水輪機課程設(shè)計指導(dǎo)書

1、Fujia n College of Water Con serva ncy and Electric Power水輪機課程設(shè)計指導(dǎo)書福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電教研室編2007.5目錄笫一章 水輪發(fā)電機組的選擇 1笫一節(jié) 水能資料 1笫二節(jié) 機組臺數(shù)與機型的選擇 1第三節(jié)水輪機主要參數(shù)的選擇與計算 2第四節(jié) 配套發(fā)電機的選擇 4第五節(jié)機組方案的比較 7第六節(jié)水輪機運轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制 8第七節(jié)蝸殼、尾水管外形尺寸的估算 10第八節(jié)電站動能經(jīng)濟指標(biāo)的計算 12第二章 進水閥與調(diào)速器設(shè)備的選擇 13第一節(jié) 進水閥的選擇 13第二節(jié) 調(diào)速設(shè)備的選擇 14笫一章水輪發(fā)電機組的選擇笫一節(jié)水能資料根據(jù)

2、設(shè)計任務(wù)書，列出水能設(shè)計計算和規(guī)劃給出的以下特征值：多年平均流量；水電站水庫調(diào)節(jié)類型；水電站類型與廠房型式；水電站特征水頭；水 電站裝機容量；水電站設(shè)計保證率；水電站保證出力；多年平均發(fā)電量；年利用小時數(shù)； 電力系統(tǒng)設(shè)計水平年最大負荷；引水系統(tǒng)的引水方式；水電站下游水位與流量關(guān)系曲線。在得到上述資料后，需要對資料進行適當(dāng)?shù)男：?；其中重點是校核水電站特征水頭。笫二節(jié)機組臺數(shù)與機型的選擇一、機組臺數(shù)的選擇：1 臺數(shù)與投資的關(guān)系臺數(shù)多，單機容量小，小機組單位千瓦造價高，同時，相應(yīng)的主閥、調(diào)速器、附屬設(shè) 備及電氣設(shè)備的套數(shù)增加，投資亦增加。一般情況下，臺數(shù)多對成本和投資不利。2. 臺數(shù)對運行效率的影響

3、機組臺數(shù)多，可以靈活改變機組運行方式，調(diào)整機組負荷，避開低效率區(qū)運行，以是 電站保持較高的平均效率。機組類型不同，臺數(shù)對電廠平均效率的影響就不同。軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機，由于單機的 效率曲線平緩且高效區(qū)寬，臺數(shù)多少對電廠的平均效率影響不明顯；而混流式、軸流定漿 式水輪機其效率曲線較陡，當(dāng)出力變化時，效率變化較劇烈，適當(dāng)增加臺數(shù)可明顯改善電 廠運行的平均效率。3. 臺數(shù)與運行維護的關(guān)系臺數(shù)多，運行方式靈活機動，事故停機影響小，單機檢修易于安排，但對全廠檢修麻 煩；同時，臺數(shù)多，機組開、停機操作頻繁，事故的次數(shù)可能增加。4. 臺數(shù)與其他因素的關(guān)系4. 1臺數(shù)與電網(wǎng)的關(guān)系對于區(qū)域電網(wǎng)的單機：裝機容量較小1

4、5%系統(tǒng)最大負荷（不為主導(dǎo)電站）；裝機容量較大10嘛統(tǒng)容量（系統(tǒng)事故備用容量），因而，單機容量與臺數(shù)選取不受限制。4. 2臺數(shù)與保證出力的關(guān)系根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求，機組單機容量應(yīng)以水輪機單機運行時其出力在機組的穩(wěn)定運行區(qū) 域范圍內(nèi)確定為原則。不同型式的水輪機的穩(wěn)定運行負荷區(qū)域如表1。綜上所述，可以確定機組臺數(shù)選擇的原則：對中小型水電站，一般選擇24臺；保證在水頭低于額定水頭時，機組受阻容量盡量?。辉诳赡艿那闆r下盡量選用單機容量較大的水輪機，以降低設(shè)備造價。表1 1不同型式的水輪機的穩(wěn)定運行負荷區(qū)域型式穩(wěn)定運行負荷區(qū)域（%型式穩(wěn)定運行負荷區(qū)域（%混流式40 100沖擊式25 100軸流定漿式70 1

5、00軸流轉(zhuǎn)漿式30 100貫流轉(zhuǎn)漿式25 100二、轉(zhuǎn)輪型號的選擇轉(zhuǎn)輪型號的選擇主要根據(jù)電站水頭變化范圍（HminHnax）查相應(yīng)的水輪機型譜參數(shù)表,以選擇適用電站水頭變化范圍的水輪機型號為原則；若有多種型號可供選擇，則需要列為 備選方案，待進行參數(shù)計算比較后再確定。第三節(jié)水輪機主要參數(shù)的選擇與計算在確定了不同的備選方案后，應(yīng)對所有的備選方案進行參數(shù)計算，為水輪機選擇比較 提供依據(jù)。參數(shù)計算的內(nèi)容和步驟如下：1 .水輪機轉(zhuǎn)輪直徑 DDi1 5 9.81QiiHf式中，n f發(fā)電機效率，通常中小型取0.930.96，大中型取 0.960.98 ;Qi對混流式水輪機，取限制工況下的單位流量。對軸流

