水电站大作业

1、精选优质文档-倾情为你奉上水电站大作业水轮机选择设计2012级水电三班 易斯07一基本资料和要求1.某坝后式电站，总装机容重为120MW，初拟装四台机组，电站最大水头Hmax=140m，最小水头Hmin=100m，加权平均水头Hav=116m，计算水头Hr110m，下游水位-流量曲线如下表所列：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水轮机选型计算和蜗壳绘制资料，水轮机的系列型谱（包括轮系的水

2、头适用范围、最优工况和限制工况下的单位转速、单位流量和模型汽蚀系数），有关轮系的模型特性曲线。3.要求：（l）确定水轮机类型及装置方式；（2）确定水轮机转轮直径D1及转速n，校核水轮机的工作范围和计算水头下的额定出力；（3）计算设计水头下，机组发出额定出力时的允许吸出高Hs，并算出此时水轮机的安装高程。此工况是否是气蚀最危险工况？为什么？ （4）采用圆形断面的金属蜗壳，最大包角max345°，导水叶高度b0=0.224D1。请计算蜗壳及尾水管轮廓尺寸。并用CAD绘出蜗壳、尾水管单线图。（5）将模型综合特性曲线转换成原型运转综合特性曲线。二水轮机类型的比选与确定2.1水轮机型号选择根据

3、该水轮机的水头变化范围为100140m，水头较高，在水轮机系列型谱上可查出合适的机型有A253-46与A502-35两种 ，均为混流式，立轴布置。现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数并进行分析比较。2.2 A253-46水轮机方案的主要参数选择2.2.1转轮直径D1的计算查水轮机型谱资料可得A253-46水轮机在限制工况下的单位流量为0.805m3/s，M=0.886；Nr为水轮机的额定出力=Ngr/gr=120/（4*0.96）=31.25MW；Hr为水轮机的设计水头=110m；=M+,需经过试算来确定。Excel试算表（1）如下：表（1）由此算可以算得D1=1.952m，为使水

4、轮机有一定的富裕容量，通常选用较计算值稍大的标称直径。根据标准尺寸系列可取D1=2m。2.2.2转轮转速n的计算为了使水轮机在加权平均水头获得最高效率，故取H=Hav=116m；A253-46水轮机在最优工况下单位转速=63r/min，初步假定=63r/min，且D1=2m。由此可以算得n=339.3 r/min，为使机组有较小的尺寸和重量，选用与之相近标准同步转速333.3 r/min，此时磁极对数p=9。2.2.3效率及单位参数修正A253-46型水轮机在最优工况下的模型最高效率为，模型转轮直径为D1M=0.46m，原型效率，效率修正值为。考虑到模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在

5、已求得的值中再减去一个修正值。现在取=0.006，则可得到效率修正值为=0.014，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为。具体计算如下表2： (表2)单位转速的修正值按下式计算：<3%，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量也可以不加修正。由上可见， 是正确的，所以上述计算及选用的结果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正确的。2.2.4工作范围的检验在选定D1=2.0m、n=333.3r/min后，水轮机的及各特征水头相对应的即可计算出来。水轮机在Hr、Nr下工作时，其，故则水轮机的最大引用流量为=0.767*22*110=32.177m3/s与特征水头Hmax、

6、Hmin、和Hr相对应的单位转速为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型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出、n1min=56.34r/min， n1max=66.66r/min的直线，如图（1）所示。由图可见，有这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所以对于A253-46型水轮机方案，所选定的参数D1=2.0m、n=333.3r/min是合理

7、的。图（1）2.2.5吸出高程Hs及安装高程Zs的计算（1）吸出高程Hs的计算由水轮机的设计工况参数，在图（1）上可查得相应的气蚀系数约为=0.048，并查得Hr=110m对应的气蚀系数的修正值约为=0.016 是水轮机安装位置的海拔高程，取为下游平均水位的海拔高程，由此可得水轮机的吸出高度Hs=2.456（m）；可见，转轮中压力最低点在下游水面2.456m以上， A253-46型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。（2）安装高程按照公式 计算；为设计尾水位。设计流量=32.177m3/s，查下游水位-流量曲线表并插值计算=452.6+（32.177-30）*=452.8m，对于混流式水轮机，导

