水電站大作業(yè)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上水電站大作業(yè)水輪機(jī)選擇設(shè)計(jì)2012級(jí)水電三班 易斯07一基本資料和要求1.某壩后式電站，總裝機(jī)容重為120MW，初擬裝四臺(tái)機(jī)組，電站最大水頭Hmax=140m，最小水頭Hmin=100m，加權(quán)平均水頭Hav=116m，計(jì)算水頭Hr110m，下游水位-流量曲線(xiàn)如下表所列：流量Q（m3/s）0102030405060水位Z（m）450450.9451.8452.6453.3453.8453.2流量Q（m3/s）708090100110120水位Z（m）454.4454.8455.0455.2455.3455.42水輪機(jī)選型計(jì)算和蝸殼繪制資料，水輪機(jī)的系列型譜（包括輪系的水

2、頭適用范圍、最優(yōu)工況和限制工況下的單位轉(zhuǎn)速、單位流量和模型汽蝕系數(shù)），有關(guān)輪系的模型特性曲線(xiàn)。3.要求：（l）確定水輪機(jī)類(lèi)型及裝置方式；（2）確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1及轉(zhuǎn)速n，校核水輪機(jī)的工作范圍和計(jì)算水頭下的額定出力；（3）計(jì)算設(shè)計(jì)水頭下，機(jī)組發(fā)出額定出力時(shí)的允許吸出高Hs，并算出此時(shí)水輪機(jī)的安裝高程。此工況是否是氣蝕最危險(xiǎn)工況？為什么？ （4）采用圓形斷面的金屬蝸殼，最大包角max345°，導(dǎo)水葉高度b0=0.224D1。請(qǐng)計(jì)算蝸殼及尾水管輪廓尺寸。并用CAD繪出蝸殼、尾水管單線(xiàn)圖。（5）將模型綜合特性曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成原型運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線(xiàn)。二水輪機(jī)類(lèi)型的比選與確定2.1水輪機(jī)型號(hào)選擇根據(jù)

3、該水輪機(jī)的水頭變化范圍為100140m，水頭較高，在水輪機(jī)系列型譜上可查出合適的機(jī)型有A253-46與A502-35兩種 ，均為混流式，立軸布置。現(xiàn)將這兩種水輪機(jī)作為初選方案，分別求出其有關(guān)參數(shù)并進(jìn)行分析比較。2.2 A253-46水輪機(jī)方案的主要參數(shù)選擇2.2.1轉(zhuǎn)輪直徑D1的計(jì)算查水輪機(jī)型譜資料可得A253-46水輪機(jī)在限制工況下的單位流量為0.805m3/s，M=0.886；Nr為水輪機(jī)的額定出力=Ngr/gr=120/（4*0.96）=31.25MW；Hr為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭=110m；=M+,需經(jīng)過(guò)試算來(lái)確定。Excel試算表（1）如下：表（1）由此算可以算得D1=1.952m，為使水

4、輪機(jī)有一定的富裕容量，通常選用較計(jì)算值稍大的標(biāo)稱(chēng)直徑。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列可取D1=2m。2.2.2轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速n的計(jì)算為了使水輪機(jī)在加權(quán)平均水頭獲得最高效率，故取H=Hav=116m；A253-46水輪機(jī)在最優(yōu)工況下單位轉(zhuǎn)速=63r/min，初步假定=63r/min，且D1=2m。由此可以算得n=339.3 r/min，為使機(jī)組有較小的尺寸和重量，選用與之相近標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速333.3 r/min，此時(shí)磁極對(duì)數(shù)p=9。2.2.3效率及單位參數(shù)修正A253-46型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為，模型轉(zhuǎn)輪直徑為D1M=0.46m，原型效率，效率修正值為。考慮到模型與原型水輪機(jī)在制造工藝質(zhì)量上的差異，常在

5、已求得的值中再減去一個(gè)修正值?，F(xiàn)在取=0.006，則可得到效率修正值為=0.014，由此可得原型水輪機(jī)在最優(yōu)工況和限制工況下的效率為。具體計(jì)算如下表2： (表2)單位轉(zhuǎn)速的修正值按下式計(jì)算：<3%，按規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可不加修正，同時(shí)，單位流量也可以不加修正。由上可見(jiàn)， 是正確的，所以上述計(jì)算及選用的結(jié)果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正確的。2.2.4工作范圍的檢驗(yàn)在選定D1=2.0m、n=333.3r/min后，水輪機(jī)的及各特征水頭相對(duì)應(yīng)的即可計(jì)算出來(lái)。水輪機(jī)在Hr、Nr下工作時(shí)，其，故則水輪機(jī)的最大引用流量為=0.767*22*110=32.177m3/s與特征水頭Hmax、