6、轉(zhuǎn)漿式水輪機，取最優(yōu)工況與限制工況之間的單位流量；一般水頭較高時取靠近下限值,取nno與Qi交點的效率，并加上 13%修正值。D （ cm）根據(jù)計算結(jié)果，可適當(dāng)取大一點，一般是取2. 原型水輪機最高效率與效率修正值水頭較低時取靠近上限值。5的倍數(shù)關(guān)系的直徑值。maxi (immaxmaxM max式中 n i水輪機工藝誤差引起的效率下降值,1 2 ）對大中型水輪機取 12%對中小型Pr水輪機取24% n 2水輪機異形部件引起的效率下降值，一般取13%（中小型水輪機通常不予考慮）3. 水輪機轉(zhuǎn)速計算與選擇n nii。善Di式中niini10 Mn no n iioMnii若 0.03不修正，反之

7、要修正n取與計算結(jié)果接近的標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速，原則上取相近偏大值；若在兩同步轉(zhuǎn)速中間附近需作進一步比較。4. 檢驗水輪機實際工作范圍水輪機計算點出力的校核計算Hr時的出力：N 9.81Di2QiiH 1.5 ，要求NNr且接近。水輪機實際工作范圍的校核分別求出求 fax、Hw H、Hkin下對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，列表1 2，要求 H下對應(yīng)的n 11Ma與iax、選擇較優(yōu)的轉(zhuǎn)速方案。K MHrn 11M0相近，fax、Hnin時對應(yīng)的n 11Mmin、n 11Mma在模型綜合特性曲線圖上，其范圍應(yīng)包含高效 率區(qū)。若是有兩同步轉(zhuǎn)速，分別計算出各水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，并檢查兩方案的運行區(qū)域 后，1.4化。K,的取

8、值方法：混流式轉(zhuǎn)輪：用不銹鋼時，K, 1.4。（對含砂量較大電站Nr時的H、Nr 和 Hnax、E-水輪機安裝處的海拔高程，初設(shè)時可用最低尾水位6.實際的水輪機額定水頭（重算）因不同的D、n與水能預(yù)算 Hr有差異：Pr2Hr （2）3Zxd計算出。式中n = n, n m7 .水輪機額定流量（重算）29.81D1 Q11以 n11rnDr Hr與Qi查模型曲線交點處值。轉(zhuǎn)速方案HaxhwHHninn1= r/minn2= r/min5.水輪機最大允許吸出高度計算表1-2各水頭對應(yīng)單位轉(zhuǎn)速計算結(jié)果表Hs 10 盒QrQiiDi2 Hr 式中Hr采用上述（6）中的計算結(jié)果。&水輪機安裝高程Z Zw

9、 Hs式中：Zw為電站的下游尾水位，單位m水電站的下游尾水位是隨電站的流量變化而變化的，它與機組運行方式、水庫綜合利 用等有關(guān)。在實際工程中，一般是根據(jù)水電站的最低尾水位來計算。在初步設(shè)計階段，對 中小型水電站，若裝機12臺時，可按一臺機組50%額定出力時相應(yīng)的流量所對應(yīng)的下游 水位作為Zxw ;若裝機大于34臺時，可按一臺機組滿負荷時的流量所對應(yīng)的下游尾水位 作為Zxw。對于大中型水電站，下游水位需作方案比較和專題論證。9 .水輪機最大飛逸轉(zhuǎn)速Hmaxn runn run. 11D1nrUn.11為該機型的單位飛逸轉(zhuǎn)速，可通過相關(guān)設(shè)計資料查找得出。10.水輪機軸向水推力、總軸向力可按下式近似

10、計算原型水輪機的軸向水推力：Fh9.81 103K-2Hmax (N)max式中：D為轉(zhuǎn)輪直徑（m ； fax為最大水頭（m）; K為轉(zhuǎn)輪的軸向水推力系數(shù)（kN/m3）, ，般由經(jīng)驗統(tǒng)計方法得出，具體見表1-3和表1-4所示。表1-3混流式水輪機的軸向水推力系數(shù)轉(zhuǎn)輪型號HL310HL240HL230HL220HL200HL180HL160HL120HL110HL100K0.37 0.34 0.18 0.28 0.22 0.22 0.20 0.10 0.10 0.08 0.450.410.220.340.280.280.260.130.130.14表1-4軸流式水輪機的軸向水推力系數(shù)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)4

