红石水电站总装机容量17.5万千瓦方案水轮机选型.docx

摘 要本说明书共六个章节，主要介绍了红石水电站总装机容量17.5万千瓦方案水轮机选型，水轮机运转综合特性曲线的绘制，蜗壳、尾水管的设计方案和工作原理。主要内容包括水电站水轮机、排水装置、所满足的设计方案及控制要求和设计所需求的相关辅助图和设计图。系统的阐明了水电站相关应用设备和辅助设备的设计方案的步骤和图形绘制的方法。关键词：水轮机、综合运转特性曲线图、蜗壳、尾水管。目录第一章 基本资料- 1 -第二章 水轮机的特征水头的计算- 1 -2.1最大水头- 1 -2.2最小水头- 3 -2.3设计水头- 3 -第三章 水轮机型号及装置方式的确定- 3 -3.1水轮机型号的选择- 3 -3.2HL240型基本工作参数的确定- 4 -3.2.1 转轮直径D计算- 4 -3.2.2 转速计算- 4 -3.2.3 效率修正值的计算- 4 -3.2.4 出力校核- 5 -3.2.5 运行范围校核- 5 -3.2.6 装置方式- 7 -3.2.7 吸出高度与安装高程的确定- 7 -3.3 ZZ440型水轮机基本参数的计算- 8 -3.2.1 转轮直径- 8 -3.2.2 转速n计算- 8 -3.2.3 效率及单位参数修正- 9 -3.2.4 工作范围的验算- 10 -3.2.5 吸出高度Hs的计算- 11 -3.2.6 装置方式- 11 -3.2.7 安装高程的确定- 11 -3.3 两种方案的比较分析- 12 -第四章 水轮机运转特性曲线的绘制- 13 -4.1 基本资料- 13 -4.2 等效率线的计算与绘制- 13 -4.3 出力限制线的绘制- 14 -4.4 等吸出高度线的计算- 15 -第五章 蜗壳设计- 17 -5.1 蜗壳型式选择- 17 -5.2 主要参数确定- 17 -5.2.1 断面形状的确定- 17 -5.2.2 蜗壳包角的选择- 17 -5.2.3蜗壳进口断面流速- 17 -5.2.4蜗壳进口断面流量：- 18 -5.2.5蜗壳进口断面面积：- 18 -5.3 蜗壳尺寸的计算- 18 -5.3.1进口断面尺寸的计算- 18 -5.3.2中间断面尺寸的计算- 19 -第六章 尾水管设计- 21 -6.1 尾水管型式的选择- 21 -6.2 弯肘形尾水管主要尺寸的确定- 21 -6.2.1 尾水管高度确定- 21 -6.2.2进口锥管尺寸的确定- 21 -6.2.3 肘管型式的确定- 22 -6.2.4 出口扩散段的设计- 22 -参考文献- 23 -第一章 基本资料红石水电站位于第二松花江的上游，在丰满水库干流回水的末端，坝址以上的流域 面积为 20300 平方公里，其上游 38 公里处的水库末端为白山水电站。红石电站系松花 江上游白山电站与丰满电站之间的一个梯级电站。 红石水电站水库正常蓄水位为 290 米。白山至红石区间河段集水面积不大，百分之 九十来水经白山水库进行调节，红石水库库小，仅能考虑日调节，增加水库削落深度将 增加电能损失，故水库水位削落过大显然是不适合的。根据上述情况，按日调节要求， 并考虑在必要时尚能满足以台机组担任事故备用八小时这个条件确定水库设计死水位 为 289 米。 东北地区电网大，发展快，而水力资源又较少，开发条件较好可用于调峰的电站为 数不多。红石水电站不但上有白山电站调节，而且地理位置适中，因此适当加大装机容 量以满足电力系统的要求是很必要的。建议红石水电站装机容量的选择应考虑以下因素： （1）机组过水能力应与白山机组的总过水能力 900m3/s 相适应；（2）年利用小时数控 制在 2000 小时左右；（3）参照国内机组的实际生产情况。第二章 水轮机的特征水头的计算2.1最大水头Hmax=Z上max-Z下min根据给出的流量Q和坝址Z数据，在excel工作表中找出流量Q和坝址Z的关系如图2-1得出公式y = 3E-09x3 - 6E-06x2 + 0.0063x + 262.69再根据公式粗算出力NT，找出最符合的区间范围再进行精算，最后找到4台水轮机总出力为17.5万kw时对应的下游水深，即可求出最大水头，计算结果见表2-1、2-2。