《水輪機(jī)選型》word版

1、.第三章 水輪機(jī)選型水輪機(jī)是水電站中最主要?jiǎng)恿υO(shè)備之一，影響電站的投資、制造、運(yùn)輸、安裝、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機(jī)是水電站主要設(shè)計(jì)任務(wù)之一，使水電站充分利用水能，安全可靠運(yùn)行。水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)是水電站設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。它不僅包括水輪機(jī)型號(hào)的選擇和有關(guān)參數(shù)的確定，還應(yīng)認(rèn)真分析與選型設(shè)計(jì)有關(guān)的各種因素，如水輪發(fā)電機(jī)的制造、安裝、運(yùn)輸、運(yùn)行維護(hù)，電力用戶的要求以及水電站樞紐布置、土建施工、工期安排等。因此，在選型設(shè)計(jì)過程中應(yīng)廣泛征集水工、機(jī)電和施工等多方面的意見，列出可能的待選方案，進(jìn)行各方案之間的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較和綜合分析，以力求選出技術(shù)上先進(jìn)可靠、經(jīng)濟(jì)上合理的水輪機(jī)。第一節(jié)

2、水輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)系列一、水輪機(jī)的系列型譜我國(guó)在1974年編制了反擊式水輪機(jī)暫行系列型譜，其中所列出的轉(zhuǎn)輪，是經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐驗(yàn)證在某一水頭段的性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)輪。型譜中，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)規(guī)定一律用比轉(zhuǎn)速代號(hào)。軸流式、混流式、ZD760型、水斗式水輪機(jī)系列型譜參數(shù)見教材。二、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑系列(cm)253035(40)42506071(80)841001201401601802002252502753003303804104505005506006507007508008509009501000     說明：括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示僅適用于軸流式水輪機(jī)。三、水

3、輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速磁極對(duì)數(shù)345789101214同步轉(zhuǎn)速n1000750600428.6375333.3300250214.3磁極對(duì)數(shù)161820222426283032同步轉(zhuǎn)速n187.5166.7150136.4125115.4107.110093.8磁極對(duì)數(shù)3436384042444850同步轉(zhuǎn)速n88.283.3797571.468.262.560四、水輪機(jī)系列應(yīng)用范圍圖第二節(jié) 水輪機(jī)選擇一、水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的內(nèi)容1. 確定機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量2. 選擇水輪機(jī)型式（型號(hào)）及裝置方式3. 確定水輪機(jī)參數(shù)D1、n、Hs、Za；Z0、d04. 繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線5. 確定蝸殼、尾水管的形

4、式及其尺寸，估算水輪機(jī)的重量和價(jià)格。6. 調(diào)速器及油壓裝置選擇7. 根據(jù)選定的水輪機(jī)型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上、材料、運(yùn)行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務(wù)書，最終雙方共同商定機(jī)組的技術(shù)條件，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。 二、水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的基本要求1. 有較好的能量特性，在額定水頭下能保證發(fā)出額定出力，額定水頭以下的機(jī)組受阻容量小，水電站全廠機(jī)組平均效率高。2. 性能要與水電站的整體運(yùn)行方式和諧一致，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠靈活。有良好的抗空蝕和抗磨損性能，對(duì)多泥沙河流的電站更應(yīng)如此。3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，便于安裝與操作、檢修與維護(hù)。4. 選擇生產(chǎn)實(shí)力強(qiáng)、制造技術(shù)水平高、合作信譽(yù)好的制造廠商。5. 考

5、慮適度合理的經(jīng)濟(jì)節(jié)省原則。三、所需要的有關(guān)資料1. 水輪機(jī)產(chǎn)品技術(shù)資料：系列型譜、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品目錄、模型綜合特性曲線。2. 水電站技術(shù)資料：河流梯級(jí)開發(fā)方案、水庫的調(diào)節(jié)性能、水電站布置方案、地形、地質(zhì)、水質(zhì)、泥沙情況、總裝機(jī)容量、水電站運(yùn)輸、安裝技術(shù)條件；水文資料： 特征流量及特征水頭、下游水位流量關(guān)系曲線。3. 水電站有關(guān)經(jīng)濟(jì)資料：機(jī)電設(shè)備價(jià)格、工程單價(jià)、年運(yùn)行費(fèi)等。4. 電力系統(tǒng)資料：系統(tǒng)負(fù)荷構(gòu)成，水電站的作用及運(yùn)行方式等。四、機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量的選擇已知總裝機(jī)容量(=Z0×N單)，N單不同，D1、n、Hs、均不同。1、機(jī)組臺(tái)數(shù)與機(jī)電設(shè)備制造的關(guān)系N總一定，Z0多N單尺寸（D1

