引水式水电站水轮机选型设计方案

引水式水电站水轮机选型设计方案1.1机组台数、单机容量的选择1.1.1组台数的选择水电站总装机容量等于机组台数和单机容量的成积，在总装机容量确定的情况下可以拟订出不同的机组台数方案，当机组台数不同时，则当单机容量不同，水轮机的转轮直径、转速也就不同。有时甚至水轮机的型号也回改变，从而影响水电站的工程投资、运行效率、运行条件以及产品供应。因此，在选择机组台数时，应从下列几方面综合考虑：(1)机组台数与设备制造的关系当选用的机组台数较多时，机组单机容量较小、尺寸也较小，对制造能力和运输条件的要求较低，但其单位千瓦消耗的材料较多，加工制造的工作量较大，故总造价较高。(2)机组台数与小电站投资的关系机组的台数较多时，不仅机组本身的单位千瓦造价较高，而且增加了闸门、管道、调速器等辅助设备及电气设备的套数，电气结线也较复杂，厂房的总平面尺寸也较大，机组的台安装维护工作量也将增加。因此，从这方面看，水电站的单位千瓦投资也将随着机组台数的增加而增加，但从另外一方面看，选用机组的尺寸小则厂房的起重能力，安装场地等都可减小。总的来说，在大多数情况下，水电站投资随机组台数增多而增加。(3)机组台数与水电站运行效率的关系当机组台数不同时，水电站的平均效率也不同，对于单台机组，大机组的效率较高，对于整个水电站，机组台数较多时，在运行中可以通过改变运行方式避开低效率区，有可能使其总平均效率提高，但当机组台数增加到一定程度后，再增加机组台数有可能会因为机组尺寸过小而使平均效率降低。(4)机组台数与水电站进行维护工作关系当机组的台数过多时，水电站的进行方式激动灵活、易于调度、每台机组的事故影响较小，检修工作也比较容易安排，但运行检修、维护工作量及年运行费用和事故率将随机组台的增多而增加，因此机组的台数不宜过多。上述各种因素是相互联系而又相互对立的，不可能同时一一满足，为了制造安装运行，维护及设备供应的方便，在一个水电站内应尽可能选择相同型号的机组，大中型水电站机组常采用扩大单元信线，为了使电器主结线对称。大多数情况下机组台数用偶数，本设计引水式水电站的总装机容量为16万千瓦，属中型水电站，我国的建成的中型水电站一般采用4—6台机组，由于上述各种因素，本设计选用4台机组。1.1.2机容量的选择本设计水电站的总装机容量N为16万kw，选用4台机组，故单机容量为4万kw，满足保证出力1.5万千瓦。1.2安装方式与型号选择1.1.1装置方式选择在大型水电站中，其数轮发电机组的尺寸较大，安装高程也较低，因此其装置方式多采用竖轴式，这样使发电机的安装位置不容易受潮，机组的转动效率较高，而且水电站厂房的面积较小，设备布置较方便。1.1.2水轮机型号选择根据本设计水电站的水头变化范围34.6--38.1m，在水轮机系列型谱表3-3、表3-4查出合适的机型有HL240和ZZ440两种，现将这两种水轮机作为初选方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。(1)HL240型水轮机方案的主要参数选择①转轮直径D1的计算查表3—6和图3—12得HL240型水轮机在限制工况下的单位流量Q1m′=1.24m3/s，效率M=90.4%，由此可以初步假定原水轮机的单位流量Q1′=Q1M′=1.24m3/s,效率M=92%.根据水轮机额定出力Nr的计算公式Nr=9.81Q1′D12Hr可得：D1==4.092m选用与之相接近的、偏大的标准直径D1=4.01m.②转速n的计算查表3—4可得HL240型水轮机在最优工况下的单位转速n10M′=72r/min，初步假定n10′=72r/min,已知Hav=36.2D1=41m.根据公式n=(r/min)可得：n==105.7r/min选用与之接近、偏大的同步转速n=107.1r/min.③效率及单位参数的修正查表3—6可得HL240型水轮机在最优工况下的模型最高效率Mmax=91.0%,模型转轮直径D1M=0.46m,由公式(3--14)max=1-(1-Mmax)=1-(1-0.92)×=94.8%则=max-Mmax=94.8%-92%=1.8%考虑模型与原型水轮机的质量差异,常在减去一个修正=1.2%,=1.6%max=Mmax+=92%+1.6%=93.6%=M+=90.4%=1.6%=92%(与假设相同)因为,=-1=0.97%<3%所以，不需要修正.则n=107.1r/min,Q1′=1.24m3/s,D1=4.1m.④工作范围的检查在选定D1=4.10m,n=107.1r/min后,水轮机的及特征水头相对应的n1′可以计算出来.===1.235<1.24m3/s水轮机的最大引用流量为124.9m3/s各个特征水头相对应的单位转速在HL240型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出，的直线，三线所包围的水轮机工作范围包含了该特性曲线的高效区.所以该设计是合理的.⑤吸出高程的计算由水轮机的设计工况参数=73r/min,=1235L/s,在图3—12可查得相应的气蚀系数为=0.195，并可以从图2—26查得气蚀修正值=0.031则=10-151.6/900-(0.195+0.031)×36.2=1.65m>-4.0m由此可见HL240型水轮机的方案的吸出高程满足水电站的要求.