图2-1QZHN4N100263.26326.73721389.685558.4110263.314426.6856123483.3393933.34120263.364826.6352225569.81102279.2130263.414226.5858127649.24110597140263.462626.5373729721.85118887.4150263.510126.4898831787.85127151.4160263.556726.4433133847.44135389.8170263.602326.3976635900.82143603.3180263.647126.352937948.18151792.7190263.69126.3090239989.71159958.9200263.73426.26642025.6168102.4210263.776226.2238244056.01176224.1220263.817526.1824646081.12184324.5230263.858126.141948101.09192404.4(表2-1)QZHN4N202263.74250 26.25750 42432.11479 169728.45916 203263.74674 26.25326 42635.29054 170541.16214 204263.75097 26.24903 42838.41208 171353.64831 205263.75520 26.24480 43041.47959 172165.91834 206263.75941 26.24059 43244.49323 172977.97292 207263.76362 26.23638 43447.45318 173789.81272 208263.76781 26.23219 43650.35961 174601.43843 209263.77200 26.22800 43853.21268 175412.85071 210263.77618 26.22382 44056.01256 176224.05024 (表2-2) 最后由(表2-2) 计算算得Hmax=26.228m2.2最小水头最小水头由设计死水位的高度减去单机发电尾水位是对应的高度Hmin=Z上min-Z下max同样可按照最大水头的算法求出列表如下QZHN880265.63223.36798164510.6890265.659323.34069166185.7900265.68723.313167853.6910265.715123.28489169514920265.743723.25634171166.6930265.772723.22733172811.3940265.802223.19785174447.8950265.832123.16788176075.9960265.8626232970265.893623.10638179305.5 QZHN940265.8021523.19785174447.81696941265.8051323.19487174611.00498942265.8081123.19189174774.10818943265.811092312632944265.814082305914945265.817082390639946265.820082366780947265.823082334312948265.826092393211 表2-3 表2-4最后计算得Hmin=23.188m2.3设计水头河床式水电站设计水头应按照公式 Hp=4Hmax(HmaxHmin+1)2 进行计算根据公式算得设计水头Hp=24.64m第三章 水轮机型号及装置方式的确定3.1水轮机型号的选择根据该水电站的水头变化范围23.188m26.228m，参照水电站教材附录中的附表1和附表2的水轮机转轮型谱参数表，查出合适的机型有HL240型水轮机（适用水头范围2545m）和ZZ440型水轮机（适用水头范围2040m）两种。现将这两种水轮机作为初步方案，分别求出其有关参数，并进行比较分析。3.2HL240型基本工作参数的确定从型谱中查得HL240模型参数为：最优单位转速n10=72rmin,模型最高效率maxM=0.92，模型转轮直径D1M=0.46m。3.2.1 转轮直径D计算转轮直径 D1=NT9.81Q1Hp32 (3-1)式中：水轮机额定出力，NT=NeF=17.540.96= 4.56万kW (为发电机效率：0.950.98，取0.96)； 采用最优单位转速与出力限制线交点处单位流量，；设计水头，=24.64m； 水轮机效率，设=0.90。代入式中得D1=456009.811.2424.64320.90= 5.84m采用与其相近的标准转轮直径6.00m。3.2.2 转速计算转速 n=n1HD1 (3-2)式中： 单位转速采用最优单位转速r/min； 采用设计水头=24.64m； 采用选用的标准直径=6m。