6、）小制造運(yùn)輸容易造價(jià)高(單位千瓦耗材多、制造量大)。所以一般選用較大的N單。2、機(jī)組臺(tái)數(shù)與電站投資的關(guān)系Z0多單位千瓦投資閥門、調(diào)速、管道、輻設(shè)、電氣等增加廠房尺寸增加。N單D1尾水管高度低開挖少投資少3、機(jī)組臺(tái)數(shù)與運(yùn)行效率的關(guān)系Z0平均效率(1) 擔(dān)任基荷時(shí)：出力變化小，流量變化穩(wěn)定，可用較少的臺(tái)數(shù)，使水輪機(jī)可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以最優(yōu)工況運(yùn)行，其平均效率也比較高。(2) 擔(dān)任峰荷時(shí)：出力變化幅度大，應(yīng)該選用較多的臺(tái)數(shù)，以增加其運(yùn)行靈活性，提高整體運(yùn)行效率。(3) 對(duì)于軸流定漿和混流式水輪機(jī)，可以選用較多的臺(tái)數(shù)，而對(duì)于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)因其調(diào)節(jié)性能好，可以選用較少的機(jī)組。 4、機(jī)組臺(tái)數(shù)與電站運(yùn)行維護(hù)

7、工作的關(guān)系臺(tái)數(shù)多，運(yùn)行靈活，事故影響小，但同時(shí)增加了事故的幾率，也增加了管理人員、提高了運(yùn)行費(fèi)，所以不宜采用過多的臺(tái)數(shù)?？傊?，一般應(yīng)采用較大的N單，較少的臺(tái)數(shù)，但一般至少應(yīng)選2臺(tái)，少數(shù)情況下可選1臺(tái)。中大型電站一般選46臺(tái)，根據(jù)機(jī)組的制造水平和裝機(jī)容量也可以選用更多的臺(tái)數(shù)，如葛洲壩共21臺(tái)，裝機(jī)271.5萬千瓦，正在修建的三峽水電站裝機(jī)26×70=1820萬千瓦。五、水輪機(jī)型號(hào)及主要參數(shù)的確定依據(jù)：N單，特征水頭(Hmax、Hmin、Hav、Hr)1、根據(jù)水輪機(jī)系列型譜選擇型號(hào)的選擇主要取決于水頭。各種水輪機(jī)都有一定的使用范圍，根據(jù)電站運(yùn)行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機(jī)的型號(hào)

8、。如果兩種型號(hào)均可采用，應(yīng)進(jìn)行方案比較。這種方法有時(shí)難以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)效果。2、專題研究法對(duì)特別重要的工程或特別大型的水電站，為了獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)效果，根據(jù)水電站的具體參數(shù)，進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，但所需時(shí)間和費(fèi)用高。3、查系列范圍圖法根據(jù)水電站的水頭范圍和單機(jī)出力，在系列范圍總圖中查出適應(yīng)的型號(hào)，以及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速及吸出高度。當(dāng)有兩種機(jī)型可供選擇時(shí)，一般選用較大的直徑。 水輪機(jī)應(yīng)用范圍4、采用套用機(jī)組根據(jù)目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的電站資料，在特征水頭相近、N單適當(dāng)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相近時(shí)，優(yōu)先套用已經(jīng)生產(chǎn)過的機(jī)組，這樣可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、盡早供貨、提前發(fā)電。 5、直接查產(chǎn)品樣本直接查設(shè)備廠家的產(chǎn)品樣本，適用

9、于小型電站。6、統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)大量已建水電站的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出水輪機(jī)各參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，再根據(jù)本電站的參數(shù)選擇。六、反擊式水輪機(jī)主要參數(shù)的確定確定了水輪機(jī)的型號(hào)后，再計(jì)算水輪機(jī)的主要參數(shù)：轉(zhuǎn)輪直徑D1，轉(zhuǎn)速n、吸出高Hs。D1、n應(yīng)該滿足：在Hr下，發(fā)出Nr；在Hav時(shí)，最高。吸出高Hs應(yīng)滿足：防止水輪機(jī)汽蝕，開挖深度合理。七、 按綜合特性曲線選擇水輪機(jī)1、D1的確定由于，所以：(1) Nr為水輪機(jī)額定出力，Nr= Nf /f，Nf為發(fā)電機(jī)功率。(2) 用H=Hr計(jì)算。(3) 為原型水輪機(jī)在限制工況下的效率，在D1未確定時(shí)，一般先取=M+ (=23%)，求得D1后再修正。(4) Q1'

10、;的取值。在N= Nr時(shí)，取限制工況下的Q1'，并查出限制工況的M。對(duì)混流水輪機(jī)而言，由綜合特性曲線上的5%出力限制線和n'1得到，軸流式由汽蝕條件得到，或限制HS反推z，以防止開挖過多。z為水輪機(jī)裝置的汽蝕系數(shù)。2、的修正計(jì)算查綜合特性曲線得出Mmax，換算得出max。=max-Mmax-1-21=1%2%(表示工藝水平)，2=1%3%(表示異形部件，即原型水輪機(jī)和模型水輪機(jī)的蝸殼和尾水管不一樣)=M+如計(jì)算出的與假定出入太大，應(yīng)重新計(jì)算。3、轉(zhuǎn)速的選擇按下式計(jì)算：n1'用最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10'，n10'=n'10M+n1'，水頭H采用H