6、Hmin、和Hr相對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為n1min=nD1Hmax=333.3×2140=56.34r/minn1max=nD1Hmin=333.3×2100=66.66r/minn1r=nD1Hr=333.3×2110=63.56r/min在A253-46型水輪機(jī)模型綜合特性曲線(xiàn)圖上分別繪出、n1min=56.34r/min， n1max=66.66r/min的直線(xiàn)，如圖（1）所示。由圖可見(jiàn)，有這三根直線(xiàn)所圍成的水輪機(jī)工作范圍（圖中陰影部分）基本上包含了該特性曲線(xiàn)的高效率區(qū)。所以對(duì)于A253-46型水輪機(jī)方案，所選定的參數(shù)D1=2.0m、n=333.3r/min是合理

7、的。圖（1）2.2.5吸出高程Hs及安裝高程Zs的計(jì)算（1）吸出高程Hs的計(jì)算由水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，在圖（1）上可查得相應(yīng)的氣蝕系數(shù)約為=0.048，并查得Hr=110m對(duì)應(yīng)的氣蝕系數(shù)的修正值約為=0.016 是水輪機(jī)安裝位置的海拔高程，取為下游平均水位的海拔高程，由此可得水輪機(jī)的吸出高度Hs=2.456（m）；可見(jiàn)，轉(zhuǎn)輪中壓力最低點(diǎn)在下游水面2.456m以上， A253-46型水輪機(jī)方案的吸出高度滿(mǎn)足電站要求。（2）安裝高程按照公式 計(jì)算；為設(shè)計(jì)尾水位。設(shè)計(jì)流量=32.177m3/s，查下游水位-流量曲線(xiàn)表并插值計(jì)算=452.6+（32.177-30）*=452.8m，對(duì)于混流式水輪機(jī)，導(dǎo)

8、葉相對(duì)高度，所以bo=0.224D1=0.448m，于是求得Zs=452.8+0.448+2.456=455.704m。由模型綜合特性曲線(xiàn)知，圖上還有更高的氣蝕工況及限制工況下對(duì)應(yīng)的，比設(shè)計(jì)工況時(shí)的氣蝕系數(shù)0.048大，因此該工況不是氣蝕最危險(xiǎn)工況。2.3 A502-35水輪機(jī)方案的主要參數(shù)選擇2.3.1轉(zhuǎn)輪直徑D1的計(jì)算查水輪機(jī)型譜資料可得A502-35水輪機(jī)在限制工況下的單位流量為0.872m3/s，M=0.87；Nr為水輪機(jī)的額定出力=Ngr/gr=120/（4*0.96）=31.25MW；Hr為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭=110m；=M+,需經(jīng)過(guò)試算來(lái)確定。Excel試算表（2）如下：表（3）由

9、此算可以算得D1=1.884m，為使水輪機(jī)有一定的富裕容量，通常選用較計(jì)算值稍大的標(biāo)稱(chēng)直徑。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列可取D1=2m。2.3.2轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速n的計(jì)算為了使水輪機(jī)在加權(quán)平均水頭獲得最高效率，故取H=Hav=116m； A502-35水輪機(jī)在最優(yōu)工況下單位轉(zhuǎn)速=62r/min，初步假定=62r/min，且D1=2m。由此可以算得n=333.88 r/min，為使機(jī)組有較小的尺寸和重量，選用與之相近標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速333.3 r/min，此時(shí)磁極對(duì)數(shù)p=9。2.3.3效率及單位參數(shù)修正A502-35型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為，模型轉(zhuǎn)輪直徑為D1M=0.35 m，原型效率，效率修正值為。考慮到

10、模型與原型水輪機(jī)在制造工藝質(zhì)量上的差異，常在已求得的值中再減去一個(gè)修正值。現(xiàn)在取=0.014，則可得到效率修正值為=0.006，由此可得原型水輪機(jī)在最優(yōu)工況和限制工況下的效率為。具體計(jì)算如下表2： (表4)單位轉(zhuǎn)速的修正值按下式計(jì)算：，按規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可不加修正，同時(shí)，單位流量也可以不加修正。由上可見(jiàn)，是正確的，所以上述計(jì)算及選用的結(jié)果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正確的。2.3.4工作范圍的檢驗(yàn)在選定D1=2.0m、n=333.3r/min后，水輪機(jī)的及各特征水頭相對(duì)應(yīng)的即可計(jì)算出來(lái)。水輪機(jī)在Hr、Nr下工作時(shí)，其，故0.774 m3/s<0.872m3/s則水輪機(jī)的最大引