代入式中，则 n=7224.646=59.57 r/min采用与其接近的同步转速60 r/min，磁极对数P=50。3.2.3 效率修正值的计算1.真机最高效率 根据水电站教材图3-6中查得HL240型水轮机在最优工况下最高效率为=92.0%，模型转轮直径=0.46m，所以原型水轮机的最高效率可采用下式计算，即 max=1-(1-maxM)5D1MD1 (3-3) 代入算得 max =0.95 2.效率修正值考虑到制造水平的差异，根据水轮机的标准直径，凭经验=1%，如果原型水轮机所使用的蜗壳和尾水管与模型试验时采用的型式不同，则意味着原型水轮机使用了异型部件。凭经验知，原型水轮机的实际效率要比计算值低，由于使用异型部件的原因，还要减去一个值。在本设计中，取=0，则效率修正值有下式计算=0.95-0.92-0.01-0=0.02n1n10=maxmaxM 1=0.0160.03故单位转速与单位流量可不予修正。3.2.4 出力校核NT=9.81QTHp (kW) (3-4)式中QT为水轮机设计流量，QT=Q1D12H；Q1根据n1=nD1Hp=72.52 r/min与出力限制线交点处Q1=1.24m3s，M=0.895,代入式中得：QT=221.59m3s;设计水头Hp=24.64m；水轮机效率=M+=0.915则NT=49000kw，稍大于4.56万Kw，基本满足要求3.2.5 运行范围校核在选定D1=6.0m和n=60 r/min后，水轮机的最大的及各特征水头相对应的即可计算出来。水轮机在=24.64 m、NT=4.56万KW下工作时，其相应的最大单位流量即为，故: 则水轮机的最大引用流量为对值：在设计水头=24.64m时， 在最大水头Hmax=26.228m时， 在最小水头Hmin=23.188m时， 最大水头对应的单位流量应试算求得M和单位流量Q1，在模型综合特性曲线上找到对应的点，进而确定水轮机的工作范围，其实算结果见表3-1假设Q1MNT0.90.89810.928139623.840.920.8970.92740456.360.9408990.92941425.030.960.9050.93542579.650.980.9130.94343838.6410.9160.94644875.611.020.920.9545966.67表3-1式中M根据综合特性曲线表查出，=M+，=0.03，NT=,算得水轮机出力最接近4.56万kw时，选取Q为最大水头的单位流量，填入表3-2项目HmaxHmin水头(m)26.22824.6423.188单位转速n170.2972.5274.76单位流量Q11.011.241.24表3-2在HL240型水轮机模型综合特性曲线图上，分别绘出，和为常数的直线，由图3-1可见，由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HL240型水轮机方案，所选定的参数=6m和是比较满意的，但是还需要和其他方案作前面的比较图3-13.2.6 装置方式采用立轴安装方式3.2.7 吸出高度与安装高程的确定当地海拔高度=1047m，列表计算如表3-3项目最大水头设计水头最小水头水头（m）26.22824.6423.188单位转速n170.2972.5274.76气蚀系数0.2020.1980.195修正值0.050.0540.056(+)H6.6095 6.2093 5.8202 吸出高度HS(m)1.2272 1.6274 2.0165 表3-3采用最小值HS=1.23m，确定水轮机安装高程=263.772+1.23+0.36562 =266.097m (b0=0.365D1)3.3 ZZ440型水轮机基本参数的计算3.2.1 转轮直径从型谱中查得ZZ440模型参数为：最优单位转速n10=115rmin, 限制工况下的单位流量=1650L/s 转轮直径的计算公式 (3-5)式中和均同前Q1采用限制工况为1.65m3s采用限制工况Q1与最优单位转速n10相应的M=0.823(查zz440综合特性曲线)，设=0.02，则=M+=0.843 采用与其相近的标准转轮直径5m。3.2.2 转速n计算转速 选用与之接近而偏大的同步转速，磁极对数为P=26。3.2.3 效率及单位参数修正对于轴流转浆式水轮机，必须对其模型综合特性曲线图上的每个转角的效率进行修正。当叶片转角为时的原型水轮机最大效率可用下式计算max=1-0.31-maxM-0.7(1-maxM)5D1MD110HMH已知D1M=0.46m、HM=3.5m、D1=5m、H=24.64m,代入上式，则得：max=1-0.657(1-maxM)叶片在不同转角时的可由模型综合特性曲线查得，从而可求出相应的值的原型水轮机的最高效率并将计算结果列于表3-4当选取效率的制造工艺影响修正值和不考虑异性部件的影响时，即可计算出不同转角时的效率修正值。