8、叶相对高度，所以bo=0.224D1=0.448m，于是求得Zs=452.8+0.448+2.456=455.704m。由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况及限制工况下对应的，比设计工况时的气蚀系数0.048大，因此该工况不是气蚀最危险工况。2.3 A502-35水轮机方案的主要参数选择2.3.1转轮直径D1的计算查水轮机型谱资料可得A502-35水轮机在限制工况下的单位流量为0.872m3/s，M=0.87；Nr为水轮机的额定出力=Ngr/gr=120/（4*0.96）=31.25MW；Hr为水轮机的设计水头=110m；=M+,需经过试算来确定。Excel试算表（2）如下：表（3）由

9、此算可以算得D1=1.884m，为使水轮机有一定的富裕容量，通常选用较计算值稍大的标称直径。根据标准尺寸系列可取D1=2m。2.3.2转轮转速n的计算为了使水轮机在加权平均水头获得最高效率，故取H=Hav=116m； A502-35水轮机在最优工况下单位转速=62r/min，初步假定=62r/min，且D1=2m。由此可以算得n=333.88 r/min，为使机组有较小的尺寸和重量，选用与之相近标准同步转速333.3 r/min，此时磁极对数p=9。2.3.3效率及单位参数修正A502-35型水轮机在最优工况下的模型最高效率为，模型转轮直径为D1M=0.35 m，原型效率，效率修正值为。考虑到

10、模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在已求得的值中再减去一个修正值。现在取=0.014，则可得到效率修正值为=0.006，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为。具体计算如下表2： (表4)单位转速的修正值按下式计算：，按规定单位转速可不加修正，同时，单位流量也可以不加修正。由上可见，是正确的，所以上述计算及选用的结果D1=2.0m、n=333.3r/min也是正确的。2.3.4工作范围的检验在选定D1=2.0m、n=333.3r/min后，水轮机的及各特征水头相对应的即可计算出来。水轮机在Hr、Nr下工作时，其，故0.774 m3/s<0.872m3/s则水轮机的最大引

11、用流量为= =0.774*22*110=32.47m3/s与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为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型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出774 L/s、n1min=56.34r/min， n1max=66.66r/min的直线，如图（2）所示。由图可见，有这三根直线所围成的水轮机工作范围（图中阴影部分）基本上包含了该特性曲线的高效率区。所

12、以对于A502-35型水轮机方案，所选定的参数D1=2.0m、n=333.3r/min是合理的。图（2）2.3.5吸出高程Hs及安装高程Zs的计算（1）吸出高程Hs的计算由水轮机的设计工况参数，774 L/s，在图（2）上可查得相应的气蚀系数约为=0.077，并查得Hr=110m对应的气蚀系数的修正值约为=0.016 是水轮机安装位置的海拔高程，取为下游平均水位的海拔高程，由此可得水轮机的吸出高度Hs=-0.734（m）；可见，转轮中压力最低点在下游水面0.734m以下， A 502-35型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。（2）安装高程按照公式 计算；为设计尾水位。设计流量=32.47 m3

13、/s，查下游水位-流量曲线表并插值计算=（32.47-30）*=452.77m，对于混流式水轮机，导叶相对高度，所以bo=0.224D1=0.448m，于是求得Zs=452.77+0.448-0.734=452.484m。由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况及限制工况下对应的，比设计工况时的气蚀系数0.077大，因此该工况不是气蚀最危险工况。2.5两种水轮机型号比较 表（5）水轮机方案参数对照表序号项目A253-46A502-351模型转轮参数推荐使用水头范围（m)1401402最优单位转速n10(r/min)63623最优单位流量Q10(L/s)6556454最高效率Mmax(%)9