11、用流量為= =0.774*22*110=32.47m3/s與特征水頭Hmax、Hmin、和Hr相對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為n1min=nD1Hmax=333.3×2140=56.34r/minn1max=nD1Hmin=333.3×2100=66.66r/minn1r=nD1Hr=333.3×2110=63.56r/min在A502-35型水輪機(jī)模型綜合特性曲線(xiàn)圖上分別繪出774 L/s、n1min=56.34r/min， n1max=66.66r/min的直線(xiàn)，如圖（2）所示。由圖可見(jiàn)，有這三根直線(xiàn)所圍成的水輪機(jī)工作范圍（圖中陰影部分）基本上包含了該特性曲線(xiàn)的高效率區(qū)。所

12、以對(duì)于A502-35型水輪機(jī)方案，所選定的參數(shù)D1=2.0m、n=333.3r/min是合理的。圖（2）2.3.5吸出高程Hs及安裝高程Zs的計(jì)算（1）吸出高程Hs的計(jì)算由水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，774 L/s，在圖（2）上可查得相應(yīng)的氣蝕系數(shù)約為=0.077，并查得Hr=110m對(duì)應(yīng)的氣蝕系數(shù)的修正值約為=0.016 是水輪機(jī)安裝位置的海拔高程，取為下游平均水位的海拔高程，由此可得水輪機(jī)的吸出高度Hs=-0.734（m）；可見(jiàn)，轉(zhuǎn)輪中壓力最低點(diǎn)在下游水面0.734m以下， A 502-35型水輪機(jī)方案的吸出高度滿(mǎn)足電站要求。（2）安裝高程按照公式 計(jì)算；為設(shè)計(jì)尾水位。設(shè)計(jì)流量=32.47 m3

13、/s，查下游水位-流量曲線(xiàn)表并插值計(jì)算=（32.47-30）*=452.77m，對(duì)于混流式水輪機(jī)，導(dǎo)葉相對(duì)高度，所以bo=0.224D1=0.448m，于是求得Zs=452.77+0.448-0.734=452.484m。由模型綜合特性曲線(xiàn)知，圖上還有更高的氣蝕工況及限制工況下對(duì)應(yīng)的，比設(shè)計(jì)工況時(shí)的氣蝕系數(shù)0.077大，因此該工況不是氣蝕最危險(xiǎn)工況。2.5兩種水輪機(jī)型號(hào)比較 表（5）水輪機(jī)方案參數(shù)對(duì)照表序號(hào)項(xiàng)目A253-46A502-351模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)推薦使用水頭范圍（m)1401402最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10(r/min)63623最優(yōu)單位流量Q10(L/s)6556454最高效率Mmax(%)9

14、292.75氣蝕系數(shù)0.0470.0776原型水輪機(jī)參數(shù)工作水頭范圍（m）100-140100-1407轉(zhuǎn)輪直徑D1(m)2.0 2.0 8轉(zhuǎn)速n(r/min)333.3333.39最高效率max(%)93.494.910額定出力Nr(kw)312503125011最大應(yīng)用流量Qmax(m3/s)32.17732.4712吸出高Hs(m)2.456-0.734由表（5）可知，兩種機(jī)型方案的水輪機(jī)直徑D1相同，均為2.0m，轉(zhuǎn)速也相同，均為333.3r/min。但A253-46型水輪機(jī)方案的工作范圍包含了較多的高效率區(qū)域，運(yùn)行效率較高，氣蝕系數(shù)較小，安裝高程較高，有利于提高年發(fā)電量和減小電站廠(chǎng)房