其中计算结果如下表3-4表3-4 ZZ440型水轮机效率修正值计算表转角()maxM1- maxMmax-100.8490.1510.9007930.041793-50.880.120.921160.0311600.8880.1120.9264160.02841650.8830.1170.9231310.030131100.8720.1280.9159040.033904150.860.140.908020.03802210.8280.1720.8869960.048996设计水头时水轮机出力为 NT=9.81Q1D12Hp32由=115.3824.645=114.54(r/min)及Q1=1.65m3/s查得相应的装置角=21模型效率M=0.828，效率修正值=21=0.049，则=0.828+0.049=0.877，代入式中得NT=9.811.655224.64320.877=43406kw, 稍小于45600，故满足要求。2.效率修正值由在水电站教材附录中附表1查得ZZ440型水轮机最优工况的模型效率为=89。由于最优工况接近于=0等转角线，故可采用作为其修正值，从而可得原型最高效率为=0.89+0.028=0.918=91.8%n1n10=maxmaxM 1=0.9180.877-1=0.0230.03故单位转速与单位流量可不予修正。3.2.4 工作范围的验算在选定，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=24.64m、万KW下工作时，其相应的最大单位流量即为，故： ，则水轮机的最大引用流量为对值：在设计水头=24.64m时， 在最大水头Hmax=26.228m时， 在最小水头Hmin=23.188m时， 在ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图(图3-2)上分别绘出，=1730和，的直线。图3-2由图可见，由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ZZ440型水轮机方案，所选定的参数，是较合理的3.2.5 吸出高度Hs的计算由水轮机的设计工况参数，=1730，由水电站教材ZZ440型水轮机模型综合特性曲线图查得其气蚀系数约为=0.72，则可求出水轮机的吸出高度为3.2.6 装置方式采用立轴安装方式3.2.7 安装高程的确定立轴轴流式水轮机=263.772-10.13+0.415=255.69 m （其中取0.41）3.3 两种方案的比较分析为了便于分析比较，现将上述两种方案的有关参数列表如下：表3-5 水轮机方案参数对照表序号项目HL240ZZ4401模型转轮参数推荐使用的水头范 围（m）254520362最优单位转速721153最优单位流量11008004限制工况单位流量Q1max(L/s)124016505最高效率92896设计工况气蚀系数0.1950.427原型水轮机参数工作水头范围（m）23.1926.2323.1926.238转轮直径659转速60115.3810最高效率9591.811额定出力456004560012最大引用流量205.5214.6813吸出高度（m）1.23-10.1314安装高程ZA（m）266.097255.69从上列对照表来看，两种不同型号的水轮方案在同样水头下的同时工作满足额定出力的情况下，HL240和ZZ440比较来看：HL240包含了较好的高效率区，气蚀系数小，安装高程较高等优点，这可以提高水电站的年发电量和减少厂房的开挖工程量，HL240最高效率为95%大于ZZ440型水轮机，可以充分利用水力资源，同时也为水轮机经济运行创造条件。ZZ440型方案的优点仅表现在水轮机的转速高，有利于减小发电机尺寸，降低发电造价，但这种机型的水轮机为双重调节的水轮机，水轮机和调速设备的造价较高。由此看，若在制造供货方面没有问题时，初步选用HL240型方案较为有利。在技术设计阶段，尚需要计算出个方案的动能指标和经济指标，进一步进行分析比较，以选出合理的方案。本设计采用HL240型号的水轮机。第四章 水轮机运转特性曲线的绘制4.1 基本资料转轮的型式HL240型，主要综合特性曲线由水电站教材图3-6， 转轮的直径=5m，额定转速， 特征水头 Hmax=26.228m，Hp=24.64m，Hmin=23.188m， 水轮机的额定出力 =45600KW 尾水位高程 263.772 m安装高程 266.097 m效率修正值为 =0.024.2 等效率线的计算与绘制由于水电站的水头变化范围较小，现取水轮机工作范围内3个水头，列表4-1分别进行计算。