(2)ZZ440水轮机方案的主要参数①转轮直径D1计算由表3—7查得ZZ440型水轮机在限制工况下的单位流量Q1m′=1.65m3/s,同时该工况的气蚀系数=0.72,[]=-4m时=0.351<0.72在满足-4m吸出高度的前提下,从图可查知(=115r/min,=0.351)处的流量Q1′=1030L/s,M=88.5%,假定水轮机的效率为91.5%.D1==4.5m查表1—2可知,选用与之接近的标准直径D1=5.0m②转速的计算n=(r/min)=153.8r/min取n=166.7r/min③效率及单位参数的修正查表3—7可知=0.46，=3.5m已知D1=5.0m，=36.2m则=叶片在不同转角时的可由模型综合特性曲线查得，从而得出相应值的原型水轮机的最高效率.叶片转角-10°-5°0°5°10°15°20°84.98888.888.387.28681.590.291.291.791.491.790.988.7-5.34.23.94.14.54.96.24.33.21.93.13.53.95.2ZZ440型水轮机效率修正值计算表由表3-7查得ZZ440水轮机最优工况的模型效率=89%,由于最优工况接近于=0°的时候.故采用=1.9%作为修正值则原型的最高效率max=+=89%+1.9%=91.9%已知在吸出高程为-4m,限制工况点(=115r/min,Q1′=1030L/s)处的模型效率=88.1%而该工况在5°—10°之间，用内差法可求得=3.02%.由此可得该工况点的原型水轮机效率为=88.5%+3.02%=91.52%因为==1.6%<3%所以n不用修正.则D1=5m,n=150r/min是正确的④工作范围的检查D1=4.5m,n=166.7r/min==1030L/s水轮机的最大引用流量为125.5m3/s各个特征水头相对应的单位转速：在HL240型水轮机模型综合特性曲线图上分别绘出，，的直线，三线所包围的水轮机工作范围包含了该特性曲线的部分高效区.所以该设计是不合理的.⑤吸出高程的计算由水轮机的设计工况点(=124.68r/min,=1030L/s,)在图3—12可查得相应的气蚀系数为=0.348，并可以从图2—26查得气蚀修正值=0.031则=10-151.6/900-(0.348+0.031)×36.2=-3.82m>-4.0m由此可见ZZ440型水轮机的方案的吸出高程满足水电站的要求.(3)两种方案的比较分析水轮机方案参数对照表序号项目HL240ZZ4401模型推荐使用的水头范围(m)25～4520～362最优单位转速(r/min)721153最优单位流量(L/s)11008004最高效率(%)92895气蚀系数0.1950.426原型工作水头范围(m)34.6～38.134.6～38.17转轮直径D1(m)4.14.58转速(r/min)107.1166.79最高效率(%)93.691.910额定出力(kw)40816.340816.311最大引用流量(m3/s)124.9125.512吸出高度(m)1.62-3.82由上表可见,HL240型水轮机的转轮直径比ZZ440型的小,而且HL240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少电站厂房的开挖工程量.ZZ440型水轮机方案的机组转速较高,有利于减少发电机的尺寸,减低发电机的造价,但是,这种机型的水轮机调节系统的造价较高.根据以上分析,在制造供贷方面没有问题时,初步选定HL240型的方案比较有利.1.3水轮机运转特性曲线的绘制水轮机运转特性曲线是针对原型水轮机绘制的,它直接的反映了原型水轮机在各种工况下的特性,水轮机运转特性曲线是在转轮直径和转速为常数时,以水头H为纵坐标和出力N为横坐标,绘制的几组等值线.1.3.1等效率线的绘制在水轮机工作水头变化范围内取Hmax,Hr,Hmin三个H值,绘出对应每个H值的效率特性曲线,如图1,在该图上作出某一效率的直线,与图中的各线相交,读出所有交点的H,N值并将点绘制在H～N图上,并连成光滑的曲线,这就是该效率的值的等效率曲线,同理也可以得出其他的等效率曲线.其计算过程见下表等效率曲线计算表NN870.8388.628.52870.8388.626.42880.8789.630.23880.87589.628.16890.9190.631.97890.9290.629.94900.9491.633.39900.9691.631.59910.9891.635.19910.9991.631.93911.1891.641.37911.2091.639.91901.2291.643.34901.23591.640.63891.2590.643.92891.2690.641.00881.2889.644.48881.2989.641.52871.3188.645.01871.3288.641.011.3.2等吸出高度线的绘制①绘出各水头下的=f(N)辅助曲线,.如图3②求出各水头下的值,并在相应的模型综合特性曲线上查出水平线与各气蚀系数的所有交点的坐标,的值,添入下面的计算表中,③在=f(N)曲线上查出相应于上述的N值,添入下面的计算表中.