11、a。轉(zhuǎn)速n隨工況而變，要選發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相近而偏大的標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速。4、工作范圍的驗(yàn)算求出水輪機(jī)的參數(shù)D1、n后，在模型綜合特性曲線上繪出水輪機(jī)的相似工作范圍，檢驗(yàn)是否包括了高效率區(qū)，以驗(yàn)證D1、n的合理性。方法：根據(jù)Nr、D1、Hr求出Q'1max，由Hmax、Hmin、D1、n求出：n'1min和n'1max，在綜合特性曲線上以Q'1max、n'1min和n'1max作直線，此范圍即為水輪機(jī)的相似工作范圍。5、HS的計(jì)算計(jì)算公式：水輪機(jī)方案確定后，根據(jù)水輪機(jī)運(yùn)行條件、水電站的開挖情況等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。 第三節(jié) 水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的繪制研究目

12、的：進(jìn)一步分析比較原型水輪機(jī)各方案之間的能量特性，指導(dǎo)水輪機(jī)的安全運(yùn)行。水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線可以綜合反映原型水輪機(jī)H、N、Hs等參數(shù)之間的關(guān)系。運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的組成：N為橫座標(biāo)，H為縱座標(biāo)，繪有=f(H,N)，Hs=f(H,N), 出力限制線?？梢苑从吵鏊啓C(jī)的能量特性、汽蝕特性、運(yùn)行限制范圍。繪制方法：根據(jù)模型綜合特性曲線，通過相似定律換算而來。水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線一、HL水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線1、等效率線=f(H,N)的繪制步驟(1) 在Hmax, Hmin之間，取46個(gè)H，其中包括Hmax，Hmin，Hr，Ha，繪制每個(gè)水頭下的=f(N)。(2) 進(jìn)行效率修正；(3) 進(jìn)行單位轉(zhuǎn)速和單位流量的修正

13、；(4) 運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的計(jì)算；等效率曲線計(jì)算表Hmax=H3/2=N=9.81×D12×H3/2Q1'Hr=H3/2=N=9.81×2.02×1073/2Q1'Hmin=H3/2=N=9.81×2.02×1073/2Q1'MQ1'NMQ1'NMQ1'N出力限制線a) 為了保證繪制運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的精確性，在H、N網(wǎng)格上至少繪出三個(gè)水頭，其中包括Hmax、Hmin和Hr(或Hav)。對(duì)每一個(gè)水頭，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的n'1。b) 在輪系綜合特性曲線上繪制n'1的水平線，并查出其與等

14、效率線交點(diǎn)的坐標(biāo)(M, Q'1)；c) 計(jì)算出原型水輪機(jī)的效率；d) 按照公式N=9.81Q'1D12H3/2計(jì)算水輪機(jī)的出力。(5) 輔助曲線的繪制：以效率為縱坐標(biāo)，出力N為橫坐標(biāo)，用表中的數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)水頭繪制一條工作特性曲線。見圖。(6) 運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的繪制a) 以水頭為縱坐標(biāo)，水頭為橫坐標(biāo)，繪出坐標(biāo)系。見圖。b) 在圖2上繪出三個(gè)水頭的水平線。c) 在圖1上選取幾個(gè)整數(shù)效率值，畫出水平線，與輔助曲線形成一些交點(diǎn)。d) 將上面結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)繪在圖2上。e) 將相同效率數(shù)值的點(diǎn)用曲線相連。就繪成了水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線的等效率曲線。2、出力限制線的繪制Hr是N=Nr時(shí)的最小水

15、頭，當(dāng)HHr時(shí)，水輪機(jī)限制在N= Nr內(nèi)；即圖中的A(Nr，Hr)點(diǎn)及其以上部分。當(dāng)H<Hr時(shí)，水輪機(jī)則受到5%出力限制線的限制，對(duì)限制線上各點(diǎn)分別計(jì)算，得出B(Hmin, Nmin)，連接A和B，即為H<Hr時(shí)的出力限制線。出力限制線的繪制方法：根據(jù)表中三個(gè)水頭下所得到的出力，可以在運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線上繪出三個(gè)點(diǎn)。連接著三個(gè)點(diǎn)即可得到斜向陰影線。在高水頭下，水輪機(jī)的出力受發(fā)電機(jī)最大限制出力的限制，作豎向陰影線N=Nf。整個(gè)出力限制線由兩部分組成：N=Nf的豎直線段和三個(gè)水頭下的斜向陰影線。這兩條直線的交點(diǎn)即為機(jī)組的最終設(shè)計(jì)水頭Hr。3. 等吸出高度線的繪制(1) 針對(duì)每個(gè)水頭進(jìn)行列