依据表4-1中的数据绘制对应每个H值的效率特性曲线，如图 4-1。在该图上作出某效率值的水平线，它与图中各等H线相交，绘制HN坐标图，连成光滑曲线，既得出等效率线，如图4-2。表4-1 HL240型水轮机等效率曲线计算表(%)()(MW)(%)()(MW)(%)()(MW)870.838935.0870.838931.90 870.858929.83 880.879037.1880.879033.82 880.899031.58 890.919139.2890.929136.16 890.949133.73 900.949241.0900.959237.75 900.979235.19 910.989343.2910.999339.77 911.029337.40 911.189352.0911.29348.20 911.219344.37 901.219252.8901.239248.87 901.249244.98 891.249153.5891.269149.52 891.279145.57 881.279054.2881.299050.14 881.39046.13 871.38954.8871.318950.36 871.3258946.50 861.348855.9861.348850.93 861.358846.84 851.368756.1851.378751.48 851.378747.00 5%出力限制线上的点89.41.2491.453.889.81.2491.849.290.31.2492.345.14.3 出力限制线的绘制出力限制线表示水轮机在不同水头下实际允许发出的最大出力。由于水轮机与发电机配套运行，所以水轮机最大出力受发电机额定出力和水轮机5%出力储备线的双重限制。4.4 等吸出高度线的计算取3个水头，计算数据列表4-2分别进行计算。绘制辅助曲线，如图4-2（a）所示。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等气蚀系数线的所有交点坐标，值，填入下表。在辅助曲线上查出相应于上述各的N值，填入下表。利用公式计算出相应于上述各的值，填入下表。根据表中对应的，值，做出曲线，如图4-3（b）所示。在图上任取值，做水平线与曲线相交，记下各交点的、N值，绘于HN坐标图上，将各点连成光滑曲线即为等吸出高度线。和N关系曲线图Q和N关系曲线图表4-2 HL240水轮机等吸出高度线计算表H(m)()N(MW)Hs(m)26.2370.290.210.8735.080.266.819281.020.21.0341.690.256.5571.280.21.1854.680.256.5571.280.211.3155.710.266.819281.020.221.3556.090.277.081560.760.231.3756.220.287.343840.490.241.3956.410.297.606120.2324.6472.520.210.8432.420.2646.504961.330.20.9738.870.2546.258561.580.21.2749.710.2546.258561.580.211.3250.580.2646.504961.330.221.3651.280.2746.751361.090.231.3751.460.2846.997760.840.241.3951.780.2947.244160.5923.1974.760.210.8330.680.2666.1680081.670.20.9537.740.2565.9361281.900.21.2943.310.2565.9361281.900.211.3346.280.2666.1680081.670.221.3546.850.2766.3998881.440.231.37470.2866.6317681.200.241.3847.180.2966.8636480.97Hs和N关系图第五章 蜗壳设计5.1 蜗壳型式选择由于本水电站水头高度小于40m，所以采用混凝土蜗壳。5.2 主要参数确定5.2.1 断面形状的确定中小型水电站多采用n=0的平顶梯形断面，有利于接力器的布置，查水电站教材附录可知，此设计水轮机为中型水轮机，考虑在蜗壳顶部布置调速接力器的方便选择平顶梯形断面，即当时，选取；，选择；由水电站教材表1-3座环直径与关系取，座环内直径，=9.12m，=7.92m，即，。 