水轮机选型设计与特性曲线绘制

《水电站课程大作业》

目录1问题提出 12问题的分析 13水轮机选择与比较 2水轮机型号初选 2反击式水轮机的主要参数选择 2混流A253-46型水轮机 2混流A502-35型水轮机 5两种方案的比较分析 7主要结论 84蜗壳及尾水管尺寸计算与绘图 8蜗壳断面尺寸计算 8尾水管型式及尺寸计算 10尾水管型式确定 10尾水管主要尺寸的确定 11尾水管局部尺寸的确定 11蜗壳以及尾水管单线图绘制 125原型运转综合特性曲线的绘制 12等水头线的绘制 12等效率线的绘制 14出力限制线的绘制 15等吸出高度线的绘制 15运转综合特性曲线 17

1问题提出某坝后式电站，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Hr＝110m，下游水位-流量曲线如下表所列：表SEQ表\*ARABIC1下游水位-流量关系曲线要求：（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）计算在设计水头下，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。问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φmax＝345°，导水叶高度b0=。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。2问题的分析本题是一个水轮机选型的综合题，本题的任务要求有：选择水轮机的台数和单机容量；选择水轮机的牌号、型号及装置方式；确定水轮机的直径、转速、吸出高及安装高程；确定蜗壳及尾水管尺寸；绘制水轮机运转综合特性曲线；选型设计已经收集的基本资料：水能规划资料装机容量：总装机容量为120MW,初拟四台机组；各种代表水头：Hmax=140m,Hmin=100m,Hav=116m,Hr＝110m；下游水位与流量关系曲线（表1）。水轮机产品技术资料水轮机的系列型谱：附件中包括轮系的水头适用范围、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。同步转速n：机组的同步转速与发电机的磁极对数有关，磁极对数只能是一对一对的，在选择水轮机转速是必须套用同步转速。n=3000/p(r/min)。某一轮系的模型综合特性曲线（包括飞逸特性曲线）。3水轮机选择与比较水轮机型号初选在水轮机型号选择中，起主要作用的是水头，每一种水轮机都有一定的水头使用范围。上限是由其结构强度和气蚀条件决定的，一般不允许超出。而下限是由经济条件决定的。Hmax不能超过该轮系的适用水头的上限；Hav、Hr在适用水头范围之内。若两种型号都适用，则需要进行对比分析和计算。问题条件中已经给出了电站的最大水头Hmax=140m，最小水头Hmin=100m，加权平均水头Hav=116m，计算水头H＝110m。于是，可以根据水头数据参考水轮机的系列型谱选择水轮机类型。查《中小型混流式、轴流式水轮机模型参数表》有多种选择方案，为了便于比较分析本文初步选择水轮机型号为A253-46和A502-35。两种机型均为混流型，装置方式采用立轴布置。反击式水轮机的主要参数选择利用模型综合特性曲线选择水轮机的主要参数，首先根据模型综合特性曲线，利用相似公式计算出原型水轮机的主要参数，然后把已选定的原型水轮机主要参数换成模型参数，会在模型综合特性曲线图上，以检验所选的参数是否合适，如果合适，则这些参数即为所选参数。混流A253-46型水轮机1．转轮直径D1的计算由公式可得到D1的计算公式为：(1)注意几个参数的取值：N取水轮机额定出力Nr，，是发电机的额定出力（机组容量）；是发电机效率，查资料可取为96%；所以求得Nr=。H取设计水头Hr=110m。取限制工况下的单位流量，查型谱表得=s,=%。效率，这一步需要试算，初步估计，则。由以上参数可以计算出D1=，对照标准直径去定D1；通常是选用相近而偏大的标准直径，以便使水轮机有一定的富裕容量。所以选择D1=。2.转速的计算水轮机转速的计算公式为：（2）参数取值：已知D1=。H取Hav=116m；即在运行过程中出现最多的水头。选用原型最优单位转速；初步假定=63(r/min)，为模型的最优单位转速。由以上参数，计算出n=(r/min)，按照标准选取转速，选取与之相近的同步转速(r/min)，p=9。3.效率及单位参数修正查表可得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=，原型效率（3）于是，求得，效率修正值为=2%。