水電站大作業(yè)

1、水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110一基本資料及任務(wù)表 1 下游水位流量關(guān)系要求：（5）將模型綜合特性曲線轉(zhuǎn)換成原型運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線。 本題是一個(gè)水輪機(jī)選型的綜合題，本題的任務(wù)要求有： 選擇水輪機(jī)的臺(tái)數(shù)和單機(jī)容量； 選擇水輪機(jī)的牌號(hào)、型號(hào)及裝置方式； 確定水輪機(jī)的直徑、轉(zhuǎn)速、吸出高及安裝高程； 確定蝸殼及尾水管尺寸； 繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線； 選型設(shè)計(jì)已經(jīng)收集的基本資料：（1） 水能規(guī)劃資料 裝機(jī)容量：總裝機(jī)容量為 120MW,初擬四臺(tái)機(jī)組； 各種代表水頭：Hmax=140m, Hmin=100m, Hav=116m, ； 下游水位與流量關(guān)系曲線（表 1 水輪機(jī)的系列型譜

2、：附件中包括輪系的水頭適用范圍、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)。 同步轉(zhuǎn)速 n：機(jī)組的同步轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)有關(guān)，磁極對(duì)數(shù)只能是一對(duì) 一對(duì) 的，在 選擇水 輪機(jī) 轉(zhuǎn)速是 必須套 用同 步轉(zhuǎn)速 。n=3000/p(r/min)。水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110二水輪機(jī)比較與選擇2.1 Hmax HavHr在適用經(jīng)給出了電站的最大水頭 Hmax=140m，最小水頭 Hmin=100m，加權(quán)平均水頭，計(jì)算水頭。于是，可以根據(jù)水頭數(shù)據(jù)參考水輪機(jī)的系列型譜選擇水輪機(jī)類型。查中小型混流式、軸流式水輪機(jī)模型參數(shù)表有多種選擇方案，為了便于比較分析本文初步選擇水

3、輪機(jī)型號(hào)為A253-46和A502-35裝置方式采用立軸布置。2.2 2.2.1 混流 A253-46型水輪機(jī)1轉(zhuǎn)輪直徑 D 的計(jì)算1由公式N 9.81QH 9.81Q D HH可得到 D 的計(jì)算公式為：2111ND 公式 1)9.81Q H1231注意幾個(gè)參數(shù)的取值： N 取水輪機(jī)額定出力 N， N N N/ ， 是發(fā)電機(jī)的額定出力（機(jī)組rrfff 是發(fā)電機(jī)效率，查資料可取為96%；所以求得N=31.25MW。rf H取設(shè)計(jì)水頭 H。r取限制工況下的單位流量，查型譜表得=0.805m /s,3Q1QQ1max1max=88.6%。M 效率 ，這一步需要試算，初步估計(jì) 1.4% ，則M 90%

4、。 M由以上參數(shù)可以計(jì)算出 D =1.95m，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)直徑去定D ；通常是選用相近11而偏大的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便使水輪機(jī)有一定的富裕容量。所以選擇 D =2.0m。12. 轉(zhuǎn)速的計(jì)算n1H水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：n（公式 2）D1參數(shù)取值：2水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110 已知 D =2.0m。1 H取 H ；即在運(yùn)行過程中出現(xiàn)最多的水頭。av選用原型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 ；初步假定n n = 63(r/min)，為模n1nnMM型的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速。由以上參數(shù)，計(jì)算出 n=339.3(r/min)，按照標(biāo)準(zhǔn)選取轉(zhuǎn)速，選取與之相近且偏大的同步轉(zhuǎn)速 333.3(r/min)，。3. 效率

5、及單位參數(shù)修正查表可得 A253-46 型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為92%，M 模型轉(zhuǎn)輪直徑為 D ，原型效率1MD1 )5 m （公式 3）maxM maxD1于是，求得 94.0%，效率修正值為 ?？紤]到模型maxM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 ?，F(xiàn)在取 ，則可得到效率修正值為 ，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 92% 1.4% 93.4% nmaxM max 88.6% 1.4% 90% （與上述假設(shè)相同） n M單位轉(zhuǎn)速的修正值按下式計(jì)算：n n ( /1)（公式 4-1）110MmaxM maxn則：1( /1) 0

6、.934/0.9210.76%（公式 4-2）nmaxM max10Mn由于13.0%，按規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可不加修正，同時(shí)，單位流量 Q 也可以1n10M不加修正。由上可見，原先假定的 90%,Q Q ,n n 是正確的，所以上述計(jì)11max1010M算及選用的結(jié)果 D =2.0m、n=333.3r/min 也是正確的。14. 工作范圍檢驗(yàn)在選定 D =2.0mn=333.3r/min Q 及各特征水頭相對(duì)應(yīng)的n111max即可計(jì)算出來。水輪機(jī)在 H、N 下工作時(shí)，其Q Q ，故rr11maxN312509.812 110 1100.9Q0.7670.805m /s（公式 5）3rD H H1ma