5.2.2 蜗壳包角的选择 混凝土蜗壳，因为该水轮机的设计水头为24.64m故选取5.2.3蜗壳进口断面流速进口断面流速：= (5-1)带入得 =0.825=4.1 (其中流速系数ac可由水电站P22 混凝土蜗壳流速系数表按内插法查得) 5.2.4蜗壳进口断面流量： (5-2) 带入得 5.2.5蜗壳进口断面面积： （5-3）代入数据计算得5.3 蜗壳尺寸的计算5.3.1进口断面尺寸的计算根据几何关系，进口断面面积应满足下式 F1=a1b1-m12tg2+(ra-rb)b0 b1a1=1.6 m1=b1-b0 b0=2.19按下表5-1进行试算。表5-1 混凝土蜗壳进口断面尺寸试算表b1a1m1a1b112m12tg(ra-rb)b0F1F1-F1F174.3754.8130.6253.099651.31428.839356.73%6.54.06254.3126.406252.4887251.31425.231526.62%6.64.1254.4127.2252.6055511.31425.933454.02%6.74.18754.5128.056252.7250571.31426.645191.39%6.754.218754.5628.476562.7858141.31427.004750.06%6.84.254.6128.92.8472421.31427.366761.28%经试算得a1=4.22m,b1=6.75m,m1=4.56m，误差仅为0.06%，符合设计要求。根据a1、b1、m1、绘制进口断面轮廓线。5.3.2中间断面尺寸的计算1）顶角的变化规律可采用直线变化规律，则：K2=a1m1=4.224.56=1.98进口断面最大半径R=a1+ra=4.22+4.56=8.78m2）根据直线作出4个中间断面2、3、4、5，不同断面对应不同Ri，求出ai、mi,计算见表5-2。以b/r为纵坐标，r为横坐标，绘出各断面的b/r=f(r)关系曲线，求积分Si=rbRibrrdr，计算数据见表5-3表5-2 中间断面尺寸计算Ri8.787.937.086.245.44.563.96备注ai4.223.372.521.680.8400ai=Ri-rami4.542.901.620.720.1800mi=aiK22表5-3 Si计算表断面1b6.756.756.756.755.322.192.19S14.339r8.787.937.086.245.44.563.96b/r0.7687930.8511980.953391.0817310.9851850.4802630.55303断面2b5.835.835.835.322.192.19S23.317r7.937.086.245.44.963.96b/r0.7351830.8234460.9342950.9851850.4415320.55303断面3b4.914.914.912.192.19S32.281r7.086.245.44.563.96b/r0.6935030.7868590.9092590.4802630.55303断面4b4.014.012.192.19S41.437r6.245.44.563.96b/r0.6426280.7425930.4802630.55303断面5b3.12.192.19S50.757r5.44.563.96b/r0.5740740.4802630.55303断面6b2.192.19S60.318r4.563.96b/r0.4802630.553033）各断面的流量Q及其位置的计算：蜗壳常数K=Q0S1=110.7954.339=25.53，Q=KSi，=360QTQ，列表计算如表5-4所示。表5-4 Q、 计算表编号RiSiQFivi18.784.339110.7747179.96727.013194.10076327.933.31784.68301137.577919.185994.41379437.082.28158.2339394.6081312.6964.58679346.241.43736.6866159.601887.6070234.82272955.40.75719.3262131.397793.8070565.07641964.560.3188.1185413.189561.3146.1784934）绘制蜗壳平面图。根据R关系。每隔30。查出相应的半径R，列表如表5-5，根据该表绘制蜗壳平面图。（蜗壳平面图绘制在图纸上）进口宽度可取