16、表計(jì)算。同樣取4-6個(gè)水頭進(jìn)行計(jì)算，其中要包括Hmax，Hmin，Hr，Ha。(2) 求出每個(gè)水頭相應(yīng)的n1'。(3) 在模型綜合特性曲線圖上以n1'作水平線，與等空蝕系數(shù)線交于一些點(diǎn)，查出這些交點(diǎn)的和Q1'，列入計(jì)算表中。在表內(nèi)計(jì)算N、+、Hs等吸出高度線的繪制方法：(1) 作不同水頭下Q1'= f(N)的輔助曲線，見圖。(2) 在相應(yīng)的模型綜合特性曲線上，作各水頭下n1'的水平線，它與空蝕系數(shù)線相交于許多點(diǎn)，記下各點(diǎn)(，Q1)，列入表，由Hr曲線查得。(3) 由Q1可在N=f(Q1)輔助曲線上查得相應(yīng)的N值，并記入表。(4) 由公式計(jì)算出不同時(shí)的Hs

17、。(5) 在Hs=f(N)上，作Hs=常數(shù)線，交點(diǎn)(H, N)，在HN內(nèi)繪出即可。HmaxHrHHmin=Q'1N+(+)HHs等吸出高度線給出了水輪機(jī)在其工作范圍內(nèi)，各運(yùn)行工況下的最大允許吸出高度，以便進(jìn)行方案比較，確定水輪機(jī)的安裝高程。二、軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線有不同的轉(zhuǎn)角，所以進(jìn)行效率修正時(shí)，應(yīng)按不同的轉(zhuǎn)角計(jì)算效率修正值。即在綜合特性曲線上的n1'水平線，選取與等線相交處的M和Q1'。出力限制線的繪制。當(dāng)H>Hr時(shí)，水輪機(jī)出力受發(fā)電機(jī)額定出力的限制，為垂直線。當(dāng)H<Hr時(shí)，水輪機(jī)的出力受最大過水能力的限制，即導(dǎo)葉最大開度的限制。等吸出高曲線的繪制

18、和混流式水輪機(jī)相同。第四節(jié) 水輪機(jī)蝸殼的形式及尺寸確定一、蝸殼的功用及型式 (一) 功用蝸殼是水輪機(jī)的進(jìn)水部件，把水流以較小的水頭損失，均勻?qū)ΨQ地引向?qū)畽C(jī)構(gòu)，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。設(shè)置在尾水管末端。(二) 型式混凝土蝸殼和鋼蝸殼。1. 混凝土蝸殼適用于低水頭大流量的水輪機(jī)。 H40m, 鋼筋混凝土澆筑，“T”形斷面。當(dāng)H>40m時(shí)，可用鋼板襯砌防滲(H最大達(dá)80m)2. 金屬蝸殼當(dāng)H>40m時(shí)采用金屬蝸殼。其斷面為圓形，適用于中高水頭的水輪機(jī)。鋼板焊接：H=40200m，鋼板拼裝焊接。鑄鋼蝸殼：H>200m時(shí)，鋼板太厚，不易焊接，與座環(huán)一起鑄造而成的鑄鋼蝸殼，其運(yùn)輸困難。二、蝸殼的主要

19、參數(shù) 1.斷面型式與斷面參數(shù)金屬蝸殼：圓形結(jié)構(gòu)參數(shù)：座環(huán)外徑ra、內(nèi)徑、導(dǎo)葉高度b0、蝸殼斷面半徑P、蝸殼外緣半徑r。混凝土蝸殼：“T”形。 (1) m=n時(shí)：稱為對(duì)稱型式 (2) m>n：下伸式 (3) m<n：上伸式 (4) n=0：平頂蝸殼中間斷面：蝸殼頂點(diǎn)、底角點(diǎn)的變化規(guī)律按直線或拋物線確定。 蝸殼中間斷面2. 蝸殼包角蝸殼末端(鼻端)到蝸殼進(jìn)口斷面之間的中心角0(1) 金屬蝸殼：0=340°350°,常取345°(2) 混凝土蝸殼：0=180°270°,一般取180°，一大部分水流直接進(jìn)入導(dǎo)葉，為非對(duì)稱入流，對(duì)轉(zhuǎn)

20、輪不利）3、蝸殼進(jìn)口平均流速：進(jìn)口斷面流量：Qmax水輪機(jī)的最大引用流量。VcFchw； VcFchw；任意斷面處的蝸殼流量 VC一般由HrVC曲線確定 金屬蝸殼流速系數(shù) 混凝土蝸殼進(jìn)口斷面流速系數(shù)三、蝸殼的水力計(jì)算1、水力計(jì)算的目的確定蝸殼各中間斷面的尺寸，繪出蝸殼單線圖，為廠房設(shè)計(jì)提供依據(jù)。已知條件：Hr，Qmax，b0，Da，Db，0，VC2、水流在蝸殼中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律水流進(jìn)入蝸殼后，形成一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(環(huán)流)，之后進(jìn)入導(dǎo)葉, 水流速度分解為Vr、Vu。進(jìn)入座環(huán)時(shí)，按照均勻軸對(duì)稱入流的要求，=常數(shù)圓周流速Vu的變化規(guī)律，有兩種基本假定：(1) 速度矩Vur= C即假定蝸殼中的水流是一種軸對(duì)稱有