7、x221rr則水輪機(jī)的最大引用流量為Q QDH 0.7672 110 32.18m /s （公式 6）2123max1maxr與特征水頭 H 、H 、和 Hr相對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為maxmin3水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110在 A253-46型水輪機(jī)模型綜合特性曲線圖上分別繪出Q 767L/s 、1max的直線，如圖1 所示。由圖可見，有1n=333.3r/min是合理的。圖 1 5. 吸出高度 Hs和安裝高程 Zs計(jì)算767L/s ，在圖1 上可1max )H （8）s4水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110海拔高程，即453.6 ，帶入公式求得mHs=2

8、.566（m即轉(zhuǎn)輪中壓力最低點(diǎn)在下游水面 2.566m 以上，水輪機(jī)安裝位置合理，可見A253-46型水輪機(jī)方案的吸出高度滿足電站要求。安裝高程Z 按照公式sZ H b /2（9）sws0其中 為設(shè)計(jì)尾水位。設(shè)計(jì)流量Q 32.18m /s，查下游水位流量曲線3wmax表得設(shè)計(jì)尾水位 =452.8m，而 bo=0.25D1=0.5m，于是求得wZs=452.8+0.5+2.566=455.87m。由模型綜合特性曲線知，圖上還有更高的氣蝕工況 0.065，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。m2.2.2 混流 A502-35型水輪機(jī)與混流 A253-46 4 個(gè)方面

9、進(jìn)行分析研究。1. 轉(zhuǎn)輪直徑 D 計(jì)算1 A502-35型水輪機(jī)在限制工況下的單位流量Q 0.872m /s，效率87%，由此可初步假定原型水31MM輪機(jī)在該工況下的單位流量Q Q 0.872m /s ，效率 。311M上述的Q 、 、 31250 和H 110m1 D 1.89m ， Nrkw1r1選用與之接近而偏大的標(biāo)稱直徑D 2.0m。12. 轉(zhuǎn)速 n計(jì)算 A502-35 型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下單位轉(zhuǎn)速n 62r/min ，10M初步假定 n n ，將已知的 n 和 H 116m, D 2.0m 代入式（ 2）可得1010M10av1n333.88r/min，選用與之接近的同步轉(zhuǎn)速nr/m

10、in。3. 效率及單位參數(shù)的修正查參數(shù)表可得 A502-35 型水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的模型最高效率為92.7% ，模型轉(zhuǎn)輪直徑為 D 0.35m ，根據(jù)式（3M max1M94.8% ，則效率修正值 ?？紤]模型與原型水輪max機(jī)在制造工藝質(zhì)量上的差異，常在求得的 值中減去一個(gè)修正值 。現(xiàn)在取 ，則可得效率修正值為 ，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 92.7% 2% 94.7% maxM max 87% 2% 89%（與上面假設(shè)值相同） M單位轉(zhuǎn)速的修正值按公式（4）計(jì)算，則n( /1)0.947/0.92711.07% 3%1nmaxM max10M按照規(guī)定單位轉(zhuǎn)速可以不加

11、修正。同時(shí)，單位流量Q 也可不加修正。1 n n ， Q 0.872m /s 是正確的，Q131010M1M5水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110nr1在選定D 2.0m， 333.3 /min后，水輪機(jī)的Q 及各特征水頭相對(duì)應(yīng)nr11max1水輪機(jī)在 H 、N 下工作時(shí)，其 Q Qrr11maxQ331max則水輪機(jī)的最大引用流量由式（6）有：D231r與特征水頭 H 、H 、和 Hr相對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為maxminnDn1HnD1HnDn1110rHr在 A502-35 型水輪機(jī)模型綜合特性曲線圖上分別繪出 Q 776L/s 、1maxn56.34r /min 和n66.6

12、6r /min 2 1圖 2 6水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：20093015801105. 吸出高度 Hs 和安裝高程Z 計(jì)算s由水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，n 63.56r /min ，Q776L/s，在圖2 上可1r1max查得相應(yīng)的氣蝕系數(shù)約為 0.076，并在水電站圖 2-26 查得氣蝕系數(shù)的修正值約為 0.02，水輪機(jī)安裝位置海拔高程453.6 ，由水輪機(jī)的吸出高m度公式（8）計(jì)算求解得H 1.064m 。s即轉(zhuǎn)輪中壓力最低點(diǎn)在下游平均水面以下 1.064m，水輪機(jī)安裝位置合理，可見 A253-46型水輪機(jī)方案的吸出高度滿足電站要求。安裝高程Z 9Q 32.54m /s流量曲3smax線

