水電站大作業(yè)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上水電站大作業(yè)水輪機選擇設計2012級水電三班 易斯07一基本資料和要求1.某壩后式電站，總裝機容重為120MW，初擬裝四臺機組，電站最大水頭Hmax=140m，最小水頭Hmin=100m，加權平均水頭Hav=116m，計算水頭Hr110m，下游水位-流量曲線如下表所列：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水輪機選型計算和蝸殼繪制資料，水輪機的系列型譜（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速、單位流量和模型汽蝕系數(shù)），有關輪系的模型特性曲線。3.要求：（l）確定水輪機類型及裝置方式；（2）確定水輪機轉輪直徑D1及轉速n，校核水輪機的工作范圍和計算水頭下的額定出力；（3）計算設計水頭下，機組發(fā)出額定出力時的允許吸出高Hs，并算出此時水輪機的安裝高程。此工況是否是氣蝕最危險工況？為什么？ （4）采用圓形斷面的金屬蝸殼，最大包角max345°，導水葉高度b0=0.224D1。請計算蝸殼及尾水管輪廓尺寸。并用CAD繪出蝸殼、尾水管單線圖。（5）將模型綜合特性曲線轉換成原型運轉綜合特性曲線。二水輪機類型的比選與確定2.1水輪機型號選擇根據(jù)

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

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

5、已求得的值中再減去一個修正值?，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在最優(yōu)工況和限制工況下的效率為。具體計算如下表2： (表2)單位轉速的修正值按下式計算：<3%，按規(guī)定單位轉速可不加修正，同時，單位流量也可以不加修正。由上可見， 是正確的，所以上述計算及選用的結果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正確的。2.2.4工作范圍的檢驗在選定D1=2.0m、n=333.3r/min后，水輪機的及各特征水頭相對應的即可計算出來。水輪機在Hr、Nr下工作時，其，故則水輪機的最大引用流量為=0.767*22*110=32.177m3/s與特征水頭Hmax、

6、Hmin、和Hr相對應的單位轉速為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型水輪機模型綜合特性曲線圖上分別繪出、n1min=56.34r/min， n1max=66.66r/min的直線，如圖（1）所示。由圖可見，有這三根直線所圍成的水輪機工作范圍（圖中陰影部分）基本上包含了該特性曲線的高效率區(qū)。所以對于A253-46型水輪機方案，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的計算（1）吸出高程Hs的計算由水輪機的設計工況參數(shù)，在圖（1）上可查得相應的氣蝕系數(shù)約為=0.048，并查得Hr=110m對應的氣蝕系數(shù)的修正值約為=0.016 是水輪機安裝位置的海拔高程，取為下游平均水位的海拔高程，由此可得水輪機的吸出高度Hs=2.456（m）；可見，轉輪中壓力最低點在下游水面2.456m以上， A253-46型水輪機方案的吸出高度滿足電站要求。（2）安裝高程按照公式 計算；為設計尾水位。設計流量=32.177m3/s，查下游水位-流量曲線表并插值計算=452.6+（32.177-30）*=452.8m，對于混流式水輪機，導

8、葉相對高度，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知，圖上還有更高的氣蝕工況及限制工況下對應的，比設計工況時的氣蝕系數(shù)0.048大，因此該工況不是氣蝕最危險工況。2.3 A502-35水輪機方案的主要參數(shù)選擇2.3.1轉輪直徑D1的計算查水輪機型譜資料可得A502-35水輪機在限制工況下的單位流量為0.872m3/s，M=0.87；Nr為水輪機的額定出力=Ngr/gr=120/（4*0.96）=31.25MW；Hr為水輪機的設計水頭=110m；=M+,需經過試算來確定。Excel試算表（2）如下：表（3）由

9、此算可以算得D1=1.884m，為使水輪機有一定的富裕容量，通常選用較計算值稍大的標稱直徑。根據(jù)標準尺寸系列可取D1=2m。2.3.2轉輪轉速n的計算為了使水輪機在加權平均水頭獲得最高效率，故取H=Hav=116m； A502-35水輪機在最優(yōu)工況下單位轉速=62r/min，初步假定=62r/min，且D1=2m。由此可以算得n=333.88 r/min，為使機組有較小的尺寸和重量，選用與之相近標準同步轉速333.3 r/min，此時磁極對數(shù)p=9。2.3.3效率及單位參數(shù)修正A502-35型水輪機在最優(yōu)工況下的模型最高效率為，模型轉輪直徑為D1M=0.35 m，原型效率，效率修正值為?？紤]到

10、模型與原型水輪機在制造工藝質量上的差異，常在已求得的值中再減去一個修正值。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在最優(yōu)工況和限制工況下的效率為。具體計算如下表2： (表4)單位轉速的修正值按下式計算：，按規(guī)定單位轉速可不加修正，同時，單位流量也可以不加修正。由上可見，是正確的，所以上述計算及選用的結果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正確的。2.3.4工作范圍的檢驗在選定D1=2.0m、n=333.3r/min后，水輪機的及各特征水頭相對應的即可計算出來。水輪機在Hr、Nr下工作時，其，故0.774 m3/s<0.872m3/s則水輪機的最大引