考虑到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，则可得到效率修正值为，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为（与上述假设相同）单位转速的修正值按下式计算：（4-1）则：（4-2）由于，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，原先假定的是正确的，所以上述计算及选用的结果D1=、n=min也是正确的。4.工作范围检验在选定D1=、n=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（5）则水轮机的最大引用流量为（6）与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为（7）在A253-46型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出、和的直线，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=、n=min是合理的。图SEQ图\*ARABIC1A253-46型水轮机的工作范围检验5.吸出高度Hs和安装高程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，并在《水电站》图2-26查得气蚀系数的修正值约为，由此可求出水轮机的吸出高度为（8）其中是水轮机安装位置的海拔高程，在初始计算时可取为下游平均水位的海拔高程，即，带入公式求得。即转轮中压力最低点在下游水面以上，水轮机安装位置合理，可见A253-46型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。安装高程按照公式（9）其中为设计尾水位。设计流量，查下游水位-流量曲线表得设计尾水位，而，于是求得。由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况，比设计工况时的气蚀系数大，因此该工况不是气蚀最危险工况。混流A502-35型水轮机与混流A253-46型水轮机的参数选择一样，本文从以下4个方面进行分析研究。转轮直径D1计算查《中小型混流式、轴流式水轮机模型参数表》可得A502-35型水轮机在限制工况下的单位流量，效率，由此可初步假定原型水轮机在该工况下的单位流量，效率。上述的、、和，代入公式（1）中可得，选用与之接近而偏大的标称直径。转速n计算查《参数表》可得A502-35型水轮机在最优工况下单位转速，初步假定，将已知的和,代入式（2）可得，选用与之接近的同步转速。效率及单位参数的修正查《参数表》可得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，根据式（3），可求得原型效率，则效率修正值。考虑模型与原型水轮机在制造工艺质量上的差异，常在求得的值中减去一个修正值。现在取，则可得效率修正值为，由此可得原型水轮机在最优工况和限制工况下的效率为（与上面假设值相同）单位转速的修正值按公式（4）计算，则按照规定单位转速可以不加修正。同时，单位流量也可不加修正。由以上可见，原假定的，，是正确的，那么上述计算的结果，也是正确的。共作范围的检验在选定，后，水轮机的及各特征水头相对应的即可以计算出来。水轮机在Hr、Nr下工作时，其，故由式（5）求解得到则水轮机的最大引用流量由式（6）有：与特征水头Hmax、Hmin、和Hr相对应的单位转速为在A502-35型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出、和的直线，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。所以对于A502-35型水轮机方案，所选定的参数D1=、n=min是合理的。图SEQ图\*ARABIC2A502-35型水轮机的工作范围检验5.吸出高度Hs和安装高程计算由水轮机的设计工况参数，，，在图2上可查得相应的气蚀系数约为，并在《水电站》图2-26查得气蚀系数的修正值约为，水轮机安装位置海拔高程，由水轮机的吸出高度公式（8）计算求解得。即转轮中压力最低点在下游平均水面以下，水轮机安装位置合理，可见A253-46型水轮机方案的吸出高度满足电站要求。安装高程按照公式（9），设计流量，查下游水位-流量曲线表得设计尾水位，而，于是求得。由模型综合特性曲线知，图上还有更高的气蚀工况，比设计工况时的气蚀系数大，因此该工况不是气蚀最危险工况。两种方案的比较分析为了便于比较分析，现将这两种方案的有关参数列入表2中。