21、勢(shì)流，忽略粘性及摩擦力，Vu會(huì)隨r的增加而減小。(2) 圓周流速Vu=C，即假定Vu=VC=C3. 蝸殼的水力計(jì)算按(Vu=VC=C)(1) 金屬蝸殼水力計(jì)算(i) 蝸殼進(jìn)口斷面：斷面半徑：從軸心線到蝸殼外緣半徑：(ii) 中間斷面()由此可以繪出蝸殼平面圖單線圖。其步驟為：(i) 確定0和VC；(ii) 求Fc、max、Rmax；(iii) 由i確定Fi、i、Ri。(2) 混凝土蝸殼的水力計(jì)算(半解析法) (1) 按進(jìn)口流速求進(jìn)口斷面積；(2) 根據(jù)水電站具體情況選擇斷面型式，并確定斷面尺寸，使其F=Fc。(3) 選擇頂角與底角點(diǎn)的變化規(guī)律(直線或拋物線)，以虛線表示并畫出1、2、3.等中間

22、斷面。見圖。(4) 測(cè)算出各斷面的面積，繪出：F = f(R)關(guān)系曲線。(5) 按繪出F = f()直線。(6) 根據(jù)i確定Fi、Ri及斷面尺寸，繪出平面單線圖。 第五節(jié) 尾水管的型式及其主要尺寸一、尾水管型式直錐形用于小型水輪機(jī)彎錐形用于臥軸水輪機(jī)彎肘形適用于大中型電站。彎肘型尾水管可以減小廠房開挖深度，水力性能好，大中型號(hào)水輪機(jī)多采用這種形式的尾水管。其組成包括：直錐段、肘管、出口擴(kuò)散段。直錐形 彎錐形 彎肘型1. 進(jìn)口直錐段進(jìn)口直錐段是一個(gè)垂直的圓錐形擴(kuò)散管，D3為直錐管進(jìn)口直徑，為錐管單邊擴(kuò)散角?；炝魇剑褐卞F管與基礎(chǔ)環(huán)相接，(轉(zhuǎn)輪出口直徑)， =7°9°軸流式：與轉(zhuǎn)

23、輪室里襯相連接，D3=0.937D1，=8°10°。h3直錐段高度，其長(zhǎng)度增加將會(huì)導(dǎo)致開挖量增加。一般在直錐段加鋼板襯。2. 肘管90°變斷面的彎管，進(jìn)口為圓形斷面，出口為矩形斷面。F進(jìn)/F出=1.3曲率半徑R小離心力大壓力、流速分布不均勻hw大。R=(0.61.0)D4為減小轉(zhuǎn)彎處的脫流及渦流損失，肘管出口收縮斷面，其高/寬=0.25。3、出口擴(kuò)散段矩形擴(kuò)散管，出口寬度B5。B5很大時(shí)，加隔墩d5=(0.10.15)B5頂板仰角 =10°13°，底板水平。4.尾水管的高度與水平長(zhǎng)度尾水管的總高度和總長(zhǎng)度是影響尾水管性能的重要因素。H=h1+h

24、2+h3+h4h1，h2由轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)確定; h4為肘管高度，不易變動(dòng)。H取決于h3(直錐段長(zhǎng)度)。h3大開挖加大，工程投資增大；L：機(jī)組中心到尾水管出口，L大F出大V出小w大hf大廠房尺寸加大，一般L=( 3.54.5)D1。5.推薦尾水管尺寸參考教材上的表。6.尾水管局部尺寸的變更廠房設(shè)計(jì)中，由于地形、地質(zhì)條件，布置廠房的原因，在不影響尾水管能量指標(biāo)的前提下，對(duì)選出的尾水管尺寸可作局部變更。(1) 減小開挖，h不動(dòng)，擴(kuò)散段底板向上傾斜6°12°(2) 大型反擊式水輪機(jī)，為減小廠房長(zhǎng)度，尾水管不對(duì)稱布置(3) 地下電站：為使巖石穩(wěn)定，尾水管采用窄深斷面(4) 加長(zhǎng)h3、L(目