13、表 得 設(shè) 計(jì) 尾 水 位 452.778m ， 而 b 0.25D 0.5m ， 于 是 求 得w01Z 455.964m。s由模型綜合特性曲線知，圖上還有更高的氣蝕工況 0.11，比設(shè)計(jì)工況時(shí)的氣蝕系數(shù) 0.078大，因此該工況不是氣蝕最危險(xiǎn)工況。m2.2.3 兩種方案的比較分析為了便于比較分析，現(xiàn)將這兩種方案的有關(guān)參數(shù)列入表 2 中。序號(hào)項(xiàng)目推薦使用水頭范圍（m)最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10(r/min)最優(yōu)單位流量Q10(L/s)最高效率Mmax(%)氣蝕系數(shù)模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)工作水頭范圍（m）轉(zhuǎn)輪直徑D1(m)最高效率max(%)額定出力Nr(kw)1011123125031.282.5663125

14、032.54-1.064最大應(yīng)用流量Qmax(m/s)吸出高 Hs(m)表 2 由表 2 可見，兩種機(jī)型方案的水輪機(jī)直徑 D 相同，均為 2.0m。但 A253-461制造供貨方面沒有問題時(shí)，初步選擇 A253-46 型方案較為有利。2.3 經(jīng)過初選與比較最終選擇的水輪機(jī)類型為 A253-46 型，裝置方式采用軸立混流式。 水輪機(jī)直徑D =2.0m n=333.3r/min 100m-140m，1計(jì)算水頭下的額定出力Nr 31250kw。 在設(shè)計(jì)水頭 H 110m 下，機(jī)組 發(fā)出的額定出力時(shí)的允許吸出高r7水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110Hs=2.566m，水輪機(jī)安裝高程

15、為Zs=455.87m，此工況不是氣蝕最危險(xiǎn)工況。max b =0.224D 。01 （公式 10）r其中D D 3.45mD 2.85mbaab001a) 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V r const；ub) 假設(shè)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V const V 。u圖 3 所示）Q = 31.28m /s3Q （）iimax圖 2 8水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110iQ（12）iVic設(shè)計(jì)水頭 2-8 蝸殼進(jìn)口斷面平均流速曲線，對(duì)金屬蝸殼可取上限值V 9.6m/s。c蝸殼外包線R （如圖 4 所示）計(jì)算公式：i圖 3 R r 2

16、 （13）iai其中r D /2 1.725m，r D /2 1.425mabb30031.288.4026.070.992.723.71165iQmax31.289水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：20093015801108.4019.550.862.593.45908.4018.250.832.563.39758.4016.940.802.533.33608.4015.640.772.493.26458.4014.340.742.463.20308.4013.030.702.433.13158.4011.730.672.393.060iQmaxVc31.288.407.820.542.272.

17、8131.288.406.520.502.222.7231.288.405.210.442.172.6131.288.403.910.382.112.4931.288.402.610.312.042.3531.288.401.300.221.952.1731.288.400.000.001.731.73Ri表 3 3.2 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。他們的特點(diǎn)如下：1. 直錐形尾水管結(jié)構(gòu)簡單，性能最好（ 可達(dá) 80%-85%w工程量最大，因此一般應(yīng)用于小型水輪機(jī)。2. 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

18、水輪機(jī)中的一種尾水管，由于其轉(zhuǎn)彎段水力損失較大，所以其性能較差， 約為 40%-60%。w3. 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(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w用這種型式的尾水管。和出口擴(kuò)散段三部分組成。3.2.2 尾水管尺寸計(jì)算電站教材表 2-1 及相關(guān)參考數(shù)據(jù)：推薦的尾水管尺寸表確定，由于水輪機(jī)屬于高水頭水輪機(jī)（ 4 所示。D12.00D32.20h6D42.70Lh2.702.441.14895.443.648o13o10水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110圖 4 單邊擴(kuò)散角 的最優(yōu)取值為 7。3. 出

19、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12h=h1+h2+h3+h4=4.87(m)。尾水管的水平長度。尾水管的水平長度 L是指機(jī)組中心線到尾水管出口斷面的距離，通常取L (3.5 4.5)D 。L=9.0（m）13.3 11水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110到的公式有：1HN 9.81Q D2H 3211序號(hào)出力14627.1序號(hào) 設(shè)計(jì)=110） 出力17575.418956.720263.912水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：200930158011021921.426025.826823.727512.828120.628870.2出力50.9240

20、.9240.9140.9040.8940.87489100.87410序號(hào)序號(hào) 效率（Hmax=140）18357.821106.624105.926385.733363.435949.037378.938196.738920.1畫出的等水頭線如下：圖 6 在等水頭曲線上作出某一效率值的水平線，它與圖中的各等 H 線相交，讀水輪機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算朱成 學(xué)號(hào)：2009301580110120110100100110120140120110100100110120140140120110100100110120140與發(fā)電機(jī)配套運(yùn)行，所以水輪機(jī)最大出力收到發(fā)電機(jī)額定出力和水輪機(jī) 出力儲(chǔ)備線的雙重限制。發(fā)電機(jī)額定出力N 的限制記為水輪機(jī)額定出力N r曲線圖上， H H 時(shí)的出力限制線為 N N 3