表SEQ表\*ARABIC2水轮机方案参数对照表由表2可见，两种机型方案的水轮机直径D1相同，均为。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的开挖工程量，所以在制造供货方面没有问题时，初步选择A253-46型方案较为有利。主要结论经过初选与比较最终选择的水轮机类型为A253-46型，装置方式采用轴立混流式。水轮机直径D1=，转速n=min，水轮机的工作范围100m-140m，计算水头下的额定出力。在设计水头Hr＝110m下，机组发出的额定出力时的允许吸出高，水轮机安装高程为，此工况不是气蚀最危险工况。4蜗壳及尾水管尺寸计算与绘图采用圆形断面的金属蜗壳，最大包角φmax＝345°，导水叶高度b0=。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。蜗壳断面尺寸计算蜗壳各断面尺寸根据沿流各断面流速相等条件计算。水流进入座环时，按照均匀对称如流的要求。径向流速分量应等于常数，既有（10）其中为座环外径，查规范得到可取，座环内径；为导叶高度，由题中b0==；圆周速度分量径向变化规律有两种假设假设任一断面上沿径向各点的水流速度矩等于常数，即；假设任一断面上沿径向各点的水流圆周分速度等于常数，即。前一种假定对满足蜗壳均匀、轴对称进水好一些；后一种假定使得蜗壳尾部断面尺寸较大，有利于减小水头损失，并便于加工制作。本文为了计算方便，采用假设（b），由各断面流速相等条件，得到各断面流速：（包角从鼻端起算，如图3所示）（11）图SEQ图\*ARABIC3金属蜗壳的平面单线图于是得到蜗壳半径计算公式：（12）设计水头Hr=110m，查《水电站》教材，图2-8蜗壳进口断面平均流速曲线，对金属蜗壳可取上限值。蜗壳外包线（如图4所示）计算公式：图SEQ图\*ARABIC4金属蜗壳外包线示意图（13）其中，计算成果表见表3：表SEQ表\*ARABIC3蜗壳尺寸计算成果表尾水管型式及尺寸计算尾水管型式确定尾水管的型式很多，目前最常用的有三种：直锥形、弯锥形和弯肘形。他们的特点如下：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。因此，本文中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。尾水管主要尺寸的确定对混流式水轮机的尾水管（图），在一般情况下，其尺寸可以根据《水电站》教材表2-1：推荐的尾水管尺寸表确定，由于水轮机属于高水头水轮机（D1>D2），可以选择尺寸数据如表4所示。图SEQ图\*ARABIC5混流式水轮机弯肘形尾水管表SEQ表\*ARABIC4尾水管尺寸表尾水管局部尺寸的确定进口直锥段。进口直锥段是一段圆锥行扩散管，对于混流式水轮机，其单边扩散角的最优取值为7°-9°。中间弯肘段。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，在《水电站》教材表2-2和图2-18给出了标准混凝土肘管尺寸，其中所列数据对应，应用时乘以选定的，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。尾水管的高度。尾水管的高度h是指水轮机底环平面的高度，对高水头混流式水轮机（D1>D2），。尾水管的水平长度。尾水管的水平长度L是指机组中心线到尾水管出口断面的距离，通常取。蜗壳以及尾水管单线图绘制通过以上计算确定蜗壳以及尾水管的尺寸，运用CAD软件绘出蜗壳及尾水管单线图如图图SEQ图\*ARABIC6A253-46型水轮机蜗壳、尾水管单线图5原型运转综合特性曲线的绘制运转综合特性曲线能更直观、更方便地指导水电厂运行。它是由模型综合特性曲线装换成的原型水轮机的综合特性曲线。可以分为四个部分进行。等水头线的绘制给定某一水头，对应综合特性上的一条横线，该横线与效率等高线相交，形成一系列交点，算出对应的原型出力，可以作出等水头曲线，即绘出对应每个H值的效率特性曲线。A235-46型水轮机等水头曲线计算表格见表5，用到的公式有：表表SEQ表\*ARABIC5A235-46型水轮机等水头曲线计算成果表对每组数据，以N的大小为基准进行升序排列，然后运用excel画图工具，对个别突变点进行平滑处理，作出等水头曲线如图7所示：图SEQ图\*ARABIC7等水头曲线等效率线的绘制在等水头曲线上作出某一效率值的水平线，它与图中的各等H线相交，读出所有交点的H、N值，并将其点绘制在H~N坐标图上，把它们连成光滑曲线，就得到了该效率值的等效率值，整理出数据表格如表6所示，用excel画图，作出等效率线如图8，表SEQ表\*ARABIC6等效