25、前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)取到L=108D1)，但需要論證轉(zhuǎn)輪出口的真空度和機(jī)組的抬機(jī)可能性。第六章 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)由于各開發(fā)河段的水力資源和開發(fā)利用的情況不同，水電站的工作水頭和引用流量范圍也不同，為了使水電站經(jīng)濟(jì)安全和高效率的運(yùn)行，就必須有很多類型和型式的水輪機(jī)來適應(yīng)各種水電站的要求。水輪機(jī)由于它自身能量特性、汽蝕特性和強(qiáng)度條件的限制，每種水輪機(jī)適用的水頭和流量范圍比較窄，要作出很多系列和品種（尺寸）的水輪機(jī)，設(shè)計(jì)、制造任務(wù)繁重，生產(chǎn)費(fèi)用和成本也大。因此有必要使水輪機(jī)生產(chǎn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，盡可能減少水輪機(jī)系列，控制系列品種，以便加速生產(chǎn)、降低成本。在水電站設(shè)計(jì)中按自己的運(yùn)行條件和要求選擇合適的水輪機(jī)

26、。一、水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的任務(wù)及內(nèi)容1任務(wù)水輪機(jī)是水電站中最主要?jiǎng)恿υO(shè)備之一，影響電站的投資、制造、運(yùn)輸、安裝、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益，因此根據(jù)H、N的范圍選擇水輪機(jī)是水電站中主要設(shè)計(jì)任務(wù)之一，使水電站充分利用水能，安全可靠運(yùn)行。每一種型號(hào)水輪機(jī)規(guī)定了適用水頭范圍。水頭上限是根據(jù)該型水輪機(jī)的強(qiáng)度和汽蝕條件限制的，原則上不允許超過；下限主要是考慮到使水輪機(jī)的運(yùn)行效率不至于過低。2內(nèi)容(1) 確定機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量(2) 選擇水輪機(jī)型式（型號(hào)）及裝置方式(3) 確定水輪機(jī)的額定功率、轉(zhuǎn)輪直徑D1、同步轉(zhuǎn)速n、吸出高度Hs、安裝高程Z a 、飛逸轉(zhuǎn)速、軸向水推力；沖錘式水輪機(jī)，還包括噴嘴數(shù)目Z0、射流直徑d

27、0等。(4) 繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(5) 估算水輪機(jī)的外形尺寸、重量及價(jià)格、蝸殼、尾水管的形式、尺寸、調(diào)速器及油壓裝置選擇(6) 根據(jù)選定水輪機(jī)型式和參數(shù)，結(jié)合水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)上、材料、運(yùn)行等方面的要求，擬定并向廠家提出制造任務(wù)書，最終由雙方共同商定機(jī)組的技術(shù)條件，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。二、選型設(shè)計(jì)1水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)一般有三種基本方法(1) 水輪機(jī)系列型譜方法: 中小型水電站水輪機(jī)選多此種方法或套用法。(2) 套用方法： 用于小型水電站設(shè)計(jì)。(3) 統(tǒng)計(jì)分析的方法：大型水電站設(shè)計(jì)，應(yīng)用較廣泛。2裝機(jī)特征設(shè)計(jì)包括：機(jī)組臺(tái)數(shù)、單機(jī)容量、水輪機(jī)型式與裝置方式。(1) 掌握機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇的原則及機(jī)組臺(tái)數(shù)對(duì)水

28、電廠運(yùn)行的影響。 (2) 水輪機(jī)型式的選擇依據(jù)單機(jī)容量和水電站的特征水頭(Hmax、Hmin、Ha、Hr)進(jìn)行選擇。型號(hào)的選擇主要取決于水頭。各種水輪機(jī)都有一定的使用范圍，根據(jù)電站運(yùn)行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機(jī)的型號(hào)。如果兩種型號(hào)均可采用時(shí)，可通過水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速水平分析和水輪機(jī)性能與應(yīng)用特點(diǎn)比較確定水輪機(jī)的型式，保證水輪機(jī)較高的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和可靠的安全性能。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的電站資料，在特征水頭相近、單機(jī)容量適當(dāng)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)相近時(shí)，有限套用已經(jīng)生產(chǎn)國(guó)的機(jī)組，這樣可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、盡早供貨、提前發(fā)電。3反擊式水輪機(jī)基本參數(shù)計(jì)算(1) 用模型綜合特性曲線計(jì)算D1的確定 (m

29、) Pr：水輪機(jī)額定出力，Pr= Nff Nf發(fā)電機(jī)額定出力（機(jī)組容量），f 發(fā)電機(jī)的效率，大中型：f=0.950.97：水輪機(jī)額定工況的單位流量；混流式水輪機(jī)由5%出力限制線得到；軸流式由汽蝕條件得到，或限制HS反推z，以防止開挖過多。Hr ：水輪機(jī)的額定水頭；若取H=Hmax進(jìn)行計(jì)算，則求出的D1太小，除H=Hmax 以外，均不能發(fā)出額定出力。若取H=Hmin進(jìn)行計(jì)算，則求出的D1太大，增加設(shè)備投資。：原型水輪機(jī)額定工況下的效率，在D1未確定時(shí)，不能得出確切的。 一般先取=M+ (=23%)，求得D1后再修正。轉(zhuǎn)速的選擇為原型水輪機(jī)的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速； Ha為水電站的平均水頭；工作范圍的驗(yàn)算求