15、的開(kāi)挖工程量；根據(jù)以上分析，在制造供貨方面沒(méi)有問(wèn)題時(shí)，初步選擇A253-46型水輪機(jī)方案較為有利。三蝸殼及尾水管設(shè)計(jì)3.1蝸殼的設(shè)計(jì)3.1.1蝸殼的型式及其主要參數(shù)選擇由于工作水頭均大于40m，故采用金屬蝸殼，斷面形狀為圓形斷面，以改善其受力條件，最大包角max345°，導(dǎo)水葉高度b0=0.224D1=0.448m，蝸殼進(jìn)水?dāng)嗝娴钠骄魉賄c值根據(jù)水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭Hr=110m由經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)查取上限值為9.6m/s。3.1.2蝸殼的水力計(jì)算已知條件：水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭Hr=110m，相應(yīng)的最大引用流量Qmax=32.177m3/s，導(dǎo)葉高度b0 =0.224D1=0.448m，座環(huán)固定導(dǎo)葉外

16、徑，座環(huán)內(nèi)徑（查詢(xún)水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)），進(jìn)口斷面形狀為圓形，最大包角max345°，平均流速Vc取9.6m/s。研究水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算蝸殼幾何形狀和尺寸，并用CAD繪出蝸殼單線(xiàn)圖。水流進(jìn)入蝸殼后，為便于分析計(jì)算，根據(jù)蝸殼中水流必須均勻地軸對(duì)稱(chēng)地進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的要求，則座環(huán)進(jìn)口四周各點(diǎn)的水流徑向流速分量Vr應(yīng)等于常數(shù)，既有 對(duì)于圓周速度分量Vu徑向變化規(guī)律有兩種假設(shè)：任一斷面上沿徑向各點(diǎn)的水流速度矩等于常數(shù)，即；任一斷面上沿徑向各點(diǎn)的水流圓周分速度等于常數(shù)，即。假設(shè)式對(duì)可使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)口的水流環(huán)量滿(mǎn)足均勻、軸對(duì)稱(chēng)的要求；假設(shè)式使得蝸殼在尾部流速較小，尾部斷面尺寸較大，有利于減小水頭損失，并便于

17、加工制作。為計(jì)算簡(jiǎn)單，采用式。蝸殼的斷面尺寸根據(jù)各斷面流速相等條件來(lái)計(jì)算：任一斷面流速：（包角從鼻端起算至斷面i的包角，如圖（3）圖（4）所示） 圖（3） 金屬蝸殼的平面單線(xiàn)圖 圖（4）金屬蝸殼外包線(xiàn)示意圖于是得到斷面尺寸為：斷面半徑： 斷面中心距：斷面外半徑：其中，計(jì)算表如表（6）所示：表（6）3.2尾水管的設(shè)計(jì)3.2.1尾水管選型尾水管的型式很多，目前最常用的有三種：直錐形、彎錐形和彎肘形。直錐形尾水管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能最好（可達(dá)80%-85%），但其下部開(kāi)挖工程量最大，因此一般應(yīng)用于小型水輪機(jī)。彎錐形尾水管比直錐形尾水管對(duì)了一段圓形等直徑的彎管，它是常用于小型臥式水輪機(jī)中的一種尾水管，由于其

18、轉(zhuǎn)彎段水力損失較大，所以其性能較差，約為40%60%。彎肘形尾水管不但可以減小尾水管的開(kāi)挖深度，而且具有良好的水力性能，可達(dá)75%80%，除貫流式機(jī)組外幾乎所有的大中型水輪機(jī)均采用這種型式的尾水管。本題尾水管型式選用彎肘形尾水管，它由進(jìn)口直錐段、中間肘管段和出口擴(kuò)散段三部分組成。3.2.2尾水管各部分形狀及尺寸選擇對(duì)混流式水輪機(jī)的尾水管圖（5），在一般情況下，水輪機(jī)屬于高水頭水輪機(jī)，所以D1<D2，其尺寸可以根據(jù)推薦的尾水管尺寸表確定。圖（5）混流式水輪機(jī)彎肘形尾水管進(jìn)口直錐段進(jìn)口直錐段是一段圓錐行擴(kuò)散管，其單邊擴(kuò)散角的最優(yōu)取值為7°-9°，本題取=8°，h1和h2可按水輪機(jī)型號(hào)從結(jié)構(gòu)上確定。中間彎肘段（肘管）它是一段90°轉(zhuǎn)彎的變截面彎管，其進(jìn)口斷面為圓形，出口斷面為矩形，按標(biāo)準(zhǔn)混凝土肘管尺寸，其中所列數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)h4=1.35*D1=2.7(m)，應(yīng)用時(shí)乘以選定的h4=2.7(m)，即可得到所需值。出口擴(kuò)散管它是一段水平放置、兩側(cè)平行、頂板上翹角的矩形擴(kuò)散管。一般取，本題取。尾水管的高