14、292.75气蚀系数0.0470.0776原型水轮机参数工作水头范围（m）100-140100-1407转轮直径D1(m)2.0 2.0 8转速n(r/min)333.3333.39最高效率max(%)93.494.910额定出力Nr(kw)312503125011最大应用流量Qmax(m3/s)32.17732.4712吸出高Hs(m)2.456-0.734由表（5）可知，两种机型方案的水轮机直径D1相同，均为2.0m，转速也相同，均为333.3r/min。但A253-46型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运行效率较高，气蚀系数较小，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小电站厂房

15、的开挖工程量；根据以上分析，在制造供货方面没有问题时，初步选择A253-46型水轮机方案较为有利。三蜗壳及尾水管设计3.1蜗壳的设计3.1.1蜗壳的型式及其主要参数选择由于工作水头均大于40m，故采用金属蜗壳，断面形状为圆形断面，以改善其受力条件，最大包角max345°，导水叶高度b0=0.224D1=0.448m，蜗壳进水断面的平均流速Vc值根据水轮机设计水头Hr=110m由经验曲线查取上限值为9.6m/s。3.1.2蜗壳的水力计算已知条件：水轮机的设计水头Hr=110m，相应的最大引用流量Qmax=32.177m3/s，导叶高度b0 =0.224D1=0.448m，座环固定导叶外

16、径，座环内径（查询水轮机设计手册），进口断面形状为圆形，最大包角max345°，平均流速Vc取9.6m/s。研究水流运动规律，计算蜗壳几何形状和尺寸，并用CAD绘出蜗壳单线图。水流进入蜗壳后，为便于分析计算，根据蜗壳中水流必须均匀地轴对称地进入导水机构的要求，则座环进口四周各点的水流径向流速分量Vr应等于常数，既有 对于圆周速度分量Vu径向变化规律有两种假设：任一断面上沿径向各点的水流速度矩等于常数，即；任一断面上沿径向各点的水流圆周分速度等于常数，即。假设式对可使导水机构进口的水流环量满足均匀、轴对称的要求；假设式使得蜗壳在尾部流速较小，尾部断面尺寸较大，有利于减小水头损失，并便于

17、加工制作。为计算简单，采用式。蜗壳的断面尺寸根据各断面流速相等条件来计算：任一断面流速：（包角从鼻端起算至断面i的包角，如图（3）图（4）所示） 图（3） 金属蜗壳的平面单线图 图（4）金属蜗壳外包线示意图于是得到断面尺寸为：断面半径： 断面中心距：断面外半径：其中，计算表如表（6）所示：表（6）3.2尾水管的设计3.2.1尾水管选型尾水管的型式很多，目前最常用的有三种：直锥形、弯锥形和弯肘形。直锥形尾水管结构简单，性能最好（可达80%-85%），但其下部开挖工程量最大，因此一般应用于小型水轮机。弯锥形尾水管比直锥形尾水管对了一段圆形等直径的弯管，它是常用于小型卧式水轮机中的一种尾水管，由于其

18、转弯段水力损失较大，所以其性能较差，约为40%60%。弯肘形尾水管不但可以减小尾水管的开挖深度，而且具有良好的水力性能，可达75%80%，除贯流式机组外几乎所有的大中型水轮机均采用这种型式的尾水管。本题尾水管型式选用弯肘形尾水管，它由进口直锥段、中间肘管段和出口扩散段三部分组成。3.2.2尾水管各部分形状及尺寸选择对混流式水轮机的尾水管图（5），在一般情况下，水轮机属于高水头水轮机，所以D1<D2，其尺寸可以根据推荐的尾水管尺寸表确定。图（5）混流式水轮机弯肘形尾水管进口直锥段进口直锥段是一段圆锥行扩散管，其单边扩散角的最优取值为7°-9°，本题取=8°，h1和h2可按水轮机型号从结构上确定。中间弯肘段（肘管）它是一段90°转弯的变截面弯管，其进口断面为圆形，出口断面为矩形，按标准混凝土肘管尺寸，其中所列数据对应h4=1.35*D1=2.7(m)，应用时乘以选定的h4=2.7(m)，即可得到所需值。出口扩散管它是一段水平放置、两侧平行、顶板上翘角的矩形扩散管。一般取，本题取。尾水管的高