④利用公式计算出相应于上述值的Hs值,添入下面的计算表中.⑤根据表中对应的Hs,N值,做出Hs=f(N)曲线.如图4⑥在Hs=f(N)图上任取一个Hs值,做水平线与曲线相交,记下几个交点的Hs和N值,并绘制出H～N坐标图上,将各点连成光滑的曲线就是某Hs等吸出高度曲线.同理可以做出其他Hs等吸出高度曲线.其计算过程见下表吸出高度计算表HN()HHs38.10.03071.140.210.8629.250.2409.140.690.201.0135.840.2308.761.070.201.2041.120.2308.761.070.211.3144.20.2409.140.6936.20.03271.980.210.83528.170.2428.761.070.200.97320.2328.401.430.201.2840.70.2328.401.430.211.3241.250.2428.761.0734.60.03574.650.210.8324.0.2458.481.350.200.9528.50.2358.131.700.201.2938.230.2358.131.700.211.3338.830.2458.481.351.3.3出力线的绘制水轮机最大出力受到发电机额定出力和水轮机5%出力贮备线的双重限制，在运转综合特性曲线图上，H≥Hr时的出力线为N=Hr的一段垂直直线，H<Hr时水轮机出力受5%出力贮备线的限制,A点与B点的连线即为出力线.做法如图2.1.4蜗壳的设计1.4.1蜗壳形式的选择由于所设计的水电站水头小于40m,为了节约钢材,且梯形断面与圆形断面相等时，梯形断面可以沿轴向上下延伸,与圆形相比径向尺寸较小,可以减少厂房的面积和土建投资,所以本设计采用了混凝土蜗壳,并采用平顶梯形断面.1.4.2参数的选择(1)断面形式因为,本设计采用了平顶梯形,所以n=0,当n=0时,r=10°～15°,=1.5～1.7可达到1.0,本社及选用r=12°,=1.6.从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳包角,常用来表示,对于混凝土蜗壳由于勘测流量较大,允许的流速减小,允许的流速较小,通常采用=180°～270°,本设计采用=270°.(2)进口平均流速的确定当蜗壳的断面形式及包角确定后,蜗壳进口断面均流速是决定断面尺寸的主要参数,1.4.3蜗壳的水利计算(1)断面尺寸根据公式(2-8)解得a=3.6b=5.76m=4.26b0=1.5(字母的位置如图5)(2)确定中间断面顶角点的变化规律在图5中CH对角线为,k=m/a=1.18查《水电站设计手册》(水利机械卷)表12-15,可知Da=6.35mDb=5.5m.(3)图的绘制根据《水电站》的公式(2-3)和(2-4)式可知中间断面面积Fi与包角的关系为,所以是直线绘制辅助曲线,在进口断面做出若干个中间断面,如图5.结合及已知数据可以求出每个断面的面积Fi,,根据下表可就可以绘制曲线.编号543210Ai0.61.21.81.43.03.6Da/23.175Ri3.7754.3754.9755.5756.1756.775Fi1.273.296.069.5713.8218.941.4.4蜗壳单线图的绘制根据计算需要选定若干个,并由图6上查出相应的Ri,就以绘制出蜗壳断面单线图,如图7(°)270210180150120906030Ri(m)6.7756.2755.9455.7254.9255.0754.5754.0751.5尾水管的设计1.5.1尾水管型式的选择对于大中型水轮机,为了减少尾水管的开挖深度,均采用弯肘形尾水管1.5.2尾水管尺寸设计由《水电设计手册》查得HL240型水轮机转轮流道尺寸如图8.D2=1.078D1尾水管尺寸采用推荐尺寸.1.5.3进口直锥段进口直锥段是一段垂直的圆锥形扩散管,进口直径为D3高度为h3锥管段均设金属里衬,以防止旋转水流对管壁的破坏,对混流式水轮机,单边的扩散角的最优值为7°～9°,本设计选用8°,进口直径D3=D2=1.078D=4.42m.1.5.4中间弯肘段(肘管)肘管是一段90°转角的边截面弯管,其进口断面为圆形,出口断面为矩形,管内一般不设金属里衬,在水头大于150m,流速大于6m/s时,才设金属里衬.1.5.5出口扩散段出口扩散段是一段水平放置,两侧平行,顶板上翘的矩形扩散管,一般取10°～15°,当出口断面宽度过大时,可按水工结构要求加设中间设墩,它的厚度取(0.10～0.15)B5.1.5.6尾水管尺寸的确定(字母见图9和图10)推荐的尾水管尺寸表1.64.51.721.351.350.6751.821.22因为=4.10m所以可得h=10.66mL=18.45m=11.152m=5.535m=5.535m=1.77m=7.462m=5.002m混凝土标准肘管尺寸表1.01.0151.350.50.360.861.10.60.180.581.095因为=5.535m所以可以按上表求出下列各值=11.16m=4.76m=3.321m=3.21m=6.09m=0.997ma=1.99m