30、出水輪機(jī)的參數(shù)D1、n后，在模型綜合特性曲線上繪出水輪機(jī)的相似工作范圍，檢驗(yàn)是否包括了高效率區(qū)，以驗(yàn)證D1、n的合理性。HS的計(jì)算計(jì)算時(shí)，選擇Hmax、Hmin、Ha、Hr若干水頭，分別計(jì)算出不工況下的吸出高度，從中選取最小值作為最大允許高度。注意：計(jì)算HS 時(shí)，要用各水頭下限制工況下空化系數(shù)。(2) 用比轉(zhuǎn)速和統(tǒng)計(jì)資料推算水輪機(jī)的基本參數(shù) D1的確定 轉(zhuǎn)速的選擇 HS的計(jì)算 第九章 水電站輔助設(shè)備一、水輪機(jī)進(jìn)水閥水輪機(jī)進(jìn)水閥是為了保護(hù)機(jī)組的安全、減輕導(dǎo)葉間隙磨蝕破壞、縮短引水鋼管的充水時(shí)間而設(shè)置。蝶閥：用于水頭在200m以下的水電站。球閥：用于水頭在200m以上的水電站閘閥：用于小管徑(D&

31、lt;1m)、高水頭的水電站 。筒形閥：裝在固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉之間。 二、油系統(tǒng)1透平油與絕緣油的功用及其用戶透平油：供給機(jī)組軸承的潤(rùn)滑油和操作用的壓力油，稱為透平油。其作用是潤(rùn)滑、散熱及傳遞能量。絕緣油：供給變壓器、油開關(guān)等電氣設(shè)備的絕緣油，其作用是絕緣、散熱及滅弧。兩種油的性質(zhì)不同，應(yīng)有兩套獨(dú)立的油系統(tǒng)。2油系統(tǒng)的作用接收新油、儲(chǔ)備凈油、給設(shè)備充油、向運(yùn)行設(shè)備添加油、從設(shè)備中排出污油、油的監(jiān)督、維護(hù)和取樣化驗(yàn)、油的凈化處理、廢油的收集及處理。3油系統(tǒng)的組成油系統(tǒng)由：油罐、油處理設(shè)備、油化驗(yàn)設(shè)備、油吸附設(shè)備、管網(wǎng)、測(cè)量及控制元件。三、氣系統(tǒng)1壓氣系統(tǒng)的用途壓縮空氣分為低壓壓縮空氣和高壓壓縮空

32、氣。(1) 低壓壓縮空氣系統(tǒng)。機(jī)組制動(dòng)；調(diào)相運(yùn)行壓水；蝶閥關(guān)閉時(shí)，將壓縮空氣通入閥上的空氣圍帶，使其膨脹而減少漏水；檢修時(shí)清掃設(shè)備，供風(fēng)動(dòng)工具使用；通向攔污柵，防凍清污。額定氣壓為0.50.8MPa。(2) 高壓壓縮空氣系統(tǒng)。廠房中所有調(diào)速器油壓裝置的壓力油箱充氣，調(diào)速器壓力油箱中約有2/3的體積為壓縮空氣，以保證調(diào)速器用油時(shí)無過大的壓力波動(dòng)，額定氣壓為2.5MPa及4MPa。配電裝置如空氣斷路器的滅弧和操作的用氣，以及開關(guān)和少油斷路器的操作用氣，額定氣壓為25MPa。2壓縮空氣系統(tǒng)主要設(shè)備有：空壓機(jī)、過濾器、儲(chǔ)氣罐、油水分離器、冷卻器四、水系統(tǒng)1供水系統(tǒng)水電站廠房?jī)?nèi)的供水系統(tǒng)包括技術(shù)供水、生

33、活供水、消防供水。技術(shù)供水包括冷卻及潤(rùn)滑用水，如發(fā)電機(jī)的空氣冷卻器、機(jī)組導(dǎo)軸承和推力軸承的油冷卻器、水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承、空氣壓縮機(jī)氣缸冷卻器、變壓器的冷卻設(shè)備等。注意不同用戶對(duì)水壓、水溫、水質(zhì)的要求。特別是水冷變壓器對(duì)水壓的要求，空氣冷卻器對(duì)水溫的要求，水潤(rùn)滑軸承對(duì)水質(zhì)的要求。2水電廠的供水系統(tǒng)由水源、供水設(shè)備、水處理設(shè)備、管網(wǎng)和測(cè)量控制元件組成。3種供水水源：上游水庫、下游尾水與地下水。5種供水方式：自流供水、水泵供水、混和供水、射流泵供水和循環(huán)供水。3種供水設(shè)備配置方式：集中供水、單元供水與分組供水。（注意不要把供水方式與供水設(shè)備配置方式混淆。）3水電廠排水的內(nèi)容：生產(chǎn)用水的排水、機(jī)組和廠房水下

