轮发电机组，应把水轮机的计算转速圆整为一个相应的发电机同步转速。圆整时，一般取一个大于计算值的最接近的标准同步转速值。但当计算值与低一档的同步转速值相差特别小时，也可以考虑取稍低于计算值的同步转速值，这样可以保证水轮机的工作范围不过多偏离最优效率区。发电机标准同步转速系列见表8-5。如计算得到的转速介于两个同步转速之间，应进行方案比较确定，一般也可选略大的同步转速，以降低机组的尺寸。

表8-5　发电机标准同步转速（对应于f=50Hz）

3.检验水轮机的工作范围

由于所选的水轮机直径D1 和转速n都是标准值，与计算值并不相同，有时甚至差别较大。另外，中小型水电站往往要套用已使用过的所谓套用机组，将与计算值有较大的差别。为此，需要在模型综合特性曲线上绘出水轮机的工作范围，以检查水轮机是否在大多数情况下运行在高效率区域内。(www.xing528.com)

具体检验方法如下。

（1）水轮机实际运行区域的检验。水轮机实际运行区域的检验是指最大水头和最小水头求得的模型单位转速，绘在模型综合特性曲线上，以检验水轮机运行区域的效率高低。单位转速的变化范围包括高效区越多，则水轮机的平均效率越高。

单位转速的变化范围，可根据Hmax，Hmin，Ha，D1，n 求得对应的模型单位转速，即

计算值n11a应与模型最优单位转速n110较接近，n11min～n11max的范围应包括水轮机的最优效率区。根据上述参数可以绘制出水轮机的工作范围图，如图8-26所示。

图8-26　水轮机工作范围图

（2）检验水轮机的设计单位流量Q11R为

式中 PR——水轮机额定出力，kW；

ηR——设计工况点的原型效率，对应设计工况点（Q11R，n11R），需通过试算确定。

在模型特性曲线上检查Q11R 是否超过了出力限制线或型谱中所推荐使用的数值，若超过说明D1 选得太小；若远远小于出力限制线上的值或推荐值则说明D1 选得过大。一般，吸出高度不超过限制值情况下，尽可能使Q11R接近出力限制线上的数值或推荐使用值。

4.水轮机最大允许吸出高度Hs 的计算

初步估算水轮机的允许吸出高度Hs 时，空化系数σ可采用设计工况点（Q11R，n11R）的σ值。详细计算时，可选择HR、Hmax、Hmin等若干水头分别计算Hs 时，从中选择一个最小值作为最大允许吸出高度。计算各水头下的Hs 时，所采用的σ值应为该水头所对应的水轮机实际出力限制工况的空化系数，选取σ时，先计算各水头对应的限制工况参数（n11，Q11），然后在模型特性曲线上查取对应的σ值。

对于HL310、HL230、HL110等水轮机，由于只给出了电站空化系数σp，故Hs 的计算采用下式

5.飞逸转速的计算

水轮机飞逸转速的计算公式为

式中 n11R——模型水轮机最大可能开度的单位飞逸转速。

对于未给出飞逸特性曲线的水轮机，可按建议的最大单位飞逸转速n11Rmax和最大水头Hmax计算飞逸转速。