11、5678K0.850.870.900.930.95立軸水輪機總的軸向推力Fz包含除軸向水推力、 轉(zhuǎn)輪重量 W和主軸重量 W,初步設(shè)計時可按下式估算Fz= Ft + Wr +W水輪機轉(zhuǎn)輪重量W 計算式為混流式：Wr 9.81 103 0.5 0.025 1 0 D1 D； （N）（若轉(zhuǎn)論為分瓣轉(zhuǎn)輪，需再增加10%的重量）軸流式：Wr 9.81 103 1.4dh H m：x D；6（N）,式中 dh 為輪轂比。主軸重量 W計算式：W= （0.41.0 ） W式中：比例系數(shù)按應(yīng)用水頭、主軸是否與發(fā)電機共用等因素選取，低水頭或共用軸情 況取下限系數(shù)。第四節(jié)配套發(fā)電機的選擇一、配套水輪發(fā)電機選擇方法對

12、有現(xiàn)成配套的水輪發(fā)電機組，可查相關(guān)資料進行選擇；若無現(xiàn)成配套的水輪發(fā)電機 組，可通過計算方法選擇水輪發(fā)電機組。配套的水輪發(fā)電機的選擇原則如下：1. Nf=Nr n f2 .發(fā)電機n rf =水輪機n r3.水輪機n Rmax發(fā)電機n Rf ；二、水輪發(fā)電機的型號表示方法1 .中、小型水輪發(fā)電機的型號表示SF8000 16/3250|匚功率KW |匚定子鐵芯外徑 mm匚立式.磁極對數(shù)SFW800 10/1180|匚功率kw |.定子鐵芯外徑 mm匚臥式匚磁極對數(shù)SFWG8000 16/3250| 匚功率KW|匚定子鐵芯外徑 mm匚臥式貫流式.磁極對數(shù)2. 大型水輪發(fā)電機的型號表示SF15 28/

13、5500|匚功率MW匚定子鐵芯外徑 mm匚立式.磁極對數(shù)三、水輪發(fā)電機外形尺寸參數(shù)計算(一)水輪發(fā)電機尺寸參數(shù)計算1 .極距T式中，S 發(fā)電機額定容量(KVA); P(cm)磁極對數(shù)；Kj系數(shù)，一般為810,容量大的取上限。由上式求出T后，應(yīng)校核發(fā)電機在飛逸狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的飛逸線速度Vf是否在轉(zhuǎn)子的允許材料范圍內(nèi)。Di(cm)h2. 定子鐵芯內(nèi)徑Di :3. 定子鐵芯長度|tSfCD： nr(cm)式中，n r額定轉(zhuǎn)速(r/min), C系數(shù), -6 -6C=4X 10 6.5 X 10 ,Sf 發(fā)電機容量，單位KVA。4.定子鐵芯外徑 Da (機座號)當(dāng) n r 166.7r/min計算出Da

14、后，可參考有關(guān)資料選取標(biāo)準(zhǔn)的(二)水輪發(fā)電機的外形尺寸估算水輪發(fā)電機的外形尺寸主要有定子機座外徑DaDi 1.2 ( cm)Da Di( cm)Da(即機座號)，確定水輪發(fā)電機型號。D,風(fēng)罩內(nèi)徑 D,轉(zhuǎn)子外徑 D等。1.定子機座外徑Di136.4 n r v 214r/min , D=1.18 Da214n r 20000KVAD 2=D+2.0mD 2=D+2.4m3.轉(zhuǎn)子外徑D3D3=D 2 式中單邊空氣間隙，初步估算時可不計。四、水輪發(fā)電機的重量估算水輪發(fā)電機的重量估算內(nèi)容包括總重量（G）、轉(zhuǎn)子重量（G）和飛輪力矩 GD2的計算。1 發(fā)電機總重量G式中Sn 視在功率,2.轉(zhuǎn)子重量GGfK

15、g 系數(shù)，懸式發(fā)電機取8 10,G -Gf23. 飛輪力矩GD-m)GD2(t式中 K2 系數(shù)，1003m時，可取K=0.3 ;對混流式水輪機，當(dāng)D v 3m時，可取 K=0.4。如W 3000kgf m即為大型調(diào)速器。大型調(diào)速器的容量選擇主要是選擇合適的主配壓閥直徑。目前有80, 100, 150, 200,250mm等 規(guī)格。(1) 導(dǎo)葉接力器的容積計算deD H Max b0(m)D1式中：dc接力器直徑(m), 3導(dǎo)葉高度(m),入一一計算系數(shù)，可根據(jù)資料查取。正曲率導(dǎo)葉用于水頭H=40- 100 m,具有全包角的蝸殼，并工作在較大開度的低比速對稱形導(dǎo)葉用于水頭低于40 m具有混凝土蝸殼軸流式水輪機和高比速的混流式水輪機。 的軸流式水輪機。(2) 接力器容積：2dc Smax式中Smax 接力器最大行程, 度(m由水機確定。Sd =(1.4 1.8 ) , ao max原型水輪機導(dǎo)葉最大開a o maxa0 maxDo1.13Zom D oZo D OM1.16D14V(3) 初步選擇主配壓閥直徑：式中：V