34、部分的檢修排水及滲漏排水。4檢修排水的兩種方式：直接排水和廊道排水。5排水系統(tǒng)的主要設(shè)備：排水閥和排水泵。6水力參數(shù)測(cè)量的目的是為了保證水電站的安全運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；考查已投入運(yùn)行機(jī)組的實(shí)際性能，為科研、設(shè)計(jì)提供和積累資料。水力監(jiān)測(cè)的內(nèi)容：攔污柵前后的壓力差，電站上下游水位，水輪機(jī)裝置水頭，工作水頭，引用流量，水輪機(jī)引，排水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、輔助設(shè)備系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)等。第十章 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一、水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)1隨外界負(fù)荷的變化，迅速改變機(jī)組的出力。2保持機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)。3啟動(dòng)、停機(jī)、增減負(fù)荷，對(duì)并入電網(wǎng)的機(jī)組進(jìn)行成組調(diào)節(jié)(負(fù)荷分配)。隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷變化，水輪機(jī)相應(yīng)地改變導(dǎo)葉開度(或針

35、閥行程)，使機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)并保持為額定轉(zhuǎn)速的過程，稱為水輪機(jī)調(diào)節(jié)。二、水輪機(jī)調(diào)節(jié)原理(一) 原理：水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程式為： (1)當(dāng)=時(shí)，=0，(2)N0n(3)N0n所以當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)，使=，又：要使，一般不能改變H和效率(做不到或不經(jīng)濟(jì))，而是通過改變Q而達(dá)到改變主動(dòng)力矩Mt的目的。調(diào)節(jié)流量的途徑： 反擊式水輪機(jī)： 通過改變導(dǎo)葉開度a0軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)：改變導(dǎo)葉開度a0，同時(shí)改變?nèi)~片轉(zhuǎn)角 沖擊式水輪機(jī)： 通過改變噴嘴開度調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速水輪機(jī)調(diào)節(jié)所用的調(diào)節(jié)裝置稱為水輪機(jī)調(diào)速器。三、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成調(diào)速器的作用：以轉(zhuǎn)速信號(hào)為依據(jù)，迅速自動(dòng)地調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，以達(dá)到改變出力恢復(fù)轉(zhuǎn)速的

36、目的。調(diào)速器由自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、油壓裝備、保護(hù)裝備和監(jiān)視儀表組成。其中，自動(dòng)調(diào)整主要由測(cè)量元件、放大元件、校正元件等組成，調(diào)速器與機(jī)組構(gòu)成水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)偏差時(shí)，能自動(dòng)改變導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的開度，使機(jī)組輸出的有功功率滿足電網(wǎng)負(fù)荷的需要，維持頻率穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速調(diào)整機(jī)構(gòu)和開度限制機(jī)構(gòu)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)起著控制作用。測(cè)量元件是個(gè)比例環(huán)節(jié)，能將輸入頻率信號(hào)變?yōu)闄C(jī)械位移或電氣信號(hào)，以便推動(dòng)下一級(jí)放大機(jī)構(gòu)；放大元件是個(gè)積分環(huán)節(jié)，如無負(fù)反饋信號(hào)的作用，放大元件的動(dòng)作將不會(huì)停止；硬反饋元件是按比例將輸入值變?yōu)檩敵鲋?，加入到綜合元件后，起著調(diào)差作用；軟反饋元件是個(gè)實(shí)際微分環(huán)節(jié)，一調(diào)整器中作校正元件，形成調(diào)節(jié)規(guī)律，電調(diào)中的PID環(huán)節(jié)通過集成電路，將比例積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件完成送入信號(hào)綜合放大回路；微機(jī)調(diào)節(jié)器是通過采樣的離散處理，利用三次采樣的偏差值由PID控制算式取得輸出值作用于功率放大機(jī)構(gòu)。四、調(diào)速器的類型1按調(diào)速器元件結(jié)構(gòu)分為：機(jī)械液壓(機(jī)調(diào))和電氣液壓(電調(diào))2按調(diào)節(jié)規(guī)律可分為：PI和PID調(diào)速器3按執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)目分：?jiǎn)握{(diào)節(jié)和雙調(diào)節(jié)調(diào)速器單調(diào)節(jié)：只有一個(gè)導(dǎo)葉起閉機(jī)構(gòu)，如混流和軸流定漿機(jī)組雙調(diào)節(jié)：有兩個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(導(dǎo)葉開度，葉片轉(zhuǎn)置角)，ZZ、CJ（針閥、折流板轉(zhuǎn)動(dòng)）4按反饋的位置分為：輔助接力器型、中間接力器型、電子調(diào)節(jié)器5按調(diào)速器工