11、用流量為= =0.774*22*110=32.47m3/s與特征水頭Hmax、Hmin、和Hr相對應的單位轉速為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型水輪機模型綜合特性曲線圖上分別繪出774 L/s、n1min=56.34r/min， n1max=66.66r/min的直線，如圖（2）所示。由圖可見，有這三根直線所圍成的水輪機工作范圍（圖中陰影部分）基本上包含了該特性曲線的高效率區(qū)。所

12、以對于A502-35型水輪機方案，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的計算（1）吸出高程Hs的計算由水輪機的設計工況參數(shù)，774 L/s，在圖（2）上可查得相應的氣蝕系數(shù)約為=0.077，并查得Hr=110m對應的氣蝕系數(shù)的修正值約為=0.016 是水輪機安裝位置的海拔高程，取為下游平均水位的海拔高程，由此可得水輪機的吸出高度Hs=-0.734（m）；可見，轉輪中壓力最低點在下游水面0.734m以下， A 502-35型水輪機方案的吸出高度滿足電站要求。（2）安裝高程按照公式 計算；為設計尾水位。設計流量=32.47 m3

13、/s，查下游水位-流量曲線表并插值計算=（32.47-30）*=452.77m，對于混流式水輪機，導葉相對高度，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知，圖上還有更高的氣蝕工況及限制工況下對應的，比設計工況時的氣蝕系數(shù)0.077大，因此該工況不是氣蝕最危險工況。2.5兩種水輪機型號比較 表（5）水輪機方案參數(shù)對照表序號項目A253-46A502-351模型轉輪參數(shù)推薦使用水頭范圍（m)1401402最優(yōu)單位轉速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原型水輪機參數(shù)工作水頭范圍（m）100-140100-1407轉輪直徑D1(m)2.0 2.0 8轉速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，兩種機型方案的水輪機直徑D1相同，均為2.0m，轉速也相同，均為333.3r/min。但A253-46型水輪機方案的工作范圍包含了較多的高效率區(qū)域，運行效率較高，氣蝕系數(shù)較小，安裝高程較高，有利于提高年發(fā)電量和減小電站廠房

15、的開挖工程量；根據(jù)以上分析，在制造供貨方面沒有問題時，初步選擇A253-46型水輪機方案較為有利。三蝸殼及尾水管設計3.1蝸殼的設計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°，導水葉高度b0=0.224D1=0.448m，蝸殼進水斷面的平均流速Vc值根據(jù)水輪機設計水頭Hr=110m由經驗曲線查取上限值為9.6m/s。3.1.2蝸殼的水力計算已知條件：水輪機的設計水頭Hr=110m，相應的最大引用流量Qmax=32.177m3/s，導葉高度b0 =0.224D1=0.448m，座環(huán)固定導葉外

16、徑，座環(huán)內徑（查詢水輪機設計手冊），進口斷面形狀為圓形，最大包角max345°，平均流速Vc取9.6m/s。研究水流運動規(guī)律，計算蝸殼幾何形狀和尺寸，并用CAD繪出蝸殼單線圖。水流進入蝸殼后，為便于分析計算，根據(jù)蝸殼中水流必須均勻地軸對稱地進入導水機構的要求，則座環(huán)進口四周各點的水流徑向流速分量Vr應等于常數(shù)，既有 對于圓周速度分量Vu徑向變化規(guī)律有兩種假設：任一斷面上沿徑向各點的水流速度矩等于常數(shù)，即；任一斷面上沿徑向各點的水流圓周分速度等于常數(shù)，即。假設式對可使導水機構進口的水流環(huán)量滿足均勻、軸對稱的要求；假設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。為計算簡單，采用式。蝸殼的斷面尺寸根據(jù)各斷面流速相等條件來計算：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圖 圖（4）金屬蝸殼外包線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，計算表如表（6）所示：表（6）3.2尾水管的設計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。直錐形尾水管結構簡單，性能最好（可達80%-85%），但其下部開挖工程量最大，因此一般應用于小型水輪機。彎錐形尾水管比直錐形尾水管對了一段圓形等直徑的彎管，它是常用于小型臥式水輪機中的一種尾水管，由于其

18、轉彎段水力損失較大，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挖深度，而且具有良好的水力性能，可達75%80%，除貫流式機組外幾乎所有的大中型水輪機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，它由進口直錐段、中間肘管段和出口擴散段三部分組成。3.2.2尾水管各部分形狀及尺寸選擇對混流式水輪機的尾水管圖（5），在一般情況下，水輪機屬于高水頭水輪機，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）混流式水輪機彎肘形尾水管進口直錐段進口直錐段是一段圓錐行擴散管，其單邊擴散角的最優(yōu)取值為7°-9°，本題取=8°，h1和h2可按水輪機型號從結構上確定。中間彎肘段（肘管）它是一段90°轉彎的變截面彎管，其進口斷面為圓形，出口斷面為矩形，按標準混凝土肘管尺寸，其中所列數(shù)據(jù)對應h4=1.35*D1=2.7(m)，應用時乘以選定的h4=2.7(m)，即可得到所需值。出口擴散管它是一段水平放置、兩側平行、頂板上翹角的矩形擴散管。一般取，本題取。尾水管的高